采矿工程学科前沿讲座报告Word文档下载推荐.docx
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平安；
环境
中图分类号：
TD823.7文献标志码：
B文章编号：
无
Thenewtechnologyofmodernmining
Authors:
FengShanliang
（GuizhouUniversitySchoolofMinesmining112HuaxinewcampusofGuizhouUniversity,550000）
Teacher:
LiuPing
Abstract：
Thetraditionalmodeofmining，theexploitationofmineralresourcesintheprocessofwasterock，tailingsandmetallurgicalslagandothersolidwastedisposalindustryinChinaaccountsforabout85%oftheminewastedumps.Alargenumberofsurfaceeasytocauseseriouspollution,triggeringlandslides,tailingsdambreakaccident.Accordingtothemodernminingconcept,solidwastefillingtechniqueisthemosteffectivewaytosolvetheminewastetailemission,isthesubjectofgreenminingtechnology.Fillingminingtechnologywiththeeliminationofsurfacesubsidencecausedbyminingstressenvironmentandimprovethefunctionofmining,mininghasalowloss,improvetheprehensiveutilizationratefunctionand"
miningtherichandpoor"
resourceprotectionfunctionofresources,reducewastetailingsandothersolidwastewithemissions,eveneliminateminingendtreatmenttoachievenowasteminingfunction,havetoadapttovariousplicatedhardtomineoredepositminingfunctions.Therealizationprincipleandtechnicalsupportofgreenminingandfillingdirectionisdiscussed.
Keywords：
Coalresources;
productionefficiency;
miningtechnology;
safety;
environment
CLCnumber:
TD712documentcode:
BarticleID:
no
引言
21世纪是现代科学高速开展和现代工业高速增长的时期,对矿产资源的开发利用规模是历史上从来没有的。
金属矿产资源开采深度加大，开采难度增加，开采对象将逐步转向高应力环境下的深部矿体、复杂条件下的“三下〞难采矿体。
采矿业面临深部岩爆、冲击地压等地质灾害问题，地表下沉、塌陷等生态环境问题，生产能力、生产本钱等技术经济问题。
随着世界矿业开发的加剧，大量工业废水、废料、废气的排放造成了自然生态环境的恶化，人们越来越认识到加强矿山环保和矿山资源综合利用的重要性，迫切需要实现绿色采矿。
所谓绿色采矿模式，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。
绿色采矿模式是科学开展观在矿山企业的具体表达，勿庸置疑，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。
1、充填采矿技术应用现状
1.1国外应用现状
充填采矿法的研究在国外开展较早。
1930年霍恩矿山公司首次试验磁黄铁矿尾砂和炼铜炉渣干式充填获得成功。
20世纪50年代，澳洲一些地下金属矿山，以水力充填取代了早期使用的干式充填。
1962年加拿大Food矿首次采用尾砂和水泥胶结充填。
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，同时进展铅锌铜冶炼炉渣代替水泥的研究。
20世纪70年代，尾砂胶结充填工艺开场在金属矿山推广应用。
1993年加拿大开展了膏体充填技术，膏体充填技术的出现只是近10年的事，但开展极为迅速。
一些矿业兴旺，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，而芒特艾萨矿业公司为开采深部的3500矿体，在1998年底建成一个膏体充填系统。
可以说10年加拿大矿山采用高浓度尾砂充填料将会成为规。
由于经济的需要，多矿山应用了空场法采矿，并进展嗣后充填。
特别是在20世纪50～60年代后，各国都加大了充填采矿所占的比重，有关还围绕灾害控制制定了相应规，可以说充填采矿法将是采矿技术研究的重点。
1.2国应用现状
我国充填采矿法的开展经历了四个阶段：
第一阶段为20世纪50年代的干式充填，1955年我国干式充填采矿法在有色金属地下开采中占38.2%，在黑色金属地下开采中高达54.8%，但由于当时设备比拟落后，技术水平比拟低，从采矿工效、生产能力及本钱上制约了充填采矿技术的开展，至1963年，有色矿山中充填采矿法的应用比重降至0.7%；
第二阶段为20世纪60、70年代以分级尾砂、河砂、风砂、碎等为集料的水砂充填和胶结充填工艺，1960年，锰矿为了防止矿坑因火灾，采用了碎水力充填技术，1965年锡矿山南矿为了控制采场大面积地压，使用了尾砂水力充填工艺，1968年凡口铅锌矿为了满足采矿工艺要求，首次采用分级尾砂和水泥胶结充填工艺；
第三阶段为20世纪80年代开展起来的全尾砂高浓度胶结充填、高水速凝全尾砂固化胶结充填和块胶结充填工艺，上世纪80年代末，凡口铅锌矿和金川有色金属公司开场试验全尾砂充填，同时高水速凝充填技术在煤矿开场应用，1988年大厂铜坑矿采用了块胶结充填工艺；
第四阶段为20世纪90年代开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，随着各种新型充填工艺、新型胶结材料的成功应用，极大地推进了我国充填采矿技术的开展。
2、传统采矿理念及其后果
传统采矿理念认为采矿是矿产资源开发利用的前端工序，矿区生态恢复和环境治理是末端工序。
在矿床开采过程中，人们通常注重于矿床开采的经济活动，较少结合开采过程考虑矿床开采对自然环境的重负面影响。
往往在矿区出现重的生态破坏和环境污染甚至存在重大危险源的情况下再进展末端治理，较少按照矿产资源开发与生态环境相协调的理念，将矿床开采的各工序作为一个系统从源头解决开采与环保问题。
显而易见，传统采矿理念的核心缺陷是矿床开采（前端）与环境治理（末端）的不协调,分割处理，治标不治本。
于是，多年来的开发造成大量土地受到破坏、大量固体废料堆放地表、井下存在大量采空区等给自然生态2传统采矿理念及其后果与社会经济生活带来负面影响的系列问题，已成目前亟待解决的重大课题，主要包括以下几个面。
2.1资源浪费与资源缺乏
我国现已发现171种矿产资源；
有矿产地18000处。
资料显示，我国优势矿产的查明资源利用程度高于短缺矿产，资源利用程度与市场配置资源原那么之间存在诸多矛盾与问题。
因短期利益而对优势资源进展的超强度开发，导致局部优势矿产资源储量利用程度过高，后备资源重缺乏，资源优势地位岌岌可危。
现在世界矿业每年采掘出280亿吨以上的矿岩，比地球上所有河流的浸蚀输送量还多，有色、黑色、煤炭等固体矿产原料占据主要比重。
近年来，矿产品及有关原材料进出口额占外贸进出口额的比例到达了25%以上。
图1.矿床开发与废料产出、采空区形成关系示意图
目前我国不仅存在重的资源浪费，而且面临资源缺乏。
从总体上看，我国矿产资源总量较丰富，据世界第三位，但是人均占有量远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，只到达世界平均水平的58%。
预计未来20年，油、天然气、铜、铝矿产资源累计需求总量至少是目前储量的2至5倍，我国将短缺30亿吨铁，5～6亿吨铜和1亿吨铝。
就有色金属矿产资源现状来看，由于资源消耗量大，显然，今后15～20年是我国开展的重要战略机遇期，也是矿产资源供需矛盾的进一步凸显期，全面建立小康社会对矿产资源保障提出了更高的要求，在相当长时期，油、天然气和重要矿产资源供需形势仍将十分峻。
到2020年我国短缺的矿产资源将增至39种，对外依存度将居高难下。
2.2开采区地表塌陷造成的破坏
矿区在开发建立之前与围环境是协调一致的，而进展开发建立后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的采矿生态环境问题。
采矿业破坏的土地面积达1.4～2.0万平公里，并以每年200平公里的速度增加。
目前我国有近50个矿区出现重地面沉陷现象。
据估算，全国平均每采出1万吨煤沉陷面积在2000m2〔约3亩〕以上。
2.3平安隐患
采空区----诱发矿区塌陷、矿震、崩塌、滑坡、矿井突水等地质灾害。
我国已有30个城市发生过因采矿引起的塌陷，造成重破坏的有25个。
我国因采矿引起的重大塌陷事故近200起，损失沉重。
矿山固体废料堆放地表----易诱发泥流、尾矿溃坝事故。
2004年的调查说明，全国各类尾矿库中，危库、险库、病库的比例相当大，已公布确实定了平安度的1035座尾矿库中，危库占5.9%、险库占6.7%、病库占25.3%。
废堆放引起水污染、泥流事故使人触目惊心。
矿山开采过程中，采矿废及尾矿暴露于大气中使其中的硫化物矿物氧化并形成了酸性矿山排水，水体具有较低的pH值，并且富集可溶性的Fe,Mn,Ca,Mg,Al,S042-等，以及重金属元素（Cu,Zn,Pb,As等）。
以河水为饮用水源的居民的砷暴露水平到达甚至超过国外重大慢性砷中毒案例的暴露水平。
3、充填采矿法的分类
充填采矿法依据充填材料的不同可分为：
干式充填法、水砂充填法、胶结充填法。
其开展经历了由干式充填到最初为不含胶结剂的水砂充填，以后开展了胶结充填，并使充填体的浓度逐步提高，逐步开展到高浓度的似膏体充填、膏体充填。
3.1干式充填法
干式充填采矿法用矿车、风力或其它机械输送干充填料（如废、砂等）充填采空区，也是充填采矿技术最早采用的法。
原联及日本、澳大利亚曾广泛采用，20世纪50年代，我国有色金属矿山50%以上使用干式充填采矿法。
用此法采出的矿占总矿量的1/3之多。
随着充填技术的开展，干式充填法因工艺繁杂，劳动力需求大，作业本钱高，采场充填时间长，矿贫化率高，生产率低，采场充填时不能进展回采等缺点，已不能满足“三强〞（强采、强出、强充）采矿生产的需要。
因而，国干式充填法所占的比重逐年下降。
但能适应矿体产状复杂变化的矿区，因此至今仍有矿山使用此法。
3.2水砂充填法
利用砂浆泵或自流式，将选厂尾砂、冶炼场炉渣、碎砂等固液两相浆体输送到井下，作为充填料来充填采空区。
1864年在美国宾夕法尼亚的一个煤矿区进展了第一次水砂充填试验，以保护一座教堂的根底平安。
随后南非、德国、澳大利亚等也先后试验并成功运用了水砂充填工艺。
进入20世纪后，美国和加拿大开发了基于采用选厂分级尾砂进展水砂充填的充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水力旋流器脱泥等面取得了进步，实现了低浓度（35%～70%）泵压或自流输送的水力充填采矿。
我国的水砂充填工艺从20世纪60年代开场采用，1965年首次采用了尾砂水力充填采空区工艺，有效地减缓了地表下沉，取得了较好的效果；
70年代一些矿山都先后成功应用了尾砂水力充填工艺；
进入80年代后，分级尾砂充填工艺与技术应用更加广泛，有60余座有色、黑色和黄金矿山都推广应用了该项工艺技术。
但是水砂充填工艺较为复杂（需砌筑溜矿井和人行滤水井，构筑混凝土隔墙，铺设混凝土底板等）、排水费用高、充填量小，充填体强度不高，使其应用围受到很大限制，开展胶结充填已成为当今的必然趋势。
3.3胶结充填法
胶结充填法一般采用以碎、河砂或尾砂或戈壁集料为骨料（间或掺入块），与水泥或灰类胶结材料经拌合形成浆体或膏体，以管道泵送或重力自流式输送到充填区的充填。
与水砂充填相比，胶结充填的充填料强度大，充填速度快，充填量大，工艺简单。
随着材料科学的开展，目前胶结材料类型、品种多样，加上掺合料的多样化，使胶体、浆体或膏体的成份愈加复杂和多样，再加上浆体泵送工艺的开展，使胶结充填出现了空前的繁荣局面。
胶结充填又可分为：
尾砂胶结充填、块胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填、膏体泵送充填、高水速凝充填。
由于胶结充填具有强度大，速度快，工艺简单等优点。
因此目前世界各国矿山企业，特别是矿业兴旺的都在广泛应用这种充填法。
4、充填采矿法的开展向
4.1向无轨机械化、回采连续化开展
现代充填采矿技术己将低效率的充填工艺改造成为大规模高效率的先进的采矿工艺。
斜坡道与各种类型无轨采掘设备的应用，使井下作业面貌发生巨大变化。
井下工人劳动条件得到很大改善，采场生产能力和劳动生产率大幅度提高。
据称，国矿山已有53种型号800多台铲运机（LHD）在运行，铲斗容积最小的0.38码，最大的已达6.1码，其中柴油驱动占70%，电力驱动占30%。
拥有铲运机的矿山有56座。
有色金属（集团）XX公司小铁山铅锌矿先后引进地下无轨采掘及辅助设备12台（套），实现了采掘无轨机械化。
装备有瑞典水星—14单臂液压凿岩台车4台，美国EST2D铲运机4台，中国金川JCCY2A铲运机4台，铲斗容积为2码，即可每年采出矿30万吨，生产能力到达800～1200吨/天；
又如铜矿采用120米以上高阶段大径崩矿嗣后一次充填采矿法，瑞典Simba-251潜钻机钻凿直径为165毫米垂直下向深，美国ST-SC（斗容3.8耐）铲运机出矿及大规模连续振动出矿，采场综合能力到达750～800吨/天。
4.2新型充填材料、化学添加剂逐步扩大应用
矿山充填材料主要由骨料和胶结剂两局部组成，骨料大多数就地选取廉价的可用物料，缺乏局部就地选料破碎加工，而胶结剂绝大多数矿山选用普通硅酸盐水泥或矿渣水泥，少量矿山掺入粉煤灰、赤泥、灰等物料。
目前适用于矿山充填特点的专用水泥还不多见。
高水速凝材料是一种典型的专用充填胶结剂，其在硬岩矿山的应用仍处于试验研究和推广阶段。
除了常规的充填材料，如砂集料、水泥、粉煤灰、炉渣以及水之外，在充填料制备之前或混合之后直接参加的材料以外加剂，己在国外一些矿山开场研究和试用。
例如速凝剂用来缩短凝固时间，缓凝剂用来延长凝固时间，减水剂用来改善易性和提高强度，减阻剂用来降低高浓度物料的管道输送阻力等，其目的是为了提高充填料的物理性能，包括强度、稳定性、可输送性、可泵性、和易性以及浇注性等，这些特性满足于充填与采矿工程需要。
特别是减水技术和水化过程控制技术已在国外矿山生产中应用。
多化学添加剂如絮凝剂、减水剂、诚阻剂、泥浆杂物快速固化剂等也在矿山得到了不断应用，依赖水泥单一品种的局面将会得到改变。
4.3充填设施、机械、监测仪表将不断更新
在充填设施中，充填料贮仓的作用是十分重要的，但往往被人们所无视。
贮存干料的卧式贮仓较为简单，而采用湿法处理技术产出的分级尾砂或全尾砂的贮存通常用立式贮仓，要求贮仓中以高浓度料浆（例如65%～70%）稳定的、可靠的排出，对制备优质充填料十分重要。
因此，对现代两相散体流动特性与理论研究十分必要。
对现行使用的几种立式贮仓：
半球形底部构造多点放砂型、锥形底部单点放砂型以及带搅拌器的贮罐型进展综合分析评价，并开发研究和设计出无搅拌器重力排放充填料贮仓，对浆体充填系统或膏体充填系统都是十分必要的。
澳大利亚Wollongong大学松散固体与颗粒技术中心已开展了这面的研究。
充填料制备的专用混合搅拌机得到进一步开展，出现了立式强力搅拌机、卧式叶片搅拌机、卧式圆筒旋转搅拌机、卧式双轴螺旋搅拌输送机以及水泥活化搅拌机、高剪力高速搅拌机等。
由于尾砂充填的广泛应用，处理尾砂的分级脱泥设备、各种类型、各种尺寸的水力旋流器，输送尾砂的各种耐磨砂泵、油隔离泵、隔膜泵等，特别是全尾砂技术的开发，促进了连续脱水技术和脱水设备的开展，大型盘式过滤机和大型水平带式真空过滤机研制水平有了较大的提高，过滤效率和处理能力完全可以满足生产需要。
充填搅拌站常规的国产监测仪表己由II型开展到m型，涡街流量计、电磁流量计、质量流量计、超声波流量计、同位素密度计、各种料位计、液位计、电子秤等己经得到普遍应用，技术等级更高的智能化仪表、核子秤、远传电子压力表也在少数充填系统中应用。
但是选用于高浓度和高体管道输送监测压力的仪表还不够完善，尤其是井下充填管网的监测仪表还极少，这也是国外矿山需要解决的问题。
4.4充填力学研究向现场连续监测与预报开展
多应用充填采矿法的矿山，对充填体的作用及其对采场围岩稳定性影响的研究都比拟重视，经常联合科研院校并注入了相当多的资金开展试验研究，主要通过原岩应力测量和矿岩的物理力学性质检测及在井下采场充填体中和上、下盘围岩中埋设各种应力、应变仪器来实测相关参数，再将这些参数按预定建立的数学模型输入计算机进展演算，从而得出一定的结论。
1995年，有色（集团）XX公司和瑞典律欧大学合作，按上述程序完成了中国-瑞典关于小铁山铅锌矿矿区的岩力学研究报告，主要对机械化上向进路式尾砂胶结充填采矿法采场及附近围岩进展大量数据整理分析，得出了小铁山铅锌矿的地压根本规律。
1994年，美国矿务局月一佛岩力学研究中心与中国合作开展矿山岩力学研究，其中拟在金川建立一套宽频带微震监测系统，对地下开采过程中的地压活动进展长期的监测，但因为投资太大而未能实现。
这说明类似金川这样工程地质条件复杂的大型矿山，建立长期的地压活动连续监测与GPS预报系统，进展地下开采稳定性的研究是十分必要的。
4.5充填模式向生态化、无公害化开展
采矿工业在提供原材料的同时也不可防止地破坏自然环境。
随着矿产需求量的增加，由资源开发利用引发的环境破坏和废料排放己成为全球性的峻问题。
因此，尽量使矿山固体废料不向地面排放和采空区被有效地充填，已是急待研究解决的重大课题。
按照工业生态学的观点，解决矿山环境问题最有效的途经是将矿山废料转化为资源被重新利用。
生态的充填模式就是要将矿山的各个工序作为一个系统对待，把矿山充填作为固体废料资源化的一个有效手段，实现矿山固体废料排放最小化，从根本上解决矿山环境保护问题。
新的充填模式由三个根本要素组成:
①循环技术②经济效益③废料流量。
第一要素是必要条件，即该充填模式必须以低本钱、高效率和高可靠性能的充填技术作为支撑，是其核心要素；
第二要素为充分条件，在该充填模式下能够实现经济平衡甚至获取新增效益；
第三要素那么表征废料的资源化程度。
这一充填模式将实现固体废料排放量最小甚至为零。
5、现代采矿理念与绿色采矿
可持续开展包括生态可持续、经济可持续和社会可持续。
其中，生态可持续开展是我国可持续开展的前提和根底，经济可持续是我国可持续开展的核心，社会可持续是我国可持续开展的目标。
生态可持续是从生态环境的有限的条件出发，在环境资源和环境容量两面采取合理的措施，以维护和促进生态系统发挥正常功能的过程。
实现生态可持续，要求人们利用高新技术广泛开展资源的高效利用以及强化资源的循环利用。
5.1绿色采矿模式与充填技术
根据绿色采矿的根本涵，不难发现，现时期下符合科学开展观的绿色采矿应根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[19、20]。
勿庸置疑，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。
充填采矿技术具有消除采动引起的地表下沉和改善采矿应力环境功能，具有低贫损开采、提高资源综合利用率功能和“采富保贫〞远景资源保护功能，具有降低废尾砂等固体废料排放、甚至根本消除采矿末端处理到达无废开采的功能，具有适应各种复杂难采矿床开采的功能。
5.2充填采矿技术的降排功能
目前，充填采矿法将得到越来越多的应用，促使充填工艺技术进步速度加快。
实际上,充填采矿的作用和意义已经远远的超出了矿山开采的畴。
因为利用工业废料大量深埋地下改善环境保护，以及矿产资源充分、合理的综合利用，也是我国国民经济可持续开展战略的根本要求。
建立“无废矿山〞，实现“绿色矿业〞是完全可以做到的。
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。
又如德国瓦尔什姆煤矿产出的煤炭送到地表洗煤厂，洗出的精煤运至旁边的坑口电站发电，而将电站的粉媒灰和洗煤厂的煤泥返回到井口充填制备站，混合拌成膏体后再泵送到井下采空区进展充填。
又如在一些风景名胜区、自然保护区采矿,例如奥地利的布莱堡铅锌矿，我国栖霞山铅锌银矿这样的风景名胜区等。
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〔图3〕。
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的法。
图2充填采矿与降排示意图
5.3充填采矿技术的消除地表下沉与改善采矿应力环境功能
1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。
2充填体可以明显改善采空区围二次应力分布状况，提高矿柱围岩自身的稳固性。
3通过充填可以快速形成新的工作面，为后续作业创造条件，缩短采充循环期，实现强化开采，提高采矿综合生产能力。
4充填体可以减缓地压能量的释放速度，防止或减轻深部冲击地压的发生。
5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。
5.4充填采矿技术的低贫损开采功能和远景资源保护功能
1胶结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角度
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