一、充填法的基本概念

充填采矿法，作为一种重要的地下采矿方法，其核心在于随着回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区，以此来实现对采场地压的有效控制，确保采矿作业的安全与高效。

在实际操作中，矿块通常被划分为矿房和矿柱两个部分，采用两步骤回采的方式。首先开采矿房，在这个过程中，每采出一分层的矿石后，便紧接着对这一层进行充填，然后再进行下一层的开采与充填，如此循环往复，直至整个矿房开采完毕。矿柱的回采则可以根据具体情况选择充填法或者其他合适的方法。

这种采矿方法在国内外金属矿山的应用历史颇为悠久，其发展历程见证了采矿技术的不断进步。从古代利用采掘的废石简单地留在采空区的原始方式，逐渐演变到如今高度机械化作业的充填采矿法，每一个阶段都凝聚着无数采矿人的智慧与汗水。在国内，充填采矿法的应用情况经历了起伏变化。起初，其应用较为广泛，但随后由于种种原因有所减少，不过近年来，随着对资源回收率、环境保护以及安全生产等方面的重视程度不断提高，充填采矿法再度兴盛起来，并且呈现出日益增加的应用趋势，目前全国已有约 20 多个金属矿山采用了这一方法。而在国外，像加拿大、美国、日本、瑞典、苏联、西德等国家，充填采矿法也已获得了日益广泛的应用，其在矿山开采中所占的比重持续上升，成为了现代采矿技术发展的重要方向之一。

（一）卓越的地压管理能力

充填法在控制地压方面具有显著优势，通过形成的充填体，能够有效抑制围岩的崩落和地表的下沉。这为回采工作面创造了安全稳定的作业环境，极大地降低了地压活动对采矿作业的威胁。我国的某金属矿山，由于矿体赋存条件复杂，地压问题突出，在采用充填法之前，经常出现围岩垮塌和地表变形的情况，严重影响了生产的正常进行。后来，该矿山引入了充填采矿法，利用充填体支撑围岩，成功地控制了地压活动，不仅保障了安全生产，还提高了矿石的回采率，取得了良好的经济效益和社会效益。

（二）有效预防内因火灾

对于一些具有自燃性的矿床，充填法能够起到杜绝内因火灾的关键作用。以我国的湘潭锰矿为例，其矿体的直接顶板为叶片状黑色页岩，在有水和空气的条件下，崩落后经过 30-50 天就会发生自燃。然而，在采用充填法后，采空区被及时充填，有效地隔绝了空气和水与矿石的接触，从而杜绝了内因火灾的发生，为矿山的安全生产提供了坚实的保障。

（三）为矿柱回采创造有利条件

矿房采完后对空场进行及时充填，是矿柱能否顺利回采的关键因素，直接关系到矿山三级矿量的平衡和均衡生产。凡口铅锌矿采用水平分层充填法回采两侧为水泥尾砂、胶结充填体的矿柱，通过对矿房的及时充填，为矿柱回采创造了稳定的条件，确保了矿山生产的连续性和稳定性，提高了资源的整体回收率，对矿山的可持续发展具有重要意义。

（四）助力深部和水下开采

在深部开采、水下采矿以及预防冲击性地压等复杂开采条件下，充填法展现出了独特的优势。随着矿产资源的不断开采，矿山逐渐向深部拓展，地压问题日益严重，传统的采矿方法难以满足深部开采的安全要求。而充填法通过充填体对围岩的支撑和地压的控制，为深部开采提供了有效的解决方案。在水下采矿中，充填法能够防止采空区的垮塌和水的涌入，保障采矿作业的安全进行。同时，对于预防冲击性地压，充填体可以吸收和分散地压能量，降低冲击性地压发生的风险，为矿山的安全生产提供了有力的支持。

（一）干式充填法

干式充填法作为充填采矿技术中最早被应用的方法，具有一定的历史意义。在过去，它主要依靠矿车、风力或其他机械输送方式，将砂石、废石等干充填料运输到采空区，以此来支撑围岩，防止其过度变形和垮塌。例如，在一些小型矿山或矿体产状较为复杂的区域，由于其对充填设备和技术的要求相对较低，干式充填法能够发挥一定的作用，满足基本的充填需求。然而，随着采矿技术的不断进步和对生产效率、资源回收率等方面要求的提高，干式充填法也逐渐暴露出一些局限性。其充填效率相对较低，劳动强度较大，且充填体的稳定性和强度有限，难以满足大规模、高强度采矿作业的要求。因此，在现代采矿中，干式充填法的应用比例逐渐减少，但在某些特定条件下，仍然具有一定的适用性和参考价值。

（二）水砂充填法

水砂充填法是一种较为常用的充填方法，它利用砂浆泵或依靠自流的方式，将选厂尾砂、冶炼场炉渣、碎石砂石等固液两相浆体输送到井下采空区。这种方法的优点在于能够充分利用矿山生产过程中产生的废弃物作为充填料，实现资源的二次利用，同时，砂浆或浆体在采空区脱水后，能够形成较为稳定的充填体，对围岩起到有效的支撑作用。在实际应用中，水砂充填法需要考虑诸多因素，如围岩矿体的稳固性、回采巷道的尺寸以及地表沉陷的可能性等。如果围岩矿体不够稳固，可能需要采取相应的加固措施，以确保充填过程的安全和充填体的稳定性。此外，水砂充填法对充填系统的设计和运行要求较高，需要保证砂浆或浆体的输送顺畅，避免出现堵塞等问题。

（三）胶结充填法

胶结充填法是充填技术发展的最新成果，具有显著的优势。它通常使用水泥等胶凝材料与尾砂、碎石等骨料混合，形成具有较高强度的浆体或膏体，通过管道泵送或重力自流的方式输送到充填区。这种方法形成的充填体强度大，能够更好地支撑围岩，有效地控制地压活动，为深部开采和复杂矿体的开采提供了有力的保障。胶结充填法还具有充填速度快、充填量大的优点，能够满足现代采矿高效生产的需求。在具体应用中，胶结充填法包括尾砂胶结充填、块石胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填、膏体泵送充填以及高水速凝充填等多种形式，每种形式都有其适用的场景和优势，可以根据矿山的具体地质条件、开采工艺和经济成本等因素进行选择和优化，以实现最佳的充填效果和经济效益。

（一）前期准备工作

在正式开展充填法采矿作业之前，需要进行一系列细致而关键的前期准备工作，这些工作对于后续采矿作业的顺利进行和安全性保障起着至关重要的作用。

矿块的合理划分是基础环节。根据矿体的具体赋存条件、形状、大小以及矿石和围岩的稳固程度等因素，将矿块精准地划分为矿房和矿柱。例如，对于矿体厚度较大、矿石和围岩相对稳固的情况，可以适当扩大矿房的尺寸，以提高采矿效率；而对于矿体形态复杂、围岩稳定性较差的区域，则需要缩小矿房规模，并合理设置矿柱的位置和尺寸，确保采场的稳定性。在某铅锌矿的开采中，通过详细的地质勘探和分析，将矿块划分为规则的矿房和矿柱，为后续的回采和充填作业提供了清晰的布局，使得整个采矿过程有条不紊地进行。

采准工程的布置同样不可或缺。运输巷道的设计要充分考虑矿石的运输量和运输距离，确保其能够高效地将采出的矿石运至指定地点。通风系统的构建则是为了保证采场有良好的通风条件，及时排出采矿过程中产生的有害气体和粉尘，为作业人员提供健康的工作环境。通常会设置专门的通风井或通风管道，与采场相连通，形成有效的通风网络。充填系统的规划更是核心要点之一，需要确定充填材料的输送方式、充填管道的铺设路径以及充填设备的安装位置等。在一些矿山，采用管道自流输送或泵送的方式将充填料输送至采空区，为了确保充填的均匀性和密实度，还会在采空区内设置合理的充填挡墙和排水设施，使充填作业能够顺利进行，同时保证充填体的质量。

此外，设备和材料的准备也不容忽视。根据采矿规模和工艺要求，配备合适的采矿设备，如凿岩机、装载机、运输车辆等，并确保这些设备处于良好的运行状态，定期进行维护和检修。对于充填材料，要根据矿山的实际情况和充填工艺的要求进行选择和储备，确保其质量符合标准，数量满足生产需求。

（二）回采作业过程

回采作业是充填法采矿的关键步骤，其操作过程的合理性和规范性直接影响着采矿效率、矿石回收率以及作业安全。

分层开采是回采作业的主要方式。在每一分层的开采中，首先要进行凿岩作业，根据矿体的硬度和裂隙发育情况，选择合适的凿岩设备和凿岩参数，确保炮眼的布置均匀、合理，能够有效地破碎矿石。在某铜矿的开采中，采用先进的凿岩台车进行凿岩作业，通过精确的定位和控制，使炮眼的深度、角度和间距都达到了最佳状态，为后续的爆破作业提供了良好的基础。

爆破作业要严格遵循安全规程，控制好炸药的用量和起爆顺序，以确保矿石能够顺利崩落，同时避免对围岩造成过度破坏。爆破后，要及时进行通风排烟，排出有害气体，为作业人员进入采场创造安全条件。通风时间要根据采场的大小和通风系统的能力进行合理确定，一般情况下，通风时间不少于 15-30 分钟，确保采场内的空气质量符合安全标准。

出矿作业通常采用机械运输的方式，如电耙、铲运机等，将崩落的矿石运至溜井或运输巷道。在这个过程中，要注意控制出矿速度和矿石的块度，避免矿石堵塞运输通道。对于较大的矿石块，需要进行二次破碎处理，以确保矿石能够顺利运输。某铁矿采用铲运机出矿，通过合理安排铲运路线和作业时间，有效地提高了出矿效率，同时加强了对矿石块度的控制，减少了运输过程中的故障和安全隐患。

每采完一层后，为了确保采场的稳定性和作业安全，需要进行临时支护。支护方式可以根据围岩的情况选择锚杆支护、锚索支护或喷射混凝土支护等。锚杆支护通过将锚杆打入围岩，使其与围岩形成一个整体，增强围岩的稳定性；锚索支护则适用于深部或高应力区域，能够提供更大的支护力；喷射混凝土支护可以及时封闭围岩表面，防止围岩风化和进一步破坏。在某金矿的开采中，根据不同区域的围岩状况，灵活采用了锚杆和喷射混凝土相结合的支护方式，有效地控制了围岩的变形和垮塌，为后续的充填作业提供了安全保障。

（三）充填作业实施

充填作业是充填法采矿的重要环节，其目的是利用充填体对采空区进行支撑，控制地压，防止围岩崩落和地表下沉，同时为后续的采矿作业创造有利条件。

充填料的选择至关重要，需要综合考虑多个因素。矿山的实际需求是首要考虑因素，包括对充填体强度、稳定性、渗透性等方面的要求。如果矿山开采深度较大，地压较高，则需要选择强度较高的充填料，如胶结充填材料；如果对地下水的控制要求较高，则需要选择渗透性低的充填料，以防止地下水涌入采空区。地质条件也是影响充填料选择的重要因素，如围岩的稳定性、矿石的品位等。对于围岩稳定性较差的矿山，可能需要选择具有较好粘结性和可塑性的充填料，以增强充填体与围岩的结合力；对于高品位矿石的矿山，则要尽量选择对矿石贫化影响小的充填料。经济成本也是不可忽视的因素，要在满足采矿要求的前提下，选择价格合理、来源广泛的充填料，以降低采矿成本。例如，一些矿山会优先选择本矿产生的尾砂作为充填料，既实现了废弃物的资源化利用，又降低了运输成本和采购成本。

充填作业的具体步骤包括材料制备、输送和充填等环节。材料制备过程中，要严格按照设计的配比进行混合搅拌，确保充填料的质量均匀稳定。在制备胶结充填材料时，要精确控制水泥、尾砂、骨料等的比例，以及搅拌时间和搅拌速度，使充填材料具有良好的流动性和可塑性。输送充填料通常采用管道输送的方式，要确保管道的密封性和耐磨性，避免充填料泄漏和管道磨损。在输送过程中，要根据充填材料的性质和输送距离，合理控制输送压力和流速，确保充填料能够顺利到达充填区域。充填时，要注意控制充填的速度和高度，避免充填体出现空洞或不均匀现象。一般采用分层充填的方式，每层充填厚度控制在一定范围内，如 0.5-1.5 米，并在充填过程中及时进行振捣或压实，提高充填体的密实度。对于一些需要接顶的充填区域，要采用特殊的接顶工艺，如人工接顶、砂浆加压接顶等，确保充填体与顶板紧密接触，形成有效的支撑。在某铅锌矿的充填作业中，通过采用先进的搅拌设备和管道输送系统，以及严格的充填工艺控制，成功地完成了采空区的充填作业，充填体的强度和稳定性达到了设计要求，有效地控制了地压活动，保障了矿山的安全生产。

（一）国内典型矿山应用

凡口铅锌矿作为我国充填采矿法应用的佼佼者，自投产以来，始终致力于充填系统的完善和充填工艺的改进，积累了丰富的现场经验和实用技术。在充填工艺的发展历程中，该矿经历了多个阶段。20 世纪 70 年代到 80 年代中期，先后采用过压气罐压气输送的碎石胶结充填、碎石水力充填、直通孔或斜溜槽输送的碎石胶结充填等方法，但这些早期方法存在一些局限性，如碎石颗粒粗导致输送阻力大、充填能力低、平场工作量大等。随着技术的不断进步，90 年代初，矿山在 VCR 法矿柱空场采用尾砂非胶结水砂充填，但尾砂粒级细，充入采场后渗透脱水困难，严重影响采矿工效及采场生产能力。近年来，为满足盘区机械化上向水平充填采矿法采场大型无轨设备的运行要求，矿山将每一分层充填划分为底部充填和胶结层面充填。底部充填多采用低灰砂比尾砂胶结充填，灰砂比为 1：8，充填高度为 2.5 - 3.0m，充填体单轴抗压强度 Rc = 1 - 1.5MPa；胶结层面充填采用高灰砂比棒磨砂胶结充填，灰砂比为 1：4，充填厚度为 0.5 - 0.8m，充填体强度 R28 = 5 - 7MPa。通过这些技术改进，凡口铅锌矿有效地提高了资源回收率，减少了地表沉降，同时降低了采矿对环境的影响，取得了显著的经济和环境效益，成为国内充填采矿法应用的成功典范，为其他矿山提供了宝贵的经验借鉴。

红透山铜矿也是国内较早采用充填法的矿山之一，其矿体赋存条件复杂，地压大且显现明显。在多年的生产实践中，该矿不断探索和改进充填技术，目前采用的充填法在控制地压方面发挥了重要作用，确保了矿山的安全生产。同时，红透山铜矿还注重矿柱的回收利用，通过采用 “人工假底” 等矿柱回收工艺，提高了资源的利用率，取得了较好的社会效益和经济效益。例如，在矿房回采结束充填时，下部 10m 左右的高度内进行水泥尾砂胶结充填或水泥、尾砂、废石胶结充填，上部进行一般尾砂或废石充填，为矿柱回收创造了有利条件。尽管在矿柱回采过程中还存在一些问题，如胶结隔离层强度不高、质量不均匀等，但通过不断的技术改进和管理优化，红透山铜矿在充填法应用方面取得了长足的进步，为国内同类矿山的发展提供了有益的参考。

（二）国外先进案例借鉴

加拿大的矿山在充填法应用方面处于世界领先水平，拥有先进的充填技术和丰富的实践经验。部分矿山采用的膏体充填工艺具有诸多优势，如充填体强度高、流动性好、脱水快等，能够有效控制地压，提高矿石回收率，同时减少对环境的影响。例如，加拿大的 Williams 矿使用了一种名为 DELVO 的稳定剂，将其用于块石胶结充填工艺中，减少了堵管现象，提高了充填体强度，同时减少了地表搅拌桶的清洗次数，提高了生产效率。

美国的一些矿山则在充填材料的研发和应用上独具特色，通过使用新型掺和剂降低充填胶凝剂的用量，改善了充填料的流动性，节省了成本，且不影响充填体的强度和稳定性。如美国 Hecla 公司研究用 Pozzlith344N 等掺和剂，节省了 20% 的水泥用量，同时保证了充填体的质量，为矿山的可持续发展提供了有力支持。

日本的矿山在充填法应用中注重精细化管理和技术创新，不断优化充填工艺参数，提高充填体的质量和稳定性，同时积极探索充填法与其他采矿方法的结合应用，以适应不同矿体的开采需求，实现资源的高效回收和环境的有效保护。