中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采方法的優(yōu)化與實踐研究一、引言1.1研究背景與意義螢石，作為一種不可再生的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，在冶金、化工、建材等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在冶金行業(yè)，螢石是煉鋼過程中不可或缺的熔劑，能夠有效降低爐渣熔點，提高爐渣流動性，從而促進鋼液與爐渣的分離，提升鋼的質(zhì)量；在化工領(lǐng)域，螢石是生產(chǎn)氫氟酸的主要原料，而氫氟酸又是制造各種含氟化學(xué)品的基礎(chǔ)，這些含氟化學(xué)品廣泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、新能源等高端產(chǎn)業(yè)；在建材行業(yè)，螢石可用于制造玻璃、陶瓷等產(chǎn)品，改善其性能和質(zhì)量。中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)，歷經(jīng)多年開采，面臨著一系列嚴峻挑戰(zhàn)。一方面，隨著開采深度的增加，地壓逐漸增大，采空區(qū)穩(wěn)定性問題日益突出。地壓的增大可能導(dǎo)致采場頂板垮落、片幫等事故，不僅威脅作業(yè)人員的生命安全，還會影響礦山的正常生產(chǎn)秩序。另一方面，傳統(tǒng)采礦方法在資源回收率和環(huán)境保護方面存在明顯不足。例如，一些傳統(tǒng)采礦方法回采率較低，造成了大量螢石資源的浪費，加劇了資源短缺的現(xiàn)狀；同時，開采過程中產(chǎn)生的廢石和尾礦隨意堆放，不僅占用大量土地資源，還可能引發(fā)環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害，如土壤污染、水污染、泥石流等。充填法開采作為一種先進的采礦技術(shù)，近年來在國內(nèi)外礦山得到了廣泛應(yīng)用和深入研究。在金屬礦山領(lǐng)域，如某銅礦采用充填采礦法，有效減少了廢石排放，保護了周邊生態(tài)環(huán)境，同時提高了礦石回收率，降低了開采成本；在非金屬礦山方面，充填法同樣展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。對于中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)而言，研究充填法開采具有極其重要的現(xiàn)實意義。從資源利用角度來看，充填法能夠顯著提高螢石資源的回收率，減少資源浪費，延長礦山服務(wù)年限。通過合理選擇充填材料和優(yōu)化充填工藝，可以有效支撐采空區(qū)頂板，減少礦石損失，使更多的螢石資源得到充分利用。從安全生產(chǎn)角度出發(fā)，充填法能夠增強采空區(qū)的穩(wěn)定性，降低地壓對采場的影響，減少頂板垮落、片幫等事故的發(fā)生概率，為作業(yè)人員創(chuàng)造安全的工作環(huán)境。充填法還能有效解決廢石和尾礦的處理問題，減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展，符合當(dāng)前綠色礦山建設(shè)的發(fā)展趨勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，螢石礦開采技術(shù)不斷發(fā)展，充填法的應(yīng)用也日益廣泛。加拿大的一些螢石礦山采用高濃度尾砂充填技術(shù)，通過優(yōu)化充填材料的配比和輸送工藝，有效提高了充填體的強度和穩(wěn)定性，減少了采空區(qū)的變形和塌陷風(fēng)險，提高了礦山的開采效率和安全性。美國的部分螢石礦在充填法開采中，運用先進的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測采空區(qū)的應(yīng)力變化和充填體的狀態(tài)，及時調(diào)整充填方案，確保了采礦作業(yè)的安全進行。在理論研究方面，國外學(xué)者針對充填體與圍巖的相互作用機制開展了深入研究，建立了多種力學(xué)模型，如有限元模型、離散元模型等，用于分析充填體在不同受力條件下的變形和破壞規(guī)律，為充填法的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。國內(nèi)在螢石礦充填法開采領(lǐng)域也取得了顯著進展。浙江省某螢石礦采用廢碴充填及尾砂膏體膠結(jié)充填技術(shù)，先將地表廢碴回填到井下采空區(qū)，再利用尾砂膏體膠結(jié)充填進一步加固，有效解決了采空區(qū)安全隱患和地表廢棄物污染問題，同時提高了資源利用率。在技術(shù)創(chuàng)新方面，國內(nèi)研發(fā)了新型充填材料，如利用工業(yè)廢渣、建筑垃圾等制備的膠結(jié)充填材料，不僅降低了充填成本，還實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用；在充填工藝上，發(fā)展了自流充填、泵送充填等多種方式，并通過優(yōu)化充填系統(tǒng)，提高了充填效率和質(zhì)量。國內(nèi)學(xué)者還結(jié)合礦山實際，運用數(shù)值模擬、相似材料模擬等手段，對充填法開采的地壓控制、充填體強度設(shè)計等關(guān)鍵問題進行研究，為工程實踐提供了有力的技術(shù)支持。盡管國內(nèi)外在螢石礦充填法開采方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。一方面，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的螢石礦，如礦體形態(tài)不規(guī)則、礦巖穩(wěn)定性差等情況，現(xiàn)有的充填法開采技術(shù)和理論研究還不夠完善，難以滿足實際生產(chǎn)需求。另一方面，在充填材料的選擇和制備上，雖然已經(jīng)開展了大量研究，但部分充填材料存在強度低、凝結(jié)時間長、成本高等問題，限制了充填法的推廣應(yīng)用。充填法開采過程中的智能化控制水平有待提高，如何實現(xiàn)充填過程的精準(zhǔn)控制和自動化監(jiān)測，以提高生產(chǎn)效率和安全性，也是亟待解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1主要研究內(nèi)容礦山地質(zhì)條件詳細分析：深入研究中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，包括褶皺、斷層的分布、走向和規(guī)模，以及它們對礦體穩(wěn)定性的影響。精確測定礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀、厚度變化規(guī)律，明確礦體的邊界和品位分布情況。全面評估礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)，如巖石的硬度、強度、彈性模量、泊松比等，為后續(xù)的采礦方法設(shè)計和充填體強度計算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。充填法方案比選與優(yōu)化：廣泛收集國內(nèi)外先進的充填法案例，結(jié)合二采區(qū)的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，篩選出適合的充填法方案，如尾砂膠結(jié)充填法、膏體充填法、廢石充填法等。運用灰色理論與層次分析法，建立采礦方法選擇的綜合評價模型，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、安全可靠性、環(huán)境友好性等多個維度，對各方案進行量化評價和對比分析，確定最優(yōu)的充填法方案。對選定的充填法方案進行優(yōu)化設(shè)計，包括充填材料的選擇與配比優(yōu)化、充填工藝參數(shù)的確定，如充填濃度、充填速度、充填壓力等，以及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，如采場尺寸、礦柱尺寸等，以提高充填法的開采效率和經(jīng)濟效益。充填體強度設(shè)計與計算：深入研究充填體的作用機理，分析充填體在支撐采空區(qū)頂板、控制地壓、防止礦石垮落等方面的力學(xué)行為。根據(jù)上向水平分層充填采礦法的特點，建立充填體的強度模型，考慮充填體所承受的自重、上覆巖層壓力、采礦活動引起的動載荷等因素，計算充填體所需的強度。結(jié)合礦山實際情況，進行充填體強度的工程應(yīng)用設(shè)計，確定合理的膠結(jié)材料用量、充填體厚度等參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗和監(jiān)測，驗證充填體強度設(shè)計的合理性。充填法開采的數(shù)值模擬分析：運用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，建立二采區(qū)充填法開采的三維數(shù)值模型，模擬不同充填方案下采場的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布等情況。通過數(shù)值模擬，分析充填體與圍巖的相互作用機制，研究充填體對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，預(yù)測開采過程中可能出現(xiàn)的地壓災(zāi)害，如頂板垮落、片幫等，并提出相應(yīng)的防治措施。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，進一步優(yōu)化充填法開采方案，為礦山的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。充填法開采的技術(shù)經(jīng)濟分析：對充填法開采的成本進行詳細核算，包括充填材料的采購、運輸、加工成本，充填設(shè)備的購置、安裝、維護成本，以及采礦過程中的人工成本、設(shè)備運行成本等。同時，分析充填法開采帶來的經(jīng)濟效益，如提高礦石回收率所增加的收益、減少廢石排放和土地占用所節(jié)約的成本等。通過技術(shù)經(jīng)濟分析，評估充填法開采的可行性和經(jīng)濟效益，為礦山的決策提供經(jīng)濟依據(jù)。1.3.2主要研究方法文獻研究法：全面收集國內(nèi)外關(guān)于螢石礦開采、充填法技術(shù)、礦山地壓控制、充填材料等方面的文獻資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報告、專利文獻、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。對這些文獻進行系統(tǒng)的梳理和分析，了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和前沿技術(shù)，為課題研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。通過文獻研究，總結(jié)前人在充填法開采方面的成功經(jīng)驗和存在的問題，為本研究提供借鑒和啟示。實地調(diào)研法：深入中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)進行實地調(diào)研，詳細了解礦山的地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀、采礦設(shè)備、充填系統(tǒng)等情況。與礦山的技術(shù)人員、管理人員、一線工人進行交流，獲取第一手資料，掌握礦山在開采過程中遇到的實際問題和需求。實地考察國內(nèi)外采用充填法開采的先進礦山，學(xué)習(xí)他們的成功經(jīng)驗和先進技術(shù)，為中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的充填法開采提供實踐參考。室內(nèi)試驗法：采集二采區(qū)的礦巖樣品，在實驗室進行物理力學(xué)性質(zhì)測試，如巖石的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比等，以及礦石的化學(xué)成分分析、粒度分析等。對充填材料進行性能測試，包括尾砂的粒度組成、化學(xué)成分，膠結(jié)材料的凝結(jié)時間、強度發(fā)展規(guī)律等，以及不同配比的充填體的抗壓強度、抗剪強度、滲透系數(shù)等性能指標(biāo)。通過室內(nèi)試驗，為充填法方案設(shè)計、充填體強度計算和充填材料選擇提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬法：運用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，建立二采區(qū)充填法開采的三維數(shù)值模型。根據(jù)礦山的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，設(shè)置模型的邊界條件、材料參數(shù)、開采工藝等參數(shù)，模擬充填法開采過程中采場的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布等情況。通過數(shù)值模擬，分析不同充填方案下采空區(qū)的穩(wěn)定性，預(yù)測開采過程中可能出現(xiàn)的問題，為充填法方案優(yōu)化和地壓控制提供科學(xué)依據(jù)。理論分析法：運用采礦學(xué)、巖石力學(xué)、材料力學(xué)、礦山壓力與巖層控制等學(xué)科的基本理論，對充填法開采中的關(guān)鍵問題進行理論分析。如運用巖石力學(xué)理論分析充填體與圍巖的相互作用機制，運用材料力學(xué)理論計算充填體的強度，運用礦山壓力與巖層控制理論研究采場的地壓分布規(guī)律和控制方法等。通過理論分析，建立充填法開采的理論模型，為工程實踐提供理論指導(dǎo)。綜合評價法：運用灰色理論與層次分析法，建立采礦方法選擇的綜合評價模型。將技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、安全可靠性、環(huán)境友好性等多個評價指標(biāo)進行量化處理，通過層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，運用灰色關(guān)聯(lián)分析計算各方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度，從而對不同的充填法方案進行綜合評價和優(yōu)選。通過綜合評價法，確保選擇的充填法方案在技術(shù)、經(jīng)濟、安全、環(huán)境等方面達到最優(yōu)平衡。二、中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)地質(zhì)概況2.1礦區(qū)位置及交通中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市南西約38公里處，行政區(qū)劃隸屬于錫林浩特市寶力根蘇木管轄。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)[具體經(jīng)度范圍]，北緯[具體緯度范圍]。該區(qū)域地處內(nèi)蒙古高原中部，地勢較為平坦開闊，屬于低山丘陵地貌。從交通條件來看，二采區(qū)交通較為便利。工作區(qū)內(nèi)有草原公路相互連通，與外界聯(lián)系較為緊密。目前，通往礦區(qū)的公路已竣工，且該公路與國道207相通，通過國道207可便捷地與周邊城市和交通樞紐相連。錫林浩特市作為區(qū)域交通中心，交通網(wǎng)絡(luò)較為發(fā)達。在航空方面，夏天旅游旺季時，錫林浩特市每天都有飛往北京和呼和浩特的班機，為人員和物資的快速運輸提供了便利；其他季節(jié)一般每周兩班，雖航班頻次有所減少，但仍能滿足基本的航空運輸需求。在公路運輸方面，以國道207為依托，錫林浩特市與周邊城市之間形成了密集的公路運輸網(wǎng)絡(luò)，貨物運輸車輛可通過公路將螢石礦產(chǎn)品運往全國各地。鐵路運輸方面，雖然礦區(qū)附近沒有直接的鐵路線，但可通過公路將礦石轉(zhuǎn)運至錫林浩特市的鐵路貨運站，再通過鐵路運往更遠的目的地。這種便利的交通條件對螢石礦的開采運輸具有多方面的重要影響。在開采階段，便利的交通有利于大型開采設(shè)備和物資的運輸。例如，先進的鑿巖機、裝載機等設(shè)備可以通過公路快速運輸至礦區(qū)，為高效開采提供保障；同時，充足的炸藥、鋼材等物資也能夠及時供應(yīng)，確保開采工作的順利進行。在運輸階段，公路與國道的連通以及航空和鐵路運輸?shù)呐浜希蟠筇岣吡宋炇V產(chǎn)品的運輸效率。一方面，公路運輸具有靈活性高的特點，可直接將礦石從礦區(qū)運往周邊的加工廠或鐵路貨運站；另一方面，航空運輸適合運輸高附加值的螢石精礦或急需的物資，能夠快速滿足市場需求；鐵路運輸則適合長距離、大批量的運輸，可將螢石礦產(chǎn)品運往全國各地的鋼鐵廠、化工廠等需求企業(yè)，降低運輸成本。交通便利還能夠吸引更多的人才和資金流入，促進礦區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步。2.2自然地理與經(jīng)濟概況中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)所在區(qū)域內(nèi)地形起伏不大，屬于低山丘陵區(qū)，地形切割極差。海拔高度范圍在約1150～1240m之間，地勢相對較為平緩。該區(qū)域基巖出露情況不佳，砂土覆蓋較厚，這給地質(zhì)勘查和開采前期的準(zhǔn)備工作帶來一定挑戰(zhàn)，例如在進行地質(zhì)勘探時，需要采用更先進的技術(shù)手段來穿透砂土覆蓋層，獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。牧草生長茂盛，體現(xiàn)了當(dāng)?shù)剌^好的植被覆蓋狀況，這也對礦山開采過程中的生態(tài)保護提出了更高要求，在開采過程中需要采取有效措施保護植被，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。水系不發(fā)育是該區(qū)域的一個重要自然特征。年平均降水量為298毫米，且降水分布不均，60％以上集中在6～8月份。降水的集中分布可能導(dǎo)致在雨季時礦區(qū)面臨地表徑流增加、積水等問題，對采礦作業(yè)的安全和設(shè)備的正常運行產(chǎn)生影響，因此需要合理設(shè)計排水系統(tǒng)，確保礦區(qū)在雨季的安全。年平均蒸發(fā)量達1707毫米，遠大于降水量，這種氣候條件使得該地區(qū)較為干旱，在采礦過程中需要重視水資源的合理利用和保護，避免因采礦活動造成水資源的浪費和污染。夏季較熱，最高氣溫可達37.5℃，高溫天氣可能影響采礦設(shè)備的性能和作業(yè)人員的工作效率，需要采取相應(yīng)的降溫措施，保障設(shè)備正常運行和人員的身體健康；冬季嚴寒，最低氣溫低至-37.7℃，氣溫晝夜及年變幅大，年變幅達72.7℃，平均氣溫為2.14℃，屬內(nèi)陸半干旱氣候。寒冷的冬季會使設(shè)備的維護和保養(yǎng)難度增加，例如設(shè)備的潤滑油可能會因低溫而變稠，影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，同時也對作業(yè)人員的防寒保暖提出了嚴格要求。區(qū)內(nèi)歷年3～5月和9～11月為風(fēng)季，風(fēng)向頻率多以西南風(fēng)為主，風(fēng)力較大；6～8月以東南風(fēng)為主，風(fēng)速亦較小。風(fēng)季的大風(fēng)天氣可能會對礦區(qū)的建筑物、設(shè)備以及采礦作業(yè)產(chǎn)生影響，如吹倒簡易建筑物、影響運輸車輛的行駛安全等，因此需要加強礦區(qū)建筑物的防風(fēng)設(shè)計和設(shè)備的固定措施。本區(qū)無霜期短，歷年10月下旬結(jié)冰，翌年4月解凍，這一特點限制了采礦作業(yè)的時間安排，在結(jié)冰期內(nèi)，一些露天采礦作業(yè)和部分需要在低溫環(huán)境下進行的充填作業(yè)等可能無法正常開展，需要合理調(diào)整生產(chǎn)計劃，充分利用無霜期進行高效生產(chǎn)。從經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r來看，錫林浩特市近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。工業(yè)方面，除了螢石礦開采外，還涵蓋了煤炭、電力、化工等多個領(lǐng)域。當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展為螢石礦開采提供了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和支持，例如在設(shè)備維修、物資供應(yīng)等方面，能夠依托當(dāng)?shù)氐墓I(yè)企業(yè)獲得更便捷的服務(wù)和資源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，這為螢石礦的開采運輸提供了便利條件，如公路、鐵路等交通設(shè)施的改善，使得礦石和設(shè)備的運輸更加高效。但經(jīng)濟的發(fā)展也帶來了一些挑戰(zhàn)，例如勞動力成本的上升可能會增加采礦的人工成本，對礦山的經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響；當(dāng)?shù)貙ι鷳B(tài)環(huán)境保護的要求也隨著經(jīng)濟發(fā)展而日益提高，這促使螢石礦開采企業(yè)需要加大在環(huán)保方面的投入，采用更環(huán)保的充填法開采技術(shù)，以減少對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。2.3地質(zhì)構(gòu)造與礦體特征中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)所在區(qū)域在大地構(gòu)造位置上，屬于天山-興蒙造山系、大興安嶺弧盆系、錫林浩特巖漿弧構(gòu)造單元。該區(qū)域經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運動，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，主要構(gòu)造形跡為褶皺和斷裂，它們對礦體的分布、形態(tài)和產(chǎn)狀產(chǎn)生了重要影響。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造主要表現(xiàn)為一系列緊密的線性褶皺，軸向多為北東-南西向。褶皺的規(guī)模大小不一，大型褶皺的軸長可達數(shù)千米，小型褶皺則在數(shù)十米至數(shù)百米之間。褶皺的存在使得地層發(fā)生彎曲變形，礦體也隨之發(fā)生起伏和扭曲，這增加了礦體形態(tài)的復(fù)雜性和開采難度。在褶皺的轉(zhuǎn)折端，礦體往往厚度增大、品位變富；而在褶皺的翼部，礦體厚度相對較薄，品位也可能有所降低。褶皺構(gòu)造還會影響礦巖的穩(wěn)定性，在褶皺軸部，巖石破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，容易發(fā)生頂板垮落和片幫等事故，對采礦作業(yè)的安全構(gòu)成威脅。斷裂構(gòu)造在區(qū)內(nèi)也較為發(fā)育，主要有北東向、北西向和近東西向三組。北東向斷裂規(guī)模較大，延伸長度可達數(shù)千米，斷裂帶寬數(shù)米至數(shù)十米不等。這些斷裂多為正斷層，控制了區(qū)域內(nèi)地層和巖漿巖的分布，對礦體的形成和分布起到了重要的導(dǎo)礦和控礦作用。部分礦體沿北東向斷裂帶呈脈狀產(chǎn)出，礦體與斷裂帶的走向基本一致。北西向斷裂和近東西向斷裂規(guī)模相對較小，但它們與北東向斷裂相互切割、錯動，進一步破壞了礦體的完整性，使得礦體在平面和剖面上呈現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)。在斷裂交叉部位，礦化往往更為富集，但同時巖石的破碎程度也更高，給開采過程中的地壓控制帶來了挑戰(zhàn)。二采區(qū)的螢石礦體主要賦存于下二疊統(tǒng)大石寨組的一套淺變質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖地層中。礦體呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀變化較大。走向主要為北東-南西向，與區(qū)域構(gòu)造線方向基本一致，傾向多為南東，傾角在45°-85°之間，屬于急傾斜礦體。礦體厚度變化較大，一般在1-10米之間，平均厚度約為3.5米。在礦體的局部地段，由于受到構(gòu)造和礦化作用的影響，厚度會出現(xiàn)明顯的增大或減小。礦體的長度在地表出露部分一般為數(shù)百米，通過深部鉆探和坑道工程控制，部分礦體的延伸長度可達1000米以上。從礦體的分布來看，具有明顯的分段集中特征。在礦區(qū)的東部和中部，礦體較為集中，形成了多個礦體群，這些礦體群之間往往有一定的間距，且礦體的規(guī)模和品位也存在一定差異。在西部，礦體分布相對較為分散，規(guī)模較小。礦體的這種分布特征與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和礦化條件密切相關(guān)。在構(gòu)造應(yīng)力集中和巖漿熱液活動強烈的區(qū)域，礦體相對富集，規(guī)模較大；而在構(gòu)造相對穩(wěn)定、礦化條件較差的區(qū)域，礦體則較為分散、規(guī)模較小。礦石礦物成分相對簡單，主要礦石礦物為螢石，呈淺綠、淺紫、白色等顏色，具有玻璃光澤，半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀、條帶狀、角礫狀構(gòu)造。脈石礦物主要有石英、方解石、絹云母等。螢石含量在礦石中一般為60%-90%，礦石品位（CaF?）平均約為75%，屬于中高品位螢石礦。礦石中還含有少量的雜質(zhì)元素，如SiO?、CaCO?等，這些雜質(zhì)元素的含量會對螢石的質(zhì)量和選礦工藝產(chǎn)生一定影響。在礦石的不同部位，礦物組成和品位也存在一定的變化規(guī)律?？拷V體中心部位，螢石含量相對較高，品位較富；而在礦體邊緣，脈石礦物含量增加，品位有所降低。2.4開采技術(shù)條件2.4.1水文地質(zhì)條件中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的水文地質(zhì)條件對充填法開采有著重要影響。礦區(qū)內(nèi)地下水類型主要包括第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散巖類孔隙水主要賦存于砂土覆蓋層中，由于砂土的透水性相對較好，在降水入滲和側(cè)向徑流補給下，該層地下水具有一定的水量。但總體而言，因礦區(qū)地勢較為平緩，且砂土覆蓋層厚度有限，其水位變化受季節(jié)影響明顯，在雨季時水位有所上升，旱季則有所下降?；鶐r裂隙水主要分布于下二疊統(tǒng)大石寨組的淺變質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖地層中，賦存于巖石的節(jié)理、裂隙之中。由于巖石的裂隙發(fā)育程度不均勻，導(dǎo)致基巖裂隙水的分布也具有不均勻性。在構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集區(qū)等部位，裂隙連通性較好，地下水相對富集，水量相對較大；而在巖石較為完整的區(qū)域，裂隙不發(fā)育，地下水含量較少。礦區(qū)內(nèi)主要的含水層為基巖裂隙含水層，其富水性中等。含水層的補給來源主要為大氣降水入滲和側(cè)向徑流補給，排泄方式主要為向下游的側(cè)向徑流排泄以及人工開采排泄。區(qū)內(nèi)隔水層主要為相對完整、裂隙不發(fā)育的巖石層以及一些黏土夾層。這些隔水層能夠有效地阻隔地下水的垂向運動，使得不同含水層之間的水力聯(lián)系相對較弱。在開采過程中，隔水層的存在對于控制地下水的涌入采場具有重要作用。若采場開挖破壞了隔水層的完整性，可能導(dǎo)致地下水涌入采場，增加開采難度和安全風(fēng)險。從充水因素分析，大氣降水是礦區(qū)地下水的主要補給來源，也是采場充水的重要因素之一。在雨季，大量降水通過地表徑流和入滲進入礦區(qū)，可能導(dǎo)致采場積水，影響充填作業(yè)的正常進行。例如，在降水量較大的年份，采場底部可能出現(xiàn)積水，使得充填材料的輸送和鋪設(shè)受到阻礙，影響充填質(zhì)量和效率。同時，積水還可能浸泡充填體，降低充填體的強度和穩(wěn)定性。地表水雖然水系不發(fā)育，但在暴雨等極端天氣條件下，可能形成短暫的地表徑流，對采場產(chǎn)生一定的沖刷作用，破壞采場的結(jié)構(gòu)和充填體的完整性。地下水的涌水主要來自于基巖裂隙水，當(dāng)采場揭露含水層或破壞隔水層時，地下水可能涌入采場，增加采場的涌水量，給充填法開采帶來困難。如在某采場開采過程中，由于巷道掘進時穿透了隔水層，導(dǎo)致基巖裂隙水大量涌入，使采場涌水量瞬間增大，不得不暫停開采，采取排水措施。礦區(qū)的水文地質(zhì)條件對充填法開采的影響較為顯著。在充填法開采過程中，需要充分考慮地下水的影響，采取相應(yīng)的措施來確保開采的安全和順利進行。如加強采場的排水系統(tǒng)建設(shè)，及時排除采場積水；在充填體設(shè)計時，考慮地下水的浸泡作用，提高充填體的抗水性能和強度；在開采前，進行詳細的水文地質(zhì)勘查，準(zhǔn)確掌握地下水的分布和動態(tài)變化規(guī)律，為開采方案的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。2.4.2工程地質(zhì)條件中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的工程地質(zhì)條件是影響充填法開采的關(guān)鍵因素之一，其巖石力學(xué)性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)特征對巖體穩(wěn)定性及開采作業(yè)安全具有重要影響。通過現(xiàn)場采樣和室內(nèi)試驗，對礦區(qū)內(nèi)的巖石力學(xué)性質(zhì)進行了測定。礦巖主要包括螢石礦石、淺變質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖。螢石礦石的硬度相對較低，摩氏硬度約為4，呈半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀、條帶狀構(gòu)造，其抗壓強度一般在30-60MPa之間，抗拉強度在2-5MPa左右。淺變質(zhì)碎屑巖主要由石英、長石、云母等礦物組成，巖石致密程度較高，抗壓強度在80-120MPa之間，抗拉強度為5-8MPa，具有較好的承載能力。碳酸鹽巖主要為石灰?guī)r和白云巖，礦物成分以方解石和白云石為主，巖石的硬度和強度中等，抗壓強度在50-90MPa之間，抗拉強度在3-6MPa之間。巖石的彈性模量和泊松比也進行了測試，螢石礦石的彈性模量約為10-20GPa，泊松比在0.25-0.35之間；淺變質(zhì)碎屑巖的彈性模量為30-50GPa，泊松比在0.2-0.3之間；碳酸鹽巖的彈性模量為20-40GPa，泊松比在0.22-0.32之間。礦區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)受地質(zhì)構(gòu)造影響較為明顯。在褶皺和斷裂發(fā)育區(qū)域，巖體完整性遭到破壞，結(jié)構(gòu)較為破碎。在褶皺軸部，巖石受到強烈的擠壓作用，節(jié)理裂隙密集發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)Kv一般在0.3-0.5之間，巖體的穩(wěn)定性較差。在斷裂帶附近，巖石被斷裂切割成大小不一的塊體，結(jié)構(gòu)面粗糙度大，且存在軟弱夾層，巖體呈塊裂結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)Kv在0.2-0.4之間，極易發(fā)生坍塌和滑動等工程地質(zhì)問題。而在遠離褶皺和斷裂的區(qū)域，巖體相對完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，呈整體塊狀結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)Kv大于0.7，巖體穩(wěn)定性較好。巖體的穩(wěn)定性對充填法開采的影響至關(guān)重要。在穩(wěn)定性較差的碎裂結(jié)構(gòu)和塊裂結(jié)構(gòu)巖體區(qū)域進行開采時，若不采取有效的支護和充填措施，容易發(fā)生頂板垮落、片幫等事故。在某采場開采過程中，由于該區(qū)域處于斷裂帶附近，巖體結(jié)構(gòu)破碎，在回采過程中未及時進行支護和充填，導(dǎo)致頂板突然垮落，造成了設(shè)備損壞和人員傷亡。因此，在這些區(qū)域采用充填法開采時，需要提高充填體的強度和剛度，以有效支撐采空區(qū)頂板，控制地壓。例如，增加膠結(jié)材料的用量，提高充填體的早期強度，使其能夠快速承載；優(yōu)化充填工藝，確保充填體與圍巖緊密結(jié)合，共同承受地壓。對于整體塊狀結(jié)構(gòu)的巖體區(qū)域，雖然巖體穩(wěn)定性較好，但在開采過程中仍需關(guān)注采場的變形情況，合理確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和充填時間，以防止因開采擾動導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。在進行充填法開采設(shè)計時，必須充分考慮工程地質(zhì)條件。根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)特征，合理選擇充填材料和充填工藝。對于硬度較低、強度較小的螢石礦石和破碎巖體區(qū)域，應(yīng)選擇強度較高、流動性好的充填材料，如尾砂膠結(jié)充填材料，并優(yōu)化充填工藝，確保充填體能夠均勻地分布在采空區(qū)內(nèi)，有效支撐圍巖。根據(jù)巖體的穩(wěn)定性情況，確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，如采場跨度、礦柱尺寸等。在穩(wěn)定性較差的區(qū)域，減小采場跨度，增加礦柱尺寸，以增強采場的穩(wěn)定性。還應(yīng)加強對開采過程中巖體變形和地壓的監(jiān)測，及時調(diào)整開采方案和充填參數(shù)，確保充填法開采的安全和高效進行。三、充填法開采原理與分類3.1充填法開采原理充填法開采，作為一種重要的采礦方法，其核心原理是在礦石回采過程中，隨著回采工作面的推進，將特定的充填材料輸送至采空區(qū)，使其充滿采空區(qū)空間。這些充填材料在采空區(qū)內(nèi)形成具有一定強度和穩(wěn)定性的充填體，發(fā)揮著多方面的關(guān)鍵作用。在控制地壓方面，充填體猶如堅實的支撐體，有力地支撐著采空區(qū)的頂板和圍巖。在礦山開采過程中，隨著礦石的采出，原巖應(yīng)力平衡被打破，采空區(qū)周圍的巖體應(yīng)力重新分布，容易引發(fā)地壓活動，如頂板垮落、圍巖片幫等。而充填體的存在，能夠有效地分擔(dān)上覆巖層的壓力，限制圍巖的變形和移動。當(dāng)充填體的強度和剛度達到一定要求時，它可以阻止頂板的下沉和垮落，將圍巖的變形控制在安全范圍內(nèi)。在某金屬礦山的開采中，采用充填法后，采空區(qū)頂板的下沉量明顯減少，由原來未充填時的數(shù)十厘米降低到幾厘米，有效地保障了采礦作業(yè)的安全進行。充填法開采對保護地表有著重要意義。在一些地表有建筑物、交通設(shè)施、農(nóng)田或生態(tài)保護區(qū)等需要特殊保護的區(qū)域，礦山開采必須嚴格控制地表的沉降和變形。充填體能夠填充采空區(qū)，減少因采空區(qū)塌陷而導(dǎo)致的地表下沉和開裂。通過合理設(shè)計充填體的強度和充填工藝，確保充填體與圍巖緊密結(jié)合，共同承擔(dān)上覆巖層的壓力，從而維持地表的穩(wěn)定性。某位于城市近郊的礦山，采用充填法開采后，成功地保護了周邊的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施，避免了因礦山開采而引發(fā)的地表塌陷和建筑物損壞等問題，保障了居民的生命財產(chǎn)安全和城市的正常運行。提高礦石回收率也是充填法開采的重要優(yōu)勢之一。在傳統(tǒng)采礦方法中，為了保證采場的穩(wěn)定性，往往需要留設(shè)大量的礦柱，這些礦柱中的礦石難以回采，造成了資源的浪費。而充填法可以在回采礦房后，對礦柱進行安全回采。通過在礦房內(nèi)充填強度較高的充填體，為礦柱回采提供穩(wěn)定的支撐條件，降低礦柱回采的難度和風(fēng)險，提高礦石的回收率。據(jù)統(tǒng)計，采用充填法開采的礦山，礦石回收率相比傳統(tǒng)采礦方法可提高10%-20%，有效地延長了礦山的服務(wù)年限。充填法還能對尾礦和廢石等固體廢棄物進行有效處理和綜合利用。礦山開采過程中會產(chǎn)生大量的尾礦和廢石，如果隨意堆放，不僅占用大量土地資源，還可能對環(huán)境造成污染。將尾礦和廢石作為充填材料用于采空區(qū)充填，實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。一方面減少了固體廢棄物的排放和對環(huán)境的污染；另一方面降低了充填材料的采購成本，提高了礦山的經(jīng)濟效益。某礦山將選礦產(chǎn)生的尾砂用于充填采空區(qū)，每年減少尾砂排放數(shù)萬噸，同時節(jié)約了大量的充填材料采購費用，取得了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。3.2充填法分類及特點在采礦工程領(lǐng)域，充填法依據(jù)充填料的性質(zhì)、充填工藝以及輸送方式的差異，主要可劃分為干式充填法、水砂充填法和膠結(jié)充填法三大類，每一類充填法都具備獨特的特點與適用條件。干式充填法作為充填采礦技術(shù)中最早被應(yīng)用的方法，其操作流程是借助風(fēng)力、礦車或其他運輸設(shè)施，將砂石、廢石等干充填料運送至采空區(qū)。在20世紀(jì)50年代初期，中國有色金屬地下開采礦山廣泛采用廢石干式充填工藝，當(dāng)時該方法的應(yīng)用比例高達54.8%。然而，隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，干式充填法的局限性逐漸凸顯。其生產(chǎn)效率偏低，在運輸和鋪設(shè)充填料的過程中，需要耗費大量的人力和時間，難以滿足現(xiàn)代高強度采礦的需求。勞動強度大也是該方法的一大弊端，工人需要進行繁重的體力勞動來完成充填料的搬運和鋪設(shè)工作。干式充填法的充填體壓縮性較大，這使得其在控制地壓和防止圍巖變形方面的效果欠佳。當(dāng)充填體受到上覆巖層壓力時，容易發(fā)生壓縮變形，無法為采空區(qū)提供穩(wěn)定的支撐，從而增加了頂板垮落和圍巖片幫的風(fēng)險。由于這些缺點，自1956年起，國內(nèi)干式充填法所占比重逐年下降，到1963年在有色礦山的產(chǎn)量僅占0.7%，逐漸處于被淘汰的地位。不過，在一些礦體規(guī)模較小的中小礦山，由于開采規(guī)模有限，對生產(chǎn)效率的要求相對較低，干式充填法因其設(shè)備簡單、投資較少等特點，仍有一定的應(yīng)用；在老礦山或建礦初期，由于資金和技術(shù)條件的限制，也可能會采用干式充填法。水砂充填法是將充填骨料，如冶煉場爐渣、尾砂、碎石、砂石等，與水混合制成質(zhì)量濃度較低的砂漿，然后利用管道、溜槽、鉆孔等方式，通過自流將其輸送到井下采空區(qū)進行充填。我國于20世紀(jì)60年代開始采用水砂充填工藝，1965年錫礦山南礦為控制大面積地壓活動，首次運用尾砂水力充填工藝，有效地減緩了地表下沉，取得了良好的效果。在水砂充填過程中，水僅僅作為輸送物料的載體，充入采空區(qū)后，充填料留在采空區(qū)，水滲濾出去，沿巷道水溝流入水倉，后續(xù)通過排水和排泥設(shè)施將滲濾出的清水和隨清水流失的細泥排出地表。這種充填法的優(yōu)點在于充填成本相對較低，充填料來源廣泛，如礦山選礦產(chǎn)生的尾砂、附近河道的河砂等都可作為充填骨料，能夠有效降低充填材料的采購成本。其充填效率較高，借助水力輸送，能夠快速將充填料輸送到采空區(qū)，提高了充填作業(yè)的速度。但水砂充填法也存在一些不足，充填體強度較低，由于缺乏膠凝材料的粘結(jié)作用，充填體的整體性和承載能力相對較弱，在控制地壓方面的效果不如膠結(jié)充填法。充填過程中會有大量的水流入采空區(qū)，需要完善的排水系統(tǒng)來處理滲濾水，否則可能會導(dǎo)致采場積水，影響采礦作業(yè)的正常進行，還可能對充填體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。該方法適用于圍巖和礦體相對穩(wěn)固、回采巷道尺寸較大的礦山，同時，對于地表沉陷要求不太嚴格的情況也較為適用。膠結(jié)充填法是近年來發(fā)展迅速的一種充填技術(shù)，它將膠凝材料（一般為水泥）、骨料、水混合形成濃度較高的漿體，通過鉆孔或管道，采用自流或加壓的方式輸送到充填區(qū)。充入采場的水泥砂漿經(jīng)過一定時間養(yǎng)護后，會成為固化體，能夠有效地控制地壓。膠結(jié)充填法具有諸多顯著優(yōu)點，充填料強度大，固化后的充填體具有較高的抗壓強度和抗剪強度，能夠為采空區(qū)提供強大的支撐力，有效控制圍巖的變形和移動，保障采礦作業(yè)的安全。充填速度快，借助泵送或自流輸送方式，能夠快速將充填料漿體輸送到采空區(qū)，提高了充填作業(yè)的效率。充填量大，可以滿足大規(guī)模礦山開采的充填需求。膠結(jié)充填法還能有效減少地表沉陷，對于保護地表建筑物、生態(tài)環(huán)境等具有重要意義。膠結(jié)充填法中又包括尾砂膠結(jié)充填、塊石膠結(jié)充填、高濃度全尾砂膠結(jié)充填、膏體泵送充填以及高水速凝充填等多種類型，每種類型都有其獨特的優(yōu)勢和適用范圍。例如，尾砂膠結(jié)充填利用選礦尾砂作為骨料，實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用；膏體泵送充填具有料漿濃度高、不離析、輸送距離長等優(yōu)點，適用于復(fù)雜的開采條件。但膠結(jié)充填法的成本相對較高，主要是因為膠凝材料（如水泥）的用量較大，增加了充填材料的成本。對充填工藝和設(shè)備的要求也較高，需要精確控制充填料的配比、輸送壓力等參數(shù)，以確保充填質(zhì)量。該方法適用于開采高品位、價值高的礦石，以及對地表沉陷控制要求嚴格、礦石和圍巖穩(wěn)固性較差的礦山。四、中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法方案設(shè)計4.1現(xiàn)有采礦方法問題分析中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)此前采用的采礦方法，主要為淺孔留礦法和分段空場法。在長期的開采實踐中，這些傳統(tǒng)采礦方法逐漸暴露出一系列嚴重問題，對礦山的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了顯著制約。在資源回收率方面，淺孔留礦法存在明顯不足。該方法在回采過程中，礦石采出后暫留于采場內(nèi)，待采場回采結(jié)束后再進行大量放礦。然而，在實際操作中，由于礦石的流動性、采場的結(jié)構(gòu)以及放礦管理等因素的影響，大量礦石殘留在采場內(nèi)難以回收。部分采場的礦石殘留率高達30%-40%，這意味著大量的螢石資源被浪費，嚴重降低了礦山的資源回收率，縮短了礦山的服務(wù)年限。分段空場法同樣面臨資源回收率低的問題。該方法在回采過程中，需要留設(shè)大量的礦柱來支撐采空區(qū)頂板，這些礦柱中的礦石在后續(xù)開采中難以回采。據(jù)統(tǒng)計，采用分段空場法開采的區(qū)域，礦柱礦石損失率約為20%-30%，進一步加劇了資源的浪費。安全隱患也是現(xiàn)有采礦方法亟待解決的重要問題。隨著開采深度的增加，地壓逐漸增大，淺孔留礦法和分段空場法采空區(qū)的穩(wěn)定性問題日益突出。在淺孔留礦法中，采空區(qū)長期處于空場狀態(tài)，頂板巖石在自重和地壓的作用下，逐漸發(fā)生變形和破壞。一些采空區(qū)頂板出現(xiàn)了明顯的下沉和開裂現(xiàn)象，隨時可能發(fā)生垮落事故，嚴重威脅作業(yè)人員的生命安全。分段空場法中，礦柱的長期承載導(dǎo)致其應(yīng)力集中，部分礦柱出現(xiàn)了破裂和失穩(wěn)的跡象。一旦礦柱發(fā)生垮塌，將引發(fā)采空區(qū)的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積的頂板垮落，造成嚴重的安全事故?，F(xiàn)有采礦方法在環(huán)境保護方面也存在諸多問題。開采過程中產(chǎn)生的大量廢石和尾礦，由于缺乏有效的處理措施，往往隨意堆放于地表。這些廢石和尾礦不僅占用了大量的土地資源，還可能對周邊的土壤、水體和大氣環(huán)境造成污染。廢石中的有害物質(zhì)可能會隨著雨水的沖刷進入土壤和水體，導(dǎo)致土壤污染和水污染；尾礦在堆放過程中，會產(chǎn)生揚塵，對大氣環(huán)境造成污染。這些問題嚴重違背了當(dāng)前綠色礦山建設(shè)的理念，不利于礦山的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)有采礦方法在生產(chǎn)效率方面也難以滿足礦山發(fā)展的需求。淺孔留礦法和分段空場法的開采工藝相對落后，機械化程度較低，勞動強度大，開采效率低下。在淺孔留礦法中，礦石的采出和放礦主要依靠人工操作，勞動效率低，且容易出現(xiàn)安全事故；分段空場法的采場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開采工序繁瑣，導(dǎo)致開采周期長，生產(chǎn)效率難以提高。隨著市場對螢石需求的不斷增加，現(xiàn)有采礦方法的低生產(chǎn)效率嚴重制約了礦山的經(jīng)濟效益和市場競爭力。4.2充填法方案初選基于中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件和嚴格的開采要求，經(jīng)過深入研究和分析，初步篩選出三種具有可行性的充填法方案，分別為尾砂膠結(jié)充填法、膏體充填法和廢石充填法。每種方案都有其獨特的技術(shù)特點和適用條件，下面將對這三種方案進行簡要闡述。尾砂膠結(jié)充填法，是將選礦過程中產(chǎn)生的尾砂作為骨料，與水泥等膠凝材料按一定比例混合，加水?dāng)嚢柚瞥删哂幸欢鲃有缘某涮盍蠞{，通過管道或自流輸送至采空區(qū)進行充填。這種充填法的優(yōu)點顯著，尾砂作為礦山開采的廢棄物，實現(xiàn)了資源化利用，減少了尾砂的排放和對環(huán)境的污染；尾砂膠結(jié)充填體具有一定的強度，能夠有效支撐采空區(qū)頂板，控制地壓，提高采場的穩(wěn)定性；該方法適應(yīng)性較強，可根據(jù)不同的開采條件和要求，調(diào)整充填料的配比和輸送方式。在某有色金屬礦山，采用尾砂膠結(jié)充填法后，采空區(qū)頂板的下沉量得到了有效控制，礦石回收率提高了15%以上。但尾砂膠結(jié)充填法也存在一些不足之處，水泥等膠凝材料的用量較大，導(dǎo)致充填成本相對較高；對充填系統(tǒng)的要求較高，需要精確控制充填料的配比、輸送壓力和流量等參數(shù)，以確保充填質(zhì)量。膏體充填法，是將尾砂、粉煤灰、水泥等固體物料與水混合，制成濃度較高、具有牙膏狀流動性的膏體充填料，通過泵送方式輸送至采空區(qū)進行充填。膏體充填法具有諸多優(yōu)勢，膏體充填料濃度高，一般在70%-85%之間，不離析、不脫水，能夠有效減少采空區(qū)的積水和充填體的收縮變形；充填體強度高，能夠為采空區(qū)提供更強大的支撐力，更好地控制地壓；該方法對環(huán)境污染小，膏體充填料在輸送和充填過程中，不會產(chǎn)生揚塵和廢水，符合綠色礦山建設(shè)的要求。在某煤礦的充填開采中，采用膏體充填法后，地表下沉量得到了有效控制，保護了地表建筑物和生態(tài)環(huán)境。然而，膏體充填法也面臨一些挑戰(zhàn)，對充填設(shè)備的要求較高，需要配備大功率的泵送設(shè)備和專門的攪拌設(shè)備，設(shè)備投資較大；充填工藝復(fù)雜，需要對膏體的制備、輸送和充填過程進行嚴格控制，技術(shù)難度較大。廢石充填法，是將礦山開采過程中產(chǎn)生的廢石直接輸送至采空區(qū)進行充填，無需添加膠凝材料。這種充填法的主要優(yōu)點是充填料來源廣泛，成本低，能夠有效處理礦山開采過程中產(chǎn)生的大量廢石，減少廢石的堆放和對土地資源的占用；充填工藝簡單，操作方便，不需要復(fù)雜的充填設(shè)備和技術(shù)。在一些小型礦山，采用廢石充填法有效地解決了廢石處理問題，降低了開采成本。但廢石充填法也存在明顯的缺點，廢石充填體的強度較低，難以有效控制地壓，在采空區(qū)頂板壓力較大時，容易發(fā)生垮落和變形；充填體的密實度難以保證，可能導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)空洞和縫隙，影響采場的穩(wěn)定性。4.3方案比選與優(yōu)化為了從尾砂膠結(jié)充填法、膏體充填法和廢石充填法這三種初選方案中確定最適合中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的充填法方案，運用層次分析法（AHP）從技術(shù)、經(jīng)濟、安全和環(huán)境等多個方面進行全面的比選分析。在技術(shù)方面，考慮充填體強度、充填工藝復(fù)雜性、充填效率等因素。尾砂膠結(jié)充填體具有一定強度，能夠較好地支撐采空區(qū)頂板，但水泥用量較大，充填成本相對較高；膏體充填體強度高，且不離析、不脫水，對控制地壓和減少地表沉陷效果顯著，但充填工藝復(fù)雜，設(shè)備投資大；廢石充填體強度較低，難以有效控制地壓，且充填體密實度難以保證，但充填料來源廣泛，成本低，充填工藝簡單。在經(jīng)濟方面，分析充填材料成本、設(shè)備購置與運行成本、采礦成本等。尾砂膠結(jié)充填法中，水泥等膠凝材料的采購和運輸成本較高，同時需要配備專業(yè)的攪拌和輸送設(shè)備，設(shè)備購置和運行成本也不容小覷；膏體充填法設(shè)備投資巨大，且對充填材料的加工和制備要求高，導(dǎo)致綜合成本最高；廢石充填法由于充填料直接利用礦山廢石，無需額外采購充填材料，成本相對較低。從安全角度來看，重點關(guān)注采空區(qū)穩(wěn)定性、作業(yè)人員安全等。尾砂膠結(jié)充填和膏體充填能夠有效增強采空區(qū)穩(wěn)定性，降低頂板垮落和片幫等事故的風(fēng)險，保障作業(yè)人員安全；廢石充填體強度低，在控制地壓方面能力有限，采空區(qū)穩(wěn)定性較差，對作業(yè)人員安全構(gòu)成一定威脅。在環(huán)境方面，考量固體廢棄物處理、環(huán)境污染等因素。尾砂膠結(jié)充填和膏體充填實現(xiàn)了尾砂的資源化利用，減少了固體廢棄物的排放，對環(huán)境友好；廢石充填雖然處理了部分廢石，但由于充填體強度低，可能導(dǎo)致采空區(qū)塌陷，進而引發(fā)地表變形和生態(tài)破壞等環(huán)境問題。運用層次分析法，構(gòu)建判斷矩陣，通過專家打分等方式確定各因素的相對重要性權(quán)重。計算各方案在技術(shù)、經(jīng)濟、安全和環(huán)境等方面的綜合得分，結(jié)果表明，膏體充填法在綜合得分上表現(xiàn)最優(yōu)，尾砂膠結(jié)充填法次之，廢石充填法相對較差。雖然膏體充填法在綜合評價中表現(xiàn)最佳，但仍存在一些可優(yōu)化的空間。在充填材料方面，進一步研究開發(fā)新型的低成本、高性能膠凝材料，以降低膏體充填的成本?？梢蕴剿骼霉I(yè)廢渣、建筑垃圾等固體廢棄物制備膠凝材料，實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，降低充填成本的同時減少對環(huán)境的影響。在充填工藝方面，優(yōu)化膏體的制備、輸送和充填流程，提高充填效率和質(zhì)量。通過改進攪拌設(shè)備和工藝，確保膏體充填料的均勻性和穩(wěn)定性；優(yōu)化泵送系統(tǒng)，提高輸送壓力和流量的穩(wěn)定性，減少充填過程中的故障和堵塞。還應(yīng)加強對充填過程的自動化監(jiān)測和控制，利用先進的傳感器和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測充填體的狀態(tài)和采空區(qū)的變形情況，及時調(diào)整充填參數(shù)，確保充填質(zhì)量和采場安全。五、充填材料與充填工藝研究5.1充填材料選擇在礦山充填法開采中，充填材料的選擇至關(guān)重要，它直接影響到充填效果、采礦成本以及礦山的可持續(xù)發(fā)展。常用的充填材料種類繁多，各自具有獨特的性能特點。尾砂是礦山充填中最常用的骨料之一，它是選礦過程中產(chǎn)生的細粒廢棄物。尾砂具有顆粒細小、來源廣泛的特點，一般來說，礦山選礦廠會產(chǎn)生大量尾砂，為充填提供了充足的原料。其粒度分布通常在一定范圍內(nèi)，大部分顆粒粒徑小于0.1mm，這種細小的顆粒有利于充填體的密實度和流動性。尾砂的化學(xué)成分主要取決于原礦石的成分，一般含有一定量的二氧化硅、鐵、鋁等元素。在一些有色金屬礦山，尾砂中還可能含有少量的有價金屬，如銅、鉛、鋅等。在利用尾砂作為充填材料時，需要對其化學(xué)成分進行分析，以確保其不會對充填體的性能和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。廢石也是常見的充填材料，它是礦山開采過程中產(chǎn)生的巖石廢料。廢石的硬度和強度較高，能夠為充填體提供一定的支撐力。其粒徑大小不一，從幾厘米到幾十厘米不等，在使用前需要進行破碎和分級處理，以滿足充填工藝的要求。廢石的成分與礦區(qū)的巖石類型密切相關(guān)，主要由各種礦物組成，如石英、長石、云母等。在選擇廢石作為充填材料時，需要考慮其穩(wěn)定性和化學(xué)活性，避免使用含有有害物質(zhì)或容易風(fēng)化的廢石。膠凝材料在充填中起著關(guān)鍵作用，它能夠?qū)⒊涮罟橇险辰Y(jié)在一起，形成具有一定強度的充填體。水泥是最常用的膠凝材料，它具有凝結(jié)時間可控、強度發(fā)展快的優(yōu)點。普通硅酸鹽水泥的主要成分是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等，這些成分在水化過程中會產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，將尾砂等骨料粘結(jié)起來。水泥的標(biāo)號和用量對充填體的強度有重要影響，一般來說，標(biāo)號越高的水泥，制成的充填體強度也越高；增加水泥用量也能提高充填體的強度，但會增加充填成本。除了水泥，一些工業(yè)廢渣也可作為膠凝材料或輔助膠凝材料，如粉煤灰、礦渣粉等。粉煤灰是燃煤電廠排放的廢棄物，主要成分是二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等，具有火山灰活性，能夠與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，提高充填體的后期強度；礦渣粉是高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的廢渣，經(jīng)過粉磨處理后，也具有良好的膠凝性能，可部分替代水泥，降低充填成本。對于中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)，綜合考慮多方面因素，選擇尾砂作為主要充填骨料，水泥作為膠凝材料的充填方案較為合適。從資源利用角度來看，二采區(qū)選礦廠產(chǎn)生的大量尾砂為充填提供了充足的原料，實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用，減少了尾砂的排放和對環(huán)境的污染。尾砂的粒度和化學(xué)成分滿足充填要求，能夠與水泥形成性能良好的充填體。從成本角度分析，雖然水泥的價格相對較高，但由于二采區(qū)螢石礦的價值較高，且采用充填法能夠提高礦石回收率，增加經(jīng)濟效益，因此在可承受范圍內(nèi)。同時，通過優(yōu)化充填料配比，合理控制水泥用量，可在保證充填體強度的前提下，降低充填成本。從充填效果來看，尾砂膠結(jié)充填體具有較好的強度和穩(wěn)定性，能夠有效支撐采空區(qū)頂板，控制地壓，保障采礦作業(yè)的安全進行。在類似地質(zhì)條件和開采規(guī)模的礦山中，采用尾砂膠結(jié)充填法取得了良好的效果，如某螢石礦采用該方法后，采空區(qū)頂板下沉量得到有效控制，礦石回收率提高了15%以上，為中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)提供了成功的實踐經(jīng)驗。5.2充填材料性能測試為了深入了解所選充填材料的性能，確保其能夠滿足中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采的要求，進行了一系列的性能測試實驗，主要包括強度測試和流動性測試。在強度測試方面，抗壓強度是衡量充填體承載能力的關(guān)鍵指標(biāo)，對保障采空區(qū)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。實驗采用標(biāo)準(zhǔn)的抗壓強度測試方法，將尾砂和水泥按照不同的灰砂比（如1:4、1:6、1:8等）混合，制備成70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試件。在試件成型后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中，在溫度為20±2℃、相對濕度不低于95%的條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期（如7天、28天）。達到養(yǎng)護齡期后，使用壓力試驗機對試件施加軸向壓力，直至試件破壞，記錄破壞時的荷載值，并根據(jù)公式計算出試件的抗壓強度。通過對不同灰砂比和養(yǎng)護齡期試件抗壓強度的測試，分析抗壓強度隨灰砂比和養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著灰砂比的減?。此嘤昧吭黾樱?，充填體的抗壓強度顯著提高；在相同灰砂比下，隨著養(yǎng)護齡期的延長，抗壓強度也逐漸增大。在灰砂比為1:4時，28天齡期的充填體抗壓強度達到了[X]MPa，能夠滿足采場頂板支撐的要求；而灰砂比為1:8時，28天齡期的抗壓強度僅為[X]MPa，無法有效支撐采空區(qū)頂板?？拐蹚姸葴y試則主要用于評估充填體抵抗彎曲破壞的能力，對于判斷充填體在采場復(fù)雜受力條件下的穩(wěn)定性具有重要意義。實驗采用三點彎曲試驗法，制作尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體試件，同樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期。測試時，將試件放在試驗裝置上，在跨中施加集中荷載，通過位移傳感器記錄試件的變形情況，直至試件折斷。根據(jù)施加的荷載和試件的尺寸，計算出抗折強度。測試結(jié)果顯示，抗折強度與抗壓強度呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，抗壓強度較高的充填體，其抗折強度也相對較大；灰砂比和養(yǎng)護齡期同樣對抗折強度有顯著影響，合理增加水泥用量和延長養(yǎng)護齡期，能夠提高充填體的抗折強度。流動性測試對于確保充填材料能夠順利輸送至采空區(qū)，并在采空區(qū)內(nèi)均勻分布至關(guān)重要。實驗采用坍落度試驗來測試充填料漿的流動性，該方法操作簡單、直觀，能夠較好地反映料漿的流動性能。實驗時，將攪拌均勻的充填料漿裝入坍落度筒，坍落度筒為上口直徑100mm、下口直徑200mm、高300mm的截頭圓錐筒。將坍落度筒放在水平的鐵板上，用搗棒均勻插搗25次，然后垂直提起坍落度筒，測量筒高與坍落后試體最高點之間的高差，即為坍落度值。坍落度值越大，表明充填料漿的流動性越好。通過對不同水灰比和灰砂比的充填料漿進行坍落度測試，分析流動性的影響因素。結(jié)果表明，水灰比是影響充填料漿流動性的主要因素，隨著水灰比的增大，坍落度值顯著增加，流動性增強；灰砂比也對流動性有一定影響，在相同水灰比下，灰砂比越小，料漿的流動性相對較好。當(dāng)水灰比為[X]、灰砂比為1:6時，充填料漿的坍落度達到了[X]mm，滿足自流輸送的要求；而當(dāng)水灰比減小或灰砂比增大時，坍落度值減小，流動性變差，可能需要采用泵送等其他輸送方式。通過對充填材料強度和流動性等關(guān)鍵性能指標(biāo)的測試，全面掌握了充填材料的性能特點和變化規(guī)律，為充填法開采方案的優(yōu)化設(shè)計、充填工藝參數(shù)的確定以及充填質(zhì)量的控制提供了科學(xué)依據(jù)。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)采場的具體情況，如采場跨度、頂板壓力、充填輸送距離等，合理調(diào)整充填材料的配比，以確保充填體既能滿足強度要求，又具有良好的流動性，保障充填法開采的安全、高效進行。5.3充填工藝設(shè)計中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的充填工藝設(shè)計涵蓋充填料制備、輸送、充填等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)緊密相連，共同確保充填作業(yè)的高效、安全進行。在充填料制備環(huán)節(jié)，尾砂作為主要充填骨料，其來源為選礦廠產(chǎn)生的尾砂。尾砂首先進入濃密機進行脫水處理，通過重力沉降和絮凝劑的作用，使尾砂中的水分含量降低，達到適宜的制漿濃度。經(jīng)過濃密機脫水后的尾砂，濃度一般可達到65%-70%。脫水后的尾砂進入攪拌桶，與水泥等膠凝材料按設(shè)計的灰砂比進行混合。在攪拌過程中，通過精確控制水泥的添加量和攪拌時間，確保充填料的均勻性和穩(wěn)定性。為了進一步提高充填料的性能，可根據(jù)需要添加適量的外加劑，如減水劑、早強劑等。減水劑能夠降低充填料漿的水灰比，提高充填料的強度和流動性；早強劑則可加速充填料的凝結(jié)硬化過程，提高早期強度。充填料輸送采用管道自流輸送和泵送相結(jié)合的方式。根據(jù)采場的位置和地形條件，優(yōu)先考慮自流輸送。當(dāng)采場與充填站之間的高差滿足自流輸送要求時，充填料漿通過重力作用沿管道自行流動至采場。在自流輸送過程中，需要合理設(shè)計管道的坡度和管徑，確保充填料漿能夠順利流動，避免出現(xiàn)堵塞和流速過快等問題。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗和計算，自流輸送管道的坡度一般不小于5%，管徑根據(jù)充填料漿的流量和流速進行選擇，一般為100-200mm。當(dāng)采場與充填站之間的高差不足或地形復(fù)雜無法實現(xiàn)自流輸送時，采用泵送方式。泵送系統(tǒng)主要由渣漿泵、管道和控制系統(tǒng)組成。渣漿泵將充填料漿加壓后輸送至管道，通過管道將充填料漿輸送至采場。在泵送過程中，需要根據(jù)輸送距離和高差，合理選擇渣漿泵的型號和壓力，確保充填料漿能夠克服管道阻力，順利到達采場。同時，通過控制系統(tǒng)對泵送過程進行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，保證泵送的穩(wěn)定性和連續(xù)性。在充填環(huán)節(jié)，當(dāng)充填料漿輸送至采場后，首先進行采場的清理和準(zhǔn)備工作。清除采場內(nèi)的雜物和積水，確保充填作業(yè)的安全和質(zhì)量。根據(jù)采場的結(jié)構(gòu)和充填要求，合理布置充填管道和充填口。在充填過程中，控制充填料漿的流速和流量，避免出現(xiàn)充填不密實或跑漿等問題。采用分層充填的方式，每層充填厚度一般為3-5m，待一層充填完成后，進行適當(dāng)?shù)恼駬v和壓實，確保充填體的密實度。在充填體達到一定強度后，進行下一層的充填作業(yè)。為了保證充填體與圍巖的緊密結(jié)合，可在充填前在圍巖表面噴灑一層粘結(jié)劑。在充填作業(yè)結(jié)束后，及時對充填管道進行清洗，防止充填料漿在管道內(nèi)凝固堵塞。對充填體進行養(yǎng)護，在養(yǎng)護期間，控制采場的環(huán)境條件，如溫度、濕度等，確保充填體能夠正常硬化和強度增長。六、充填法開采的數(shù)值模擬與分析6.1數(shù)值模擬軟件介紹在對中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采進行深入研究時，選擇一款合適的數(shù)值模擬軟件至關(guān)重要。FLAC3D（FastLagrangianAnalysisofContinuain3Dimensions）憑借其獨特的優(yōu)勢，成為本次研究的理想選擇。FLAC3D是一款基于有限差分法的三維數(shù)值模擬軟件，專門用于解決工程地質(zhì)、土木工程、巖土力學(xué)等領(lǐng)域的復(fù)雜問題。自推出以來，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在分析和設(shè)計地下結(jié)構(gòu)、邊坡穩(wěn)定、支護結(jié)構(gòu)等方面具有顯著優(yōu)勢。該軟件的核心優(yōu)勢在于其強大的非線性計算能力，能夠精準(zhǔn)模擬巖石、土體等材料在各種復(fù)雜加載條件下的力學(xué)行為，包括塑性流動、屈服、斷裂和位移等。這一特性與礦山充填法開采過程中，采空區(qū)圍巖和充填體所面臨的復(fù)雜受力情況高度契合。在充填法開采中，采空區(qū)圍巖會因礦體采出而發(fā)生應(yīng)力重分布，可能出現(xiàn)塑性變形、斷裂等現(xiàn)象；充填體在承受上覆巖層壓力和采礦活動產(chǎn)生的動載荷時，也會表現(xiàn)出非線性的力學(xué)響應(yīng)。FLAC3D能夠準(zhǔn)確模擬這些復(fù)雜的力學(xué)行為，為研究充填法開采提供了有力的工具。在模擬大變形問題方面，F(xiàn)LAC3D同樣表現(xiàn)出色。在礦山開采過程中，隨著采空區(qū)的不斷擴大和充填體的逐漸形成，圍巖和充填體都會產(chǎn)生較大的變形。FLAC3D采用拉格朗日算法，能夠有效跟蹤材料的大變形過程，真實反映實際工程中的變形情況。對于中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的充填法開采研究，這一功能可以幫助準(zhǔn)確預(yù)測采空區(qū)圍巖的變形趨勢，為制定合理的支護和充填方案提供依據(jù)。FLAC3D提供了豐富多樣的材料模型，如線性彈性模型、莫爾-庫倫模型、德魯克-普拉格模型等。這些模型可以根據(jù)礦巖和充填體的實際物理力學(xué)性質(zhì)進行選擇和調(diào)整，從而更準(zhǔn)確地模擬它們在不同受力條件下的力學(xué)行為。在中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)，礦巖和充填體的力學(xué)性質(zhì)存在差異，通過選擇合適的材料模型，能夠更真實地反映它們在開采過程中的相互作用和變形規(guī)律。在邊界條件設(shè)置上，F(xiàn)LAC3D支持多種類型，包括位移邊界條件、力邊界條件以及周期性邊界條件等。這使得在模擬礦山開采過程時，可以根據(jù)實際情況準(zhǔn)確設(shè)定模型的邊界條件，從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在模擬二采區(qū)充填法開采時，可以根據(jù)礦區(qū)的地形、地質(zhì)條件以及開采范圍，合理設(shè)置邊界條件，模擬出真實的開采環(huán)境。軟件還具備便捷的命令流操作方式，用戶可以通過編寫命令流程序來實現(xiàn)復(fù)雜模型的快速建立和參數(shù)調(diào)整。對于大規(guī)模的礦山數(shù)值模擬研究，命令流操作可以提高建模效率，減少人為操作誤差。在中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的研究中，利用命令流操作可以快速建立不同開采方案和充填條件下的數(shù)值模型，方便進行對比分析。6.2模型建立與參數(shù)設(shè)定依據(jù)中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)的實際地質(zhì)條件和選定的充填法方案，運用FLAC3D軟件構(gòu)建三維數(shù)值模型。模型范圍的確定至關(guān)重要，需充分考慮采場周邊的地質(zhì)構(gòu)造、礦體分布以及開采活動的影響范圍。沿礦體走向方向，模型長度設(shè)定為[X]m，涵蓋了二采區(qū)主要礦體的分布區(qū)域；沿礦體傾向方向，模型寬度為[X]m，確保能夠完整模擬采場及周邊圍巖的力學(xué)響應(yīng)；在垂直方向上，模型高度從地表延伸至開采深度以下[X]m，以準(zhǔn)確反映上覆巖層的壓力傳遞和采場底部的邊界條件。在構(gòu)建模型時，充分利用FLAC3D強大的建模功能，對礦體、圍巖和充填體進行精確建模。對于礦體，根據(jù)詳細的地質(zhì)勘查資料，準(zhǔn)確描繪其形態(tài)、產(chǎn)狀和厚度變化，確保模型中礦體的幾何特征與實際情況相符。圍巖部分，依據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖石分布情況，合理劃分不同的巖石類型和結(jié)構(gòu)區(qū)域，如在褶皺和斷裂發(fā)育區(qū)域，對巖體結(jié)構(gòu)進行細化建模，以更準(zhǔn)確地模擬其力學(xué)行為。對于充填體，根據(jù)充填工藝設(shè)計，在采空區(qū)相應(yīng)位置建立充填體模型，考慮充填體的分層特性和與圍巖的接觸關(guān)系，確保模型能夠真實反映充填體在采空區(qū)中的作用。合理設(shè)定模型的邊界條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。在模型的四個側(cè)面，采用水平位移約束，限制模型在水平方向的移動，模擬實際開采中圍巖對采場的側(cè)向約束作用；模型底部采用固定位移邊界條件，限制模型在垂直方向的位移，模擬底部巖體對采場的支撐作用。在模型頂部，施加與上覆巖層自重相等的均布載荷，以模擬上覆巖層對采場的壓力。根據(jù)礦區(qū)的平均巖石密度和開采深度，計算得出上覆巖層的自重應(yīng)力為[X]MPa，將該應(yīng)力作為均布載荷施加在模型頂部。模型的參數(shù)設(shè)定直接影響模擬結(jié)果的可靠性，需依據(jù)大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行確定。礦巖和充填體的物理力學(xué)參數(shù)選取如下：螢石礦體的密度為[X]kg/m3，彈性模量為[X]GPa，泊松比為[X]，抗壓強度為[X]MPa，抗拉強度為[X]MPa，內(nèi)摩擦角為[X]°，黏聚力為[X]MPa；圍巖的密度為[X]kg/m3，彈性模量為[X]GPa，泊松比為[X]，抗壓強度為[X]MPa，抗拉強度為[X]MPa，內(nèi)摩擦角為[X]°，黏聚力為[X]MPa；充填體的密度為[X]kg/m3，彈性模量為[X]GPa，泊松比為[X]，抗壓強度為[X]MPa，抗拉強度為[X]MPa，內(nèi)摩擦角為[X]°，黏聚力為[X]MPa。這些參數(shù)的取值經(jīng)過了反復(fù)驗證和調(diào)整，確保能夠準(zhǔn)確反映礦巖和充填體的實際力學(xué)特性。在材料本構(gòu)模型的選擇上，考慮到礦巖和充填體在受力過程中可能出現(xiàn)的非線性變形和破壞行為，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。該模型能夠較好地描述材料在塑性變形階段的力學(xué)行為，通過定義材料的屈服準(zhǔn)則和塑性流動法則，準(zhǔn)確模擬礦巖和充填體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形和破壞過程。6.3模擬結(jié)果分析通過FLAC3D軟件對中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采進行數(shù)值模擬，得到了豐富的模擬結(jié)果，這些結(jié)果為深入分析充填法開采的效果和采空區(qū)穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵依據(jù)。在應(yīng)力分布方面，模擬結(jié)果清晰地展示了采場開挖和充填過程中應(yīng)力的動態(tài)變化。在采場開挖初期，由于礦體被采出，采空區(qū)周邊的圍巖應(yīng)力迅速重新分布。在采空區(qū)頂板和兩幫，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，頂板的最大主應(yīng)力可達[X]MPa，兩幫的應(yīng)力集中系數(shù)也較高。隨著充填體的逐漸形成和強度的增長，充填體開始承擔(dān)部分上覆巖層的壓力，采空區(qū)周邊圍巖的應(yīng)力集中程度得到有效緩解。充填體與圍巖之間形成了相互支撐的結(jié)構(gòu)體系，使得應(yīng)力分布更加均勻。在充填體強度達到設(shè)計要求后，頂板的最大主應(yīng)力降低至[X]MPa，兩幫的應(yīng)力集中系數(shù)也明顯下降，這表明充填體在控制地壓方面發(fā)揮了重要作用，有效降低了采空區(qū)圍巖因應(yīng)力集中而發(fā)生破壞的風(fēng)險。位移變化情況是評估充填法開采效果的另一個重要指標(biāo)。模擬結(jié)果顯示，在未進行充填時，采空區(qū)頂板的下沉量隨著開采的進行不斷增大，在采場回采結(jié)束后，頂板最大下沉量可達[X]mm，兩幫的收斂變形也較為明顯，最大收斂量達到[X]mm。而采用充填法開采后，充填體對頂板和兩幫起到了有效的支撐作用，頂板下沉量和兩幫收斂變形得到了顯著控制。在充填體達到穩(wěn)定狀態(tài)后，頂板最大下沉量減小至[X]mm，兩幫最大收斂量降低至[X]mm，這說明充填法能夠有效限制采空區(qū)圍巖的變形，保障采場的穩(wěn)定性。塑性區(qū)分布結(jié)果直觀地反映了采空區(qū)圍巖的破壞情況。在模擬過程中，未充填時，采空區(qū)頂板和兩幫出現(xiàn)了較大范圍的塑性區(qū)，頂板的塑性區(qū)范圍向上延伸至[X]m，兩幫的塑性區(qū)深度達到[X]m，這表明圍巖在采動影響下已經(jīng)發(fā)生了一定程度的破壞。采用充填法后，塑性區(qū)范圍明顯縮小。充填體的存在抑制了圍巖的塑性變形發(fā)展，頂板塑性區(qū)向上延伸范圍減小至[X]m，兩幫塑性區(qū)深度降低至[X]m，說明充填體能夠有效增強采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，減少圍巖的破壞。地表沉降是衡量充填法開采對地表影響的關(guān)鍵指標(biāo)。模擬結(jié)果表明，在不采用充填法開采時，隨著開采深度的增加和采空區(qū)的擴大，地表沉降逐漸增大，在開采至一定深度后，地表最大沉降量可達[X]mm，可能對地表建筑物、道路和生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。而采用充填法開采后，地表沉降得到了有效控制，地表最大沉降量減小至[X]mm，這說明充填法能夠有效減少因地下開采導(dǎo)致的地表沉降，保護地表環(huán)境和建筑物的安全。綜合應(yīng)力分布、位移變化、塑性區(qū)分布和地表沉降等模擬結(jié)果，可以得出結(jié)論：在中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)采用充填法開采是可行且有效的。充填體能夠有效控制地壓，限制采空區(qū)圍巖的變形和破壞，減少地表沉降，保障采礦作業(yè)的安全進行。通過數(shù)值模擬分析，也為進一步優(yōu)化充填法開采方案提供了方向，如根據(jù)模擬結(jié)果，可以進一步調(diào)整充填體的強度和剛度，優(yōu)化充填工藝，以更好地適應(yīng)礦山的地質(zhì)條件和開采要求，提高充填法開采的效果和經(jīng)濟效益。七、充填法開采的現(xiàn)場應(yīng)用與效果評估7.1現(xiàn)場應(yīng)用情況在中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)，充填法開采的現(xiàn)場應(yīng)用工作嚴格按照既定方案有序推進。采場布置依據(jù)礦體的賦存條件和開采技術(shù)條件進行精心設(shè)計，以確保開采的高效性和安全性。采場沿礦體走向布置，礦房長度設(shè)定為[X]m，寬度為[X]m，高度根據(jù)礦體厚度確定，一般在[X]m左右。為了便于礦石的回采和運輸，在采場底部設(shè)置了平底結(jié)構(gòu)，同時布置了出礦溜井和運輸巷道。出礦溜井采用鋼板制作，直徑為[X]m，其作用是將采場內(nèi)的礦石順利輸送至運輸巷道，再通過運輸設(shè)備將礦石運出采區(qū)。在采場的上下盤分別掘進了人行通風(fēng)天井和充填天井。人行通風(fēng)天井主要用于作業(yè)人員的通行和通風(fēng)，其斷面尺寸為[X]m×[X]m，內(nèi)部設(shè)置了人行梯子和通風(fēng)管道，確保作業(yè)人員能夠安全便捷地進出采場，同時保證采場內(nèi)有充足的新鮮風(fēng)流。充填天井則專門用于充填料的輸送，其斷面尺寸為[X]m×[X]m，通過管道與地面充填站相連，將制備好的充填料輸送至采場。充填作業(yè)是充填法開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場嚴格按照設(shè)計的充填工藝進行操作。充填料由尾砂、水泥和水按一定比例混合而成，在地面充填站經(jīng)過攪拌均勻后，通過管道輸送至井下采場。在充填前，首先對采場進行清理，確保采場內(nèi)無雜物和積水，以保證充填質(zhì)量。在充填過程中，密切關(guān)注充填料的輸送情況，控制好充填速度和流量，防止出現(xiàn)堵管和跑漿等問題。為了確保充填體的密實度，采用分層充填的方式，每層充填厚度控制在[X]m左右，每完成一層充填后，使用振搗設(shè)備對充填體進行振搗，使充填料更加密實。在充填體達到一定強度后，進行下一層的回采和充填作業(yè)。為了保證充填體與圍巖的緊密結(jié)合，在充填前，在圍巖表面噴灑一層粘結(jié)劑，增強充填體與圍巖之間的摩擦力和粘結(jié)力。在整個充填作業(yè)過程中，安排專人對充填設(shè)備和管道進行維護和檢查，及時發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備故障和管道堵塞等問題，確保充填作業(yè)的順利進行。7.2應(yīng)用效果評估通過對中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采的現(xiàn)場應(yīng)用情況進行持續(xù)監(jiān)測和分析，從資源回收率、安全狀況、經(jīng)濟效益等多個維度對其應(yīng)用效果進行了全面評估。在資源回收率方面，充填法的應(yīng)用取得了顯著成效。采用充填法開采后，通過對采空區(qū)的有效充填，為礦柱回采提供了穩(wěn)定的支撐條件，減少了礦石的損失。經(jīng)過統(tǒng)計分析，礦石回收率相比之前采用的淺孔留礦法和分段空場法有了大幅提升，從原來的[X]%提高到了[X]%。在某采場，采用充填法開采后，礦柱中的礦石得以安全回采，礦石回收率提高了[X]個百分點，有效地延長了礦山的服務(wù)年限，提高了資源的利用效率。安全狀況得到了極大改善。充填體對采空區(qū)頂板和圍巖起到了良好的支撐作用，有效控制了地壓，減少了頂板垮落、片幫等安全事故的發(fā)生概率。通過對采場變形的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采用充填法后，采場頂板的下沉量和兩幫的收斂變形得到了顯著控制，頂板最大下沉量從之前的[X]mm降低到了[X]mm，兩幫最大收斂量從[X]mm減小至[X]mm。這使得作業(yè)人員的工作環(huán)境更加安全，為礦山的安全生產(chǎn)提供了有力保障，降低了安全事故帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡風(fēng)險。經(jīng)濟效益方面，雖然充填法開采在初期的設(shè)備購置、充填材料采購等方面投入較大，但從長期來看，其帶來的綜合經(jīng)濟效益十分顯著。由于礦石回收率的提高，礦山的礦石產(chǎn)量增加，銷售收入相應(yīng)增長。據(jù)估算，采用充填法開采后，每年的礦石銷售收入增加了[X]萬元。充填法減少了廢石和尾礦的排放，降低了尾礦庫建設(shè)和維護成本，以及廢石處理成本，每年可節(jié)約成本[X]萬元。雖然充填成本每年增加了[X]萬元，但綜合考慮礦石銷售收入的增加和其他成本的節(jié)約，礦山每年的凈利潤仍增加了[X]萬元，經(jīng)濟效益得到了明顯提升。充填法開采還帶來了良好的環(huán)境效益。減少了廢石和尾礦的排放，降低了對土地資源的占用和對環(huán)境的污染。采空區(qū)的有效充填減少了地表塌陷和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險，保護了礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境，符合當(dāng)前綠色礦山建設(shè)的要求，提升了礦山的社會形象和可持續(xù)發(fā)展能力。中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采在資源回收率、安全狀況、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益等方面都取得了良好的應(yīng)用效果，證明了充填法在該礦區(qū)開采中的可行性和優(yōu)越性，為礦山的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。7.3存在問題與改進措施在中鋼錫林浩特螢石礦二采區(qū)充填法開采的實際應(yīng)用過程中，雖然取得了顯著的成效，但也暴露出一些亟待解決的問題，需要針對性地提出改進措施，以進一步提升充填法開采的效果和經(jīng)濟效益。充填材料成本較高是一個突出問