充填體包裹下厚大礦柱開采方法

專利名稱：充填體包裹下厚大礦柱開采方法
技術領域：
本發明涉及一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，屬于充填采礦技術領域。
背景技術：
近年來，由于充填技術的快速發展和井下無軌自行設備的廣泛應用，充填采礦已成為一種安全高效的開采方法。隨著現有探明的礦產資源不斷消耗，采礦向深部發展，地溫地壓不斷增加，環境保護的日趨嚴格，充填采礦法在今后將會得到更大的應用與發展。充填采礦法雖然具有回采率高、靈活性大、適應范圍廣、環保等一系列不可替代的優點，但同時存在一些自身無法克服的弊端和不足，其中充填體包裹條件下礦柱或殘礦的回采是充填法礦山開采后期普遍面臨的技術難題之一。現有的充填體包裹下礦柱的回采主要存在以下技術難點:(I)部分采切工程需布置在軟破充填體內，如何實現充填體內巷道工程的有效掘進和維護；(2)如何控制礦巖-充填體異質界面爆破能量的合理分布，達到既有效破碎礦巖、又避免充填體破壞的目的；(3)如何實現對爆前補償空間、爆破過程、爆后超爆與欠爆的精準測量和爆破控制，并準確分析損失、貧化和充填體垮落情況
發明內容
本發明為解決現有的充填采礦技術中存在的容易引起充填體的垮落、難以有效破碎礦巖又避免充填體破壞、以及難以對爆前補償空間、爆破過程、爆后超爆與欠爆的精準測量和爆破控制，并準確分析損失、貧化和充填體垮落情況的問題，進而提供了一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法。為此，本發明提供了如下的技術方案:一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，包括:充填體內巷道的聯合支護；異質界面控制爆破； 非接觸式激光精準掃描與數字建模三維可視化開采。本發明適合于充填采礦法回采的礦山，針對充填體包裹條件下的厚大礦柱安全高效連續開采，既有效控制和管理深井地壓，保障采場與充填體的穩定，又能實現深井礦體大規模、高強度的集中強化開采，降低礦石的開采成本，提高開采的經濟效益。具


圖1為本發明的具體實施方式
提供的第一種鑿巖硐室支護方式示意圖；圖2為本發明的具體實施方式
提供的第二種鑿巖硐室支護方式示意圖；圖3為本發明的具體實施方式
提供的出礦穿脈支護方式示意圖；圖4為本發明的具體實施方式
提供的出礦穿脈眉線處支護方式示意圖；圖5為本發明的具體實施方式
提供的采準巷道掘進與支護的施工流程示意圖6為本發明的具體實施方式
提供的上盤采場布孔示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。本具體實施方式
以一個生產能力為3500t/d的礦山為例，其礦體平均厚為40至50m，最大厚度達80至100m，傾角70°以上，礦體形態較規整，采礦方法主要為大直徑深孔嗣后充填采礦法，采場垂直礦體走向布置，分礦房、礦柱，間隔式兩步回采。為便于說明，本實施例選擇礦體在_400m至-560m階段之間，從上至下為3個階段。根據_400m _560m中段整體規劃，伴隨上部R12及東、西兩側P23、Pl采場的回采充填完畢，R3采場處于頂板及兩側充填體的包裹下，同時承受著來自上下盤的巨大壓力。在回采過程中是否存在由于小小的回采擾動發生災變的可能性，即充填體或礦柱的突然失穩，是關系到礦體開采的全局性問題，因此，相比P23和Pl采場，充填體包裹條件下的礦柱采場R3無疑是-400m _560m區域中安全系數要求最高、開采技術難度最大的采場。本具體實施方式
提供了一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，包括:1、充填體巷道的聯合支護。(I)支護方案①鑿巖硐室支護方案
·
根據鑿巖硐室所布置的巖層位置，可采用噴射混凝土與錨索聯合支護方式以及錨桿、錨網與噴射混凝土聯合支護方式。如圖1所示，當硐室頂板為巖體時，可采用全斷面噴射混凝土及拱部錨索聯合支護方式，混凝土的噴層厚度為50-150mm，優選為100mm，錨索的參數為:錨索采用直徑10-20mm(優選10_20mm)的除銹除油鋼絲線，長5 10m(優選6 8m),網度為拱部環向1000-2000mm(優選1500mm)，硐室走向方向1500_2500mm(優選2000mm)，注漿混凝土配比為水泥:砂:水=1:1:0.4，錨索布置方式為梅花形或菱形。如圖2所示，當硐室頂板為充填體時，采用錨桿掛網及全斷面噴射混凝土聯合支護方式，混凝土的噴層厚度為50-150mm,優選為100mm,錨桿布置方式為全斷面布置，具體參數為:錨桿長1.8 2.5m (優選2.0 2.2m)，間距為環向間距0.5_lm(優選0.80m)，縱向間距0.6 1.2m(優選0.8 1.0m),金屬網布置在拱和墻的部位。②出礦穿脈支護方案如圖3所示，采場底部出礦穿脈以及出礦回風聯絡道大部分在膠結充填體中掘進形成，直接頂板即為尾砂膠結充填體，設計采用錨桿、錨網與噴射混凝土聯合支護方式。混凝土的噴層厚度為50-150mm,優選為100mm,,錨桿布置方式為全斷面布置,具體參數為:錨桿長1.8 2.5m(優選為2.0 2.2m)，間距為環向間距0.5_lm(優選0.80m)，縱向間距0.8 1.2m(優選0.8 1.0m),金屬網布置在拱和墻的部位。③出礦進路眉線處支護方案如圖4所示，出礦進路眉線處是支護工作重點，特別是放礦口等應力集中區域很容易發生破壞，所以這部分采用復合式支護方式:由噴射混凝土、錨桿和金屬網聯合支護方式構成初期支護，待圍巖變形漸趨穩定(變形速率接近O)時，施作模筑鋼筋混凝土支護。模筑鋼筋混凝土厚度為20-40cm (優選30cm)，強度等級為C30，鋼筋采用Φ22螺紋鋼，網度為30cmX 30cm。同時由于采場采用單側塹溝出礦底部結構，回采過程中，在爆破第5排孔時實行不同的裝藥深度控制爆破，保護放礦口礦巖的穩定性。(2)施工流程
根據地下工程新奧法支護設計與施工的理論原則，在井巷或硐室掘進時宜采用光面爆破的控制爆破技術，噴錨支護應緊跟工作面及時進行。總體上，應遵循如圖5所示的標準工藝流程。2、異質界面控制爆破。充填體包裹條件下礦柱采場回采爆破時,爆炸波經過礦巖-膠結充填體界面時發生透射和反射，一部分從界面反射回來進入礦體內，另一部分透過交界面進入膠結充填體。因此，界面控制爆破技術的關鍵是要控制通過界面進入尾砂膠結充填體中的爆炸能量所產生的破壞作用，同時要求使界面處的礦石破碎成合格的塊度。(I)裝藥結構形式的確定裝藥結構形式的確定應作如下考慮:降低炮孔裝藥量是首選的技術手段；多段間隔裝藥結構可有效降低爆炸應力波的作用，相對提高爆炸氣體膨脹作用，使爆破破壞程度控制在設計范圍內；在耦合裝藥的情況下，相比柱狀藥包，球狀藥包的粉碎區半徑較小。基于以上分析和小型爆破模擬實驗，異質界面控制爆破采用多分層小藥量球狀藥包空氣間隔裝藥結構。(2)邊孔距的理論估算爆炸過程是一個極其復雜的過程，為了使邊孔距離的理論計算簡化，先作如下假設:①礦體與尾砂膠結充填體的分界面是一個規整的平面尾砂膠結充填體與礦體之間不存在任何空氣間隙；③礦體與尾砂膠結充填體均為各向同性彈性體；④藥包視為球狀藥包不考慮分界界面處爆炸應力波的二次反射與透射；⑥爆炸應力波到達界面時，按垂直入射計算應力波的反射；⑦爆炸應力波載荷按一維應力波理論計算。根據爆破地震波質點峰值振動速度、一維應力波理論和入射動壓力垂直入射時反射應力和射透應力計算公式，對邊孔距離進行計算，代入參數數據可求得邊孔距離的理論估算值應不小于0.506m。(3)小型爆破試驗小型試驗選擇在12#礦柱內，其一側緊挨已采10#礦房充填體(灰砂比1: 8)，試驗炮孔水平布置，孔徑Φ42mm。試驗以巷道掘進的方式進行，巷道斷面2.5mX2m。試驗炸藥為普通乳化油炸藥。靠充填體一側的邊孔采用多分層小藥量球狀藥包空氣間隔裝藥結構，藥卷長200mm，重200g，藥包長徑比為5。為避免充填體界面不規整所引起的試驗誤差，各次爆破進尺為0.9-1.0m。試驗共進行了 16次，通過對各次爆破后充填體的破壞程度、爆破大塊和爆破成本等參量進行綜合評分，利用二次回歸方程求最優解可以得出:對于Φ42_的炮孔，當分層裝藥量為0.2kg時，其邊孔至充填體界面最佳距離為0.41m，最佳空氣間隔長度為0.174m。根據利文斯頓爆破漏斗理論與爆破相似理論，采用Φ 165mm大孔回采礦柱時，邊孔至充填體界面距離為1.51m，最佳空氣間隔長度為0.52-0.7m。3、非接觸式激光精準掃描與數字建模三維可視化開采。采用非接觸式三維激光掃描測量系統對每次爆破前后采場進行精確測量，確定采空區形態，并導入三維數字礦山軟件中，實現礦山開采的過程模擬和效果控制。( I)炮孔布置與施工如圖6所示，采場布置5排炮孔，第I排、第5排炮孔按松動爆破技術，邊孔距均取
1.7m，邊孔孔底距取2.5mο IP 2P、4P 5P排間距取2.8m, 2P 3P、3P 4P排間距取
3.0m，中間孔孔底距取3m (部分孔例外)。鑿巖采用Atlas Copco公司生產的Simba-261潛孔鉆機,鉆頭為球齒鉆頭,直徑為165mm,鉆桿直徑為IlOmm,每節長1.5m,兩端帶有方形螺紋。孔口一般加入0.8m長的套管，保護鉆孔。每個臺班2 3人作業，臺班效率40m以上。上盤采場設計孔深4205m，下盤采場設計孔深2517.8m。( 2 )爆破過程數字模擬每次爆破施工分為測孔、堵孔、填塞、裝藥等步驟，采場爆破共分為36次，消耗炸藥量39030kg，爆破礦量140175t。平均炸藥單耗0.28kg/t。從第16次和第29次爆破后的模擬孔深可以明顯看出大直徑深孔采礦方法的技術特點，同時在爆破過程中，能提高設計效率及監控爆破過程。而對第29次爆破前、后礦體形態進行建模，經計算得出，試驗采場至第29次爆破時累計爆破礦石體積29563m3，礦石量112339t ;從機運工區獲得出礦數據得知，截止2010年5月30日試驗采場累計出礦8189車，出礦量為48315t，出礦硐室保有礦石量為64024t，這樣的嘗試可以 做到采礦與出礦的銜接，既保證每次爆破的補償空間，又能做到留礦爆破，支撐兩側充填體，進一步減少貧化率。(3)爆破效果評估與控制采場回采完畢后，運用空區精密探測系統進行現場探測，精確地獲得采空區的三維形態，運用大型礦業軟件計算出空區體積，并與設計邊界進行對比分析，計算出采場貧化率。對爆破效果進行評估。采場鑿巖硐室底板標高-505m，硐室高度為3.Sm,硐室頂板標高為-50L 2m，空區模型高于-50L 2m水平的體積為280m3，最高垮落高度為2.5m，垮落主要集中于采場下盤中間區域。采場東西兩側分別為9P和IlP采場，9P柱充填體垮落較多，體積為2314m3，IIP充填體垮落相對較小，體積為240m3。目前設備探測獲得的空區總體積為21652m3，根據地質資料獲得的試驗采場礦石總體積為44941m3。經計算，試驗采場最終的貧化率為7.8%，損失率為5.5%，均達到設計要求。本具體實施方式
提供的技術方案適合于充填采礦法回采的礦山，針對充填體包裹條件下的厚大礦柱安全高效連續開采，既有效控制和管理深井地壓，保障采場與充填體的穩定，又能實現深井礦體大規模、高強度的集中強化開采，降低礦石的開采成本，提高開采的經濟效益。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明實施例揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，包括: 充填體內巷道的聯合支護； 異質界面控制爆破； 非接觸式激光精準掃描與數字建模三維可視化開采。
2.根據權利要求1所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述充填體巷道的聯合支護包括: 采用噴射混凝土與錨索聯合支護方式或錨桿掛網與噴射混凝土聯合支護方式對鑿巖硐室進行支護； 采用錨桿、錨網與噴射混凝土聯合支護方式對出礦穿脈進行支護； 采用噴射混凝土、錨桿和金屬網聯合支護方式作為初期支護，待圍巖變形達到預定的穩定程度時采用模筑鋼筋混凝土支護對出礦進路眉線處進行支護。
3.根據權利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述噴射混凝土與錨索聯合支護方式包括:當硐室頂板為巖體時，混凝土的噴層厚度為50-150mm，錨索采用直徑10_20mm的除銹除油鋼絲線，長5 10m，網度為拱部環向1000-2000mm，硐室走向方向1500-2500mm，注漿混凝土配比為水泥:砂:水=1:1:0.4，錨索布置方式為梅花形或菱形。
4.根據權利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特·征在于，所述錨桿掛網與噴射混凝土聯合支護方式包括:當硐室頂板為充填體時，混凝土的噴層厚度為50-150mm，錨桿布置方式為全斷面布置，錨桿長1.8 2.5m,間距為環向間距0.5_lm，縱向間距0.6 1.2m,網掛在拱和墻的部位。
5.根據權利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述錨桿、錨網與噴射混凝土聯合支護方式包括:混凝土的噴層厚度為50-150mm，錨桿布置方式為全斷面布置，錨桿長1.8 2.5m,間距為環向間距0.5-lm，縱向間距0.8 1.2m,網掛在拱和墻的部位。
6.根據權利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述模筑鋼筋混凝土支護包括:模筑鋼筋混凝土的厚度為20-40cm，強度等級為C30，鋼筋采用022螺紋鋼，網度為30cmX30cm。
7.根據權利要求1所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述異質界面控制爆破包括: 采用多分層小藥量球狀藥包空氣間隔裝藥結構； 根據爆破地震波質點峰值振動速度、一維應力波理論和入射動壓力垂直入射時反射應力和射透應力計算公式，對邊孔距離進行計算，求得邊孔距離的理論估算值不小于0.506m ； 對于O42mm的炮孔，當分層裝藥量為0.2kg時，邊孔至充填體界面最佳距離為0.41m,最佳空氣間隔長度為0.174m;當采用165mm大孔回采礦柱時,邊孔至充填體界面距離為1.51m，最佳空氣間隔長度為0.52-0.7m。
8.根據權利要求1所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述非接觸式激光精準掃描與數字建模三維可視化開采包括: 通過國際上先進的非接觸式激光精準掃描(全方位360°掃描，覆蓋高達150m范圍內整個空間，數據捕捉率可達每秒200點而精確度為+/-5cm)，確定每次爆破后采空區的形態，通過數據轉換，并導入三維數字礦山模型中，精細化模擬礦山開采過程，實現采礦效果(損失率、貧化率等)的有效控制。`
全文摘要
本發明提供了一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，包括充填體內巷道的聯合支護；異質界面控制爆破；非接觸式激光精準掃描與數字建模三維可視化開采。本發明適合于充填采礦法回采的礦山，針對充填體包裹條件下的厚大礦柱安全高效連續開采，既有效控制和管理深井地壓，保障采場與充填體的穩定，又能實現深井礦體大規模、高強度的集中強化開采，降低礦石的開采成本，提高開采的經濟效益。
文檔編號E21C41/16GK103233739SQ20131013197
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者楊小聰, 方志甫, 解聯庫, 衛明, 馮盼學, 鄒賢季, 楊志強, 史傳哲, 郭利杰, 王林, 董凱程, 羅皖東 申請人:北京礦冶研究總院, 銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦