一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法

本发明涉及金矿、铁矿等非煤地下开采，具体涉及一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法。

背景技术：

1、金矿、铁矿非煤地下开采中，上向水平分层充填采矿法在国内外金属矿山开采中应用广泛，主要步骤是将矿块划分为矿房、矿柱，先采矿房，后采矿柱。矿房自下而上分层回采，每回采一个或若干个分层后，及时进行充填以维护上下盘围岩稳固，并为继续进行上面分层回采创造立足的底板，提供不断上采的作业条件。

2、回采过程中常用的落矿方法为凿岩爆破落矿方法，该方法具有落矿效率高、操作较为简便、能够破坏比较坚硬的岩石等优点，所以回采坚硬不可溶的矿石时多采用凿岩爆破的方法。但是，其所需的炸药和雷管在运输、存放、使用等环节仍然存在安全隐患，可能导致重大安全事故，严重威胁金矿安全生产。此外，爆炸会产生部分有毒气体及大量的粉尘，需要较长时间的通风一定程度上降低了生产效率。因此，亟需改变金矿传统爆破落矿方式，减少回采工艺对炸药辅助碎岩的依赖。

3、目前，水力辅助碎岩技术发展十分迅速，由于其具有辅助碎岩范围大、精确度高、安全系数高、环保无污染、造价成本低、不影响生产等优点，现已广泛应用于油气及非常规资源开发、煤矿坚硬顶板治理、煤层增透瓦斯抽采等方面。但由于金矿石坚硬较大，辅助碎岩的程度和范围难以精准控制，无法保证破碎的金矿石能够顺利脱落矿体，所以现有的水力破岩技术尚未在金属矿山进行开发及应用，也是金属矿山开采亟待解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明公开了一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，有效解决了传统爆破方法控制范围小、施工效率低、落矿块度大、安全风险高的难题，实现了安全高效地水力辅助碎岩落矿，对金矿安全绿色生产具有十分重要的意义。

2、根据本发明的目的提出的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，水力辅助无炸药开采，包括以下步骤：

3、步骤一：将矿体按照赋存形态沿走向或者倾向划分成多个矿房与矿柱，将划分好的矿房按从下到上的开采顺序划分为开采分层和待采分层两种；

4、步骤二：在划分好的矿房单元内，在开采分层两侧和顶板内，施工水力碎岩的边界控制钻孔；

5、步骤三：在矿体的开采分层中沿开采前进方向布设多个水力压裂钻孔，在每个水力压裂钻孔中，在其长度方向上划分压裂段，确定每个压裂段的长度和具体位置，并在水力压裂钻孔中压裂段的位置进行环向和轴向预割缝；

6、步骤四：封堵水力压裂钻孔，采用分段后退式注水压裂方法对开采分层进行致裂；

7、步骤五：在已完成预裂的开采分层矿体内利用原有水力压裂钻孔或者补充部分钻孔，二次进行人工扰动，使矿石最终从矿体剥离并掉落。

8、优选的，步骤一中，每个矿房宽15-50m，高5-20m，长20-100m，每个矿房划分的开采分层高为2-5m，长度和宽度与矿房参数相同。

9、优选的，步骤二中，边界控制钻孔为布置于待开采分层周边的一周或两周，边界控制钻孔的长度等于水力压裂钻孔的长度，边界控制钻孔的直径为30-100mm，相邻两边界控制钻孔之间的间距为0.5-3m。

10、优选的，步骤三中，水力压裂钻孔布置采用平行、扇形、交叉或三花的方式，水力压裂钻孔的直径为30-100mm，相邻两水力压裂钻孔之间的距离为1-5m，水力压裂钻孔的长度为2-100m；水力压裂钻孔内部交替布置若干环向预割缝和轴向预割缝，环向预割缝沿水力压裂钻孔周向设置，与水力压裂钻孔中心线垂直；轴向预割缝沿水力压裂钻孔轴向设置，与水力压裂钻孔的中心线平行；预割缝的深度为5-100mm，预割缝的长度为100-500mm。

11、优选的，在同一个压裂分段内环向预割缝和轴向预割缝的数量为若干，组合形式包括：多个平行环向预割缝、多个平行轴向预割缝、多个环向预割缝和轴向预裂缝交叉、多个环向预割缝和轴向预裂缝不交叉。

12、优选的，步骤四中压裂方法包括以下步骤：

13、s1.将水力压裂的封隔器通过耐压钢管送入水力压裂钻孔的指定位置，使得封隔器上两个充水胶囊中间的出水段位于预割缝段，封隔器末端连接好控制台、高压泵、普通注水泵，并注水充满封隔器的充水胶囊使其膨胀封孔；

14、s2.通过控制台启动高压泵，逐渐升高水压力，当水压力达到预割缝的临界起裂压力时，预割缝发生起裂和定向延伸，在开采分层的矿体内形成纵横交错的裂缝，从而实现矿体的均匀切割；

15、s3.结束水力压裂钻孔内第一排预割缝的水力压裂工作，卸除充水胶囊中的水压力，并将其后退至第二排预割缝处，重复上述步骤，完成钻孔内多排预割缝的压裂工作；依次后退直至完成最后一排预割缝的压裂工作，从而完成当前水力压裂钻孔的压裂工作；

16、s4.重复上述步骤，压裂其他水力压裂钻孔直至整个开采分层中所有预割缝压裂完成。

17、优选的，步骤五中，人工扰动的选择方法为：如果水力裂缝的贯通性好，则采用机械震动的方式扰动后掉落；若水力裂缝的贯通性较差，难以通过机械震动的方式扰动后掉落，则采用超临界二氧化碳相变致裂的方式进行进一步辅助碎岩。

18、优选的，机械震动冲击时，利用钻机的钻头冲击或者液压劈裂设备对已经预裂过的开采分层进行二次碎裂，使得矿石逐步掉落。

19、与现有技术相比，本发明公开的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法的优点是：

20、(1)本发明先对水力压裂钻孔内进行环向或轴向切预割缝，然后采用高压水力压裂方法对开采分层进行致裂，充分裂解金矿体使矿体达到所要求的块度，最后在人工扰动作用下，矿石从矿体上脱离或被抛掷完成落矿，有效解决了传统爆破控制范围小、施工效率低、落矿块度大、安全风险高的难题，实现了安全高效地水力辅助碎岩落矿，对金矿安全绿色生产具有十分重要的意义。

21、(2)本发明因增加了水力的辅助破岩作用，所以钻孔的间隔较普通水力压裂工艺较大，可减少钻孔的施工数量和工程量，破岩的效率更高。

22、(3)本发明中在开采分层的两侧和顶板内施工水力碎岩的边界控制钻孔，可以用来控制压裂的范围，防止水压裂缝扩展范围过大造成对周边围岩的损伤和破坏，影响后续的支护和围岩安全性；此外，边界控制钻孔还可形成一定的临空面效果，提高后续的碎岩效果。

23、(4)本发明中利用机械震动或者超临界二氧化碳相变产生的冲击进行辅助落矿，落矿效率更高。

技术特征：

1.一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，步骤一中，每个矿房宽15-50m，高5-20m，长20-100m，每个矿房划分的开采分层(2)高为2-5m，长度和宽度与矿房参数相同。

3.根据权利要求1所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，步骤二中，边界控制钻孔(3)为布置于待开采分层(2)周边的一周或两周，边界控制钻孔(3)的长度等于水力压裂钻孔(4)的长度，边界控制钻孔(3)的直径为30-100mm，相邻两边界控制钻孔(3)之间的间距为0.5-3m。

4.根据权利要求1所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，步骤三中，水力压裂钻孔(4)布置采用平行、扇形、交叉或三花的方式，水力压裂钻孔(4)的直径为30-100mm，相邻两水力压裂钻孔(4)之间的距离为1-5m，水力压裂钻孔(4)的长度为2-100m；水力压裂钻孔(4)内部交替布置若干环向预割缝和轴向预割缝，环向预割缝沿水力压裂钻孔(4)周向设置，与水力压裂钻孔(4)中心线垂直；轴向预割缝沿水力压裂钻孔(4)轴向设置，与水力压裂钻孔(4)的中心线平行；预割缝的深度为5-100mm，预割缝的长度为100-500mm。

5.根据权利要求4所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，在同一个压裂分段内环向预割缝和轴向预割缝的数量为若干，组合形式包括：多个平行环向预割缝、多个平行轴向预割缝、多个环向预割缝和轴向预裂缝交叉、多个环向预割缝和轴向预裂缝不交叉。

6.根据权利要求1所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，步骤四中压裂方法包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，步骤五中，人工扰动的选择方法为：如果水力裂缝的贯通性好，则采用机械震动的方式扰动后掉落；若水力裂缝的贯通性较差，难以通过机械震动的方式扰动后掉落，则采用超临界二氧化碳相变致裂的方式进行进一步辅助碎岩。

8.根据权利要求7所述的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，其特征在于，机械震动冲击时，利用钻机的钻头冲击或者液压劈裂设备对已经预裂过的开采分层(2)进行二次碎裂，使得矿石逐步掉落。

技术总结
本发明公开的一种金矿上向水平分层水力辅助碎岩落矿方法，涉及金矿、铁矿等非煤地下开采技术领域。该方法首先将矿体沿走向或者倾向划分成多个矿房；然后将每个矿房按从下到上的开采顺序划分成开采分层和多个待采分层；之后在开采分层周边施工边界控制钻孔，继而沿开采方向布设水力压裂钻孔，并在钻孔中施工环向或轴向切割缝；再之后封堵钻孔、对开采分层进行预致裂；最后在已完成预裂后的开采分层岩体中进行人工扰动，使矿块从矿体上剥离并垮落。本发明有效解决了爆破安全风险大、产生有毒气体、控制范围小、粉尘大、施工效率低、落矿块度大等系列难题，有效减少了火工品在金矿、铁矿等非煤地下开采领域的使用量，提高了矿井的安全高效开采。

技术研发人员：刘江伟,陈绍杰,于骞,李楠,林榆昆,刘耀友,李亚康
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8