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目前,充填采矿法在国外金属矿山已获得日益广泛的应用,其所占比重正在持续上升。
例如,加拿大、美国、日本、瑞典、苏联、西德等。
11970年—分层充填法比重为22.2%;
1973年—分层充填法比重为29.1%
1974年—用充填法采出的矿石为2500万吨。
深入充填料中的水泥约价值1000万元;
②又如美国。
1971年—使用充填法的金属矿山数为38个。
其中用充填料回填空区的矿山有:
25个。
1971年美国脉状矿日产矿石量为1200万吨以上的有色矿山,只有6个,而除一个用留矿法开采外,其余均用充填法开采。
③日本充填法使用比例。
1956年占24.5%,1967年占35.2%,1970年占39.0%。
④瑞典情况—在45个矿山中,有13个矿山采用分层充填法开采。
⑤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%。
⑥其他国家如澳大利亚、西德、印度、英国、奥地利等国家也都广泛地应用充填采矿法开采有色、稀有金属矿体。
三、充填的目的
(一)进行地压管理
利用形成的充填体进行地压管理,用的控制围岩崩落和地表下沉,并为回采工作面而创造方便条件和安全条件,保护地表建筑物,缓和大面积地压活动,恢复安全生产。
(二)杜绝内因火灾
有些矿山用这种方法来预防有自燃性的矿床(内因火灾或其他灾害)。
[参考]如我国湘潭锰矿,矿体的直接顶板为叶片状黑色页岩,崩落后在有水和空气的条件下,经30~50天后发生自燃。
采用充填法后,杜绝了内因火灾。
(三)为回采矿柱创造了条件
矿房采完以后空场能否及时进行充填,将直接导致矿柱能否进行回采,由此将直接影响矿山三级矿量的平衡和均衡生产。
如我国凡口铅锌矿,用水平分层充填法回采了两侧均为水泥尾砂、胶结充填体的矿柱。
)
(四)为深部、水下开采创造条件。
用于深部开采,水下采矿以及预防冲击性地压。
四、充填材料及其充填料的输送方法。
(一)充填材料来源
①地表堆积的废石;
②掘进坑边的废石;
③选矿厂的尾砂;
④冶炼厂的炉渣;
⑤戈毕集料;
⑥从地表属门采石等。
(二)充填材料的输送方法
可以通过矿车或其他机械运输,也可用风力、水力输送。
目前水力输送应用比较广泛。
五、充填采矿法分类
(一)按充填料的性能和充填工艺特点分类:
胶结充填
可分为:
非胶结充填干式充填
水砂充填
(二)按矿块回采工作面的推进方向和回采工艺特点分类:
①上向分层充填采矿法;
②下向分层充填采矿法;
③壁式充填采矿法;
④削壁充填法;
⑤支架充填法。
六、充填采矿法的适用条件
(一)开采品位较高的富矿,并且要求有比较高的回采率和比较低的贫化率;
或开采稀贵金属。
(二)赋有条件件和开采技术条件比较复杂的矿床,如:
①水文地质条件、矿体形状比较复杂;
②矿体埋藏较深而且地压较大;
③矿石或围岩有自燃发火的危险;
④地表或围岩不允许有大面积沉陷或剧烈移动而需要特殊保护;
⑤露天和地下同时进行开采。
(三)适用于矿石稳固,围岩不稳固的矿床
如果能采用特殊的支护方法或下向分层充填法,也可以用来开采矿石不稳固的矿体。
(四)适用于开采急倾斜矿体
因为急倾斜矿体便于向采场输送充填料,并且可以减少充填不到的空间及充填料接顶的面积。
但是,如果能采用水力或风力充填的话,也可以用于缓倾斜薄矿脉的开采中。
七、充填采矿法与其他采矿方法比较的优缺点:
(一)充填采矿法的优点:
(1)采、切工程量小,灵活性大;
(2)矿石损失、贫化小;
(3)能够比较有效的维护围岩,减少围岩的移动和防止大量冒落;
(4)对于薄矿脉或多品种矿石可以进行选别回采;
(5)可以防止矿床开采的内因火灾;
(二)缺点:
(1)回采工艺和充填工艺复杂。
(2)充填和采矿互相影响,如果回采作业机械化所不能妥善解决,则生产效率和生产能力都比较低;
(3)充填料的开采,加工、输送及其他一系列消耗使矿石成本较高。
开采运输与堆积充填料这些工作所需要的费用占采矿成本的40—50%。
(4)劳动强度大;
2干式充填采矿法
一、干式充填采矿法的特点和适用条件
(一)特点:
(1)将矿块划分为矿房和矿柱,先采房,后采柱,两步骤回采。
矿房是自下而上分层回采,随着回采工作面的向上推进,逐层充填采空区的维护上、下盘围岩,同时为继续上采创造作业条件。
(2)干式充填采矿法多用废石作为充填料,充填料利用主充填井下放到井下,再用其他运输送到工作面进行采场充填工作。
(3)矿房回采到最后一个分层后,要进行接顶充填。
(4)矿柱回采工作是在采完一批矿房以后或采完一个阶段后进行。
(二)适用条件
(1)适用开采品位高,价值高的矿石;
(采矿体厚度小于4米的);
(2)适用于开采矿石稳固,而围岩不稳固的急倾斜薄到中厚的矿体;
矿体太厚时,充填工作量大,输送充填料和在矿房中铺平充填料的工作太繁重。
(3)缺乏水力充填的廉价材料;
(4)矿山开采中自然涌水量大,不宜采用水力充填法开采;
(5)缺乏水源地区的矿山,用水力充填法供应不上水。
(三)干式充填法分类:
按工作面形式不同,可分为三类,即:
(一)上向水平分层干式充填法;
(黄沙坪铝矿用及红化沟金矿用)
(二)倾斜分层干式充填法;
(三)削毕充填采矿法。
(红花沟金矿用)
二、干式充填采矿法典型方案(上向水平分层干式充填采矿法)
(一)上向水平分层干式充填采矿法特点:
属于干式充填法的一种,与干式充填法总的特点基本相同。
它也是两步骤回采,向下而上分层回采。
随着工作面以向上推进,逐层充填采空区,用以支撑上、下盘围岩并造成不断上采的作业条件。
当矿房采到最后一个分层后,要进行接顶充填。
矿房采完后,再有计划地回采矿柱。
(二)矿块构成要素
(1)矿块布置方式
矿块布置方式分为沿走向和切走向两种。
①沿走向布置——当矿石与围岩比较稳固的条件下,矿体厚度又不超过10—15米时,采用沿走向布置。
②矿块切走向布置--矿体厚度>10~15米时,用切走向布置。
(由所给尺寸可看出,此数值比空场法要小。
因为围岩不稳固,允许暴露的面积小,因而以10~15米为界)。
(2)矿房长度
矿房的长一般宜控制在50米以内。
如果矿体厚度超过50米,则在矿体的垂直走向方向上布置两排矿房,在两排矿房之间留沿走向的纵向矿柱。
<
干式充填采矿法典型方案>
1-沿脉平巷2-人行天井3-联络道
4-充填天井5-溜矿井
1-阶段运输平巷;
8-底板;
2-回风巷道;
9-电耙胶车;
3-充填天井;
10-顶柱;
4-放矿溜井11-底柱
5-人行通风天井12-充填料
6-联络道(间距4~6m)13-崩下矿石
7-隔墙;
14-炮孔
(3)阶段高度
①阶段高度一般为30~60米(常用的是35~45米)
②阶段高度过大,在生产中会产生一些困难,如:
当矿体厚度不大,而矿体倾角变化大时,会引起架设流矿井的困难;
当矿体很厚,出矿量很多时,溜井下部磨损大,维护困难。
(钢溜井可通过10~15万吨矿石,予制混凝土溜井一般达不到10万吨矿石)。
[参数]阶段高度大,则回采速度慢,当回采上部分层时,矿石的稳固性降低。
对于阶段高度的取值方法:
①当矿体倾角比较大,倾角和厚度变化不大,矿体、轮廓规则时,采用较大的阶段高度;
②当矿床勘探类型越高时,阶段高度可以取的越小。
(4)矿房的水平暴露面积
矿房的水平暴露面积,主要取决于矿石的稳固性。
当矿石稳固时,水平暴露面积多在300~500M2之间;
当矿石很稳固时,可达到800~1200M2或更大,(个别矿山达到2000M2)。
(5)矿柱尺寸
1)间柱宽度:
间距宽度取决于间柱的回采方法和矿岩的稳固性以及矿体厚度。
用充填法回采间柱时,可留7~10米。
当矿石和围岩不太稳固且地压较大时,则应取较大的尺寸。
间柱留的过小,受的压力大,不易回采矿柱;
间柱留的过大,则又形成较大的采空区。
当矿体很薄时(3~4米的薄矿脉),也可以不留间柱,此时采用在矿房之间浇灌混凝土隔墙的办法;
2)顶柱厚度
当上部运输巷道需要保护时,则应当根据矿石的稳固性和矿房的大小,保留3~5米厚的顶柱。
不留顶柱可以简化回采步骤,因而可以减小矿石的损失和贫化,但需要建造人工假巷。
3)底柱高度
对于充填采矿法,由于采准巷道布置简单,在底柱中的巷道很少,并且不在其中进行二次破碎。
故矿石底柱的稳固性破坏较小,因而底柱高度可以小一些。
当矿房位于主要运输平巷之上时,必须要留底柱。
一般在运输平巷上部只留2-3米高的底柱。
(即从运输水平底板算起总计高4-5米)。
(三)采准工作
采准工作包括有:
沿脉和穿脉平巷,天井、联络道,放矿溜井以及充填井。
(1)沿脉平巷和穿脉平巷
为了便于探矿和采矿,一般靠近矿体下盘或上盘边界掘进。
沿脉运输平巷多用于中厚以下矿体的回采中。
当矿体很厚,矿房垂直走向布置时,为了布置溜井方便,相邻矿块采矿互不产影响等,通常采用穿脉运输平巷)。
当矿房和间柱沿走向的长度比较大时,则矿房和间柱分别开凿独立的运输穿脉巷道。
相反,则运输穿脉巷道可开在矿房和间柱的交界外,共用一条巷道。
运输巷道的断面一般为2.1×
2.5米,(依运输设备定断面)。
(2)在一个矿房中至少应当有两个天井(一个是人行天井,另一个是定填天井)。
1)人行天井--人行天井一般布置在间柱宽度的中央靠下盘处。
通过联络道与矿房联通。
如此布置,对天井的维护、探清矿体边界和以后回采间柱都很有利。
人行天井断面为(1.5m~2.0m)×
2.5米2或2×
2米2,其倾角应大于60°
,以便回采矿柱时可以改作充填井。
矿体两边的人行通风天井,一般可以采用顺路天井。
优点是可以减少掘进工作量。
同时能适应矿体形态的变化。
顺路天井的断面一般为1.5×
1.5米2。
2)充填井--充填井一般布置在矿房中央靠上盘的地方,以减少充填料的运搬距离。
另外在定位时,应考虑到充填井与溜矿井、人行井之间的相互位置,做到既便于工作,而又确保矿房中工作的安全。
充填井的上部出口与上部平巷或短横巷相通,以便倾倒充填料。
充填井的倾角应当保持在60°
以上,以便充填料和混凝土能靠自重顺利地溜下
充填井断面--应当满足运送充填料,运送材料以及设备等的需要,因而井的断面应当大一些。
(3)放矿溜井
1)在一个矿房中应设两个放矿溜井,以便于当一个溜井发生堵塞或破坏时,另一个溜井还能继续生产。
(当矿房很小时,有时只留一个溜矿井)。
2)溜井的位置--溜井应设在矿石运搬距离最短的地方,同时使用的运搬机械不同,应有所区别。
3)流矿井断面--通常为园形断面,内径为1.5×
1.8米2,它是由矿石的块度及出矿量大小确定的。
4)溜井砌筑--溜井可用混凝土浇灌或予制混凝土砖砌筑成,或者用钢板焊接成园筒(如焦家金矿、红花沟金矿都用钢板)
5)溜矿井的倾角应当大于60°
溜井的下口与平巷或横巷相通,并设有放矿闸门。
(4)联络道:
自拉底水平的底板起,在天井中每隔4~6米,垂高布置一条联络道,使之与矿房相通。
两个天井的联络道,在垂直位置错开布置较好,以免充填时两个天井中的联络边同时被堵死。
联络道要和天井掘进同时完成。
联络道断面为1.5×
2~1.8×
2米2。
(四)切割工作
1)对于干式充填采矿法,切割工作只有一个拉底工作。
在拉底之前,先在拉底水平掘进一条拉底巷道,它是先由人行天井第一条联络道掘进一条短巷,与溜矿进一相通,然后利用溜矿井出矿,同时把拉底巷道(在矿房中)掘进完毕。
拉底水平位于运输巷道上部2-3米处,拉底巷道断面为1.8×
2.0~2×
2m2。
在拉底巷边的基础上,向矿房两边扩大至矿房边界。
在拉底区的底板上要浇灌一层厚0.3~0.5米钢筋混凝土作为下阶段回采的保护层。
(即第二种拉底方法--留底柱拉底方法)
(2)拉底的方法可分为无底柱拉底方法和有底柱拉底方法两种:
1)无底柱拉底方法:
(人工底柱)
①无底柱拉底方法适用于开采贵重金属的薄矿脉。
②拉底方法是--从运输平巷开始,在矿房范围内,将平巷开帮,扩大到矿房边界,再往上挑顶,使总高度达到5~6米。
将矿石运出后,在底层铺0.3米厚的钢筋混凝土底板,在此底板上人工浇注运输平巷,其他空间用充填料充填满,再浇0.2米厚的底板即可。
2)留底柱的拉底方法
在运输巷道顶上留有2-3米左右的矿石底柱,在底柱上拉底,妈先从井中的联络边掘进一条切割巷道(短巷)和放矿溜井连通,以利于用溜井出矿。
利用切割巷道拉底,在拉底巷道的基础上,扩帮形成高为2~2.5米的拉底空间。
然后在上面浇注一层0.3~0.5米厚的钢筋混凝土底板。
上述两种拉底方法,各有自己的优缺点。
无底柱拉底方法的优点是:
可以免除回采底柱的困难,可以提高矿石回收率。
缺点是:
工作繁重,劳动量大,效率低。
留底柱拉底方法的优点是:
效率高,拉底时对巷道的运输工作影响较小。
回采底柱的损失比较大。
(五)回采工作
回采工作一般是按分层进行的,每采完一层,就充填一层,使工作空间始终2.0~2.2米左右的高度。
这样每采充一次便形成一个工作循环。
每一分层的回采作业是相同的。
每一个工作循环包括:
薄矿、撬毛、运搬矿石、充填、浇注混凝土隔墙和底板,加高溜矿开和顺路天井等。
由此可见,缩短一个回采循环时间,即可提高充填法技术经济效果。
(1)薄矿的分层高度--目前国内主要用浅孔崩矿,分层高度少为1.5~2.0米。
如果用中深孔崩矿。
则分层可达4-5米,或可采用两次以致多次浅孔崩矿,逐步形成。
加大分层高度有优点,也有不足。
1)优点:
①可减少辅助作业量,(如清场、浇注工作,吊迁设备等)
②可提高劳动生产率和采矿程度,降低采矿成本。
2)缺点:
①撬毛工作困难:
因采空区的空间高达6-7米,工人观察,检查顶板困难。
处理浮石也难,故安全性差。
②岩用中深孔薄矿,则必然增加大块,增加了破大块工作量,影响电耙出矿效率。
且污染空气。
③若用人工浇注隔墙时,则由于隔墙高度增大,造成浇注工作劳动强度大,困难显著增加。
在条件许可情况下,可以采用高分层回采。
采用高分层的必要条件和应采取的措施是:
a)矿石和上盘围岩很稳固;
b)有自行式升降台,可随时检查顶板和处理浮石;
c)有输送混凝土浇注隔墙的机械设备;
d)使用高效率的凿岩设备,加大炮孔密度,减少大块率。
(2)凿岩爆破工作
凿岩方式有两种:
①利用上向式凿岩机打上向孔;
②打水平孔。
一般多用上向孔,孔深1.6~2.0米,孔间距0.8~1.2米。
前后排炮孔错开布置,以充填井为自由面崩矿,每分层分为2-3次爆破。
打上向孔,可以集中把眼打定,然后一次爆破,也可分次爆破。
放炮后,集中出矿,适合用电耙出矿。
打水平孔时,只能随打随崩矿,适用于装矿机出矿。
打水平孔崩矿、顶板比较平整,撬碴工作量小,有利于顶板管理,安全性比较好。
※对于充填法,采场内一般不分梯度凿岩,因那样充填工作不利。
但可以先爆破一半,之后充填这一半,而另一半,可进行凿岩,打完眼爆破,出矿后再充填。
也即两半部分交替进行作业。
3)矿石运搬
目前国内充填法矿石运搬主要用电耙和装运机两种设备,它们各有优缺点。
电耙子的优点是:
坚固耐用,操作简单,维修费低,运搬能力大,(一台28KW电耙,平均生产能力可达120—150吨/台)用电耙在采场内既可出矿,又可用来耙平混凝土料,也可用来铺平充填料,效率高。
靠边处矿石耙不干净,要人工辅助清理,要经常移动滑轮。
需要有高强度的混凝土底板,否则会增加矿石的损失贫化。
装运机的优点是:
运输灵活,能比较干净的把矿房内的矿石装运出石。
不能耙平充填料,也不能用来铺设混凝土。
(4)混凝土浇灌工作
干式填法的混凝土浇注工作有三项——浇注底板。
隔墙及放矿流井。
有时也要浇注人工假底和顺路天井。
1)浇注底板
为了提高矿石回收率和改进作业条件,要在充填料上(每一分层回采完以后)面铺一层厚为8~10cm的混凝土,人工浇注混凝土时,效率低,劳动强度大。
另一种方法是把搅拌好的混凝土从充填井下放,倒入采场中,然后用电耙子耙(耙斗翻过来放着)再辅助少量人力劳动即可完成。
一个300~500米2的矿房,且一个班时间可以铺完混凝土底板。
对混凝土底板强度要求——一般要求在落矿之前轴向抗压,强度不小20kg/cm2,且应在铺设后2—3个班内达到此强度。
[参考内容]:
铺设混凝土底板的三种方法:
(实际是混凝土制备输送采场的办法)。
①用喷浆机喷射混凝土方法——实质是将干的胶结构料通过直径为50mm的胶结管导入喷咀,在喷咀处加水向外喷射的方法。
②管道自流输送浇注法——这种方法实质上是在上水平将混凝土料通过直径100~150mm的管道自流到矿房,导入软胶管进行浇注软胶管进行浇注。
③混凝土搅拌机法——它是把搅拌好的混凝土,经压气罐沿管道输送到矿房进行浇注。
2)浇注混凝土隔墙。
(有的矿山叫护壁)
①隔墙的作用是——将间柱和充填料分开,为以后回采间柱创造条件,以降低矿石损失和贫化。
②隔墙的厚度——各个矿山不一,一般为0.5~2.0米之间。
[参考]:
隔墙的厚度到底多厚为合适?
目前尚无可靠的计算方法和充分的实践经验。
矿山用的隔墙薄者为0.5~0.6米,厚者达1.5~2.0米。
经过几个矿山局部揭示的情况来判断,只要分层的隔墙浇注在同一垂直面上,且混凝土的质量比较好,且用充填法回采间柱,则隔墙的厚度有1.0米已够,可保证质量要求。
目前多数矿山是先充填矿房,而后砌筑隔墙的办法。
即首先用混凝土予制件做好隔墙的模板,之后进行充填工作,当进行到一个分层还差0.2米时停止充填,改为进行浇注混凝土底板工作,在此同时把混凝土入隔墙内,使底板和隔墙同时完成。
这样工作效率比较高。
(5)充填工作。
1)充填的主要目的是——利用充填料支撑两盘围岩和作为工人作业的工作台。
每采完一层后要进行充填,否则采完下的空区高度加高一层,对采矿作业不方便,且不安全。
2)充填工艺——矿房情况后,完成一部准备工作后,(如浇注隔墙,加高溜矿井及顺路天井等),之后从充填井向矿房下放充填料,待充填量达到设计要求的高度时停止,扒平表面,然后铺一层混凝土底板。
至此,充填工作结束,又可开始下一次新的循环。
3)干式充填所用的材料——多用废石,即井下掘进的废石,或开辟专用的采石场掘进废石
对充填料块度要求:
块度不要太大,一般不超过300~350mm,以及运送上的困难。
要求充填料中含硫不应太高,以及含黄沙量应少,其他含粘结性的物质应少。
三、干式充填系统
金属矿山在使用干式充填时,多数是矿井上部就近设备采石场,采下的岩石用留井下进行充填,在可能的条件下,尽量利用自重运输。
干式充填系统如下方图所示。
实际生产中,当开采深度不大,且地表采石条件方便时,可采用多充填井下料。
这种可以减少,坑内水平运输工作。
当采用主充填井下料方式时,为了不与运矿系统互相干扰,充填井多布置在矿体上盘,力求形成单独充填运输系统。
当充填工作量较大时,还应放设专门的水平巷道来运送充填料。
四、干式充填采矿法实例
(黄砂、坪铝锌矿实例)
(一)矿床自然条件:
该矿属于高温到中温的热崩矿床。
矿体多产生在火成岩与石灰岩接触带附近的断裂带或破碎带中,形状极不规则,厚度变化在0.5~30米之间,平均8~10米。
倾角由缓倾斜到是倾斜,一般为50°
~80°
,分枝复合现象较普遍。
绝大多数矿体,矿石和围岩都比较稳定。
矿石品位很高,但变化较大,含硫量达20%,崩下的矿石有粘结性。
(二)该矿使用的采矿方法
一直用干式充填法开采。
矿块结构子典型方案相似。
阶可高36米,顶柱厚3~4米,府柱高5米(由于品位高,有时不留底柱,间柱宽7~8米,矿房沿走向布置时,矿块长30~60米。
切走向布置时,矿房宽10~12米。
矿房的水平暴露面积一般控制在500m2内。
采准、切割工作,回采工艺与典型方案相同。
据1972年统计的平均技术经济指标为:
平均采矿强度:
3.62吨/日米2,采切比:
7m/千吨;
矿房平均生产能力:
44.2吨/日;
损失率:
3%;
电耙平均出矿能力:
50吨/台班;
贫化率:
20%;
工作面工人工效:
6.5吨/I班;
平矿直接成本:
8.5元/吨。
五、倾斜分层充填法
一般工艺与典型方案同,只是工作面不是水平,而是倾斜的呈或倾斜工作面,这样有利于耙矿。
(角度一般倾斜45°
~12°
,角度过大不安全)。
六、削毕充填采矿法
(一)削毕充填法是干式充填法的一种。
当开采厚度很小的极落矿脉时,由于矿脉厚度很小,采下矿脉之后的采空区也很小,工人不能在其中工作。
如果将围岩一块采下来,则贫化过大,增加运输和加工费用,在经济上不合理。
其实质是在工作面中,将矿石和围岩分别开采,矿石运搬出来,而废石则留在矿房中作为充填料。
在这种情况下,可以运用分采充填法或叫削毕充填采矿法。
削毕充填采矿法的特点:
这种方法是在阶段中工作面连续推进。
矿块天井多为川之路天井。
由于矿体很薄,故不留间柱,有时留很小的底柱,但也有时不留底柱,而是架设人工底柱(木梁的或是混凝土的)。
回采时先采矿石,后采岩石。
在落矿之前,要在充填料上铺好垫层,(胶皮带或草袋子,铺钢板等铺15~20合分厚的混凝土),将矿石用1.0米深的炮眼崩下来后,用人工或用电耙出矿,然后再崩落围岩充填采空区,形成人员可以工作的最小空间,如此循环作业,将一个矿块采完为止。
(二)矿块构成
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