金属矿地下开采中充填采矿法的优化应用

引言

在矿产资源越来越趋深趋贫的今天，地下开采已经成为金属矿产开采的主流模式，充填采矿法由于在围岩控制，环境保护及资源回收率等方面具有积极的效果，在众多矿体类型中得到了广泛的应用。它通过在采空区内填充固体材料的方法，可以有效地预防地表塌陷，降低采矿损失，延长矿山服务周期。然而在实践中，深部开采下地应力集中，充填系统适配性差，作业组织繁杂等现象频繁发生，极大影响作业安全性与工艺连续性。所以，对存在的困难进行系统分析，提出可行的优化方案是提高充填采矿法工程功效的重点途径。

1.金属矿地下开采中充填采矿法概述

充填采矿法就是将固体或者胶结材料回填到采空区内，从而达到控制围岩稳定性，预防地压灾害，提高矿体资源回收率等目的的一种地下开采技术。该方法用于金属矿深部开采时，采用膏体，尾砂或者胶结骨料填充等方式形成具有一定强度支撑结构，可以有效代替或者辅助采矿支护系统以减少矿柱的留设和提高资源利用率。它既满足了作业安全和开采连续性双重需求，又契合了绿色矿山建设“资源—环境—利益”和谐发展核心理念。

2.金属矿地下开采中充填采矿法的应用难点

2.1 深部应力集中下充填体稳定性控制难度大

当金属矿山的开采深度超出 800 米时，原始岩石的应力显著增加，导致了一个明显的高应力区域，其中充填体长时间受到强烈的剪切和复合应力的影响，容易出现结构剥落，贯通裂隙和塑性屈服的变形破坏现象。尤其是分段空场和分层充填法，充填体的顶部往往是应力集中的转移带，承载能力的不足会直接导致局部坍塌或者采场失稳。目前工程上普通充填体抗压强度多控制在 3～5MPa 之间，深部高地压地区很难满足长期支护需要，稳定性控制还缺乏有针对性设计参数耦合模型和动态调控手段。

2.2 充填材料制备与输送适应性技术门槛高

金属矿山由于尾矿粒度成分复杂，含水率较高，碱性物质容易沉淀，导致胶结充填材料强度发展缓慢，浆体流动性较差，容易出现管道堵塞和断面离析现象。通常采用的水胶比为 0.6~0.9,很难兼顾泵送距离和强度需求。在长途输送过程中，输送管道通常使用 φ100～～9150mm 的钢管，这导致浆体磨损严重，容易产生管壁的糊砂或沉积，从而使泵送的能耗增加超过 10% ，系统的维护成本也相对较高。另外，各矿区尾砂化学成分相差较大，对掺合材料的适配也较为困难，目前还缺乏普遍适用的配合比优化数据库和工艺匹配参数体系。

2.3 采充衔接作业流程衔接难、效率低下

在分区回采和多作业面平行作业矿井，采矿和充填工序频繁交叉，如果时序配合不当，容易发生采后空场揭露过久或者充填体未达到设计强度，即发生二次扰动等情况，显著增大了地压灾害危险性。同时采充间作业面需要共用巷道，通风和运输系统，出现了交通冲突和系统干扰等问题，使每道工序的施工周期出现脱节现象，降低了整体推进效率。根据数据显示，在那些没有达到标准化连接的矿井里，采矿和充填的切换延迟平均可以超过48 小时，这大大限制了单位时间内的有效生产速度。目前，尚缺乏支持高效衔接运营的采充协同排程机制和工程组织规范。

3.金属矿地下开采中充填采矿法的优化应用

3.1 精细化采场分区设计提升充填体结构稳定性

针对深部应力集中对充填体造成的损伤，需要在矿体设计阶段提出精细化采场分区和结构协同控制的思想。在采矿设计过程中，我们根据矿体的厚度、倾斜角度和围岩的力学特性，确定了与主应力方向相匹配的应力缓冲区域和充填支撑区域，并采纳了“主分采加辅助填充”的布局策略，使得充填体在最大应力集中区不会直接受到扰动荷载作用。在实际的工程应用中，建议在顶板压力明显的区域放置厚度不低于 2.5m 的高强度胶结充填体，并配合 ⋅ρ22mm 的锚杆交错布置，以确保围岩和充填体的协同支撑。对于充填体抗压强度指标要依据地应力数据定量反推，例如当地应力 σ1=18 MPa时，充填体推荐强度要控制在 5.5MPa ,才能保证充填体长期稳定承载性能。另外，在采场回采前应进行原位压力测试和结构模拟并配合充填体浇注前模架限位技术以免施工扰动导致边界失稳。引入应力重构理念和采场优化布置等措施，既增强了充填体的稳定性，又为高地压条件下连续回采创造出更加安全的工作条件。

3.2 材料掺配与管道系统升级增强工艺连续性

鉴于充填材料输送流动性较差和泵送阻力较大，充填材料颗粒级配及胶结体系优化是增强输送连续性和强度开发的重点。在实际操作中，建议使用“控制中值粒径加多级分级尾砂”的混合策略，确保尾矿D50 粒径维持在 80～120μm 的范围内，并加入 5%～8% 的矿渣微粉作为活性添加剂，利用P.O42.5 水泥按照 5:1 的比例进行复合胶结，可以明显增强料浆的初期强度和泵送的稳定性。关于浆体的流动性，我们通过将水胶比调整至0.78,并加入 0.3% 的聚羧酸高效减水剂，成功地将料浆的初始流动性增加到 245mm ,从而显著地延长了泵送的时间，超过了 3 小时。在输送系统的设计中，建议同步进行管道的耐磨处理和分段增压改造。推荐使用内衬聚氨酯材料的钢质管道，并采用压滤泵 + 柱塞泵的联合方式，以实现在高落差（ Ω>80m ）条件下的远程输送稳定性。同时通过弯头和分支段上的压力传感阀和自动冲洗接口避免了浆体沉积构成堵塞的危险。

3.3 优化采充时序与作业组织提升流程协同效率

在面临采充衔接不畅和组织流程效率低下等问题时，要从作业时序优化和现场组织流程再造两个层面同时进行。在进行采场布局的阶段，我们建议结合“充填窗口段加上错层回采带”的策略来进行生产布局。也就是说，在每个单元段完成回采后，预留至少 7 天的充填窗口时间，确保充填体达到基本的强度，然后再进入下一阶段的作业。同时配套使用了双班制的施工组织方式，充填作业设置成一个独立的班组，从而避免了与回采工序交叉作业所造成的资源冲突。调度层面上，要构建以作业工序网络图为核心的时序控制系统来动态监测充填时间，强度发展曲线和采空区暴露时间并滚动优化。举例来说，如果充填体在 28 天内的抗压强度需要达到 6 MPa,并且其初始7 天的抗压强度应控制在 3.2～3.5MPa 范围内，这样才能安排下一轮的支护作业。在巷道运输和材料供应上，设计了双向通风和封闭的物料运输通道，避免了施工期的交叉干扰，促进了效率的提高和安全的保证。另外，要建立“采办—充办—检验”一体化的交接流程，并结合班前安全技术交底和工序交接签证等机制对作业流程进行标准化，责任化和数据化的管理。

结束语

充填采矿法用于金属矿地下采矿的价值日益显现，但是面临深部地应力，材料泵送系统及作业组织的诸多挑战，技术体系还需要通过工程细化和系统升级来持续完善。文中所提精细分区设计，掺配优化及流程协同策略为提高充填工艺稳定性和矿山运营效率提供了一条可行途径。今后要不断加强现场监测反馈和施工参数的动态调整，实现充填开采作业本质安全高效协同绿色发展。

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