时间：2013-11-29 分类：矿业
摘要：金属矿山地下开采产生的废石和尾矿，在地表存放占用大量的土地和耕田，地下开采引起地表错动和塌陷，破坏自然景观和环境保护。近几年来国家高度重视矿产资源合理开发利用，土地保护减少浪费，保护自然环境，面对这些问题，地下开采占有比重大的铁矿山，采用充填采矿方法，是发展的趋势。
关键词：地下开采; 大规模; 充填采矿方法; 分段空场
1.前言
金属矿山充填采矿方法主要用在矿石品位高的富矿，有色、稀有和贵金属矿床开采，而铁矿山在九十年代以前，由于多方面原因应用的甚少。1987年程潮铁矿东区扩建改造可行性研究，长沙院和鞍山院在投标中，长沙院由于采用充填采矿方法，是未能中标的主要原因。
改革开放以来，矿业也得到迅猛发展，据有关资料统计，目前我国年采矿总量超过50亿t，而产生的废石、尾矿累积存放量达60亿t(仅金属矿山就达40亿t),且以每年近3亿t的速度增长。废石、尾矿存放在地表，直接破坏和侵占土地1.4—2.0万hm2,且以每年200 hm2的速度增加，目前，我国人均耕地面积不足0.08 hm2，仅为世界平均水平的1/4，占用耕地面积的增加，将会影响粮食问题。地下开采引起地表错动塌陷毁地200万hm2，且以每年2.5万hm2的速度增长，因地表错动塌陷灾害的城市近40个，造成严重灾害的25个。
鉴于上述因矿山开采，产生的废石和尾矿存放在地表，占用大量的土地和耕田，特别是尾矿存放的尾矿库，如果设计和管理不善，会造成蔓坝和溃坝事故。由于地下开采，空区处理不当引起地表错动和塌陷，破坏了自然景观和环境保护，产生了各种灾害。近几年来国家高度重视矿产资源开发利用，土地保护减少浪费，环境保护等一系列法律法规文件。对于地下开采比重大的铁矿，面对上述各种灾害，应采取何种方法应对和防治措施，提出了应用充填采矿方法，是发展的方向。
近几年来已有草楼铁矿、李楼铁矿、郑家坡铁矿、诺普铁矿和徐楼铁矿等设计和采用充填采矿方法，国防铁矿方案设计亦采用充填采矿方法。
2.充填采矿方法减少废石、尾矿存放量
地下开采产生的废石和尾矿，存放在地表侵占大量土地和耕田，把这些废石和尾矿还原再充填井下采空区，不但节省占用大量土地和耕田，而且能减少和防止地表大面积错动和塌陷等许多优点。
2.1减少尾矿存放尾矿库容积
选厂排出的尾矿充填井下，能减少尾矿在地表存放尾矿库容积。以草楼铁矿为例，估算能减少尾矿库容量。
草楼铁矿初步设计，矿山规模200万t/a，原矿品位30.42%，采出品位26.54%，选矿工艺为三段一闭路的破碎磨矿工艺，其中中碎前筛上抛尾，产率14 .12%，干选年产量28.24万t/a，排出尾矿尾砂产率53.85%，尾砂年产量107.7万t/a，筛上干选尾矿和排出尾砂尾矿总量135.94万t/a，占矿山规模68%。将选厂排出的尾砂经旋流器分级后不能用于充填的细尾矿，粒度-37um以下占14%，排放尾矿库，其余大部分占尾矿量的86%粗尾砂充填井下，也就是说，地表库容量比原库容量减少86%。
2.2减少废石存放量
地下开采，开拓掘进、采准切割和选厂中碎之前，筛上抛尾废石，可进行破碎，使其破碎粒度能满足充填要求时，充填井下采空区，不但能减少废石在地表存放量，而且能补充井下充填量的不足。
3.降低矿石损失率和贫化率
3.1降低矿石损失率
金属矿山地下开采，由于采矿方法不同，采矿工艺各异，矿石损失率也有差别。崩落采矿方法，矿石损失率在20%以上，其中无底柱分段崩落采矿方法有时高达近30%。空场采矿方法损失率在20%以下。充填采矿方法可用胶结充填，采场不留顶底柱和间柱，回采率可达85%以上。草楼铁矿设计回收率88%，国防铁矿方案设计，回收率85%。
3.2降低矿石贫化率
采用充填采矿方法，能够减少井下空区周围岩体移动和地表错动，能减少采矿时上部岩石和砂土进入开采的矿石中，从而降低矿石贫化率。草楼铁矿上部为四系粘土层和流沙含水层，采用充填采矿方法能防止粘土层和流沙层进入矿体，减少贫化。而且防止流沙层中最大湧水量8000—10000m³/d湧入井下，减少了坑内排水量，杜绝了流砂湧入井下发生安全事故。草楼铁矿矿石贫化率设计9%。国防铁矿采用由最下中段向上中段的回采顺序，防止了地表第四系泥土进入矿石中，设计贫化率应是10%，但因为矿石中夹石多，不能分采不能剔除，贫化率为20%。
4，减少地表错动防止地表塌陷
地下开采，由于矿石的采出破坏了地下原来矿岩连续的空间和应力平衡，产生地表错动乃至塌陷，如果地表错动在山坡上，将会造成山坡岩石破裂引起山区滚石和泥石流。采用充填采矿方法，用充填料尾砂充填井下，充满了采场空区，能阻止周围矿柱和顶底板及人工构筑的密闭墙约束下逐步沉降，经多次充填，在充填效果比较好时，随着顶板及周围介质受力变形，而受到压实;这样压实的尾矿包围着矿柱，为矿柱施加侧向应力，使矿柱由原来的单向受压变成等围压的三向受压，提高了矿柱抗载荷的能力，充填于采空区已受到逐步压实的尾矿是不会无限压缩的，当采空区顶板逐步起到支撑顶板的作用，限制了顶板进一步变形，从而减少了地表错动，防止地表塌陷。如果充填效果差，在顶板岩石没有与充填尾矿面接触前就超出了极限应变而垮落，由于垮落岩石碎涨性，充填满空间，也不至于使冒落范围发展到地表，也能减少地表错动和防止地表塌陷。#p#分页标题#e#
应当指出的是，充填采矿方法不能保证地表完全不错动不塌陷，只能说根据充填料的性质，充填方法和充填工艺，充填质量和充填接顶程度，矿体赋存条件开采深度和岩石力学等方面有关，决定了地表减少错动范围和减少地表塌陷深度。国防铁矿方案设计采用充填采矿方法，岩石错动角取70°，如果采用无底柱分段崩落法，岩石错动角取65°，在开采900m深度，充填采矿方法比无底分段崩落法，地表错动范围减少近50%。金川镍矿，采用下向机械化钢筋胶结充填采矿方法，二矿区采场上方地表控制点检测发现，指向采场最大水平位移357mm，最大下沉量327mm，二矿区中西部上盘发现40多条地表裂缝，下盘也有裂缝现象。因此不能说充填采矿方法，地表完全不错动不塌陷，只能说错动范围和塌陷深度大量减少。
5，减少地下开采各种灾害
地下开采有空区冒落，自燃性矿物火灾，深井开采岩爆和地热等各种灾害，采用充填采矿方法能克服或减少这些灾害。
5.1采空区顶板冒落灾害
地下开采形成采空区，如果处理不当或未处理，使采空区空间体积越来越大，迟早会发生顶板冒落，突然冒落时产生的冲击气浪，会冲垮井下支护，摧毁井下设备和生产设施，甚至造成人员伤亡。地下开采形成采空区处理方法，除了强制凿岩爆破崩落顶板外，采用充填采空区，减少采空区空间体积，即使顶板突然冒落，产生的冲击气浪不会太大，能够减少或防止顶板冒落产生冲击气浪灾害。
5.2防止地下火灾
地下含氧化自燃倾向的矿体开采破碎后，矿石颗粒表面积增大，加快了与氧气的反应，在采空区通风条件比较差的情况下，氧化反应放出的热量不断积蓄，导致温度升高，当达到矿物自燃或采场内用于支护木材的燃点时，引发地下火灾。充填采矿方法充填井下的尾矿，充满了采空区空间，隔绝了散碎矿石与空气的接触，从而防止地下火害的发生。
5.3防止深井开采岩爆和地热环境恶化
深井开采突出的难题是，地压增大产生岩爆和地热增高恶化地下作业环境。国内外的有关实验表明，充填体对深井开采所产生的地压，对岩体产生的岩爆，有一定的预防作用，用尾矿充填采空区，可以大大减少原岩的暴露面积，有效的阻止原岩热量向外扩散，改善了井下作业环境，降低了矿山通风压力。充填了的采空区减少漏风，降低了通风难度和通风成本。
6，充填采矿方法
采用以尾砂为主要充填材料的充填采矿方法，根据矿体赋存条件，矿块布置和构成要素以草楼铁矿为例，可有下列主要布置形式：一、分段空场采矿法，尾矿充填处理空区：当矿体厚度大于20m时，矿块垂直走向布置，宽25m,矿房宽20m,间柱宽5m，长为矿体厚;当矿体厚度小于20m时，矿块沿走向布置，长50m,矿房宽45m,间柱宽5m，采场高度60m,分段高度15m。二，分段空场嗣后充填采矿方法：当矿体厚度大于20m时，矿块垂直走向布置，宽25m，矿房宽10m,矿柱宽15m，长为矿体厚;当矿体厚度小于20m时，矿块沿走向布置，长50m,矿房宽40m，矿柱宽10m,采场高度60m,分段高度15m。三，点柱式机械化上向分层充填采矿方法：当矿体厚度大于20m时，矿块垂直走向布置，宽50m，长为矿体厚;当矿体厚度小于20m时，矿块沿走向布置，长100m，宽为矿体厚，采场高度60m,分段高度15m。四，机械化盘区上向水平分层进路式充填采矿方法：矿块沿走向布置，长50m，宽为矿体厚，采场高度60m，分段高度15m。上述四种布置形式，通过技术经济比较，推荐二，即分段空场嗣后充填采矿方法。
6.1分段空场嗣后充填采矿方法
6.1.1矿块布置和构成要素
矿块布置和构成要素见前述，采矿方法见分段空场嗣后充填采矿方法图。
6.1.2采准切割
采切工程有分段凿岩联络巷道，分段凿岩巷道，出矿穿脉巷道，出矿进路，溜井，切割槽和切割井等。分段凿岩联络巷道布置在矿体下盘脉外，通过采区斜坡道联通上下分段和凿岩巷道，阶段出矿巷道与上盘回风巷道联通，出矿穿脉巷道每间距10m，以60°角向采场掘凿出矿进路，底部为平底底部结构。采切比51.1m/kt。
6.1.3回采、出矿
分段空场嗣后充填采矿方法，是分段凿岩阶段击矿，嗣后矿柱(一步采场)胶结充填，矿房(二步采场)尾砂充填。为避免爆破影响相邻采场的稳定性，采用隔3采1的方式。分段凿岩采用YGZ-90型中，深孔凿岩机配TJ钻架或采用国产T100潜孔钻机和Atlas潜孔钻机均可。打上向扇形机，排间距1.5-2m，孔底距1.5-2m。采用BQF-100装药器装药，装粒状铵油炸药，非电导爆系统起爆。每次爆破2-3排。阶段出矿采用国产电动WJD/WT-4 4m³铲运机或进口铲运机。
6.1.4充填
根据充填采矿方法回采顺序的要求，矿柱(一步采场)，为满足矿房(二步采场)回采时，对矿柱(一步采场)充填体能直立不冒落，对胶结充填体要求，灰砂比(水泥：尾砂)为1:10，浓度为70%左右，充填体强度1-2mpa;为满足相邻矿房(二步采场)回采时出矿巷道的布置和下中段回采安全的采矿要求，采场底部10m均需要胶结充填，灰砂比(水泥：尾砂)为1:6，浓度70%左右，充填体强度3-4mpa;矿房(二步采场)其余部分尾砂充填，浓度为70%左右，对尾砂充填体强度没有要求。
6.1.5通风#p#分页标题#e#
新鲜风流由阶段石门进入出矿穿脉巷道冲洗工作面，或经过采准斜坡道进入分段凿岩巷道，污风由采场空区和出矿穿脉巷道，进入回风巷道由回风井排除地表。
7，结束语
为了减少地下开采所产生的废石和尾矿，在地表存放占用土地和耕田，把这些废石和尾矿经旋流器分级后粗尾砂充入地下采空区，又能控制地下采空区围岩移动，从而减少地表错动范围和防止地表塌陷，保护地表农田和园林，保护地表自然景观和环境保护，充填采矿方法还有许多优势，在铁矿山地下开采已得到了发展。笔者建议，在新建或老矿山扩建改造的铁矿山地下开采时，可把充填采矿方法作为其中一方案，做技术经济论证，决定取舍。
参考文献：
1，安徽草楼矿业有限责任公司草楼铁矿采矿方法优化论坛(中国有色工程设计研究总院2005.5)
2，无废开采与井下尾矿库建设 郑怀昌(山东理工大学)金属矿山 2005.9
3，云南景洪市国防铁矿方案设计(中国冶金矿业鞍山冶金设计研究院)2012.3
