特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法与流程

本发明特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法，属于钾盐矿床开采技术领域，主要用于厚度30m以上特厚钾盐及类似条件盐类矿床的井工开采。

背景技术：

世界钾资源丰富，90%以上为海相盐类沉积矿床，少部分为含钾卤水，大约95%的钾盐被利用生产钾肥，5%的钾盐被用作化工原料。钾盐矿床类型主要有氯化钾品位一般为25%～35%的钾石盐矿（主要为氯化钾和氯化钠的混合物）和氯化钾品位一般为15%～20%的光卤石矿（主要为光卤石和氯化钠的混合物）。世界上主要钾肥生产国加拿大、俄罗斯等主要利用钾石盐矿生产钾肥，老挝和刚果的钾资源以光卤石矿为主、钾石盐次之。用钾石盐矿生产钾肥产生的尾矿为KCL产品3～5倍的氯化钠固体，用光卤石矿生产钾肥产生的尾矿为KCL产品2～3倍的氯化钠固体和4～8倍的氯化镁溶液。目前的钾盐矿床开采技术发展水平，加拿大、俄罗斯等国家的世界钾肥主要生产企业和中国在东南亚投资建设的钾肥生产企业绝大多数采用综掘机、连采机或全断面采钾机等设备开采矿石，巷道布置采用房式开采（留设条带状保护矿柱）或房柱式开采（留设网格状保护矿柱）布置方式，部分矿井进行采空区充填。由于采空区为近水平空间结构的特征，充填料浆难以有效接顶，采空区充填率大多维持在80%以下，因此主要依靠留设的条带状或网格状矿柱控制采空区围岩，且充填工艺系统复杂、充填难度大、充填成本高。目前的钾盐矿床开采技术本质上均属于固体矿床水平机械化房柱式采空区部分充填管理顶板的开采方法范畴，应用的矿体开采厚度最大维持在20m左右，若将其应用于厚度30m以上特厚钾盐矿床的开采，则存在以下主要缺陷：（1）由于充填体难以有效接顶，主要依靠留设的矿柱控制采空区围岩，因此需要留设大量的保护矿柱，资源回收率在20%～30%左右；（2）即使在保护矿柱的控制下，采空区围岩仍长期处于蠕变状态，因此特厚钾盐矿床水平分层、逐层开采数层矿体之后，采空区上部依然会形成垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带，钾盐矿极易溶于水的特点使得导水裂缝带波及到含水层或地表水后会直接威胁到钾盐矿的安全生产，地表的移动、变形会破坏原始的生态环境；（3）特厚钾盐矿床水平分层、逐层开采的回采布置方式，需要采空区具有很高的充填率、采空区充填体具有足够的强度，才可以保障回采过程安全并长期有效地控制围岩移动，防止采后地层蠕变威胁矿井生产安全和破坏生态环境；（4）为避免钾盐矿生产钾肥过程中产生的大量氯化钠固体和氯化镁溶液污染生态环境，必须将尾矿回填至采空区，才能实现资源的可持续稳定开采利用；（5）特厚钾盐矿床水平分层开采，在提高采矿能力的同时需保障采矿设备自身工作的稳定性，因此需要增加采矿设备的重量和功率，目前每台采矿设备的重量已增大到90～135t左右、功率已增大到515～795kW左右；（6）特厚钾盐矿床水平分层开采，矿石运输搭接转载和辅助运输环节多，生产系统复杂。因此目前的钾盐矿床水平机械化房柱式采空区部分充填管理顶板的开采方法，主要存在资源回收率低，围岩控制困难、安全可靠程度低，充填工艺系统复杂、充填成本高，采空区充填率低、尾矿污染生态环境、难以实现资源的可持续稳定开采利用，设备重量大、能耗高、落矿成本高，运输系统复杂、效率低、运输成本高等技术缺陷，难以实现厚度30m以上特厚钾盐矿床的安全、高效、低成本、绿色环保、可持续稳定开采利用。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种能够减少保护矿柱的留设、提高资源回收率，有效控制围岩、提高安全可靠程度，简化充填工艺系统、降低充填成本，提高采空区充填率、全部回填尾矿、实现资源的可持续稳定开采利用，减少设备重量和功率、简化运输系统、降低采矿成本，开创性的实现厚度30m以上特厚钾盐矿床的安全、高效、低成本、绿色环保和可持续稳定开采利用的特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法，按照下述步骤进行：

第一步，根据厚度30m以上特厚钾盐矿床的赋存条件，在分析矿体及围岩力学特征、合理确定开采技术参数的基础上，确定特厚钾盐矿床的一次开采厚度，在矿体上部和下部分别布置开采巷道；

第二步，根据矿体力学特征分析计算结果，按一定的间距布置竖向采柱并确定每个竖向采柱的直径，每个竖向采柱预先采用钻进设备自上而下，或自下而上施工多个竖直的满足溜矿和设备运行要求的溜矿孔，所述溜矿孔贯通上部开采巷道和下部开采巷道，在下部开采巷道中布置矿石运输系统，矿石运输系统位于溜矿孔下方；

第三步，溜矿孔施工完成之后，在上部开采巷道内，采用采矿机械沿布置好的竖向采柱开采矿体，采落的矿石沿所述溜矿孔依靠自身重量自溜连续运输至下部开采巷道，经矿石运输系统运至地面，采矿机械循环采矿，将上部开采巷道和下部开采巷道之间除保护矿柱外的矿体开采完；

第四步，根据采动围岩控制和地面生态环境保护要求，确定是否进行采空区充填；进行采空区充填时，在竖向采柱逐个采空之后，根据采空结构力学特征和采矿、充填生产工艺安排，确定同时充填的采空柱数量和充填顺序；首先在废弃的下部开采巷道内构筑采空柱下口密闭设施，采用充填设备将充填料浆自下而上逐层充满到下部废弃开采巷道和采空柱的空间后，在废弃的上部开采巷道内构筑采空柱上口密闭设施，将充填料浆充满上部废弃开采巷道的空间，实现采空区的立体式、有序化、全体积充填；

第五步，重复第一步到第四步，实现厚度30m以上特厚钾盐矿床的安全高效开采、尾矿低成本回填、生态环境有效保护和资源可持续开采利用。

所述第三步中的采矿机械为竖向采矿机，竖向采矿机沿布置好的竖向采柱自上而下开采矿体，采至一定深度、保证采柱下方留设3～8m的设备运行安全保护矿柱后，竖向采矿机由提升机提升至上部开采巷道，沿另一个竖向采柱进行下一次开采，如此循环。

所述第三步中的采矿机械为反井钻机，反井钻机沿布置好的竖向采柱自下而上开采矿体，由钻杆提升钻头开采至上部开采巷道后，将钻头运送至下部开采巷道沿另一个竖向采柱进行下一次开采，如此循环。

所述的矿石运输系统为带式输送机。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明解决了厚度30m以上特厚钾盐矿床的安全、高效、低成本、绿色环保和可持续稳定开采利用，并为类似条件盐类矿床的安全高效开采提供有力的技术支持。

2、本发明采用竖向综合机械化开采方法，利用竖向力学结构稳定的原理，对钾盐矿床进行竖向圆柱状开采，竖向结构与采空区全体积充填的充填体一起，可以长期有效地控制采空区围岩，保障矿井生产安全，减少保护矿柱的留设，资源回收率可提高10%以上。

3、本发明改变水平落矿为竖向落矿，开创性的改变了水平落矿单方面依靠增加采矿设备重量保障机器工作稳定性的方式，可充分借助采矿设备自重实现矿石破碎和保障自身工作稳定，相应减少了设备重量和能耗、降低了落矿成本；矿石采用自溜连续运输的方式，改变了水平开采搭接转载运输的工艺流程、减少了运输设备数量，相应提高了运输效率、降低了运输成本，采矿成本可降低30%左右；

4、本发明利用易于实现采空区的立体式、有序化、全体积充填的采空柱竖向空间结构特征，简化充填工艺，降低充填成本，实现尾矿全部回填，有效保护生态环境和保障资源可持续开采利用，填补特厚钾盐矿开发过程中无法实现低成本全部充填的技术空白。

5、本发明是厚度30m以上特厚钾盐矿床开采方法的开创性革新。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明的总体布置图。

图2为竖向采矿机自上而下开采工艺布置矿床剖面图。

图3为反井钻机自下而上开采工艺布置矿床剖面图。

图4为立体式、有序化、全体积充填剖面图。

图5 为全体积充填总体示意图。

图中：1为特厚钾盐矿床，2为上部开采巷道，3为下部开采巷道，4为竖向采柱，5为溜矿孔，6为采空柱上口密闭设施，7为采空柱下口密闭设施，8为充填料浆。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2、图4、图5所示，本发明特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法，按照下述步骤进行：

第一步，根据厚度30m以上特厚钾盐矿床1的赋存条件，在分析矿体及围岩力学特征、合理确定开采技术参数的基础上，确定特厚钾盐矿床1的一次开采厚度为30～200m，在矿体上部和下部分别布置开采巷道；

第二步，根据矿体力学特征分析计算结果，确定竖向采柱4之间的间距为11～17m，并确定每个竖向采柱4的直径为8～12m，每个竖向采柱4预先采用钻进设备自上而下，或自下而上施工多个竖直的直径为0.8～1.4m的溜矿孔5，所述溜矿孔5贯通上部开采巷道2和下部开采巷道3，在下部开采巷道3中布置矿石运输系统，矿石运输系统位于溜矿孔5下方；

第三步，溜矿孔5施工完成之后，在上部开采巷道2内，采用竖向采矿机沿布置好的竖向采柱4自上而下开采矿体，采至一定深度、保证采柱下方留设3～8m的设备运行安全保护矿柱后，竖向采矿机由提升机提升至上部开采巷道2，沿另一个竖向采柱4进行下一次开采，如此循环；采落的矿石沿所述溜矿孔5依靠自身重量自溜连续运输至下部开采巷道3，经矿石运输系统运至地面；竖向采矿机循环采矿，将上部开采巷道2和下部开采巷道3之间除保护矿柱外的矿体开采完；

第四步，根据采动围岩控制和地面生态环境保护要求，确定是否进行采空区充填；进行采空区充填时，在竖向采柱4逐个采空之后，根据采空结构力学特征和采矿、充填生产工艺安排，确定同时充填的采空柱数量和充填顺序；首先在废弃的下部开采巷道3内构筑采空柱下口密闭设施7，采用充填设备将充填料浆8自下而上逐层充满到下部废弃开采巷道和采空柱的空间后，在废弃的上部开采巷道2内构筑采空柱上口密闭设施6，将充填料浆8充满上部废弃开采巷道的空间，实现采空区的立体式、有序化、全体积充填；

第五步，重复第一步到第四步，实现厚度30m以上特厚钾盐矿床1的安全高效开采、尾矿低成本回填、生态环境有效保护和资源可持续开采利用。

所述的矿石运输系统为带式输送机。

实施例二

如图1、图3、图4、图5所示，本发明特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法，按照下述步骤进行：

第一步，根据厚度30m以上特厚钾盐矿床1的赋存条件，在分析矿体及围岩力学特征、合理确定开采技术参数的基础上，确定特厚钾盐矿床1的一次开采厚度为30～200m，在矿体上部和下部分别布置开采巷道；

第二步，根据矿体力学特征分析计算结果，确定竖向采柱4之间的间距为6～11m，并确定每个竖向采柱4的直径为3.5～6m，每个竖向采柱4预先采用钻进设备自上而下，或自下而上施工多个竖直的直径为0.8～1.4m的溜矿孔5，所述溜矿孔5贯通上部开采巷道2和下部开采巷道3，在下部开采巷道3中布置矿石运输系统，矿石运输系统位于溜矿孔5下方；

第三步，溜矿孔5施工完成之后，在上部开采巷道2内，采用反井钻机沿布置好的竖向采柱4自下而上开采矿体，由钻杆提升钻头开采至上部开采巷道2后，将钻头运送至下部开采巷道3沿另一个竖向采柱4进行下一次开采，如此循环；采落的矿石沿所述溜矿孔5依靠自身重量自溜连续运输至下部开采巷道3，经矿石运输系统运至地面；反井钻机循环采矿，将上部开采巷道2和下部开采巷道3之间除保护矿柱外的矿体开采完；

第四步，根据采动围岩控制和地面生态环境保护要求，确定是否进行采空区充填；进行采空区充填时，在竖向采柱4逐个采空之后，根据采空结构力学特征和采矿、充填生产工艺安排，确定同时充填的采空柱数量和充填顺序；首先在废弃的下部开采巷道3内构筑采空柱下口密闭设施7，采用充填设备将充填料浆8自下而上逐层充满到下部废弃开采巷道和采空柱的空间后，在废弃的上部开采巷道2内构筑采空柱上口密闭设施6，将充填料浆8充满上部废弃开采巷道的空间，实现采空区的立体式、有序化、全体积充填；

第五步，重复第一步到第四步，实现厚度30m以上特厚钾盐矿床1的安全高效开采、尾矿低成本回填、生态环境有效保护和资源可持续开采利用。

所述的矿石运输系统为带式输送机。

所述竖向采矿机可以为下沉式竖井掘进设备VSM。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。