摘要：充填技术在矿山开采中具有十分重要的支撑功能，可有效提高资源利用效率，确保矿山资源的开采安全。文章基于地下金属矿山开采基本要求，结合实际开采条件，研究地下开采进路充填采矿技术，建立有限元模型，分析岩石力学和充填体实际情况，模拟具体充填采矿操作过程，总结受力规律，确定开采面积，并通过爆破参数优化，确保工艺质量参数符合要求，满足采矿进路合理性的要求。
关键词：地下金属矿山,充填采矿技术,充填控制,结构参数
地下金属矿山地质勘查无法真实、全面反映矿床开采条件，断裂产生对矿体开采影响较大，容易产生顶板垮塌行为，作业安全系数较低，开采难度较大。矿区深度增加时压力会加大，危险性更高。使用传统浅孔留矿施工方法，难以确保施工质量。而利用充填技术，则能够减少垮塌概率、减少损失。因此，文章针对金属矿山填充技术进行研究，具有重要的意义。
1案例概述
某地下矿山深度在600m以下，山体内存在破碎带，部分岩体呈现出石化状态，整体岩体的强度较低。开采期间出现围岩垮塌情况，开采安全性能低。因此，为了减少环境影响，提高作业安全性，采用充填法回采。充填采矿技术应用增强了地应力的集中程度，将空区充满后使得岩层的移动范围得以控制，确保了井下开采安全性[1]。
2充填材料选择及输送性能分析
2.1材料类型
充填材料选择核心是确保金属矿山开采安全性的关键。可用于矿山开采充填材料类型较多，不同工艺下的充填材料制备、填充方式差异较大，但目前大都使用惰性材料，其中包括尾砂、自然砂等。本工艺使用尾砂作为填充料，对浓度要求较高。按照要求，粒径小于27μm的粒子填充时容易离析，需增加填充浆液浓度。浓度的控制是尾砂胶结填充技术应用的关键，在保障流动性的前提下，充填浆液的浓度越高，表明稳固性效果越好，且能够减少泌水、充填排水的费用，但尾砂充填料的浓度与流动性大都呈反比例关系，浓度较大也会造成管道磨损，压力增加。
2.2材料试验
2.2.1粒度
为确保金属矿山充填材料的质量符合要求，应优化充填料配比和浆液输送参数。首先，采用材料试验的方法，测定具体的材料性能。其中，影响充填材料性能、质量的因素包括比重、松散度、孔隙率、压实度等。其次，采用试验方案，测定材料的组分，测定成分中是否含有影响充填质量的成分，该过程主要使用等离子体发射光谱仪等设备。测定结果显示，填充区域内的S含量比例为2.85%，因此，进行长达2个月的强度测试，验证成分对充填工艺产生的影响，结果表明影响较小。但使用充填工艺时，需要考虑到排水对充填采矿工艺产生的影响，合理确定尾砂的粒径，控制充填体的强度，确保充填颗粒在矿山内部的均匀程度[2]。材料的粒度控制上，使用激光衍射粒度分析仪，使用筛分法确定具体的粒度，具体粒度参数如表1所示。
充填的尾砂350μm颗粒占总体充填材料整体比例的49%左右，按照材料的实际分类标准，使用的材料颗粒均匀度系数为16.8，大于标准的5。但使用材料时，颗粒粒径差别大，颗粒之间也会相互挤压，充填体密实，充填加入凝胶剂，会使得充填体的强度增强。本案例使用的尾砂材料属于易沉降的材料，具体物理参数情况如表2所示。
2.2.2浓缩
试验充填全尾砂，注入胶结物后的浓缩程度，使用底流浆材料作为试验的主要依据，观察沉降的变化。整个沉降过程可分为沉降、挤压两个阶段，处于沉降阶段的充填材料呈现松散的状态，沉降完成后密实度增加，充填材料相互挤压。沉降速度则会受到充填物料颗粒度的影响，颗粒的密度越大，则沉降的速度越快，如若存在悬浮情况，则填充体的强度无法满足充填采矿的基本要求。试验全尾砂作为充填材料时，设计试验，观察全尾砂在量筒内的变化情况，试验使用全尾砂500g、水700g，控制初始浓度为40%，容重为1.28g/cm3。具体试验结果如表3所示。
试验结果表明，尾砂充填试验期间，尾砂处于分级的状态，充填尾砂颗粒较大快速下沉，部分颗粒较小的尾砂呈现出下降的状态，可肉眼观测的沉降时间持续在1h左右，达到6h左右，完成沉降过程，最大沉降浓度在60%左右，具有良好的沉降功能，将其应用到地下金属矿山填充中，能够快速沉降、固结[3]。
2.2.3凝结
在对地下矿山进行充填的同时，需要添加一定量的胶凝剂，主要起到固定充填料浆的作用。使用的凝结材料为水泥砂浆，凝结时间会受到水泥的影响。水泥添加后，凝结过程包括初凝、终凝两个过程，初凝之前充填材料会产生流动性，时间过长，会影响到充填的质量，时间过短，则在压力下会影响到充填的进度和效果，管路输送会发生堵塞、爆管情况。因此，需要严格控制充填料的凝结时间。经过试验后，确定最佳的灰砂比，灰砂比为1:6，重量浓度为70%，初凝时间在13h左右，终凝时间在24h左右，时间间隔在11h左右。增加充填料的浓度后，凝结时间也会减少。添加水泥的灰砂比增加后，凝结时间会相应减少。
2.2.4抗压强度
充填料凝结使用强度等级为C32.5的水泥材料，使用标准试块进行试验，制作7cm的标准试块，注入模具之中，控制其沉降程度。试块拆模时间控制在24h以上，在湿度为95%环境内养护，温度控制在20℃左右。观察在60d内试块的强度变化情况，具体抗压强度结果如表4所示。
充填期间，在保障试块强度的基础上，观察浓度变化对强度所产生的影响。浓度越高，则试块的强度越高，起到的充填支撑效果越好，采矿的安全性得到保障[4]。
2.3输送性能
2.3.1坍落度测定
充填采矿技术应用过程中，为了确保充填输送过程的安全性和稳定性，避免充填期间出现堵塞、坍塌等问题，验证充填输送性能，采用自流输送试验的方法。试验期间，管道内流动的粒径过大，会造成摩擦和流动阻力增加，沉降困难。在地下金属矿山环境下，粒径在20μm以下，则不会沉降，甚至会起到管壁润滑作用，增强输送效果。粒径较大，则会造成管壁磨损验证，投入使用的尾砂材料粒径在20μm以下的此阿里，浓度远远低于15%，充填坍落度程度如何，需要进一步验证。特定条件下，浆液浓度和充填效率之间会呈现出正比例关系，同时考虑到管道的压力和流动性问题，试验对比不同重量浓度下的坍落度变化情况，具体如表5所示。
试验结果表明，浆料在一定浓度下，坍落度呈现出不同的变化状态，在60%的浓度下，呈现出摊开的状态。浆料浓度的增加，会降低坍落度。因此，确定最佳的充填浆料浓度为64%~70%，则对应的坍落度在18cm左右，能够确保填充效果良好[5]。
2.3.2输送试验
充填浆料中，坍落度在20cm以上，且粒径在20um以下，充填浆料的流变性会比较差。试验充填材料在管道内的输送情况，管道的型号为L型，根据牛顿流体的性质设置流变参数，充填浆液的屈服剪切应力为π,黏性系数为α,测定两个系数，能够计算浆料在管道内的实际变化情况，判断管道是否对充填过程产生影响。利用宾汉流体方程，计算流速情况，具体公式如下：
式中：V为填充速度，D为充填采矿的管道直径，π和π0分别为屈服剪切应力和管壁剪切应力，α为粘性系数。输送过程中，遵循能量守恒定量，确定浆液压力和进料压力，计算出口压力损失情况。具体公式如下：
式中：P为出口压力，r为容重，D为管道直径，V为流速，g为管道自重力，π为剪切应力。
2.4充填流程
根据试验结果，确定具体的充填采矿工艺流程。按照工艺系统，将其分为材料供应、水泥供应、调浓水供应、浆料制备输送等流程。为便于充填采矿，控制浆液浓缩质量分数为45%，为控制充填质量，确保充填期间的连续性，配置立式砂仓，具备交替充填、储存尾砂的功能。尾砂能够经由系统泵入到砂仓中，产生冲击力影响砂浆的沉降效果，采用安装缓冲装置的方式，进行排水、溢流，确保最佳的沉降效果。沉降后剩余水分会排出，随后造浆液。浆液使用压气制造方法，内置高压气喷嘴，开启后利用气体搅拌功能造浆，确保浆液充分混合[6]。
充填浆液制备需要投入大量水，需要使用高压水枪冲洗。因此，建立高位水池，利用水泵引水，实现高压冲洗的功能。浆料制备则在搅拌机内进行，搅拌机设备运转经过普通和活化搅拌两个过程，在搅拌稳定且流动性良好后，在下料口内进行浆液填充。整个过程中，物料处于不断变化的状态，因此，填充浆料口位置压力亦如此，管道内的流速、流量也发生改变，为确保浓度良好，整个浆料制备过程稳定，采用自动化填充注浆技术，监控整个充填的基本流程，具体自动化输送指标，如表6所示。
3地下金属矿山充填采矿法技术应用
3.1充填采矿技术工艺
文章中地下金属矿属于铜矿，根据现有的开采条件，地下开采深度达到600m以上。在众多填充采矿工艺中，使用分段、分层的充填工艺，能够确保采矿过程中的安全性。预先在中段位置布置节点，进行采矿现场试验。整个地下矿区内，存在矿体包括Pb-3、CuII等，矿体与岩石渐变过渡。整个矿区内最上层位置存在条带状石英岩，下盘位置存在石英岩，整体断层呈现出南北走向，且连续性较高。矿体由东向西延展，整体形态良好，倾斜角度为60°。中段位置存在厚度为5cm左右的夹石，矿体最厚区域达到50m以上，存在3个小分支，一个小矿体，厚度约为10cm。整个矿区内的矿藏25万吨以上，地质的品位达到1.4%左右。在水平方向布置运输岗和线穿脉，地下位置采用底扩方案，靶道高度为1.5m左右，完成布设后进行充填调试。
3.2填充效果分析
观察充填效果，判断充填采光工艺应用的质量。试验区内的充填体完成共计耗费3d时间，铲车运行并没有形成痕迹，虽然局部位置出现铲运机与充填体相互影响的情况，但整个充填体的强度良好，满足实际应用的基本要求。对充填体强度进行验证，充填体的强度满足设计值，能够满足开采的基本要求。
利用对上向水平填充采矿工艺，试验工艺在实际应用过程中的效果，设计具体的工艺方案。试验过程中，充填方案满足高效采矿的基本要求，充填体的强度略高于设计值，虽然检验结果中尾砂中存在少量使用的油，但能够满足本地下金属矿山开采的基本要求。
4结论
综上所述，地下金属矿山充填技术应用效果良好，使用全尾砂胶结充填材料，经过配比优化和实验后，充填材料能够满足矿山稳定性采集要求，减少地下矿山岩层高压产生的危害，提高了矿产资源的开发利用效率。使用期间，充填浆质量浓度在70%左右，使用科学排水方案后有效减少了凝胶剂离析问题，避免对环境的破坏。
参考文献
［1］郭玉杰.金属非金属矿山采矿工程中充填采矿技术的有效运用［J］.中国金属通报，2024（2）：43-45.
［2］飘凡.试析充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中的应用［J］.中国金属通报，2024（1）：20-22.
［3］吴春烨.充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中的应用策略研究［J］.山西冶金，2023，46（10）：102-104.
［4］闫会风.采矿工程中条带膏体充填采矿技术的应用探讨［J］.当代化工研究，2023（14）：92-94.
［5］刘玉，刘洋.充填采矿技术在金属非金属矿山采矿工程中运用分析［J］.中国金属通报，2023（3）：22-24.
［6］李冬萍，张浩强.金矿破碎矿体高分段嗣后充填采矿技术优化研究［J］.金属矿山，2021（12）：102-105.
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