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摘要：西北某大型铜矿原采用浅孔留矿法。通过分析西北某大型铜矿的开采技术条件，比较浅孔留矿法和上向水平分层充填采矿法，对矿山采矿方法进行优化。最终达到合理开采矿产资源和提高经济效益的目的，为类似矿山提供借鉴。
关键词：充填采矿法西部铜矿应用
中图分类号：C35文献标识码： A
一、我国目前资源开采存在的问题
1、资源浪费与不足
有色金属矿床大多是多金属矿床，伴生许多种有用矿物，其综合回收是关键。美国、日本的铜、铅 、锌、镍等多金属矿山综合利用率为76 %～90 %;前苏联的胡杰斯克矿回收了铜、锌、镉、钴、铁、硫、碲、硒等 8 种有用成分,利用率为 87%以上。而我国的综合利用水平还很低，大约在35%左右。
另外,我国还面临资源不足，从总体上看，我国矿产资源总量较丰富，居世界第三位，但是人均占有量远低于世界平均水平。在45种主要矿产资源中，我国人均储量仅居世界第80位，只达到世界平均水平的58 %,目前能够满足国民经济发展需要的矿产资源仅有20多种，金属矿产资源缺口达到约2亿吨。
2、 地下开采引起的地面变形和塌陷
我国大多数是地下矿山，由于地下进行大面积开采、挖掘，往往形成较大的采空区。一旦采空区放顶后，采空区上部的岩层便形成冒落带、裂隙带和变形带，造成地面沉降，地表形成低洼地。随着地下开采强度和广度的扩大，地面变形和塌陷的危害不断加剧，目前地面塌陷已在我国23个省区发现了800多处，塌陷坑约3万多个，全国每年因地面塌陷造成的经济损失约10多亿元。
3、 矿山废石和尾矿对环境的影响
无论是地下还是露天开采，都会产生大量废石;选矿过程则会产生大量的尾矿。据估计,由矿业生产所排放的工业固体废弃物占到了全国工业固体废弃物排放总量的80%，仅金属矿山排放堆积的废石和尾砂就已超过50亿t，并且每年以4-5亿t的排放量剧增。废石和尾矿对环境的影响主要表现在以下几个方面：
1)固体废料往往就地堆放,不可避免地要覆盖农田、草地或堵塞水体，从而破坏生态环境。
2)某些废石堆或尾矿场会不断溢出或渗滤析出各种有毒有害物質，污染大气、地下或地表水体。
二、.绿色采矿模式与充填技术
本世纪初，钱鸣高院士及其研究团队提出了煤炭绿色开采的理念并构建了绿色开采技术框架。绿色采矿模式，就是最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的采矿模式。
符合科学发展观的绿色采矿应基本满足资源综合利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。在目前众多的采矿方法中，充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。
三、充填采矿的优势
1、 降排功能
充填采矿的作用和意义已远远超出了矿山开采的范畴。在世界上已经出现了少数典型的无废料排弃的矿山。例如，德国格隆德铅锌矿利用浮选后的全尾砂和重选碎石制备膏体充填料回填下向充填进路，不再有尾矿排弃到尾矿库；在一些风景名胜区、自然保护区内采矿，如奥地利的布莱堡铅锌矿，我国南京栖霞山铅锌银矿等。勿庸置疑，这类矿山开采的首先条件是能否将大量工业固体废物回填到地下。
大量处理工业固体废料将是矿山今后设计优先考虑的重要任务,是解决矿区环境污染问题的最好方法。
2、 消除地表变形及下沉功能
利用充填技术快速、有效地充填采空区，可以及时支撑采空区围岩，阻止和抵抗围岩进一步变形，防止大幅度的位移发生；通过充填可以快速形成新的工作面，为后续作业创造条件，缩短采充循环周期，提高采矿综合生产能力；充填采矿技术可以有效地阻止岩层发生大规模移动，实现水体下、建筑物下采矿，同时保护了地表不遭破坏，维持原有的生态环境。
3、低贫损开采功能和远景资源保护功能
充填采矿技术可以应用到水平矿体、缓倾斜矿体 、急倾斜矿体 、分枝复合矿体等各种复杂多变的矿体，特别是厚大矿体，将大幅度提高矿柱回收率和出矿品位，最大限度地回收矿石；充填采矿技术可以对某些需要优先开采下部或底盘富矿的矿山实现“采富保贫”而不会造成矿产资源的破坏和损失；废石、尾矿、废碴仍含有当前技术不能回收的有用物质，置于地表难以长期保存，充填也是一种最为可靠的保护方式。
四、常用的充填采矿技术
随着回采和充填工艺逐渐完善，采装设备配套成型，适合不同矿床开采条件的各种充填采矿法，如分层充填法、分段充填法和阶段充填法等具有高回收率、低贫化率的优点，提高了采场产量和劳动生产率，应用前景日趋广泛。
1、盘区高分层充填采矿技术
传统分层充填采矿工艺的分层高度一般在2--3m左右，生产能力和生产效率较低。凡口铅矿盘区机械化高分层充填采矿法，盘区沿矿体走向布置，盘区内划分为矿房、矿柱。第一步回采矿房，回采后尾砂胶结充填；第二步回采矿柱,，回采后尾砂充填。采场分层高度达到4 . 5-- 5m，运用上向凿岩采矿工艺、分层采场一次微差爆破与界面控制爆破技术,，从凿岩到出矿全盘大型无轨机械化配套作业，实现分层充填采矿法集中强化采矿，标准盘区（3个采场）的生产能力达到840 t /d，显著提高了生产能力和生产效率。
2、 点柱充填采矿技术
点柱式充填采矿法实质上是房柱采矿法和充填采矿法的结合，兼有房柱法生产能力大和充填法有效控制地压的优点。主要适用于厚度大于8m以上的缓倾斜或倾斜厚大矿体，矿山要求较大的生产规模,，矿石价值较低或品位相对较低，可避免二步骤回采间柱。
3、分段充填采矿新技术
将暴露面积较大的分层采场转变为矩形断面结构，大幅度缩小采场暴露面积，可以在矿体不太稳固的条件下实行高效率充填和无矿柱连续开采。丰山铜矿将中段划分为 10m高度的分段，在各分段布置采场进行采矿与充填作业，分段采场垂直矿体走向布置，可在中段内呈梯状多分段布置采场。回采与充填作业在分段采场内按采矿步距交替进行。在巷道内进行凿岩、出矿和充填作业；上向中深孔挤压充填体爆破，放矿形成采空区后立即进行胶结充填。台车凿岩，铲运机出矿和运料充填，推卸式铲运机充填接顶，实现了采、出、充作业全盘无轨机械化。
4、大直径深孔嗣后充填采矿技术
由高效率的落矿技术与阶段嗣后充填工艺相结合，既发挥了充填采矿法的优点，又能实现高效率、大规模地下采矿。采用大孔距小抵抗线爆破、小断面 VCR 法掏槽、倒梯段侧向崩矿、水孔排水气囊和水孔装药工艺。在安庆铜矿成功应用120m高阶段大直径深孔采矿工艺。通过铲运机平底出矿，遥控铲运机回收残矿，采空区嗣后高浓度尾砂胶结充填等工艺的集成，使采场综合生产能力达到 1039 t /d，大量出矿期间平均生产能力达2418 t /d，采矿工效达 67 . 4 t /工班，主要技术经济指标接近国际先进水平。
五、实例
西北某大型铜矿位于内蒙古巴彦淖尔市狼山山脉中段北麓。矿床于1988年开发，20世纪90年代露天开采达到50X 104t/a。2003年，西部矿业委托兰州有色冶金设计研究院设计露天转地下开采，设计采矿规模130 X 104t/a, 2005年投入生产。随着矿山地质勘探工作的重大突破，2006年对西北某大型铜矿进行了采矿扩建工程可行性研究设计，设计采矿规模170 X 104t/a。
1、开采技术条件
矿体呈层状、似层状产出，走向为近东西向，向南倾，倾角60°~80°矿区主构造总体走向为80°,向南倾刹，倾角65°~80°，地下涌水量小。铜矿体主要赋存于石英岩中，品位高、厚度大，其硬度系数为8~10。通过工程揭露铜矿体上、下盘都有不同程度的破碎带，局部矿段节理裂隙非常发育。
2、采矿方法
西北某大型铜矿原设计采矿方法主要为浅孔留矿法，由于矿山进行铜矿采矿扩建，需要采用上、下两个采区同时生产，来保证矿山生产能力的增长。在上部采区回采没有结束之前，下部采区1 450 m中段以下回采必须采用胶结允填或废石允填，以保证上部采区的安全。加上矿山原有采矿技术条件发生变化，己经无法达到设计损失、贫化和回采率指标，为保证矿山安全生产和提高经济效益，2009年矿山与长沙矿山研究院合作，在1 690 m中段901采场进行上向水平分层允填采矿法试验，在1 690 m中段1001采场进行空场嗣后充填采矿法试验。在试验的同时，经过多方面分析研究和论证，将矿山原有的主体采矿方法浅孔留矿法优化为上向水平分层允填采矿法。
1）浅孔留矿法
采场绝大部分沿矿体走向布置，每50 m一个采场。采场内分矿房和问柱，矿房长38 ~42 m,宽度为矿体厚度，问柱宽8~12 m，顶柱厚6~9 m，采用漏斗放矿电耙耙矿底部结构。
浅孔留矿法具有结构简单、管理方便、采准工程量小和生产技术容易掌握、设备易于供应维修、出矿快等优点。在矿岩稳固、极倾刹而且变化小、厚度在5m以下的矿体中的使用效果最佳，现在矿山边角、零星矿体基本采用此方法。
2）上向水平分层充填采矿法
①采场结构参数
中段高度为50~70 m0矿块沿矿体走向布置，间柱宽4 m,矿房长46 m,宽度为矿体厚度，一般在采场均匀留2~3个尺寸为4mX4m点柱，分段高度为10 m或15 m，底柱高6. 6 m，顶柱高10 m。
②此结构参数用在1 450 m中段6~8线及1 630 m中段6~9线矿房回采过程中。由于矿体上盘局部存在于破碎带中，矿体节理裂隙发育，不稳固，在回采过程中矿体上盘不同程度出现垮塌。为保证作业安全，减少损失、贫化，矿山对采场结构参数进行优化，将不稳固矿段沿矿体走向布置优化为垂直矿体走向布置，采场宽度为10 m，采场长度为矿体厚度。
图1某分段2~4线平面图
图2某分段3 ~8线平面图
③实践表明，当矿体矿化不均匀，矿房内有较多夹石时，可采用矿块沿矿体走向布置，见图1。将夹石留成柱可以最大限度地减少矿石损失和贫化，保证作业安全。当矿体内矿化均匀，矿房内无夹石时，采用矿块垂直矿体走向布置，见图2，这样可以最大限度地减少损失。
结论:
1、上向水平进路充填法大大增加了采场的生产能力，可达269. 6t/d。随着分层高度增加，采准工程量大大减少，生产能力大大提高。
2、机械化装备水平大大提高，降低了工人劳动强度，节约了劳动成本。
参考文献：
[1]王新民，张钦礼，陈嘉生.块石胶结充填工艺在铜陵新桥硫铁矿的实验与应用[J].中国有色金属学报，1997,7(3):10-13
[2]李楊，彭康，张小刚，等.上盘进路下盘水平分层联合采矿法试验研究[J].黄金科学技术，2010,18(1):77-79.
关键词：充填采矿法西部铜矿应用
中图分类号：C35文献标识码： A
一、我国目前资源开采存在的问题
1、资源浪费与不足
有色金属矿床大多是多金属矿床，伴生许多种有用矿物，其综合回收是关键。美国、日本的铜、铅 、锌、镍等多金属矿山综合利用率为76 %～90 %;前苏联的胡杰斯克矿回收了铜、锌、镉、钴、铁、硫、碲、硒等 8 种有用成分,利用率为 87%以上。而我国的综合利用水平还很低，大约在35%左右。
另外,我国还面临资源不足，从总体上看，我国矿产资源总量较丰富，居世界第三位，但是人均占有量远低于世界平均水平。在45种主要矿产资源中，我国人均储量仅居世界第80位，只达到世界平均水平的58 %,目前能够满足国民经济发展需要的矿产资源仅有20多种，金属矿产资源缺口达到约2亿吨。
2、 地下开采引起的地面变形和塌陷
我国大多数是地下矿山，由于地下进行大面积开采、挖掘，往往形成较大的采空区。一旦采空区放顶后，采空区上部的岩层便形成冒落带、裂隙带和变形带，造成地面沉降，地表形成低洼地。随着地下开采强度和广度的扩大，地面变形和塌陷的危害不断加剧，目前地面塌陷已在我国23个省区发现了800多处，塌陷坑约3万多个，全国每年因地面塌陷造成的经济损失约10多亿元。
3、 矿山废石和尾矿对环境的影响
无论是地下还是露天开采，都会产生大量废石;选矿过程则会产生大量的尾矿。据估计,由矿业生产所排放的工业固体废弃物占到了全国工业固体废弃物排放总量的80%，仅金属矿山排放堆积的废石和尾砂就已超过50亿t，并且每年以4-5亿t的排放量剧增。废石和尾矿对环境的影响主要表现在以下几个方面：
1)固体废料往往就地堆放,不可避免地要覆盖农田、草地或堵塞水体，从而破坏生态环境。
2)某些废石堆或尾矿场会不断溢出或渗滤析出各种有毒有害物質，污染大气、地下或地表水体。
二、.绿色采矿模式与充填技术
本世纪初，钱鸣高院士及其研究团队提出了煤炭绿色开采的理念并构建了绿色开采技术框架。绿色采矿模式，就是最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的采矿模式。
符合科学发展观的绿色采矿应基本满足资源综合利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。在目前众多的采矿方法中，充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。
三、充填采矿的优势
1、 降排功能
充填采矿的作用和意义已远远超出了矿山开采的范畴。在世界上已经出现了少数典型的无废料排弃的矿山。例如，德国格隆德铅锌矿利用浮选后的全尾砂和重选碎石制备膏体充填料回填下向充填进路，不再有尾矿排弃到尾矿库；在一些风景名胜区、自然保护区内采矿，如奥地利的布莱堡铅锌矿，我国南京栖霞山铅锌银矿等。勿庸置疑，这类矿山开采的首先条件是能否将大量工业固体废物回填到地下。
大量处理工业固体废料将是矿山今后设计优先考虑的重要任务,是解决矿区环境污染问题的最好方法。
2、 消除地表变形及下沉功能
利用充填技术快速、有效地充填采空区，可以及时支撑采空区围岩，阻止和抵抗围岩进一步变形，防止大幅度的位移发生；通过充填可以快速形成新的工作面，为后续作业创造条件，缩短采充循环周期，提高采矿综合生产能力；充填采矿技术可以有效地阻止岩层发生大规模移动，实现水体下、建筑物下采矿，同时保护了地表不遭破坏，维持原有的生态环境。
3、低贫损开采功能和远景资源保护功能
充填采矿技术可以应用到水平矿体、缓倾斜矿体 、急倾斜矿体 、分枝复合矿体等各种复杂多变的矿体，特别是厚大矿体，将大幅度提高矿柱回收率和出矿品位，最大限度地回收矿石；充填采矿技术可以对某些需要优先开采下部或底盘富矿的矿山实现“采富保贫”而不会造成矿产资源的破坏和损失；废石、尾矿、废碴仍含有当前技术不能回收的有用物质，置于地表难以长期保存，充填也是一种最为可靠的保护方式。
四、常用的充填采矿技术
随着回采和充填工艺逐渐完善，采装设备配套成型，适合不同矿床开采条件的各种充填采矿法，如分层充填法、分段充填法和阶段充填法等具有高回收率、低贫化率的优点，提高了采场产量和劳动生产率，应用前景日趋广泛。
1、盘区高分层充填采矿技术
传统分层充填采矿工艺的分层高度一般在2--3m左右，生产能力和生产效率较低。凡口铅矿盘区机械化高分层充填采矿法，盘区沿矿体走向布置，盘区内划分为矿房、矿柱。第一步回采矿房，回采后尾砂胶结充填；第二步回采矿柱,，回采后尾砂充填。采场分层高度达到4 . 5-- 5m，运用上向凿岩采矿工艺、分层采场一次微差爆破与界面控制爆破技术,，从凿岩到出矿全盘大型无轨机械化配套作业，实现分层充填采矿法集中强化采矿，标准盘区（3个采场）的生产能力达到840 t /d，显著提高了生产能力和生产效率。
2、 点柱充填采矿技术
点柱式充填采矿法实质上是房柱采矿法和充填采矿法的结合，兼有房柱法生产能力大和充填法有效控制地压的优点。主要适用于厚度大于8m以上的缓倾斜或倾斜厚大矿体，矿山要求较大的生产规模,，矿石价值较低或品位相对较低，可避免二步骤回采间柱。
3、分段充填采矿新技术
将暴露面积较大的分层采场转变为矩形断面结构，大幅度缩小采场暴露面积，可以在矿体不太稳固的条件下实行高效率充填和无矿柱连续开采。丰山铜矿将中段划分为 10m高度的分段，在各分段布置采场进行采矿与充填作业，分段采场垂直矿体走向布置，可在中段内呈梯状多分段布置采场。回采与充填作业在分段采场内按采矿步距交替进行。在巷道内进行凿岩、出矿和充填作业；上向中深孔挤压充填体爆破，放矿形成采空区后立即进行胶结充填。台车凿岩，铲运机出矿和运料充填，推卸式铲运机充填接顶，实现了采、出、充作业全盘无轨机械化。
4、大直径深孔嗣后充填采矿技术
由高效率的落矿技术与阶段嗣后充填工艺相结合，既发挥了充填采矿法的优点，又能实现高效率、大规模地下采矿。采用大孔距小抵抗线爆破、小断面 VCR 法掏槽、倒梯段侧向崩矿、水孔排水气囊和水孔装药工艺。在安庆铜矿成功应用120m高阶段大直径深孔采矿工艺。通过铲运机平底出矿，遥控铲运机回收残矿，采空区嗣后高浓度尾砂胶结充填等工艺的集成，使采场综合生产能力达到 1039 t /d，大量出矿期间平均生产能力达2418 t /d，采矿工效达 67 . 4 t /工班，主要技术经济指标接近国际先进水平。
五、实例
西北某大型铜矿位于内蒙古巴彦淖尔市狼山山脉中段北麓。矿床于1988年开发，20世纪90年代露天开采达到50X 104t/a。2003年，西部矿业委托兰州有色冶金设计研究院设计露天转地下开采，设计采矿规模130 X 104t/a, 2005年投入生产。随着矿山地质勘探工作的重大突破，2006年对西北某大型铜矿进行了采矿扩建工程可行性研究设计，设计采矿规模170 X 104t/a。
1、开采技术条件
矿体呈层状、似层状产出，走向为近东西向，向南倾，倾角60°~80°矿区主构造总体走向为80°,向南倾刹，倾角65°~80°，地下涌水量小。铜矿体主要赋存于石英岩中，品位高、厚度大，其硬度系数为8~10。通过工程揭露铜矿体上、下盘都有不同程度的破碎带，局部矿段节理裂隙非常发育。
2、采矿方法
西北某大型铜矿原设计采矿方法主要为浅孔留矿法，由于矿山进行铜矿采矿扩建，需要采用上、下两个采区同时生产，来保证矿山生产能力的增长。在上部采区回采没有结束之前，下部采区1 450 m中段以下回采必须采用胶结允填或废石允填，以保证上部采区的安全。加上矿山原有采矿技术条件发生变化，己经无法达到设计损失、贫化和回采率指标，为保证矿山安全生产和提高经济效益，2009年矿山与长沙矿山研究院合作，在1 690 m中段901采场进行上向水平分层允填采矿法试验，在1 690 m中段1001采场进行空场嗣后充填采矿法试验。在试验的同时，经过多方面分析研究和论证，将矿山原有的主体采矿方法浅孔留矿法优化为上向水平分层允填采矿法。
1）浅孔留矿法
采场绝大部分沿矿体走向布置，每50 m一个采场。采场内分矿房和问柱，矿房长38 ~42 m,宽度为矿体厚度，问柱宽8~12 m，顶柱厚6~9 m，采用漏斗放矿电耙耙矿底部结构。
浅孔留矿法具有结构简单、管理方便、采准工程量小和生产技术容易掌握、设备易于供应维修、出矿快等优点。在矿岩稳固、极倾刹而且变化小、厚度在5m以下的矿体中的使用效果最佳，现在矿山边角、零星矿体基本采用此方法。
2）上向水平分层充填采矿法
①采场结构参数
中段高度为50~70 m0矿块沿矿体走向布置，间柱宽4 m,矿房长46 m,宽度为矿体厚度，一般在采场均匀留2~3个尺寸为4mX4m点柱，分段高度为10 m或15 m，底柱高6. 6 m，顶柱高10 m。
②此结构参数用在1 450 m中段6~8线及1 630 m中段6~9线矿房回采过程中。由于矿体上盘局部存在于破碎带中，矿体节理裂隙发育，不稳固，在回采过程中矿体上盘不同程度出现垮塌。为保证作业安全，减少损失、贫化，矿山对采场结构参数进行优化，将不稳固矿段沿矿体走向布置优化为垂直矿体走向布置，采场宽度为10 m，采场长度为矿体厚度。
图1某分段2~4线平面图
图2某分段3 ~8线平面图
③实践表明，当矿体矿化不均匀，矿房内有较多夹石时，可采用矿块沿矿体走向布置，见图1。将夹石留成柱可以最大限度地减少矿石损失和贫化，保证作业安全。当矿体内矿化均匀，矿房内无夹石时，采用矿块垂直矿体走向布置，见图2，这样可以最大限度地减少损失。
结论:
1、上向水平进路充填法大大增加了采场的生产能力，可达269. 6t/d。随着分层高度增加，采准工程量大大减少，生产能力大大提高。
2、机械化装备水平大大提高，降低了工人劳动强度，节约了劳动成本。
参考文献：
[1]王新民，张钦礼，陈嘉生.块石胶结充填工艺在铜陵新桥硫铁矿的实验与应用[J].中国有色金属学报，1997,7(3):10-13
[2]李楊，彭康，张小刚，等.上盘进路下盘水平分层联合采矿法试验研究[J].黄金科学技术，2010,18(1):77-79.