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充填采矿工艺文献综述
KunmingUniversityofScienceandTechnology
充填工艺和充填采矿技术现状与发展综述
学院：
国土资源工程学院
专业：
矿业工程
姓名：
***
学号：
**************
理工大学国土资源工程学院资开系
充填工艺和充填采矿技术现状与发展综述
【摘要】：
本文简单阐述了国外充填工艺和充填采矿技术的研究现状以及发展趋势和所面临的一些问题，简单地探讨了充填体配比的一些问题和结论，最后列出了6个仍需要深入研究的重要课题。
【关键词】：
充填工艺、充填采矿技术、充填体配比
1.前言
随着人类对矿产品需求的不断增加，矿产资源变得越来越少。
如何合理、高效、经济、安全地进行矿产资源开发利用，降低资源的损失，减少矿石的贫化，提高矿石的质量，是矿产资源开发者共同关心的问题。
充填采矿法以其高回收率、低贫化率的优点，在开采较高价值的难采矿床中取得了突破性进展，出现了无轨机械化胶结充填采矿法，点柱充填采矿法，分段充填采矿法，大孔径阶段空场嗣后尾砂胶结（块石胶结）充填采矿法等。
同时，计算机广泛应用于充填体与围岩互相力学作用机理方面的研究，为设计和生产提供依据。
本文结合某金矿采矿工艺技术改造工程，寻求适合该矿山高品位、高价值的急倾斜薄中厚贵金属矿体的采矿方法。
采用理论分析、数值模拟等方法，对采矿方法转变时的采场结构参数进行优化。
论文的主要成果有:
（1）通过分析国外岩石力学及胶结充填采矿方法方面的研究成果，阐述了地下深部采场顶板冒落的原理、确定充填体设计强度的方法及充填体的作用机理。
（2）为降低矿石的损失率和贫化率，根据矿体的赋存状况、开采技术条件，结合矿山现状，通过经济技术比较选取了上向分层全尾砂胶结充填法，并在180m中段采场进行试验，沿走向布置采场连续回采。
（3）为确定充填体满足生产要求的强度，从采场充填体的力学特性出发，在实验室进行了充填材料配比试验，通过实验分析出了该金矿全尾砂胶结充填体的物理力学性质，总结出影响充填体强度的主要因素，即灰砂比和料浆浓度，灰砂比越大浓度越高，充填体的强度越大。
根据该矿的具体情况，选取该金矿自产尾砂作充填骨料，水泥作胶凝剂，灰砂比为1:
6的料浆进行充填。
（4）由于所采用的上向水平分层采矿法没有划分矿房和矿柱，造成顶板的大面积暴露，为确保安全高效的回采矿石，运用FLAC-3D数值模拟软件对不同的采场结构参数进行模拟计算，得出该金矿采用上向分层全尾砂胶结充填时合理的采场结构参数，为矿山以后的生产、设计提供一定的依据。
2.研究的目的与意义
矿产资源开采涉及国民经济的很多领域，诸如钢铁、建筑材料、能源、化工、冶金等等，这些行业在国民经济中占据很重要的地位，这就要求我们对矿产资源的开发和利用更加重视。
特别是随着经济建设的飞速发展，人们对矿石的需求量日益增大，虽然我们是资源大国，但我们的富矿少，贫矿多，赋存条件差况且人口众多资源相对缺乏，而经过多年的开采，埋藏较浅的赋存条件好的易采矿体越来越少。
为了满足社会生活和经济生产的需求，人们开始着手于开采地下更深处的、开采条件差的矿床。
另外，近年来发生的多起矿难使得社会各界安全和环保意识提高，安全隐患大、环境破坏大的矿山开采受到了人们越来越多的关注。
同时，政府也加强对矿山开采的管理，制定相关的政策及法律法规，逐步淘汰那些安全性差、技术落后的矿山，这就要求矿山选取更高效更安全的采矿方法。
地下金属矿产资源开采深度的加大，开采难度的增加，使得充填采矿方法得到越来越广泛的应用，同时也推动了整个采矿工业的不断向前发展。
充填采矿法是一种回收率高、贫化率低、安全性高、对地表环境破坏小的采矿方法，尤其在矿体赋存条件差、地表不允许塌陷需要保护、经济价值高的矿床开采中具有不可替代的作用，因此近年来，充填采矿法在我国及世界其他矿产大国得到了十分广泛的应用。
虽然我国矿山充填技术起步较晚，但随着近十几年我国的采矿、选矿及其他相关科学技术的快速发展，充填技术也得到了飞速的发展，使得我国的采矿工业处于新的快速发展的阶段，原先难采的现在好采了，原先一些因技术差不敢采的矿体现在敢采了。
当然，充填采矿法还存在很多问题，像充填成本的控制，简化充填工艺及充填体的稳定性，这些都需要我们去研究解决，使充填采矿法成为一种安全、经济、有效的高效率的采矿方法。
另外，针对不同的矿山对于充填采矿的技术要求也不一样，这就需要根据矿体的赋存条件选取合适的充填法，而且对采场的布置形式、结构参数进行合理的改进，以实现矿山安全，经济高效的开采矿石。
3.充填技术国外研究现状及发展方向
20世纪初，随着各行各业科学技术的发展，采矿技术也得到了相应的发展，充填法开始应用于矿山。
1930年，霍恩矿山公司首次尝试利用尾砂和炉渣进行干式充填并获得成功;20世纪50年代，加拿大某矿山首次采用细颗粒浮选尾砂水力充填;1962年加拿大的Food矿山采用尾砂和水泥进行胶结充填，这是据记载的最早使用胶结充填的矿山;1969年澳大利亚芒特艾萨铜矿首次采用水泥胶结充填回采底柱，同时开始了利用铜矿冶炼炉渣充当胶结剂的研究;20世纪70年代，尾砂胶结充填工艺开始在地下金属矿山推广应用。
1993年加拿大发展了膏体充填技术，这项技术的推广极为迅速，一些矿业发达国家开始广泛应用，如澳大利亚，1997年8月建成的大型地下矿山坎宁顿（Cannington）矿，就采用了膏体充填系统;芒特艾萨矿业公司为开采深部的矿体，在1998年底建成一个膏体充填系统。
我国充填技术起步较晚，但发展较快，大致经历了四个阶段:
第一阶段
为20世纪50年代的以废石为主的干式充填，1955年我国干式充填采矿法在地下金属矿山的开采中占了很大的比重，受当时采掘、搬运等设备落后及技术水平低的影响，使得采矿工效和生产能力提升不大，同时还提高了采矿成本，从而制约了干式充填技术的应用与发展，至1963年，有色矿山中充填采矿法的应用比重大幅的下降，几乎很少矿山使用。
第二阶段为20世纪60,70年代的水砂充填和胶结充填工艺，1960年，锰矿首次采用了碎石进行水力充填，取得了不错的效果;1965年锡矿山首次运用了尾砂水力充填工艺，有效的控制了采场的的地压;1968年凡口铅锌矿采用分级尾砂和水泥胶结充填工艺，这是我国首次采用胶结充填的矿山;第三阶段为20世纪80、90年代开始在地下金属矿山发展起来的全尾砂高浓度胶结充填、块石胶结充填工艺及高水速凝技术，随着技术的发展和生产的需求，煤矿也开始应用充填采矿;第四阶段为20世纪90年代末发展起来的膏体泵送充填工艺，1997年金川有色金属公司二矿区建成了膏体泵送充填系统，1999年大冶有色金属公司也采用了膏体泵送充填技术。
此后，随着各种充填新新设备、新材料、新工艺的的研究和成功应用，使得充填采矿技术取得了长足的进步。
从以上数据可以看出，虽然我们的充填技术起步晚，但发展快，几乎和国际保持在同一个水平。
4.充填采矿技术的发展方向
4.1充填采矿法向无轨机械化、回采连续化方向发展
现代充填采矿技术逐步将淘汰低效率的充填工艺，取而代之的将是规模大、效率高、可连续回采的先进的采矿工艺[5]。
近年来在地下矿山，随着斜坡道及凿岩台车、铲车以及运输汽车等各种新型设备的应用，井下作业正在向机械化、无轨化、数字化等方面发展。
随着科学技术和制造业的快速发展，将来肯定会有更适合地下矿山生产作业的机械设备。
这些新设备的使用，大大改善了井下作业面貌，提高了采场生产能力和劳动生产率，同时进一步保障了工人的工作安全。
4.3新型充填材料、化学添加剂的扩大应用
矿山的充填材料主要由骨料和胶结剂两部分组成。
骨料主要就地选取廉价的可用物料，如废石、尾砂等，不足部分就地选料破碎加工大部分矿山选取普通硅酸盐水泥作为胶结剂，有的矿山还用到矿渣硅酸盐水泥。
目前适于地下矿山充填特点的专用水泥还不多见，为了寻求水泥的替代品，许多学者作了大量的深入研究，像粉煤灰、速凝剂等材料可以起到水泥的作用，将来随着技术的进一步完善，必定会在矿山得到广泛的应用，像高水速凝材料己经开始在硬岩矿山的应用，但是还处于试验研究阶段，需要进一步的推广。
除了常规的充填材料，如砂石料、水泥、炉渣以及水之外，在充填过程中加入一些具有特殊效用的药剂，已经在国外的一些矿山开始研究和试用。
例如，加入速凝剂用来缩短凝固时间，缓凝剂用来延长凝固时间，减水剂用来改善充填体的和易性（是指硅拌合物能保持其组成成分均匀，不发生分层离析、泌水等现象），降低充填物料的输送阻力的减阻剂等。
这些外加剂的使用其目的是为了改变充填料的相应的物理性能，包括提高充填体强度、增加稳定性、易输送性、和易性以及浇注性等，这些特性都与充填工艺及充填质量有着密切的关系。
这些外加化学药剂在矿山中的应用和推广，必将改变单一依赖硅酸盐水泥这种局面。
随着科技的发展，特别是材料科学的飞速发展，相信在不久的将来，我们一定会研制出新的廉价高效的充填材料、化学添加剂，来降低充填成本，提高充填体的性能。
从尾砂胶结充填采矿法的发展过程和研究现状不难看出，现代胶结充填的研究围绕着充填成本和充填体质量两个核心而展开的。
充填体质量研究的目的是在现有的充填工艺及采矿方一法下，严格控制影响充填质量的各环节，以达到用最低的成本消耗满足特定条件下的采矿生产安全。
寻求价格低廉，来源丰富，生产简单，性能优越的细砂惰性材料，降低胶凝材料的成本，提高矿山企业的效益是充填质量研究的宗旨。
4.4充填设施、监测仪表将会得到更新的发展
目前，目前许多矿通过在充填站建立仪表监测系统和计算机控制自动化平台，几乎实现了充填系统可视化、数字化及自动化;减少了工人，一些大型充填站只需4,5个人就可以满足充填工艺的需要，大大的提高了生产效率。
同时，这些设备的使用加强了充填过程的管理和保证充填质量，哪里出现题，通过控制平台可以一目了然的看到，不会盲目的寻找出事设备，减少了设备的威胁时间，保证充填作业顺利高效的完成。
另外，在充填设施中，充填料贮仓起到十分重要的作用，它的形式和位置的选取是整个充填作业中的关键部分，但这一点经常被忽视。
尤其是对于采用湿法处理技术的立式贮仓更为重要，贮仓中的料浆能够在高浓度（现在很多高浓度充填料的质量浓度（65%-70%之间）的情况下稳定的、可靠的排出。
4.5充填力学研究向现场连续监测与预报方向发展
一些矿山和科研院校已经展开对充填体的作用及效果的研究，他们通过在充填现场安置检测仪器，定期的测定充填体及围岩的位移、应力、应变等相关的参数，然后将这些参数进行力学分析或者通过计算模拟分析，从而得出一定的结论，进一步指导充填作业。
伴随充填采矿法的广泛应用，充填力学的研究也会得到相应的发展，从而进一步指导充填工艺安全施工。
5.充填技术研究方向
随着充填技术的发展及矿山生产的需要，国外的一些高校和矿山设计
科研机构对充填技术展开了大量的试验研究，其主要容主要是以下及方
面:
（1）充填材料配比及力学性能试验;
（2）充填材料的化学实验及新材料的研究;
（3）充填管道的输送能力及减阻试验;
（4）充填采场结构参数优化研究;
（5）充填系统井下管网设计及遥控监测;
（6）充填体作用机理及充填接顶技术的研究;
（7）新型充填专用设备设计及单体优化试验等。
6.尾砂配比试验
为保证该金矿在选取上向分层胶结充填法后，且在全尾砂胶结充填体上进行大断面安全高效的开采，并能获得较好的技术经济效果，是现在需要解决的问题。
这就要求充填体的强度必须满足生产的要求，为了确定不同浓度、不同配比充填体的强度，我们对充填体做了力学实验研究。
在充填体的力学性质研究中，充填体的物理力学性质的测试是一项十分重要的基础工作，因为充填体的物理力学性质是影响充填体稳定性的重要因素，也是人们进行各种充填体稳定性分析的重要基础参数。
6.1充填体的取样
该金矿全尾砂取自选厂排出的尾矿，为避免细和极细颗粒流失，采用
蒸发干燥的方法摊薄晾晒，干燥后以备试验用。
该金矿全尾砂颗粒细、具
有一定粘性、干燥后呈硬块状，试验前须反复碾压并均匀混合，成为原始
颗粒细度，以方便试验使用。
利用该金矿充填用的全尾砂和P.C32.5级复合硅酸盐水泥及自来水制备充填材料，根据影响充填体强度的主要因素及保证充填体良好流动性的情况下，设计灰砂比1:
3,1:
4,1:
6,1:
8,1:
12，五种配比的试验材料，每种配比又分为68%,66%,64%,62%,60%五种浓度，共计25组不同材料配比试验，每组试验进行3天、7天、28天和60天四个龄期的强度测试，并且每个龄期浇注3个试块，共计300个试块。
由于尾砂为细颗粒骨料，根据尾砂粒径较细的特点，采用7.07x7.07x7.07cm3的金属模浇注，终凝后拆模，将试块轻轻放入养护池进行保湿养护，室温调节20-24度左右，整个过程严格按试验操作规程进行试验。
加工好的试件放在装有空调的采矿实验室带有地下室的试件养护间，养护池的温度保持在22-20度。
室十分潮湿，但不会滴水，每天往养护间地下洒水，以确保养护间的湿度;同时每天也要轻轻地，小心谨慎地向试件表面的塑料袋上洒些水，让塑料袋上保持有水分覆盖。
6.2确定充填体配比
根据充填体试块强度试验结果，满足设计强度的配比有1:
3,1:
4,1:
6，结合采矿方法的特点和回采工艺技术要求，设计“上向水平分层全尾砂胶结充填采矿法”充填灰砂比主要为1:
6，浓度不低于68%，灰砂比1:
3的用于人工假底。
根据采矿现场的施工情况确定分层充填高度为2-2.5m（以后在采矿方法试验过程中可能根据矿岩的稳固程度采取2采1充的作业方式，可降低成本并改善其他技术经济指标，则分层充填高度为4-5m）。
6.3配比小结
（1）对尾砂充填体强度影响的主要因素是灰砂比，控制好尾砂胶结充填的水泥用量，具有重要的意义;料浆浓度是影响尾砂充填体强度的另一个主要因素;而养护时间对提高尾砂胶结充填体的强度影响显著性最小。
（2）在实际生产中，应首先考虑通过提高浓度、降低灰砂比来提高充填体的强度，以达到降低成本，满足强度要求。
（3）短时间，充填体的强度和养护时间存在一定的线性关系，为满足落矿和出矿的强度条件，适当延长养护时间。
（4）选取灰砂比为1:
6、质量浓度68%的充填料浆进行充填。
7.我国充填工艺尚需深入研究的课题
目前为止，我国充填工艺的发展主要还是立足于经验技术，但建立能够最高浓度自流输送并在采场无需脱水的经济效果最优、充填质量最好、生产运转最可靠的理想膏体充填系统，要求人们超越传统经验技术，加强对若干理论性、关键性问题的研究。
纵观国外近几年膏体充填技术的迅速发展和每年1次的国际膏体充填学术会议（InternationalSeminaronPasteandThickenedTailings发表的研究论文，为了保持我国在该领域的先进地位，今后仍面临诸多需要深人研究的重要课题。
（1）膏体充填料浆流变性能的研究以及膏体充填技术的推广应用。
从国外充填技术发展的趋势来看，膏体充填将逐渐成为充填的主流技术。
膏体充填料浆流变性能的研究，对充填系统的优化、充填作业经济效益的提高具有极重要的意义。
相关行业对水泥浆和新拌混凝土的流变性能已有较多研究，其与全尾矿膏体的流变性虽有类似之处，但由于工艺要求的差异，不能等同视之。
作为非牛顿流体的全尾矿膏体，特别是在添加不同比例的胶凝材料乃至部分炉渣等骨料时，其流变性能会有很大差异，而且受诸多不易估量的变量的影响，到口前为止，还缺乏对这种物料的流变性能的系统研究。
对全尾矿膏体流变性能的研究应当确立一套标准的研究方法，包括膏体屈服应力、塑性赫度、触变性的测定;剪切稀化对管道输送的影响;选用或研制适合的测试仪器装置;用流变参数计算管道输送阻力的公式等。
以便确定某矿特定物料满足充填强度要求和最适合输送的流变参数。
（2）深井充填剩余压头的处理。
我国将面临越来越多的深井开采，在深井开采中采用高浓度或膏体充填时，由于充填倍线小，会产生剩余压头问题。
剩余压头将导致无法满管输送和管壁磨损加剧，使管道输送处于极不稳定的状态，甚至出现严重的“井喷”现象，使充填无法正常进行。
对这些现象的机理需要深人研究，在充填系统设计中如何消除剩余压头的影响，需要从技术经济上作深人的探讨。
（3）充填环管试验的计算机仿真。
在充填系统设计中，往往需要依靠环管试验获取不同条件下的管路输送参数，需要花费较长的时间，投人可观的资金和大量的人力，这对很多矿山往往是难以实现的，于是设计中不得不采用类比的方法来处理，因而也就很难获得最优的系统设计。
以往，有些重点矿山在设计充填系统时在地面增加了一段环管段，供投产前试验之用，作为一种弥补。
然而这也不是任何一个矿山都能实现的。
北京科技大学国政的博士论文《全尾砂膏体充填环管试验的虚拟现实计算机仿真技术研究与实现》对此作了初步的研究，但仍有值得提高之处。
（4）全尾矿脱水技术和装置的优化。
高浓度和膏体充填工艺中，全尾矿脱水是一个非常关键的环节，在深锥浓缩机诞生之前，国外多用带式过滤机进行全尾矿脱水，金川的膏体充填也是采用这种脱水方式，它存在很多缺点。
随着一批千万吨级以上年产能的铁矿山，采用充填采矿法，矿山年充填规模也越来越大，为了适应这种发展，国外已生产出直径达40m的深锥浓缩机付诸使用，但深锥浓缩机的推广应用还有缺陷，仍有待对全尾矿的脱水技术和装置进行优化，以便获得更令人满意的技术成果。
此外，过去的膏体充填系统，单系统对应的矿山生产能力为2000-3000t/d，现在面对年生产规模千万吨级的膏体充填，无论系统设置还是配套设备研制都是全新的课题。
（5）降低成本是充填技术发展的永恒主题。
在胶结充填成本中，胶凝材料占很大比重，所以国外很多同行均在寻找更廉价的胶凝材料，在调整回采工艺、降低胶凝材料消耗方面不断钻研，取得了大量高水平的成果，但这种研究应是无止境的。
另外值得注意的是，自从我国开始采用胶结充填技术以来，所用的灰砂比一般都比国外高，这是否正确呢了尽管口前国已有不少研究充填体性能的文章，但仍然缺少系统的现场监测资料，尤其是对不同条件的分层充填、不同条件的嗣后充填现场的长期系统监测资料，因而很难有根据地去调整灰砂比，以显著地降低充填成本，因此，应该加强这方面的研究。
（6）将膏体充填技术推广到尾矿干堆。
矿山需要充填时，将尾矿膏体料浆送人井下，不需要充填时，将尾矿膏体送往尾矿库，虽然它们要求的浓度有些许差别，因为尾矿排出必须考虑排出速度、滩流坡度和距离，以及尽量减少脱水。
口前尾矿干堆在国外获得了迅速发展，尤其是在干旱缺水的地区。
尾矿干堆技术的发展反过来也促进膏体充填，大直径深锥浓缩机开始就是为尾矿干堆设计的，将其用于膏体充填将奠定系统充填能力提高的基础。
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