充填采矿技术应用及存在问题探讨

1868 编辑：中冶有色技术网来源：陕西煎茶岭镍业有限公司

2023-06-16 14:12:04

1、前言

21世纪是现代科学技术高速发展和现代工业生产高速增长的时期，对矿产品资源的开发利用规模和强度也是人类历史上从来没有的，各种有色、黑色金属、煤炭、化工材料等得到了最大限度的开发利用，随着浅部资源的日益枯竭，世界各国已逐步开始了深井开采。矿产资源是不可再生资源，可持续发展战略也日益为人类所重视，在现代科学技术条件下，人们一方面将最大限度地开采矿产资源以满足当前的社会发展需要，另一方面又要最大限度的节约和利用矿产资源，以维持长期的可持续发展战略目标。同时，矿产资源的大规模和高强度开采，对生态环境产生了严重的负面影响，导致地表下沉、塌陷;随着开采深度的加深，地压活动加剧，甚至发生岩爆、岩石冒落等危害，严重影响了矿山生产的安全及正常生产。这一系列问题不仅给国家和企业带来了巨大损失和沉重负担，而且还对区域生态环境产生较大的负面影响。

采矿业不仅承担着为国民经济发展提供充足的原材料的任务，还承担着绿色开采、无废排放、资源综合回收利用的社会责任，这既是我国基本国策的要求，也是矿业可持续发展的必然要求。只要有矿产开采行为，就会形成地下采空区。我国采矿量逐年急剧攀升，相对应的地下采空区范围和面积也急剧扩大，形成的地质沉陷灾害严重威胁着国土安全。据统计资料显示，我国过去几十年因采矿引起的重大塌陷超过180处，发生采矿塌陷灾害的城市30多个，其中造成严重破坏的有25个。山东胶东半岛地区的金矿，每年都有地表沉陷事故的发生，经常造成房屋、建筑物的破坏和主干公路中断，山西省约1/7面积(6000平方公里)地下因采煤造成地面塌陷，需要投入巨资进行灾害治理。我国固体废弃物有1/4是尾矿，且现在每年仍排放尾矿6亿吨左右。占用大量宝贵的土地资源的同时给矿区周边造成极大的环境污染。

早在1980年的十一届五中全会的公报中，将地质灾害和地下采矿造成的地表沉陷列为长期监控的重点，要求地下采矿不允许地表塌陷。同时在工业固体废弃物处理方面，做了更加严格的要求，要求尽量减少尾矿排放，倡导无废排放开采。在资源综合回收利用方面，也制定一系列法规制度。近年来，由于地下采矿引起的地质灾害频发，其中地面沉陷、地面塌落、岩爆、岩石冒落等灾害日益突出，严重影响了社会经济发展。2011年两会上陕西人大代表建议国家应考虑建立相应法规和政策，推行充填开采技术，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，有利于有效控制地质沉陷，有利于提高采矿生产安全度，有利于提高回采率，有利于生态环境保护，也有利于改善地企关系，建设和谐社会，杜绝采矿业继续向“先破坏再治理”的粗放型方向发展。

随着矿山资源价格不断上涨，矿山生产安全和环境保护日益重要，国家对经济发展方式的重视和转变，强化废物减量化，倡导清洁生产和循环经济，采矿方法正逐步向安全环保、循环经济方向转化，充填采矿法技术发展迅速，越来越受到重视，在地下开采中所占比例呈现大幅度上升态势。

2、充填采矿法优点

表1充填采矿法、空场采矿法、崩落采矿法主要特点对比表

充填采矿法、空场采矿法、崩落采矿法主要特点对比表

由表1可见，充填采矿法与空场法和崩落法对比，具有矿岩稳定性适应广泛、地压控制效果好、安全性高、资源综合利用率高、高回采率、低贫化率、环保效果好的优点。

充填采矿法应用条件主要是地表不允许塌陷、围岩不稳固或者围岩与矿体均不稳固的有色金属矿或贵金属、稀有金属矿床，现在已经逐步向“三上一下”(即村庄下、铁路下、水体下、水体下)开采、保水采矿等领域发展，可以实现 “三下”矿床、深部矿床及复杂难采矿床的开采。

该采矿方法在回采过程中，将废石、尾砂以及其他充填材料充填到采空区，矿山可将分级尾砂或者全尾砂用于井下充填，缓解因尾砂的地表排放而带来的环境污染，有效节约尾矿库库容，可解决矿山尾矿库征地难、征地和建设投入大的问题，尾矿库延长使用年限。可将多种工业废弃物物作为充填材料，最大限度地减少矿山废料特别是固体废料的地表排放污染，满足日趋严刻的环境保护标准的要求。由充填体支撑采场侧帮、地板或顶板，在有效控制地压的同时可抑制围岩崩落和地表下沉，可为回采工作面创造安全条件，能保护地表建筑物，抑制大面积地压活动。充填采矿法基本杜绝了回采过程废石混入采场，是地下开采中矿石损失与贫化最低的采矿方法，高回采率和低贫化率正是矿业开采所渴望的。

以上简要分析可见，充填采矿法经济和社会长期效益明显。随着我国无轨设备配套能力、自动化控制水平、充填技术的大幅度进步，充填采矿综合效益提升，充填采矿法必将进入高效、主流采矿方法行列。

3、我国利用现状与国外情况对比

我国充填采矿方法自上世纪七十年代中期开始一直处于世界先进水平，但是实际应用中有起有落，开始应用的比较多，后来减少了，现比例又逐步提高。据统计资料，我国空场采矿法、崩落采矿法、充填采矿法的应用比例按照矿山数量来看大致为6:3:1。下表为我国各时期金属矿山应用充填采矿法的比例对照表。

表2 我国各时期金属矿山充填采矿法比例对比表

我国各时期金属矿山充填采矿法比例对比表

加拿大、美国、日本、瑞典、苏联、西德等。加拿大1970年分层充填法比重为22.2%，1973年增长到29.1%，2010年比例达到67%。美国1971年使用充填法的大型有色矿山除一个用留矿法开采外，其余均用充填法开采，2010年充填采矿法占全部采矿法的68%。瑞典45座大型矿山有13座矿山采用充填采矿法。苏联1965年使用充填法开采的矿石量为14.9%，1975年使用充填法开采的矿石量为38.0%。

目前，充填采矿法在国外金属矿山已获得日益广泛的应用，例如世界上已有德国、澳大利亚等较多国家立法，矿山必须采用胶结充填采矿法以解决固体废弃物污染和地质灾害长期隐患，胶结充填法以充填体强度高、输送成本低、适应性广、综合利用率高等特点成为充填采矿法的主要发展方向。

我国采用充填采矿法的金属矿山比例仅为22.4%，使用胶结充填采矿的矿山不足1%，绝大部分矿山因充填成本高而被迫放弃采用。图1为我国与部分国家采用充填法的矿山数量比例对比图。

图1 各国充填采矿法矿山数量比例对比图

各国充填采矿法矿山数量比例对比图

由图1可见，我国使用胶结充填采矿法的矿山还较少，为缓解矿山开采产生的废渣、工业固体废弃物处理，消除矿区地质灾害长期隐患，必须尽快提高胶结充填采矿法在我国矿山采矿中的比重。

4、充填采矿法在我国推广的迫切性

4.1 矿产资源危机

据有关资料显示，我国已探明的矿产资源总量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位，但是人均占有量却不及世界人均占有量的一半，居世界第80位之后。由此可以看出，我国矿产资源形势并不容乐观。据专家预测，到2020年，我国45种重要矿产资源中，可以保证或基本保证的仅有26种，短缺或严重短缺的将达19种。届时依赖进口的矿产资源将达到36种，到2030年则可能增加到42至43种，关键矿产资源紧缺的状态将会走向全面严峻。

我国矿业开采中存在较大一部分生产能力低、采矿方法落后、资源浪费现象严重的矿山企业，对矿产资源的盲目开采，尤其是采取丢瘦拣肥、采厚弃薄、采易弃难等采掘方式，对矿产资源进行掠夺式开采，以大量消耗资源、缩短矿山服务年限为代价，片面追求短期效益，给矿产资源造成极大的浪费，降低了资源的回采率，还容易造成对矿产资源的盲目开采和过度开发，造成大量资源的积压和浪费，矿产资源消耗和枯竭速度过快，难以客观反映矿产品市场价值，不利于产业结构的调整和经济发展方式的转变。

充填采矿法由于高回采率和低贫化率，广泛应用对于缓解矿产资源危机具有极其重要的作用，必须消除矿产资源严重浪费的现象，强制推进充填采矿法可极好地解决资源的合理有效利用问题，这也是世界范围内广泛采用充填采矿法的根本原因。

4.2 生态保护

长期以来，我国矿产资源开发成本中没有包括因矿山开发而引起的资源耗费、资源破坏及环境治理成本，矿业开采准入门槛过低，矿产资源开采活动造成了植被、山脉等一系列生态环境遭到破坏，在资源大量浪费及低效率使用的同时，污染了空气和周边的自然环境，个别地区生态环境的严重损害、污染，以至恶化，土壤质量下降，生态系统退化，生物多样性丧失，景观受到破坏等影响深远的环境问题。国家对环境治理压力日趋增大。

以土地破坏为核心的生态环境问题，已对矿区人类的生存空间及社会经济的可持续发展构成巨大威胁。大量堆放的尾矿及矿碴更是蚕食了大量农田，加剧了我国耕地人均占有率逐年递减的尖锐矛盾。

据初步统计，我国采矿区每年排出废石渣约5000万吨，堆放占用土地近7000公顷，截止2006年全国矿业开发占用和损坏的土地面积为154.5万公顷，其中采矿塌陷面积已达33万公顷。采矿引发的土地占用和破坏问题日益严重，坚守“18亿亩耕地红线”是矿业企业必须承担的责任。

从暴露出的问题及其负面影响可以看出，我国矿业开采必须首选环保的采矿方法，环保和绿色开采已到了强制推进的地步，否则矿业经济发展难以适应环境污染治理水平，不足以保持矿业可持续发展和维护民族利益。

4.3 推进矿业技术进步

我国矿业开采行业的门槛过低和极高的投资回报率，以强大的诱惑力吸引了方方面面的投资，经济落后但矿产资源丰富的地区为推动当地经济迅速发展，极为关注矿产资源的开采行业，因此削弱了其他产业发展的内在动力，除资源性经济之外能够推动当地经济持续稳定发展的支柱企业相对较少，使区域经济呈不均衡发展局面。

采用技术含量较高的充填采矿法可以较好地提高行业进入准则，淘汰落后产能，有利于采矿技术进步。并且由于充填采矿法涉及材料、运输、设备和高新技术，材料需求方面如制砂、水泥、水碎渣、粉煤灰，设备方面如机械制造、输送管件、阀件、自控系统等设备，涉及自动控制、充填系统等一系列综合技术，可带动一大批相关产业的发展。

4.4 安全生产

安全标准较低的采矿方法，在地压管理、采区安全风险防范方面，技术控制手段脆弱，导致恶性安全事故的频繁发生，给人民的生命财产造成了重大损失。

充填采矿法在矿岩稳固和不稳固的开采条件下，都能较好地控制地压和采区安全。由于较小的暴露空间和充填体支撑的双重作用，为地下采矿活动创造了最佳的安全作业条件，采矿风险是三大采矿方法中最低的，为此选择充填采矿法是安全生产的必然要求。

5、推广问题及对策

5.1、充填采矿成本问题

充填采矿法在固体废弃物治理、循环经济产业链建立、资源综合利用率高、安全性最佳、环保为特点，虽然综合经济效益和社会效益显著，但充填成本约占采矿成本的20～60%，企业背负了过高生产成本，经济和社会长期效益难以体现为矿山企业经济效益，因此大部分矿山不愿主动采用。

鉴于充填采矿法的综合效益巨大，矿山企业应从替代材料选择和工艺水平研究入手，尤其在寻求廉价胶凝剂、降低灰砂比方面深入，以有效降低充填成本。

5.2 技术支持和政策

我国虽然在充填料制备、输送技术、充填材料研究、充填回采工艺技术等方面处于国际先进水平，但在膏体充填、浆体流变性、高水材料、胶结剂、充填料制备、充填料输送、充填机理、深部开采“三高”、替代材料、充填成本、自动控制技术等研究领域，与国外矿业发达国家还有一定差距。

目前国内充填采矿研究主要集中在少数研究机构和一些大型矿山企业，研究范围和方向相对独立，缺乏协作系统性研究，充填采矿技术标准还不够规范和健全，充填工艺发展还立足于经验技术阶段，矿山企业在应用中缺乏核心技术。

因此我国应加强充填采矿技术人才的培养和政策支持，促进充填采矿技术与装备的发展，提高矿山应用比例，为充填采矿法的快速发展奠定基础，为无废开采提供技术支撑。国家应制定科学合理的税费优惠政策，从矿石的采出、运输、销售、加工整个生产系统、链条环节分担采用充填采矿技术所增加的生产成本，减轻企业行使社会责任和工艺复杂、成本高、劳动生产率低的压力，对充填采矿法的推广可以起到至关重要的作用。

5.3 立法

对环境脆弱区、耕地保护区、人口集中区等重点区域，道路、水体、重要建筑物等，应通过立法，采用政策、法律、法规等强制措施，保证推广运用充填采矿技术，给予较多的相对于其他采矿法的鼓励政策。

6、结语

充填采矿法在我国采用比例还低于国外矿业发达国家，但是该采矿方法能长效给企业和社会带来巨大的经济、社会效益，其推广和研究空间极为广阔。

我国的矿山发展水平还不均衡，应采取多种措施鼓励和推广充填采矿技术的应用，使我国采矿技术应用水平全面达到世界先进行列，提高资源占有率和综合竞争力。

参考文献：

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[3]、张海波,宋卫东. 评述国内外充填采矿技术发展现状[J].采矿技术.2008年

[4]、刘同有等.充填采矿技术与应用[M].冶金工业出版社. 2001年

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