采矿工程中缓倾斜薄矿体的充填采矿法优化与开采效率提升研究

一、引言

随着全球矿产资源需求的持续增长，易采、优质的矿产资源逐渐减少，缓倾斜薄矿体的开采愈发受到重视。这类矿体由于倾角平缓、厚度较薄，开采过程中面临着矿石回采率低、贫化率高、开采安全性差以及生产效率低下等诸多难题。充填采矿法凭借其在控制地压、保护围岩、降低矿石损失贫化等方面的独特优势，成为缓倾斜薄矿体开采的常用方法之一。然而，传统充填采矿法在应用于缓倾斜薄矿体时，仍存在一些局限性，亟需通过优化改进来提升开采效率，满足日益增长的资源开采需求。

二、缓倾斜薄矿体开采特性及充填采矿法原理

2.1 缓倾斜薄矿体开采特性

缓倾斜薄矿体通常指倾角在 5° - 30^∘ 之间，厚度一般小于 3m 的矿体。其开采特性复杂，首先，由于矿体倾角小，矿石在采场内的自溜性差，增加了矿石运搬难度；其次，薄矿体的开采空间有限，大型采矿设备难以施展，机械化程度受限，导致劳动强度大、生产效率低；再者，在开采过程中，矿体与围岩的界限不易区分，容易造成矿石贫化；此外，缓倾斜薄矿体开采时，采场顶板暴露面积相对较大，地压管理难度增加，安全风险较高。

2.2 充填采矿法原理

充填采矿法是在采场回采过程中，伴随落矿、运搬等作业，及时用充填料对采空区进行充填的采矿方法。其原理在于利用充填料支撑采空区围岩，控制地压活动，防止围岩垮落和地表塌陷；同时，为后续回采作业提供稳定的工作平台，改善采场作业条件。充填料可以是尾砂、废石、混凝土等，根据矿体赋存条件、开采技术要求及经济性等因素选择合适的充填料和充填工艺。通过充填采矿法，能够有效提高矿石回采率，降低贫化率，实现矿产资源的高效、安全开采。

三、充填采矿法在缓倾斜薄矿体开采中的应用现状

目前，充填采矿法在缓倾斜薄矿体开采中已得到广泛应用，但在实际应用过程中仍存在一些问题。在工艺方面，传统充填工艺较为复杂，充填工序繁琐，充填与采矿作业相互干扰，导致开采效率不高。例如，一些矿山采用的分层充填工艺，每回采一个分层都需要进行充填作业，且充填后需等待一定时间养护，才能进行下一分层回采，严重影响了开采进度。在充填材料方面，部分矿山由于缺乏合适的充填料来源，或者对充填料性能研究不足，导致充填料强度不够、流动性差，无法满足采场充填要求，进而影响采场稳定性和开采效率。在设备方面，适用于缓倾斜薄矿体开采的专用设备相对较少，现有设备在小型化、自动化、高效化方面存在不足，难以满足复杂开采环境下的作业需求。此外，采场结构参数设计不够合理，如采场跨度、矿柱尺寸等，影响了采场的稳定性和矿石回采效率。

四、充填采矿法优化策略

4.1 工艺优化

为提高开采效率，应简化充填工艺，减少充填与采矿作业的相互干扰。例如，可采用嗣后充填工艺，在矿块回采完毕后一次性进行充填，减少充填次数，缩短开采周期。同时，引入先进的充填技术，如高浓度全尾砂充填技术、膏体泵送充填技术等。高浓度全尾砂充填可提高充填料的浓度，减少充填料中的水分，降低充填体的泌水现象，提高充填体强度，且无需专门的尾砂脱水设施，简化了充填工艺流程。膏体泵送充填技术能实现充填料的远距离、大高差输送，且充填体不离析、不沉淀，可有效提高充填质量和效率。此外，还可优化采场回采顺序，采用分区、分段回采方式，使采矿与充填作业能够并行开展，进一步提高开采效率。

4.2 充填材料优化

选择合适的充填材料是提高充填采矿法开采效率的关键。一方面，要充分利用矿山自身的废弃物，如尾砂、废石等作为充填料，实现资源的循环利用，降低充填成本。例如，通过对尾砂进行再处理，添加适量的胶凝材料，制备成性能优良的尾砂胶结充填料。另一方面，研发新型充填材料，如利用工业废渣、建筑垃圾等制备环保型充填料，不仅解决了废弃物的处置问题，还能降低充填成本，提高充填体性能。

4.3 设备优化

研发和选用适合缓倾斜薄矿体开采的专用设备，提高开采作业的机械化、自动化水平。例如，开发小型化、多功能的凿岩设备，能够在有限的开采空间内高效作业；采用自动化的矿石运搬设备，如遥控铲运机、带式输送机等，减少人工劳动强度，提高运搬效率。同时，加强设备的智能化改造，利用物联网、大数据等技术，实现设备的远程监控、故障诊断和智能调度，提高设备的运行可靠性和作业效率。

4.4 采场结构参数优化

合理的采场结构参数对于提高开采效率和保障采场安全至关重要。运用数值模拟软件，如 FLAC3D、ANSYS 等，对不同采场结构参数下的采场稳定性进行模拟分析，综合考虑矿石回采率、贫化率、地压控制等因素，确定最优的采场结构参数。例如，优化采场跨度，在保证采场稳定的前提下，适当增大采场跨度，减少矿柱留设，提高矿石回采率；合理设计矿柱尺寸和形状，增强矿柱的承载能力，确保采场在回采过程中的稳定性。同时，根据矿体的赋存条件和开采技术要求，对采场的高度、长度等参数进行优化，提高采场的开采效率。

五、案例分析

某矿山开采的缓倾斜薄矿体，原采用传统分层充填采矿法，开采效率低，矿石回采率仅为 60% ，贫化率高达 25‰ 。为解决这些问题，该矿山实施了充填采矿法优化措施。在工艺方面，采用嗣后充填工艺，将充填次数从原来的每分层一次减少为矿块回采完毕后一次，同时引入膏体泵送充填技术，提高了充填效率和质量。在充填材料方面，利用矿山尾砂和部分工业废渣制备成膏体充填料，降低了充填成本，且充填料强度满足采场要求。在设备方面，购置了小型凿岩台车和遥控铲运机，提高了采矿和运搬作业的机械化程度。在采场结构参数方面，通过数值模拟优化，将采场跨度从原来的 8m 增大到 10m ，矿柱尺寸进行了合理调整。经过优化后，该矿山的开采效率大幅提高，矿石回采率提升至 85% ，贫化率降低至 15% ，取得了显著的经济效益和社会效益。

六、结论

充填采矿法在缓倾斜薄矿体开采中具有重要应用价值，通过对工艺、充填材料、设备及采场结构参数等方面的优化，能够有效提升开采效率，降低矿石损失贫化，保障采场安全。在实际应用中，各矿山应根据自身矿体赋存条件、开采技术水平及经济实力等因素，因地制宜地选择合适的优化策略，推动缓倾斜薄矿体开采技术的不断进步，实现矿产资源的高效、可持续开发。

参考文献

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