充填采矿工艺特点及发展趋势分析

在矿山开采过程中，采出矿体之后，采区会形成一定的采空区域，对后续开采工作和周边地质环境造成了较大影响。充填采矿工艺的核心思想是在矿体开采过程中，通过一定的充填物对被采矿体进行置换，以弥补采空区的承载力，减小采空区受到的破坏，提升采矿作业的安全性［1-3］。本研究对该工艺的特点进行详细分析，并对其发展趋势进行探讨，为相关应用提供参考。
1充填方式

(1)干式充填。主要通过砂石、废石等干式填料对采空区进行充填，是矿山开采中最早使用的充填方式。在使用干式充填方式进行矿山开采时，需要注意的问题有:①矿山开采应保持延续性，即开采作业不能出现中断;②进行干式充填时，需设置填料井;③填料过程需根据实际情况进行分层充填，层间可用柴棍、荆巴等物料进行隔离，以增强充填体的稳定性。
    (2)水砂充填。水砂充填相对于干式充填而言，其紧密度更高。通常情况下，水砂充填是利用炉渣、砂石、尾砂等物质混合为固液两相，通过泵送入井下充填采空区。在进行水砂充填时，注意点有:①制备充填物时，宜通过混料硐室进行，采用先进的机械设备实现砂浆制备流程的自动化和精准化;②制备砂浆时需根据采空区的实际情况合理确定水砂比;③构建自动化的送料平台，提高并稳定充填物的送入速度，确保充填效果符合预期。
    (3)胶结充填［4］。胶结充填是一种不同于干式充填、水砂充填的采空区充填方式，主要是利用胶结材料将碎石、骨料或河砂等物质通过拌合制成胶体，经过管道将胶结体泵送至采空区进行充填。近年来，胶结充填技术取得了较大的进步，出现了许多不同材料的胶结充填工艺，如尾砂胶结充填、块石胶结充填、膏体泵送充填等。尾砂胶结充填工艺主要是利用粗骨料制备充填胶结体，尽管该工艺在20世纪60年代便已出现，由于当时级配难以达到胶结体的制备要求，因而未被得到推广应用，20世纪80年代，细砂胶体完全取代了粗骨料胶体，推动了该工艺的快速发展。
2充填采矿工艺特点
2．1优点
    (1)充填采矿工艺灵活性较高，其采准切割工作量较小，对于井下开采作业而言，较小的工作量和较高的灵活性具有较大的应用优势。
    (2)利用充填采矿工艺进行矿山开采，将采出的废石等物料进行二次利用，不仅可降低该类物料的运出成本，还可降低采空区的维护成本。
    (3)在矿山开采过程中，随着矿体被逐渐采出，采空区的稳定性会大幅度下降，危及后续正常作业。在矿体采出后及时进行充填，可有效防止巷道顶板发生冒落，强化围岩的力学性能，增强采空区的稳定性，为后续采矿作业提供良好的安全保障。
    (4)对赋存较薄的矿体或存在多种品质矿石的矿体，通过选别回采的方式进行采矿作业，可实现高效开采矿体。
    (5)在矿体开采过程中，由于存在粉尘以及一些易燃易爆气体，会对采矿作业造成一定程度的安全威胁。通过对采空区进行有效充填，可有效降低采空区粉尘及易燃易爆气体的含量，有效降低矿山开采过程中火灾发生的可能性。
    (6)在矿体开采过程中，使用尾矿或废石对开采区进行充填，不仅可提高矿体的开采率，还可有效利用开采过程中产生的各类废石，降低废石处理的投入。
    (7)通过应用充填采矿工艺可有效控制地表沉陷，提高开采区的稳定性和安全性，大幅改善井下作业环境，提高作业人员安全。
2．2缺点
    (1)充填采矿工艺充填环节和回采环节的实际作业过程均较复杂，在矿体开采过程中，会给采矿作业造成不小的难度，可能导致采矿作业成本大幅上升或采矿效率大幅下降。
    (2)充填作业和采矿作业同时展开，两者势必会相互影响，在一定程度上降低了开采作业效率。

(3)充填采矿工艺在实际应用过程中，由于机械化程度不高，相对于其他开采工艺而言，开采效率较低、耗时较多，导致采矿的作业效率和能力难以符合矿山生产的进度要求。
    (4)充填采矿工艺分类众多，若采用一些较新颖的充填工艺，使用人工拌料进行充填，不仅需送出采矿产生的废石、废料，还需购入原料制备充填料，使得矿山开采成本大幅上升，在很大程度上降低了矿山企业的经济效益。
3发展趋势
    (1)充填物优化。充填物是充填采矿工艺的核心，干式充填法利用砾石、废石等进行充填，尽管成本较低，但整体性不佳，充填物的整体承载力较低，难以满足矿井安全开采的要求。胶结充填法可提升充填物的整体性，增强充填性能，但在一定程度上增加了采矿成本，降低了企业经济效益。为此，可通过大力开发新型固结材料，用以取代传统的水泥浆液，不断升级充填物的物理化学性能［5］，进一步降低矿山生产成本。
    (2)机械化和自动化。在充填采矿工艺应用过程中，需将大量的充填物输送至采空区进行充填作业，目前，国内井下充填的机械化、自动化水平仍不高。对此，①对采矿机械进行自动化和智能化设计，通过先进的信息技术和远程控制技术，在采矿机械设备上安装各类传感器，利用计算机系统对其形成自动化控制。②构建全方位的检测系统，针对矿山开采的各环节，对粉尘、气体、温度、湿度等多项指标进行检测，尤其注意对采空区进行实时监测，对围岩变化和地表沉陷等问题进行预警。③有效协调开采环节、充填环节的工艺流程，使其能够合理有序地交替进行，减少两者之间的相互影响，确保开采自动化得以实现［6］。
    (3)改良充填方式。当前的充填方式主要利用管道泵将充填料送入采空区，该充填方式易导致输送某些充填料时管道泵的零部件磨损严重，管道内部出现结垢，充填效率大幅下降。对此，可利用高温保持充填物的流动性，减少结垢现象，也可利用高压增强推力，使充填物能够被完全送入采空区。此外，还需确保充填作业和开采作业能够同步进行。
    (4)新型胶凝材料［7-9］。新型胶凝材料主要是由氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等物质组成的混合物，其比表面积超过3900cm2/g，密度达到3t/m3，整体表现出碱性。近年来，新型胶凝材料发展迅速，成分配比不断优化升级，性能显著提升。
通过模糊指标、不同量纲和可量化指标综合分析，新型胶凝材料表现出了较传统充填材料更加优越的性能，应用前景较好。
4结语
    分别分析了干式充填、水砂充填以及胶结充填的基本原理，并对充填采矿工艺的优点和缺点进行了总结，在此基础上对该工艺的发展趋势进行了分析，认为新型胶凝材料由于具有较好的性能，是充填采矿工艺发展的重要方向。
参考文献
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