无底柱分段胶结充填采矿方法
【专利摘要】本发明公开了一种无底柱分段胶结充填采矿方法，它通过采用以分段为回采单元、上下分段交错布置回采进路、分段回采菱形分间、步距为基本回采单元、上向扇形中深孔落矿、多排孔微差爆破、空场条件下出矿、采后及时胶结充填以及采用可循环使用的菱形气垫充填隔墙预留爆破补偿空间及爆破自由面等，用以解决现行下向分层水平进路胶结充填采矿法在急倾斜厚大矿体条件下存在的生产工艺复杂冗长、采矿效率低以及采矿成本高等一系列问题。
【专利说明】
无底柱分段胶结充填采矿方法
技术领域
[0001]本发明涉及地下矿山采矿方法，属以利用新的回采方法及工艺实现提高矿山采矿效率、降低采矿成本的工程技术领域。
【背景技术】
[0002]下向分层水平进路胶结充填采矿法是一种用于急倾斜厚大矿体条件、地表不允许崩落且矿石价值较高的地下矿山开采方法，也是我国最大镍铜金属资源开发基地金川矿区的主力采矿方法。但是，这种采矿方法却存在以下突出缺点:(I)采矿工艺复杂，冗长；(2)进路回采、浅孔落矿生产效率低；(3)胶结充填体密实度低，充填接顶效果差，地表及采场巷道沉降变形大；(4)采场巷道地压大，支护困难;(5)采矿成本高。
[0003]据了解，下向分层水平进路胶结充填法一次崩落矿量仅为150_200t左右，铲运机等大型设备效率难以发挥;而回采几乎等同于掘进，不仅采切工程量大，采矿直接成本是分段开采工艺一倍以上；同时，由于存在充填密实度不高以及充填不接顶等问题，控制地压效果欠佳并导致采场巷道支护成本大幅度增加。
[0004]目前，国内外市场上镍、铜等高价值金属价格大幅度下滑，已经远低于生产成本，加上矿石品位持续下降等因素，企业面临巨大的生存压力。因此，极有必要针对下向分层水平进路胶结充填采矿法存在的生产工艺复杂、采矿成本高、生产效率低等突出问题，在保证采矿生产安全前提下，寻求更加高效和经济的解决方案，显著简化生产工艺，提高采矿生产效率，降低成矿成本，提高矿山开采的技术经济效益以及企业在国内外市场的竞争能力和生存能力。
【发明内容】
[0005]发明目的:为解决下向分层水平进路胶结充填采矿法存在的生产工艺复杂、采矿成本高、生产效率低等突出问题，在保证采矿生产安全前提下，寻求一种更加高效和经济的解决方案，简化生产工艺，提高采矿生产效率，降低成矿成本，提高矿山开采的技术经济效益以及企业的市场竞争能力和生存能力。
[0006]技术方案:无底柱分段崩落法具有采矿方法结构简单、生产能力大、效率高、作业安全以及采矿成本低等突出优点，但存在损失贫化较大以及地表需要被崩落等缺点；而下向分层水平进路胶结充填法则具有损失贫化小、作业安全且能严格控制岩层大规模移动、防止地表塌陷等优点，但同时具有生产工艺复杂冗长、采矿效率低以及采矿成本高等突出缺点。
[0007]结合急倾斜厚大矿体、地表不允许崩落以及矿石价值较高的开采条件，本发明提出了一种新的采矿方法即无底柱分段胶结充填采矿法，其主要技术特征是:上下分段交错布置回采进路、菱形回采分间、步距为基本回采单元、上向扇形中深孔崩落矿石、可循环使用的菱形气垫充填隔墙预留爆破自由面及补偿空间、多排孔微差爆破、空场条件下出矿、采空区及时胶结充填等。同时，所有的采矿、充填以及支护作业均在回采进路中完成。无底柱分段胶结充填法详细技术方案描述如下:
[0008](一)无底柱分段胶结充填法采矿方法结构与采准布置
[0009]垂直矿体走向布置回采进路，下向分段回采;上下分段回采进路严格按照菱形交错布置，形成菱形回采分间，垂直上向扇形中深孔落矿；下盘布置溜矿井及通风井，必要时布置专门废石溜井;分段联络采用斜坡道，分段回采及充填联络巷道一般布置在下盘脉外；采矿方法结构及采准布置见说明书附图。
[0010]采准巷道支护:采准巷道视矿岩体稳固性不同采取不同的支护方式:矿岩稳固性较好的情况可不支护或简单支护如素喷混泥土;矿岩稳固性一般的情况采用锚喷支护，局部破碎地带采用锚喷网支护;极端破碎地段考虑采用钢棚架加金属网支护;可考虑锚杆台车进行安装锚杆及铺设金属网作业。若矿体特别破碎，为确保凿岩及爆破质量，巷道支护过程中可采用“预注楽”工艺。
[0011](二)主要结构参数
[0012]考虑到矿山从传统浅孔落矿转变为深孔落矿需要有一个适应过程，同时考虑目前凿岩及切割技术的能力与水平，初期无底柱分段胶结充填法主要结构参数为:阶段高度:120-150m;矿块长度(溜井间距):150-200m;分段高度:10-12m;进路间距:10-12m;崩矿步距:3.6-6m，一次崩2-3排，排距I.8-2.0m;回采进路尺寸(宽度X高度):(4.2-4.5m) X (3.8-4.0m);上向扇形中深孔落矿，边孔角按照上下分段回采巷道顶底角连线确定;若需要进一步提尚广能和效率，后期可进一步将分段尚度及进路间距加大到15m左右。
[0013](三)无底柱分段胶结充填法切割及回采方法
[0014](I)切割:切割的主要任务是在每个进路的端部形成切割立槽。通常可采用切割天井+扇形炮孔或切割平巷+楔形炮孔方式形成;此外，空孔一次成井(槽)法也可以考虑采用。切割槽的形状与菱形分间一致，高度约为20m左右。
[0015](2)回采:主要包括凿岩、爆破、通风、出矿及二次破碎等。
[0016]凿岩:可考虑全液压深孔凿岩台车进行凿岩作业。
[0017]装药:粉状乳化炸药，可采用进口或国产装药台车机械化装药；
[0018]爆破:一次2-3排炮孔，上向扇形中深孔微差爆破，塑料导爆管起爆;爆破补偿空间采用厚度约2m的可循环使用菱形充气垫在充填过程中予以保持。
[0019]通风:爆破后的通风仍属于独头通风，可采取压入式或压抽结合的混合式通风，但出矿及充填等部分生产工序可实现部分或全部贯穿风流通风。
[0020]出矿:空场条件下出矿，可考虑采用4_6m3电动或柴油铲运机出矿。
[0021]二次破碎与撬毛:机械化处理，可考虑移动式液压锤或撬毛台车等。
[0022](3)胶结充填:每一步距回采出矿结束后，利用矿山胶结充填系统从上部分段(充填水平)充填体中保留下来的回采进路进行下向重力胶结充填作业，在充填菱形崩矿分间的同时，将充填水平已完成充填作业的回采进路段进行接顶充填;同时，充填时须利用可循环使用的菱形充气垫作为充填隔墙，限制充填料的形状及范围并保留下步距的爆破补偿空间。但是，出矿水平的回采进路仍需要在充填体中支模板予以保留，以便作为下分段的充填巷道。
[0023]下向重力充填以及更大尺寸的菱形充填体较矿山现在的矩形或六边形巷道形成的充填体具有更高的充填致密性和更好的充填接顶效果。同时，考虑到回采巷道断面尺寸较小且在20m左右的实体矿石保护下作业，充填体的主要作用不再是保护回采作业的安全而是限制围边及地表的大规模变形与塌陷。因此，可以考虑取消下向分层水平进路胶结充填法原有的钢筋混凝土假顶且可同时考虑适当降低充填体强度，减少水泥使用比例，降低充填成本。
[0024]在大约经过24小时胶结充填体能够保持其直立形态后，可放出气垫中的空气并移除充填气垫，开始下一步距的回采及充填循环。
[0025]有益效果:无底柱分段胶结充填法同时具有无底柱分段崩落法采场结构特征、切割及回采落矿特征以及下向分层水平进路胶结充填法的回采出矿特征和地压管理特征，兼具无底柱分段崩落法和胶结充填法的共同优点。与矿山现在使用的下向分层水平进路胶结充填采矿法相比较，本发明提出的无底柱分段胶结充填法的有益效果主要是:①变分层进路回采(分层高度4-5m，进路循环进尺2-3m)为分段菱形分间回采(菱形分间高度约20m，循环进尺4-6m)，回采单元尺寸显著加大，一次崩落矿量从150-200t增加到1000-2000t以上，改变了 “回采基本等同于掘进”不利状况，回采效率及出矿设备效率成倍提高，采矿成本大幅度下降；②大结构参数的菱形采场结构，使得回采巷道的地压显著降低及采场结构的承载能力显著提高；同时，回采工作是在约20m左右的未崩落矿石层保护下进行，充填体不再是回采工作的主要安全保障，其主要作用是限制和控制地表及围岩的大规模移动与塌陷。因此，充填体的强度可以适当降低且原有的钢筋混凝土人工假顶工序可以取消，极大地简化了回采工艺，降低了充填成本;③下向重力充填以及更大尺寸的菱形充填体较矿山现在的矩形或六边形巷道形成的充填体具有更高的充填致密性和更好的充填接顶效果，因而胶结充填体控制地表及围岩移动及破坏的效果更好;④菱形分间有利于转移采场压力至下部未崩落实体矿体上，而呈菱形拱的充填体较下向分层水平进路胶结充填体具有更高的承载能力；同时，采场实际暴露面积从数百平方米降低到10m2左右，采场暴露时间从数月降低到数天;因而矿山生产的安全性得到显著提高;⑤独具匠心的可循环使用气垫充填隔墙，不仅提供质量最佳的爆破自由面及补偿空间，也使充填工作变得更为方便、快捷；同时，多排孔微差爆破，也有利于进一步改善爆破效果;此外，凿岩、出矿及充填等工序可在不同分段或不同进路中同时进行，增强了采矿生产的灵活性，同时还可实现全部或部分工序贯穿风流通风，矿山生产工作条件也得到一定改善;⑥与矩形分间的分段胶结充填法相比较，菱形分间无底柱分段胶结充填法的凿岩、出矿及充填等不会出现“死角”，可以减少因凿岩、爆破及出矿“死角”问题造成的矿石损失，基本消除了充填不接顶以及充填体不密实等问题。
【附图说明】
[0026]本发明可以通过附图加以进一步说明。说明书附图是本发明的一个实施例。图1是主视图；图2是侧视图；图3是俯视图；图4是气垫充填隔墙外形示意图。图中I为胶结充填体；2为回采进路;3为崩落矿石;4为扇形炮孔;5为充填管道;6为气垫充填隔墙;7为分段回采充填联络道，8为切割立槽;9为采空区；10为矿石溜井；11为分段斜坡道；12为废石溜井；13为分段联络道;14为通风井。
【具体实施方式】
[0027]本发明的一种实施方式是:
[0028]A、按照确定的分段高度(10-15m)在矿体下盘(或上盘)围岩中据矿体一定距离(通常为20m左右)布置一条分段回采巷充填联络巷道；自分段联络道按照确定的进路间距(10-15m)垂直矿体走向布置若干回采进路，同时确保上下分段回采进路严格按照交错布置原则进行并形成菱形回采分间结构;在布置分段回采充填联络道一侧的围岩中布置折返式斜坡道及分段联络道以建立各分段之间以及分段与回采进路之间的采场联系。回采巷道、分段联络巷道以及分段斜坡道等采准巷道的支护方式根据矿岩体的稳固性及服务年限确定；
[0029]B、沿矿体走向方向每隔150-200m距离布置一条矿石溜井用以将采场矿石下放到中段运输水平；同时，根据需要可在分段联络道布置联通各分段的专门废石溜井以及通风井，解决各分段废石运输及采场通风问题；
[0030]C、在分段回采进路的端部按照确定的切割方法(通常采用“切割天井+扇形炮孔”方式)开展切割工作，形成厚度约2m、大小及形态与回采菱形分间一致的切割立槽，为其后的上向扇形中深孔爆破提供爆破自由面及补偿空间。开始充填以后的爆破自由面及补偿空间则是通过可循环使用的气垫充填隔墙在充填体中进行预留；
[0031]D、利用凿岩台车在回采巷道中按照确定的崩矿排距(通常为1.8-2.0m)钻凿上向扇形中深孔，按照确定的孔底距布置并确定各扇形炮孔倾角及深度，边孔角由上下分段相邻回采巷道顶底角连线确定;采用乳化粉状炸药，装药台车或风动装药器装药;一次爆破2-3排炮孔，塑料导爆管微差爆破，崩矿步距3.6-6.0m;
[0032]E、爆破后采场通风采用压入式或压抽结合的混合式通风;在出矿后期及充填初期能够实现贯穿风流通风，即下部回采出矿巷道进风，上部充填巷道出风；
[0033]F、出矿采用4-6m3的电动或柴油铲运机，自崩落工作面装矿后通过分段联络道直接运输到附近矿石溜井进行卸矿，采出废石则卸入专门的废石溜井；
[0034]G、出矿结束后，利用现有胶结充填系统从上部分段(充填水平)充填体中保留下来的回采进路进行下向重力胶结充填作业，在充填菱形崩矿分间的同时，将充填水平已完成充填作业的回采进路段进行接顶充填；同时，出矿水平的回采进路仍需要在充填体中支模板予以保留，以便作为下分段的充填巷道。
[0035]需要注意的是，充填前须利用可循环使用的菱形气垫充填隔墙在回采巷道端部保留下一步距的爆破补偿空间及爆破自由面，同时限制和控制胶结充填体的形状及范围。待胶结充填体能够保持其形态不塌落(大约在24小时左右)时，可以拆除气垫充填隔墙并开始下一步距的回采及充填作业循环。
【主权项】
1.一种无底柱分段胶结充填采矿方法，其特征在于，它是采用上下分段交错布置回采进路、菱形回采分间结构、步距为基本回采单元、上向扇形中深孔崩落矿石、多排孔微差爆破、空场条件下出矿、采空区及时胶结充填以及可循环使用的菱形气垫充填隔墙预留爆破自由面及补偿空间来实现的。2.根据权利要求1所述的无底柱分段胶结充填采矿方法，其特征在于，它的具体实施步骤为: A、按照确定的分段高度在矿体下盘或上盘围岩中距矿体一定距离布置一条分段回采巷充填联络巷道；自分段回采充填联络道按照确定的进路间距为10-15m垂直矿体走向布置若干回采进路，确保上下分段回采进路严格按照交错布置原则进行并形成菱形回采分间；在布置分段回采充填联络道一侧围岩中布置折返式斜坡道及分段联络道以建立各分段之间以及分段与回采进路之间的采场联系， 回采巷道、分段联络巷道以及分段斜坡道等采准巷道支护方式根据矿岩体的稳固性及服务年限确定； B、沿矿体走向方向每隔150-200m距离布置一条矿石溜井用以将采场矿石下放到中段运输水平；同时，根据需要可在分段联络道布置联通各分段的专门废石溜井以及通风井，解决各分段废石运输及采场通风问题； C、在分段回采进路的端部按照确定的切割方法，通常采用“切割天井+扇形炮孔”方式开展切割工作，形成厚度约2m、大小及形态与回采菱形分间一致的切割立槽，为其后的爆破提供自由面及补偿空间， 开始充填以后的自由面及补偿空间则是通过可循环使用的气垫充填隔墙在充填体中进行预留； D、利用凿岩台车在回采巷道中按照确定的崩矿排距，通常为1.8-2.0m;钻凿上向扇形中深孔，按照确定的孔底距布置并确定各扇形炮孔倾角及深度，边孔角由上下分段相邻回采巷道顶底角连线确定;采用乳化粉状炸药，装药台车或风动装药器装药;一次爆破2-3排炮孔，塑料导爆管微差爆破，崩矿步距3.6-6.0m左右； E、爆破后采场通风采用压入式或压抽结合的混合式通风;在出矿后期及充填初期可实现贯穿风流通风，即下部回采出矿巷道进风，上部充填巷道出风； F、出矿采用4-6m3的电动或柴油铲运机，自崩落工作面装矿后通过分段联络道直接运输到附近矿石溜井进行卸矿，采出废石则卸入专门的废石溜井； G、出矿结束后，利用胶结充填系统从上部分段充填体中保留下来的回采进路进行下向重力胶结充填作业，在充填菱形崩矿分间的同时，将充填水平已完成充填作业的回采进路段进行接顶充填;同时，出矿水平回采进路仍需要在充填体中支模板予以保留，以便作为下分段充填巷道。
【文档编号】E21C41/16GK105909247SQ201610264170
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】张志贵, 钟敏, 赵周能, 陈星明, 苏华友
【申请人】西南科技大学