1、专题部分煤矿充填采矿法浅析摘要：介绍充填采矿法的重要性,并详细分析国内外矿山充填采矿技术与研究现状。对充填采矿法所应解决的关键技术问题进行了评述。介绍了一些当代煤矿充填技术，如超高水充填技术，膏体充填技术关键词：充填采矿 现状 充填技术The Analysis of backfill mining methodsAbstract: In view of the important of the backfill mining methods, demonstrated the current state of research and technology of backfill mining
2、 from domestic and foreign mines，discussed the key technical problems in need of solution about the backfill miningintroduces some contemporary stowing techniques，like filling mining with super highwater material，mining technology with paste backfillingKeyword: backfill mining；present situation；fill
3、ing techniques1 前言在我国不可再利用资源中，煤炭占有70%的主导地位，这种主导地位将在未来的20年内不会动摇。对于煤炭的开采，我国传统的开采方法只是将重点放在如何将煤炭高效高产的采出，而对其开采所引发的地表沉陷、地下水破坏以及一系列的环境与安全问题关注较少。地表建筑物和土地的破坏、地下水资源的破坏和井下突水事故、井下瓦斯事故与瓦斯排放污染大气等问题严重影响这我国人民的生活质量。为了减少开采对环境的破坏，为了实现煤炭工业的可持续发展和适应煤炭工业走新型工业化道路的要求，中国煤炭事业需要改变，要从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯(煤层气)、水等一切可以利用的各种资源，基于岩层移
4、动规律，从开采的角度采取措施，从源头防止或尽可能地减轻采煤对环境和其他资源的不良影响，从而取得最佳的经济效益、环境与社会效益。 其次，在我国煤炭结构中，有大约140亿吨的煤炭为“三下”压煤。这部分煤炭的开采一直是困扰着我国煤炭企业的重要课题之一，如何安全高效的进行“三下”采煤？仍然采用传统的条带采煤法？种种问题需要我们去探索。还有我国一些老的矿井，随着开采岁月的增加，开采的深度不断下延，这就导致了开采难度和开采成本的增加，在安全方面，传统开采带来的采空区自然发火、出水、上隅角瓦斯超限，以及采空区大面积垮落带来的瓦斯大量涌出等突出问题急需解决。通过以上问题，我们不难看出，在今后的煤炭开采事业中，
5、我们需要寻找更加安全高效、能解决我国开采现状的种种问题的新方法，这些就迫使我们要不断创新，不断发展。通过近几年的实践和研究，我国煤炭事业的先锋提出来充填开采的观点，这种方法既可以安全地开采“三下”煤炭资源，又解决了采空区瓦斯超限的安全问题，同时能处理大量的矸石和城市垃圾，而且传统采空区带来的应力集中问题得到大大缓解，对于防突和防冲击地压将有更大的意义。因此，充填开采技术必将成为煤炭企业新的经济增长点，是我国煤矿开采技术的一次革命。为此，以超高水材料充填、膏体充填、固体物充填为代表的充填技术在我国正在大面积推广，技术逐步成熟。2 国内外研究现状2.1 我国充填采矿技术现状目前充填开采法在金属矿应
6、用较多，技术相对成熟，可以为煤矿的充填开采提供相应的借鉴。煤矿采空区充填开采技术在波兰、德国应用较多，充填材料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤灰。其中以水砂充填技术应用最多。正常情况下长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为010020。波兰采用水砂充填条带法，已经成功地开采了多座城市下的煤炭资源。20世纪60年代，我国抚顺胜利矿采用伪倾斜上行水砂充填长壁采煤法成功地开采了工广保护煤柱。但由于水砂充填采煤工艺复杂且成本较高，在我国煤矿没有得到推广应用。为了克服水砂充填存在泌水、需要建立复杂的隔排水系统等问题，20世纪80年代初国外发展了膏体充填技术。膏体充填技术的优点是：充填料制作成不泌水的牙膏状浆
7、体，在较低流速情况下也能够正常地泵送，提高了充填效率。膏体充填技术在金属矿山得到了较快的发展。甘肃金川I镍矿和湖北大冶铜录山铜矿推广应用了膏体充填技术。膏体充填技术在煤矿仅在德国沃尔萨姆等煤矿进行过初步试验。我国学者对膏体充填技术在我国煤矿应用的可行性进行了探讨，目前正在有关煤矿开展工业性试验。20世纪80年代后期抚顺矿务局借鉴国外的经验，在我国首次采用离层注浆减缓地表下沉的试验取得了成功，此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和工程技术人员的重视，先后在新汶华丰煤矿、兖州东潍煤矿，开滦唐山煤矿等进行了离层注浆减缓地表沉降现场试验，取得了一定的成效。进入到21世纪，充填技术在不断改
8、造与创新的过程中得到发展与进步。从20世纪7080年代开始，胶结充填、膏体充填、高水速凝材料固结充填相继试验成功并开始在煤矿使用。但是都存在着某些缺点，如：胶结充填采用水泥作为胶凝材料，其固结细粒的能力差，充填体初凝时需要少量脱水，造成料浆中水泥颗粒析出流失，污染井下作业环境，降低充填体的强度。膏体泵送充填输送技术难度高，一次性投资巨大；高水速凝材料固结充填存在着高水速凝材料来源少、成本高等问题。总之，受充填材料来源及技术经济条件的制约，在我国经济效益较差的煤炭行业的。三下”开采中还无法应用。因此，拓宽充填材料来源的范围、降低充填的成本成为推广充填开采技术的关键因素。充填材料可以分为干式、水砂
9、和胶结材料种。1.在干式充填采矿法中，充填材料一般来源于井下巷道掘进时产生的废石。传统处理矸石的方法是将其运输并提升至地面，然后堆积从而形成了煤矿所特有的矸石山，据不完全统计，目前全国历年累计堆放的煤矸石约45亿t，规模较大的矸石山有1 600多座，占用土地约15万ha，而且堆积量每年还以1520亿t的速度增加排放矸石对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害，主要表现在：侵占土地；污染环境；危害人类安全。而利用干式充填则有效的利用了矸石，减少矸石危害。其中干式充填材料的块度应根据充填设备而定：使用重力充填时，最大块度的直径一般不超过200-300mm；使用抛掷机充填时，最大块度直径小于70-
10、80mm；使用风力输送时，最大粒径要小于管径的三分之一，一般不大于50mm。2.常见的水砂充填材料有：尾砂、河砂、山砂、破碎砂及水淬炉渣等。在我国采用尾砂充填的矿山占有较大的比重。A.渗透性能：水砂充填材料除对化学性质稳定及颗粒本身 一定强度要求外，对渗透性能有较严格的要求，以期及时脱水便于回采作业。我国水工规范规定，渗透系数是以10为标准。即K10 = 7.7cm/h。某些矿山K10 = 4-6cm/h，即K105 cm/h时可用于生产，从而可以认为充填料渗透系数不应低于5-7cm/h。B尾砂。全尾砂中细泥含量过多，很难使渗透系数达到5-7cm/h，为此需采用水力旋流脱泥，尾砂充填矿山脱泥界
11、限为0.02mm，一般充填用沉砂中0.02mm一下的细粒级含量约占10-15%。尾砂的渗透性能除与粒级组成有关外，还与尾砂矿物的物化性质有关。新设计尾砂充填的矿山，需做渗透试验，按K105-7 cm/h确定-0.02的含量。C山砂、河砂、破碎砂及水淬炉渣。这类充填材料的粒径较尾砂要大得多。在输送时最大粒径要小于管径的三分之一，且接近管径三分之一的颗粒不宜超过15%。水砂充填的充填体的沉降率是随空隙的减少而降低的。为了降低空隙率，改善充填体的力学性质，可在粗砂中加入一定量的细沙。3.胶结充填材料A.胶凝材料（1）水泥。水泥是胶结充填中主要胶结材料。常用325-425号水泥，（2）火山灰类。包括粉
12、煤灰、高炉渣、反射炉渣等。矿渣需要经磨碎，一般要求其粒度为-0.074mm的不低于40-50%。这类物质视其火山灰活性程度来确定能否部分代替水泥，作为胶凝物质，即取决于二氧化硅及氧化钙的含量。使用火山灰类物质前需要进行实验室实验来确定其效果及加入量。B尾砂胶结充填料尾砂胶结充填在国内外均得到了广泛的应用，影响尾砂充填体强度的主要因素有：水泥含量及其浓度。在我国实际生产矿山中，用灰量较高，灰沙比多为1:8-1:10.为提高顶底柱的回收率，在矿块底部经常采用1:4的灰沙比。C细砂胶结充填料细砂是指山砂、河砂及棒磨砂等。D充填用混凝土充填用混凝土的水泥量及水灰比是影响充填体强度及输送性能的主要因素，
13、小水灰比流动性差，需要矿车、电耙等方式运送，但在相同水泥含量条件下，可以达到较大的强度。管路自留输送及泵送混凝土在一定的水泥含量时，从流动性出发有个最佳水灰比，使其塌落度满足于输送的要求，加大水灰比，因存在有粗骨料，反而会使流动性能变坏。2.2国外充填采矿技术现状在国外充填法应用较广。20世纪80年代初，加拿大金属矿山地下开采矿山中，用充填法的比重为3540；澳大利亚的地下有色金属矿山多用充填法开采；瑞典的布利登有色金属公司70的矿山是用充填法开采的；苏联1981年地下有色金属矿山充填法的比重为242，1970年克里沃罗格铁矿区用充填法开采铁矿仅占地下采出铁矿石的08，到1980年已达64。日
14、本金属矿山使用充填法的比重亦是逐年上升的：1956年为245，1967年352，1970年为39，1982年为43。2.2.1加拿大充填采矿技术的发展加拿大地下矿山充填技术从20世纪30年代开始，普遍用冲击砂作为充填料，到40年代末广泛采用选厂冲积尾砂进行充填。50年代中期到末期，用尾砂胶结充填浇面作为扒矿底板，采用分层水砂充填代替劳动强度大且灵活性差的方框支架采矿法。19851991年，加拿大在充填材料、充填工艺方面的研究取得了很大的成就。加拿大矿山相继采用块石胶结充填、高浓度管道输送充填、膏体充填等，不仅提高了矿山的综合生产能力，降低了充填成本，而且改善了井下的生产环境。目前，加拿大已有1
15、2座矿山采用膏体充填工艺，其他几座矿山也正在考虑采用膏体充填工艺进行矿山充填。到现在为止，加拿大地下矿山几乎都采用充填工艺，主要采用的充填技术有三种类型：块石胶结充填采矿法、浆体胶结充填采矿法、膏体充填采矿法。2.2.2德国充填采矿技术德国在过去的几年间，发展了不同的胶结充填采矿系统。其中比较典型的有：拉梅尔斯贝格(rammelsberg)铅锌矿，采用了下向分层胶结充填采矿法结合风力充填，回采了高品位的铅锌铜矿，采用碎石和高炉炉渣水泥的混合物作充填料。建立了年开采约75万1T13的采石场和中央破碎站，将集料破碎到小于70ra块度后，转运到风力充填站，通过管道运送到各采场。梅根(meggen)铅
16、锌矿，根据矿体各部位的情况不同，采用了不同的采矿方法，主要是分层充填法和巷道充填法回采脉状铅锌矿，用带式抛掷充填车输送和抛放含水泥和飞灰的浆液块石充填料。带式抛掷充填车容量6m3，柴油驱动，可将充填料抛入采厂的水平距离达14m，垂直高度达8 1TI，充填能力可以达到20 1T13h。格隆德(bed ground)铅锌矿，在20世纪60年代至70年代初，该矿采用无底柱分段崩落法采矿，由于矿岩不稳固，采矿条件差，矿石损失和贫化大，故改用分段充填采矿法，其比重占矿山60，采场沿矿体走向布置，长度为100200 m，宽度随矿脉的厚度而异，阶段高度为50m，分段高度67 ITI。采用凿岩台车凿上向60。-70。的炮孔，步距3 ITI左右，用铲运机出矿。同时工作的采场有8个。采空区用低标号混凝土充填，骨
