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摘要：传统采矿模式下，矿产资源开发过程中产生的废石、尾砂和冶炼渣等占我国工业固体废料排放量的85%左右。大量矿山固体废料堆放地表易造成严重污染，诱发泥石流、尾矿溃坝事故。根据现代采矿理念，固体废料充填工艺是解决矿山废尾排放的最有效途径，是绿色采矿的主体支撑技术。充填采矿技术具有消除采动引起的地表下沉和改善采矿应力环境功能，具有低贫损开采、提高资源综合利用率功能和“采富保贫”远景资源保护功能，具有降低废石尾砂等固体废料排放、甚至根本消除采矿末端处理达到无废开采的功能，具有适应各种复杂难采矿床开采的功能。
关键词：现代采矿理念 充填采矿技术 绿色环保
中图分类号：C35文献标识码： A
一、现代采矿理念
在20世纪人类思想变革中，作为一种全新的发展观，可持续发展是划时代的根本性变革，包括生态可持续、经济可持续和社会可持续，其中生态可持续发展是我国可持续发展的前提和基础，经济可持续是我国可持续发展的核心，社会可持续是我国可持续发展的目标，生态可持续是从生态环境的有限条件出发，在环境资源和环境容量两方面采取合理的措施以维护和促进生态系统发挥正常功能的过程。实现生态可持续，要求人们利用高新技术广泛开展资源高效利用以及强化资源循环利用。目前清洁生产已成为产业界可持续发展的重要战略举措，而且将绿色采矿模式应用到了其中，它是科学发展观在矿山企业的具体体现。实行绿色采矿就要求矿山企业将矿区资源利用、人文环境、生态环境、经济因素联系起来构成有机的工业系统。
二、传统采矿理念及其后果
传统采矿理念认为采矿是矿产资源开发利用的前端工序。矿区生态恢复和环境治理是末端工序。在矿床开采过程中，人们通常注重于矿床开采的经济活动，较少结合开采过程考虑矿床开采对自然环境的严重负而影响。往往在矿区出现严重的生态破坏和环境污染甚至存在重大危险源的情况下再进行末端治理，较少按照矿产资源开发与生态环境相协调的理念，将矿床开采的各工序作为一个系统从源头解决开采与环保问题。
显而易见，传统采矿理念的核心缺陷是矿床开采(前端)与环境治理(末端)的不协调，分割处理，治标不治本。于是，多年来的开发造成大量土地受到破坏、大量固体废料堆放地表、井下存在大量采空区等给自然生态与社会经济生活带来负而影响的系列问题(图1)，已成目前履待解决的重大课题，主要包括以下几个方面：
图1矿床开发与废料产出、采空区形成关系示意图
1、资源浪费与资源不足
我国现已发现171种矿产资源，查明资源储量的有158种;有矿产地18000处，其中大中型矿产地7000余处。资料显示，我国优势矿产的查明资源利用程度高于短缺矿产，资源利用程度与市场配置资源原则之间存在诸多矛盾与问题。因短期利益而对优势资源进行的超强度开发，导致部分优势矿产资源储量利用程度过高，后备资源严重不足，资源优势地位岌岌可危。现在世界矿业每年采掘出280亿t以上的矿岩，比地球上所有河流的浸蚀输送量还多，仅铜和其他有色金属冶炼每年释放的就达600万t之多。目前我国矿山开发的总规模居世界第3位，年采掘量超过50亿t。目前我国已有全民矿山企业约8500个，矿山生产总值超过6500多亿元，约占全国工业总产值的7 %，其中有色、黑色、煤炭等固体矿产原料占据主要比重。我国90%以上的能源、75 %~80%的工业原料均来自矿物原料，矿业及矿产品加工业产值占全国GDP的30%以上，支持了70%以上国民经济各部门的运转，以矿产资源作为原料的相关产业产值也占到国民生产总值的1/31/2。近年来，矿产品及有关原材料进出口额占外贸进出口额的比例达到了25%以上。再以有色金属工业为例。在我国现有的124个产业中，有113个产业使用有色金属，铜、铝、锌等主要有色金属矿产资源的消费水平与GDP的线性相关系数均超过了0.9 ，其生产量与GDP的线性相关系数也均超过了0.9。
在己查明的有色金属矿产资源储量中，可供利用的储量占总资源利用的比例不到30 %。我国有色金属矿石量的年缺口达500万t以上，到2010年，主要依靠进口的有色金属矿产有铜、钻、铂等，需要长期进口补缺的有色金属矿产有铝、锌、镍、金、银等。从资源的角度来看，我国不少矿产资源企业都是在20世纪五六十年代就建立起来的，经过几十年的开采，近2/3的矿山已进入中晚期，而不少企业由于缺乏资金以及技术装备水平落后，使得生产勘探和矿山深部找矿受到严重限制。也严重制约了矿产资源企业的发展。据统计，由于资源枯竭，已有110座矿山闭坑，还有440座矿山而临闭坑的危险。以有色矿业为例，到目前為止，经国家批准关闭的有色矿山已近百座。预计到2020年则仅有约20 %能维持。
2、开采区地表塌陷造成的破坏
矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的采矿生态环境问题。采矿业破坏的土地面积达1.4~2.0万km2，并以每年200 km2的速度增加。据对1173家国有大中型矿山调查，地下开采占68.89 % ，塌陷区占地面积为84201 hm2，占我国矿山开发破坏土地面积的39.57 %。发生采矿塌陷灾害的城市30多个。据初步统计。目前我国有近50个矿区出现严重地面沉陷现象。
(1)对地形地貌的破坏。采煤沉陷使地表变形，形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑，破坏了原有的地表形态，使地形地貌的稳定性下降。当沉降波及到地表后，地表就从原有的标高下沉，在采空区上方形成一个比采空区而积更大的洼地，一般称为地表移动盆地。这种洼地的出现，破坏了土地的原有形态，轻者地表起伏不平，给耕种和灌溉造成困难，重者地表下沉到潜水而以下，引起地面长期积水，无法耕种，从而使土地质量降低或完全丧失使用价值。大量地表裂缝破坏了土地、岩体的连续性，给土地耕种带来了困难。并且水土流失也比较严重。同时也蕴育了大量潜在的重大地质灾害危险源。
(2)对土地资源的破坏。采空塌陷造成地表变形，严重地影响了土地的自然形态，破坏了土地的营养成分，使土地在物理性状上呈现为沼泽地或干旱地，在化学性质上表现为土壤酸化或营养物流失，从而使士地质量降低或完全丧失使用价值。
(3)对水资源破坏。传统采煤过程中进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源，导致地下水源干枯。采空区沉降使地面河道、水渠、池塘、机井等变形或干枯，使矿区居民饮水困难。
三、现代采矿理念与充填采矿
基于可持续发展观，本世纪初钱鸣高院士及其研究团队提出了煤炭绿色开采的理念并构建了绿色开采技术框架。绿色开采模式是针对煤炭开采造成的严重环境问题提出的，它是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、地下水、土地、矸石等一切可以利用的资源。绿色开采的内涵是减少采煤对环境的破坏，为此就要形成一种使资源与环境相互协调的开采技术，其基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响，目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。构建的绿色开采技术框架包括保水开采、减沉开采、煤与煤层气(瓦斯)共采、研石减排、煤炭地下气化等(见图2)
图2煤矿绿色开采技术框架
1、綠色采矿模式与充填技术
根据绿色采矿的基本内涵，不难发现，现时期下符合科学发展观的绿色采矿应基本满足资源综合利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。勿庸置疑，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。充填采矿技术具有消除采动引起的地表下沉和改善采矿应力环境功能，具有低贫损开采、提高资源综合利用率功能和“采富保贫”远景资源保护功能，具有降低废石尾砂等固体废料排放、甚至根本消除采矿末端处理达到无废开采的功能，具有适应各种复杂难采矿床开采的功能。
2、充填采矿技术的降排功能
目前，充填采矿方法将得到越来越多的应用，促使充填工艺技术进步速度加快。实际上，充填采矿的作用和意义已经远远超出了矿山开采的范畴。因为利用工业废料大量深埋地下改善环境保护，以及矿产资源充分、合理的综合利用，也是我国国民经济可持续发展战略的基本要求。建立“无废矿山”，实现“绿色矿业”是完全可以做到的。在世界上已经出现了少数典型的无废料排弃的矿山。
我国南京栖霞山铅锌银矿这样的风景名胜区等。勿庸置疑，这类矿山开采的首先条件是能否将大量工业固体废物回填到地下(图3)。大量处理工业固体废料将是矿山今后设计优先考虑的重要任务，是解决矿区环境污染问题的最好方法。
图3充填采矿与降排示意图
3、充填采矿技术的消除地表下沉与改善采矿应力环境功能
1)利用充填技术快速、有效地充填采空区，可以及时支撑采空区围岩，阻止和抵抗围岩进一步变形，防止大幅度的位移发生。
2)充填体可以明显改善采空区周围二次应力分布状况，提高矿柱围岩自身的稳固性。
3)通过充填可以快速形成新的工作面，为后续作业创造条件，缩短采充循环周期，实现强化开采，提高采矿综合生产能力。
4)充填体可以减缓地压能量的释放速度，避免或减轻深部冲击地压的发生。
5)充填采矿技术可以有效地阻止岩层发生大规模移动，实现水体下、建筑物下采矿，同时保护了地表不遭破坏，维持原有的生态环境。
4、充填采矿的研究方向
综前所述，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。基于现时期下充填工艺技术的应用与研究现状，尾砂与废石仍然是矿山充填的主体骨料，而且尾砂排放量更大。因此，矿山应着力研究并推广尾矿干排技术。重点研究尾矿高效回填采空区大规模工程化过程中尾矿低成本浓缩技术、尾矿高浓度大泵量井下输送技术、采空区快速充填关键技术和井下充填污染控制技术。须攻克选矿尾矿不入库、连续回填采空区技术及尾矿高效回填采空区成套装备及自动控制技术。因地制宜推广现有全尾砂胶结充填采矿技术。研究开发尾矿胶结充填用低成本高效新型胶凝材料大规模生产技术、尾砂膏体一似膏体胶结充填料高效制备技术、充填料大泵量高效输送技术。须研究解决复杂采空区高效密闭技术、尾矿胶结充填料在采空区快速充填及快速固化技术。
参考文献:
[1]周爱民.矿山废料胶结充填[M]北京:冶金工业出版礼，2007:1-20。
[2]黄铭洪.环境污染与生态修复[M]比京:科学出版社，2004
关键词：现代采矿理念 充填采矿技术 绿色环保
中图分类号：C35文献标识码： A
一、现代采矿理念
在20世纪人类思想变革中，作为一种全新的发展观，可持续发展是划时代的根本性变革，包括生态可持续、经济可持续和社会可持续，其中生态可持续发展是我国可持续发展的前提和基础，经济可持续是我国可持续发展的核心，社会可持续是我国可持续发展的目标，生态可持续是从生态环境的有限条件出发，在环境资源和环境容量两方面采取合理的措施以维护和促进生态系统发挥正常功能的过程。实现生态可持续，要求人们利用高新技术广泛开展资源高效利用以及强化资源循环利用。目前清洁生产已成为产业界可持续发展的重要战略举措，而且将绿色采矿模式应用到了其中，它是科学发展观在矿山企业的具体体现。实行绿色采矿就要求矿山企业将矿区资源利用、人文环境、生态环境、经济因素联系起来构成有机的工业系统。
二、传统采矿理念及其后果
传统采矿理念认为采矿是矿产资源开发利用的前端工序。矿区生态恢复和环境治理是末端工序。在矿床开采过程中，人们通常注重于矿床开采的经济活动，较少结合开采过程考虑矿床开采对自然环境的严重负而影响。往往在矿区出现严重的生态破坏和环境污染甚至存在重大危险源的情况下再进行末端治理，较少按照矿产资源开发与生态环境相协调的理念，将矿床开采的各工序作为一个系统从源头解决开采与环保问题。
显而易见，传统采矿理念的核心缺陷是矿床开采(前端)与环境治理(末端)的不协调，分割处理，治标不治本。于是，多年来的开发造成大量土地受到破坏、大量固体废料堆放地表、井下存在大量采空区等给自然生态与社会经济生活带来负而影响的系列问题(图1)，已成目前履待解决的重大课题，主要包括以下几个方面：
图1矿床开发与废料产出、采空区形成关系示意图
1、资源浪费与资源不足
我国现已发现171种矿产资源，查明资源储量的有158种;有矿产地18000处，其中大中型矿产地7000余处。资料显示，我国优势矿产的查明资源利用程度高于短缺矿产，资源利用程度与市场配置资源原则之间存在诸多矛盾与问题。因短期利益而对优势资源进行的超强度开发，导致部分优势矿产资源储量利用程度过高，后备资源严重不足，资源优势地位岌岌可危。现在世界矿业每年采掘出280亿t以上的矿岩，比地球上所有河流的浸蚀输送量还多，仅铜和其他有色金属冶炼每年释放的就达600万t之多。目前我国矿山开发的总规模居世界第3位，年采掘量超过50亿t。目前我国已有全民矿山企业约8500个，矿山生产总值超过6500多亿元，约占全国工业总产值的7 %，其中有色、黑色、煤炭等固体矿产原料占据主要比重。我国90%以上的能源、75 %~80%的工业原料均来自矿物原料，矿业及矿产品加工业产值占全国GDP的30%以上，支持了70%以上国民经济各部门的运转，以矿产资源作为原料的相关产业产值也占到国民生产总值的1/31/2。近年来，矿产品及有关原材料进出口额占外贸进出口额的比例达到了25%以上。再以有色金属工业为例。在我国现有的124个产业中，有113个产业使用有色金属，铜、铝、锌等主要有色金属矿产资源的消费水平与GDP的线性相关系数均超过了0.9 ，其生产量与GDP的线性相关系数也均超过了0.9。
在己查明的有色金属矿产资源储量中，可供利用的储量占总资源利用的比例不到30 %。我国有色金属矿石量的年缺口达500万t以上，到2010年，主要依靠进口的有色金属矿产有铜、钻、铂等，需要长期进口补缺的有色金属矿产有铝、锌、镍、金、银等。从资源的角度来看，我国不少矿产资源企业都是在20世纪五六十年代就建立起来的，经过几十年的开采，近2/3的矿山已进入中晚期，而不少企业由于缺乏资金以及技术装备水平落后，使得生产勘探和矿山深部找矿受到严重限制。也严重制约了矿产资源企业的发展。据统计，由于资源枯竭，已有110座矿山闭坑，还有440座矿山而临闭坑的危险。以有色矿业为例，到目前為止，经国家批准关闭的有色矿山已近百座。预计到2020年则仅有约20 %能维持。
2、开采区地表塌陷造成的破坏
矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的采矿生态环境问题。采矿业破坏的土地面积达1.4~2.0万km2，并以每年200 km2的速度增加。据对1173家国有大中型矿山调查，地下开采占68.89 % ，塌陷区占地面积为84201 hm2，占我国矿山开发破坏土地面积的39.57 %。发生采矿塌陷灾害的城市30多个。据初步统计。目前我国有近50个矿区出现严重地面沉陷现象。
(1)对地形地貌的破坏。采煤沉陷使地表变形，形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑，破坏了原有的地表形态，使地形地貌的稳定性下降。当沉降波及到地表后，地表就从原有的标高下沉，在采空区上方形成一个比采空区而积更大的洼地，一般称为地表移动盆地。这种洼地的出现，破坏了土地的原有形态，轻者地表起伏不平，给耕种和灌溉造成困难，重者地表下沉到潜水而以下，引起地面长期积水，无法耕种，从而使土地质量降低或完全丧失使用价值。大量地表裂缝破坏了土地、岩体的连续性，给土地耕种带来了困难。并且水土流失也比较严重。同时也蕴育了大量潜在的重大地质灾害危险源。
(2)对土地资源的破坏。采空塌陷造成地表变形，严重地影响了土地的自然形态，破坏了土地的营养成分，使土地在物理性状上呈现为沼泽地或干旱地，在化学性质上表现为土壤酸化或营养物流失，从而使士地质量降低或完全丧失使用价值。
(3)对水资源破坏。传统采煤过程中进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源，导致地下水源干枯。采空区沉降使地面河道、水渠、池塘、机井等变形或干枯，使矿区居民饮水困难。
三、现代采矿理念与充填采矿
基于可持续发展观，本世纪初钱鸣高院士及其研究团队提出了煤炭绿色开采的理念并构建了绿色开采技术框架。绿色开采模式是针对煤炭开采造成的严重环境问题提出的，它是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、地下水、土地、矸石等一切可以利用的资源。绿色开采的内涵是减少采煤对环境的破坏，为此就要形成一种使资源与环境相互协调的开采技术，其基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响，目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。构建的绿色开采技术框架包括保水开采、减沉开采、煤与煤层气(瓦斯)共采、研石减排、煤炭地下气化等(见图2)
图2煤矿绿色开采技术框架
1、綠色采矿模式与充填技术
根据绿色采矿的基本内涵，不难发现，现时期下符合科学发展观的绿色采矿应基本满足资源综合利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。勿庸置疑，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。充填采矿技术具有消除采动引起的地表下沉和改善采矿应力环境功能，具有低贫损开采、提高资源综合利用率功能和“采富保贫”远景资源保护功能，具有降低废石尾砂等固体废料排放、甚至根本消除采矿末端处理达到无废开采的功能，具有适应各种复杂难采矿床开采的功能。
2、充填采矿技术的降排功能
目前，充填采矿方法将得到越来越多的应用，促使充填工艺技术进步速度加快。实际上，充填采矿的作用和意义已经远远超出了矿山开采的范畴。因为利用工业废料大量深埋地下改善环境保护，以及矿产资源充分、合理的综合利用，也是我国国民经济可持续发展战略的基本要求。建立“无废矿山”，实现“绿色矿业”是完全可以做到的。在世界上已经出现了少数典型的无废料排弃的矿山。
我国南京栖霞山铅锌银矿这样的风景名胜区等。勿庸置疑，这类矿山开采的首先条件是能否将大量工业固体废物回填到地下(图3)。大量处理工业固体废料将是矿山今后设计优先考虑的重要任务，是解决矿区环境污染问题的最好方法。
图3充填采矿与降排示意图
3、充填采矿技术的消除地表下沉与改善采矿应力环境功能
1)利用充填技术快速、有效地充填采空区，可以及时支撑采空区围岩，阻止和抵抗围岩进一步变形，防止大幅度的位移发生。
2)充填体可以明显改善采空区周围二次应力分布状况，提高矿柱围岩自身的稳固性。
3)通过充填可以快速形成新的工作面，为后续作业创造条件，缩短采充循环周期，实现强化开采，提高采矿综合生产能力。
4)充填体可以减缓地压能量的释放速度，避免或减轻深部冲击地压的发生。
5)充填采矿技术可以有效地阻止岩层发生大规模移动，实现水体下、建筑物下采矿，同时保护了地表不遭破坏，维持原有的生态环境。
4、充填采矿的研究方向
综前所述，矿山固体废料充填采矿工艺是绿色采矿的主体支撑技术。基于现时期下充填工艺技术的应用与研究现状，尾砂与废石仍然是矿山充填的主体骨料，而且尾砂排放量更大。因此，矿山应着力研究并推广尾矿干排技术。重点研究尾矿高效回填采空区大规模工程化过程中尾矿低成本浓缩技术、尾矿高浓度大泵量井下输送技术、采空区快速充填关键技术和井下充填污染控制技术。须攻克选矿尾矿不入库、连续回填采空区技术及尾矿高效回填采空区成套装备及自动控制技术。因地制宜推广现有全尾砂胶结充填采矿技术。研究开发尾矿胶结充填用低成本高效新型胶凝材料大规模生产技术、尾砂膏体一似膏体胶结充填料高效制备技术、充填料大泵量高效输送技术。须研究解决复杂采空区高效密闭技术、尾矿胶结充填料在采空区快速充填及快速固化技术。
参考文献:
[1]周爱民.矿山废料胶结充填[M]北京:冶金工业出版礼，2007:1-20。
[2]黄铭洪.环境污染与生态修复[M]比京:科学出版社，2004