第9章-充填采矿法

第九章充填采矿方法典型单层充填采矿法上向水平分层充填法上向倾斜分层充填法下向分层充填法分采充填采矿法方框支架充填采矿法矿柱回采第一节充填采矿方法概况1.1基本概念充填采矿法：随着回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区的采矿方法称为～。充填采空区的目的：利用充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表下沉、用来预防有自燃性矿石的内燃火灾、保护矿区环境、多回收矿产资源。矿山进入深部开采后，主要使用充填法进行回采，目的改变围岩应力状态，减缓围岩能量的释放速度，避免岩爆发生。1.2充填采矿法分类按矿块结构和回采工作面推进方向，分为:单层充填采矿法、上向分层充填采矿法、下向分层充填采矿法和分采充填采矿法按充填料和输送方式不同，分为:干式充填采矿法、水力充填采矿法、胶结充填采矿法目前，两种充填采矿方法分类都在使用。1.3充填采矿方法发展现状及趋势充填采矿法是地下开采中矿石损失与贫化最低的采矿方法。应用条件主要是围岩不稳固或围岩与矿体均不稳固的有色金属富矿或贵金属、稀有金属矿床，以及深部开采使用的主要采矿方法。随着矿产资源的逐渐减少，一些价格不高的矿产开采也开始使用充填法开采，取得了不错的经济效益。随着无轨设备、高分层落矿、充填系统自动化等技术的应用，全尾砂充填材料的广泛使用，逐步降低了采矿成本，实现高效安全文明开采成为可能。有鉴于此，使充填采矿法在相对低价值矿种的开采中也具有广阔的应用前景。（1）矿山充填技术发展简史矿山充填技术的发展，在国外有近70年历史，在我国也有近60年历史，充填技术发展经历了四个阶段。第一阶段：在20世纪40年代以前，以处理废弃物为目的，将矿山废料送入井下采空区——废石干式充填。如澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿在20世纪初进行的废石干式充填。废石干式充填采矿法曾在50年代初期成为我国主要的采矿方法之一。据不完全统计，1955年在有色金属矿床地下开采中占38.2%，在黑色金属矿床地下开采中竟达到了54.8%。但废石干式充填因其效率低、生产能力小、环境条件差和劳动强度大，满足不了采矿工业发展的需要。第二阶段：20世纪40-50年代，澳大利亚和加拿大等国，开发应用了水砂充填技术。从此真正开始将矿山充填纳入采矿计划，成为采矿系统的一个组成部分。同时，对充填料及其充填工艺开展了系统的研究。这一阶段主要是借助水力将尾砂充入井下采空区，其充填料的输送浓度较低，一般在60%～70%左右，需要在采场大量脱水。因而，须对尾砂中的细泥部分进行脱除，以控制渗透速度，并确定了以100mm/h的渗透速度作为工业标准。第三阶段：20世纪60～70年代，开始应用尾砂胶结充填技术。由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，因而在水砂充填工艺得以发展并推广应用后，开始发展采用胶结充填技术。如澳大利亚的芒特艾萨矿，于60年代采用尾砂胶结充填工艺回采底柱，其水泥（胶凝材料）添加量为12%。随着胶结充填技术的发展，在这一阶段已开始深入研究充填料的性质、充填料与围岩的相互作用、充填体的稳定性和矿山充填胶凝材料。第四阶段：20世纪80～90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足开采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要。因而发展了高浓度充填、膏体充填、废石胶结充填和全尾砂胶结充填等新技术。（2）充填技术的主要新成就一、充填材料在充填材料方面所取得的突出成就是利用工业废料替代水泥作为胶凝剂，例如，用炉渣、粉煤灰部分取代水泥。最新的充填材料是完全取代水泥胶结剂的替代材料，有：赤泥胶结料、高水固化胶结剂和矿渣胶结料等。A赤泥胶结充填料赤泥胶结充填料是利用赤泥的活性，开发出的一种低成本和性能优良的胶结材料。B高水固化胶结充填材料高水固化材料是一种胶凝材料，由铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解凝剂、悬浮剂等成分组成，一般加入尾砂作为填料。C矿渣胶结充填材料利用矿渣作为充填材料。近年开发的铁渣胶结料可以完全取代水泥作为胶结料，且与尾砂的胶结效果优于水泥。铁渣的主要矿物组分为硅酸钙和铝酸钙等。添加石灰等活性激化剂并磨粉至水泥细度后，即可加工成矿山充填胶结料。二、充填工艺新成就充填工艺新成就主要包括：高浓度全尾砂胶结充填工艺、废石胶结充填工艺和膏体泵送充填工艺等。A高浓度全尾砂胶结充填全尾砂胶结充填是以没有进行分级脱泥的全粒尾砂作为充填集料充入井下采空区的一种充填方式。高浓度全尾砂充填则是在结构流状态下，进行输送和采场充填的全尾砂充填方式。高浓度充填料在采场只有少量泌水。B废石胶结充填以矿山掘进废石或破碎废石作为充填集料，以水泥浆或砂浆作为胶结介质，经自淋混合后充入采空区的工艺与技术。其特点是在矿山内部充分利用矿山固体废料，可以实现矿山废石减量排放和井下掘进废石零排放。C膏体泵送胶结充填膏体充填料是一种充填到采场后不析水的物料集合体。充填物料被制备成膏体状稠料，借助正压排量泵输送到井下采空区。为了制备成可泵送特性好的稠料，物料配合有比较严格的要求。三、充填体力学A充填体力学作用机理(1)充填体主要起限制采场围岩的变形和位移作用，但它不能改变围岩及未采矿柱内的应力场分布；(2)对矿柱提供水平压力，改善矿柱的受力状态，从而提高矿柱的承载强度，同时充填体也可以防止矿柱的剥落和坍塌；(3)降低能量释放速度，提高地下结构抵抗动载荷的能力，控制岩爆或地下矿山结构发生突然破坏。B胶结充填体强度确定方法胶结充填体强度是配合充填料、评价充填作用效果的重要指标，并且对充填成本的影响十分显著。常用的方法有：工程类比法、经验公式法、物理模拟法、数学力学模型法、有限元法等数值分析法、概率统计分析法、实验室试验分析法等。C充填体与围岩体的相互作用与监测充填体与围岩体之间的相互作用十分复杂且难以模拟。因此，国内外金属矿山很重视对充填体的现场监测，其结果对提高充填体的质量和充填体的稳定性具有指导作用。采用的监测仪器有：压力盒、应力计、应变计、收敛计和声发射仪等。第二节单层充填采矿法（壁式充填采矿法）在阶段内用上山划分矿块，矿块的回采是以整个阶段斜长作为壁式回采工作面，沿走向推进，一次按矿体全厚回采，随着工作面的推进，有计划地用水砂或胶结料充填采空区。由于采用壁式工作面回采，所以也叫壁式充填采矿法。1、矿块布置及结构参数矿块沿走向布置，长度为60～80ｍ，工作面斜长为30～40ｍ。工作面视顶板的稳固性留2～3ｍ的控顶距，充填距与控顶距相等。悬顶距为控顶距的2倍。矿块间不留矿柱，可连续推进回采。2、采准切割工作采准巷道一般布置在脉内，当矿石不够稳固和底板不平整时，将阶段运输平巷布置在脉外距底板8～10ｍ处。在矿体内布置切割平巷作为崩矿自由面，并用来行人、通风和排水等。沿走向在切割平巷中每隔15～20ｍ掘进矿石溜井，与脉外运输平巷相通。3、回采工作回采工作面沿走向一次推进2～3ｍ，用浅眼落矿，眼深约1ｍ左右。用电耙（或铲运机）运搬矿石至切割平巷，再运至矿石溜井。顶板支护采用木棚，边采矿边支护。4、充填工作当工作面推进两次后，应充填工作面的一次推进量。充填准备工作包括清理场地，架设充填管道，钉砂门子和挂砂帘子等。砂门子分帮门子、堵头门子和半截门子等，主要作用是滤水和拦截充填料，使充填料堆积在预定充填地点。水力充填是逆倾斜由下而上间断进行，即分段拆除支柱和充填。每一分段的长度应根据顶板稳固性而定。采用胶结充填时，一般用采矿巷道回采矿石，矿壁起模板作用。5、评价单层充填法是开采顶板岩层不允许崩落的水平或缓倾斜薄矿体唯一可用的采矿方法，矿石回采率较高，贫化率较低，但采矿工效较低，坑木消耗量大。第九章充填采矿方法典型单层充填采矿法上向水平分层充填法上向倾斜分层充填法下向分层充填法分采充填采矿法方框支架充填采矿法矿柱回采第三节上向水平分层充填法一般将矿块划分为矿房和矿柱，第一步回采矿房，第二步回采矿柱。回采矿房时，自下而上水平分层进行，随工作面向上推进，逐步充填采空区，并留出继续上采的工作空间。充填体维护两帮围岩，并作为上采的工作平台。崩落的矿石落在充填体的表面上，用机械方法将矿石运至溜井中。矿房回采至最上分层时，进行接顶充填。矿柱则在采完若干矿房或全阶段采完后，再进行回采。回采矿房的充填方法，可用干式充填、水力充填或胶结充填。一、水力充填（上向水平分层充填法）1、矿块结构和参数矿块结构：矿体厚度10～15m时，矿房沿走向布置,一般为30～60m，有时达100m或更大；矿体厚度10～15m时，矿房垂直走向布置，长度一般控制在50m以内，矿房宽度为8～10m；阶段高度一般为30～60m。如果矿体倾角大，倾角和厚度变化较小，矿体形态规整，则可采用较大的阶段高度。间柱宽度：取决于矿石和围岩的稳固性以及间柱的回采方法，用充填法回采间柱时，其宽度为6～8m，矿岩稳固性较差时取大值。顶柱和底柱：阶段运输巷道布置在脉内时，一般需留顶柱和底柱，顶柱厚4～5m，底柱高5m。为减少矿石损失和贫化，也有用混凝土假巷，以代替矿石矿柱。2、采准和切割工作运输巷道：在薄和中厚矿体中，掘进脉内运输巷道；在厚矿体中，掘进脉外沿脉巷道和穿脉巷道，或上、下盘沿脉巷道和穿脉巷道。天井：在每个矿房中至少布置两个溜矿井、一个顺路人行天井(兼作滤水井)和一个充填天井。溜矿井用混凝土浇灌，壁厚300mm，圆形内径为1.5m。人行滤水井用预制钢筋混凝土构件砌筑，或浇灌混凝土(预留泄水小孔)。充填天井断面为2m×2.4m，内设充填管路和人行梯子等，是矿房的安全出口，其倾角为80°～90°。拉底：在底柱上面掘进拉底巷道，并以此为自由面扩大至矿房边界，形成拉底空间，再向上挑顶2.5～3m，并将崩下的矿石经溜矿井放出，形成4.5～5m高的拉底空间后，即可浇灌钢筋混凝土底板。底板厚0.8～1.2m，配备双层钢筋，间距700mm。3、回采工作落矿：用浅孔落矿，分层高为2～3m。当矿石和围岩很稳固时，可以增加分层高度。出矿：一般用电耙出矿，或使用装运机或铲运机装运矿石。矿石出完后，清理底板上的粉矿，然后进行充填。充填前准备：浇灌溜矿井、砌筑(或浇灌)人行滤水井、浇灌混凝土隔墙等工作。先用预制的混凝土砖(规格为300mm×200mm×500mm)砌筑隔墙的外层，然后浇灌0.5m厚的混凝土，形成隔墙的内层，其总厚度为0.8m。混凝土隔墙的作用，主要是为第二步骤回采间柱创造良好的回采条件，以保证作业安全和减少矿石损失与贫化。充填：使用选矿厂脱泥尾砂或冶炼厂的炉渣，沿直径100mm的管道水力输送到工作面，充填采空区。充填料中的水渗透后经滤水井流出采场，充填料沉积在采场内，形成较密实的充填体。为防止崩落的矿粉渗入充填料以及为出矿创造良好的条件，在每层充填体的表面铺设0.15～0.2m厚的混凝土底板。1天后即可在其上凿岩，2～3天后即可进行落矿或行走自行设备。二、胶结充填（上向水平分层充填法）由于水力充填回采工艺较为复杂(需砌筑溜矿井和人行滤水井、构筑混凝土隔墙、铺设混凝土底板等)，从采场排出的泥水污染巷道，水沟和水仓清理工作量大，以及回采矿柱的安全和充填体的压缩沉降问题等，均未得到很好解决，因而不能根本防止岩石移动。为了简化回采工艺，防止井下污染和减少清理工作量，较好地保护地表及上覆岩层，近年来国内外金属矿山推广应用胶结充填采矿法。胶结充填方案的矿块采准、切割和回采等与水力充填方案基本相同，区别仅在于顺路行人天井不需要按滤水条件构筑，溜矿井和行人天井在充填时只需立模板就可形成，因为胶结充填不必构筑隔墙、铺设分层底板和砌筑人工底柱。由于胶结充填成本很高，第一步回采应取较小尺寸，但所形成的人工矿柱必须保证第二步回采的安全；第二步可以采用水力充填回采，故可选取较大的尺寸。接顶工作人工接顶：就是将最上部一个充填分层，分为1.5m宽的分条，逐条浇注。浇注前先立1m多高的模板，随充填体的加高逐渐加高模板。当充填体距顶板0.5m时，用石块或混凝土砖加砂浆砌筑接顶，使残余空间完全充满。这种方法接顶可靠，但劳动强度大，效率低，木材消耗也大。砂浆加压接顶：用液压泵将砂浆沿管路压入接顶空间，使接顶空间填满。在充填前必须做好接顶空间的封闭，包括堵塞顶