特厚鉀鹽礦床豎向綜合機械化開采方法與流程

本發明特厚鉀鹽礦床豎向綜合機械化開采方法，屬于鉀鹽礦床開采技術領域，主要用于厚度30m以上特厚鉀鹽及類似條件鹽類礦床的井工開采。

背景技術：

世界鉀資源豐富，90%以上為海相鹽類沉積礦床，少部分為含鉀鹵水，大約95%的鉀鹽被利用生產鉀肥，5%的鉀鹽被用作化工原料。鉀鹽礦床類型主要有氯化鉀品位一般為25%～35%的鉀石鹽礦（主要為氯化鉀和氯化鈉的混合物）和氯化鉀品位一般為15%～20%的光鹵石礦（主要為光鹵石和氯化鈉的混合物）。世界上主要鉀肥生產國加拿大、俄羅斯等主要利用鉀石鹽礦生產鉀肥，老撾和剛果的鉀資源以光鹵石礦為主、鉀石鹽次之。用鉀石鹽礦生產鉀肥產生的尾礦為KCL產品3～5倍的氯化鈉固體，用光鹵石礦生產鉀肥產生的尾礦為KCL產品2～3倍的氯化鈉固體和4～8倍的氯化鎂溶液。目前的鉀鹽礦床開采技術發展水平，加拿大、俄羅斯等國家的世界鉀肥主要生產企業和中國在東南亞投資建設的鉀肥生產企業絕大多數采用綜掘機、連采機或全斷面采鉀機等設備開采礦石，巷道布置采用房式開采（留設條帶狀保護礦柱）或房柱式開采（留設網格狀保護礦柱）布置方式，部分礦井進行采空區充填。由于采空區為近水平空間結構的特征，充填料漿難以有效接頂，采空區充填率大多維持在80%以下，因此主要依靠留設的條帶狀或網格狀礦柱控制采空區圍巖，且充填工藝系統復雜、充填難度大、充填成本高。目前的鉀鹽礦床開采技術本質上均屬于固體礦床水平機械化房柱式采空區部分充填管理頂板的開采方法范疇，應用的礦體開采厚度最大維持在20m左右，若將其應用于厚度30m以上特厚鉀鹽礦床的開采，則存在以下主要缺陷：（1）由于充填體難以有效接頂，主要依靠留設的礦柱控制采空區圍巖，因此需要留設大量的保護礦柱，資源回收率在20%～30%左右；（2）即使在保護礦柱的控制下，采空區圍巖仍長期處于蠕變狀態，因此特厚鉀鹽礦床水平分層、逐層開采數層礦體之后，采空區上部依然會形成垮落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶，鉀鹽礦極易溶于水的特點使得導水裂縫帶波及到含水層或地表水后會直接威脅到鉀鹽礦的安全生產，地表的移動、變形會破壞原始的生態環境；（3）特厚鉀鹽礦床水平分層、逐層開采的回采布置方式，需要采空區具有很高的充填率、采空區充填體具有足夠的強度，才可以保障回采過程安全并長期有效地控制圍巖移動，防止采后地層蠕變威脅礦井生產安全和破壞生態環境；（4）為避免鉀鹽礦生產鉀肥過程中產生的大量氯化鈉固體和氯化鎂溶液污染生態環境，必須將尾礦回填至采空區，才能實現資源的可持續穩定開采利用；（5）特厚鉀鹽礦床水平分層開采，在提高采礦能力的同時需保障采礦設備自身工作的穩定性，因此需要增加采礦設備的重量和功率，目前每臺采礦設備的重量已增大到90～135t左右、功率已增大到515～795kW左右；（6）特厚鉀鹽礦床水平分層開采，礦石運輸搭接轉載和輔助運輸環節多，生產系統復雜。因此目前的鉀鹽礦床水平機械化房柱式采空區部分充填管理頂板的開采方法，主要存在資源回收率低，圍巖控制困難、安全可靠程度低，充填工藝系統復雜、充填成本高，采空區充填率低、尾礦污染生態環境、難以實現資源的可持續穩定開采利用，設備重量大、能耗高、落礦成本高，運輸系統復雜、效率低、運輸成本高等技術缺陷，難以實現厚度30m以上特厚鉀鹽礦床的安全、高效、低成本、綠色環保、可持續穩定開采利用。

技術實現要素：

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為提供一種能夠減少保護礦柱的留設、提高資源回收率，有效控制圍巖、提高安全可靠程度，簡化充填工藝系統、降低充填成本，提高采空區充填率、全部回填尾礦、實現資源的可持續穩定開采利用，減少設備重量和功率、簡化運輸系統、降低采礦成本，開創性的實現厚度30m以上特厚鉀鹽礦床的安全、高效、低成本、綠色環保和可持續穩定開采利用的特厚鉀鹽礦床豎向綜合機械化開采方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：特厚鉀鹽礦床豎向綜合機械化開采方法，按照下述步驟進行：

第一步，根據厚度30m以上特厚鉀鹽礦床的賦存條件，在分析礦體及圍巖力學特征、合理確定開采技術參數的基礎上，確定特厚鉀鹽礦床的一次開采厚度，在礦體上部和下部分別布置開采巷道；

第二步，根據礦體力學特征分析計算結果，按一定的間距布置豎向采柱并確定每個豎向采柱的直徑，每個豎向采柱預先采用鉆進設備自上而下，或自下而上施工多個豎直的滿足溜礦和設備運行要求的溜礦孔，所述溜礦孔貫通上部開采巷道和下部開采巷道，在下部開采巷道中布置礦石運輸系統，礦石運輸系統位于溜礦孔下方；

第三步，溜礦孔施工完成之后，在上部開采巷道內，采用采礦機械沿布置好的豎向采柱開采礦體，采落的礦石沿所述溜礦孔依靠自身重量自溜連續運輸至下部開采巷道，經礦石運輸系統運至地面，采礦機械循環采礦，將上部開采巷道和下部開采巷道之間除保護礦柱外的礦體開采完；

第四步，根據采動圍巖控制和地面生態環境保護要求，確定是否進行采空區充填；進行采空區充填時，在豎向采柱逐個采空之后，根據采空結構力學特征和采礦、充填生產工藝安排，確定同時充填的采空柱數量和充填順序；首先在廢棄的下部開采巷道內構筑采空柱下口密閉設施，采用充填設備將充填料漿自下而上逐層充滿到下部廢棄開采巷道和采空柱的空間后，在廢棄的上部開采巷道內構筑采空柱上口密閉設施，將充填料漿充滿上部廢棄開采巷道的空間，實現采空區的立體式、有序化、全體積充填；

第五步，重復第一步到第四步，實現厚度30m以上特厚鉀鹽礦床的安全高效開采、尾礦低成本回填、生態環境有效保護和資源可持續開采利用。

所述第三步中的采礦機械為豎向采礦機，豎向采礦機沿布置好的豎向采柱自上而下開采礦體，采至一定深度、保證采柱下方留設3～8m的設備運行安全保護礦柱后，豎向采礦機由提升機提升至上部開采巷道，沿另一個豎向采柱進行下一次開采，如此循環。

所述第三步中的采礦機械為反井鉆機，反井鉆機沿布置好的豎向采柱自下而上開采礦體，由鉆桿提升鉆頭開采至上部開采巷道后，將鉆頭運送至下部開采巷道沿另一個豎向采柱進行下一次開采，如此循環。

所述的礦石運輸系統為帶式輸送機。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果。

1、本發明解決了厚度30m以上特厚鉀鹽礦床的安全、高效、低成本、綠色環保和可持續穩定開采利用，并為類似條件鹽類礦床的安全高效開采提供有力的技術支持。

2、本發明采用豎向綜合機械化開采方法，利用豎向力學結構穩定的原理，對鉀鹽礦床進行豎向圓柱狀開采，豎向結構與采空區全體積充填的充填體一起，可以長期有效地控制采空區圍巖，保障礦井生產安全，減少保護礦柱的留設，資源回收率可提高10%以上。

3、本發明改變水平落礦為豎向落礦，開創性的改變了水平落礦單方面依靠增加采礦設備重量保障機器工作穩定性的方式，可充分借助采礦設備自重實現礦石破碎和保障自身工作穩定，相應減少了設備重量和能耗、降低了落礦成本；礦石采用自溜連續運輸的方式，改變了水平開采搭接轉載運輸的工藝流程、減少了運輸設備數量，相應提高了運輸效率、降低了運輸成本，采礦成本可降低30%左右；

4、本發明利用易于實現采空區的立體式、有序化、全體積充填的采空柱豎向空間結構特征，簡化充填工藝，降低充填成本，實現尾礦全部回填，有效保護生態環境和保障資源可持續開采利用，填補特厚鉀鹽礦開發過程中無法實現低成本全部充填的技術空白。

5、本發明是厚度30m以上特厚鉀鹽礦床開采方法的開創性革新。

附圖說明

下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。

圖1為本發明的總體布置圖。

圖2為豎向采礦機自上而下開采工藝布置礦床剖面圖。

圖3為反井鉆機自下而上開采工藝布置礦床剖面圖。

圖4為立體式、有序化、全體積充填剖面圖。

圖5 為全體積充填總體示意圖。

圖中：1為特厚鉀鹽礦床，2為上部開采巷道，3為下部開采巷道，4為豎向采柱，5為溜礦孔，6為采空柱上口密閉設施，7為采空柱下口密閉設施，8為充填料漿。

具體實施方式

實施例一

如圖1、圖2、圖4、圖5所示，本發明特厚鉀鹽礦床豎向綜合機械化開采方法，按照下述步驟進行：

第一步，根據厚度30m以上特厚鉀鹽礦床1的賦存條件，在分析礦體及圍巖力學特征、合理確定開采技術參數的基礎上，確定特厚鉀鹽礦床1的一次開采厚度為30～200m，在礦體上部和下部分別布置開采巷道；

第二步，根據礦體力學特征分析計算結果，確定豎向采柱4之間的間距為11～17m，并確定每個豎向采柱4的直徑為8～12m，每個豎向采柱4預先采用鉆進設備自上而下，或自下而上施工多個豎直的直徑為0.8～1.4m的溜礦孔5，所述溜礦孔5貫通上部開采巷道2和下部開采巷道3，在下部開采巷道3中布置礦石運輸系統，礦石運輸系統位于溜礦孔5下方；

第三步，溜礦孔5施工完成之后，在上部開采巷道2內，采用豎向采礦機沿布置好的豎向采柱4自上而下開采礦體，采至一定深度、保證采柱下方留設3～8m的設備運行安全保護礦柱后，豎向采礦機由提升機提升至上部開采巷道2，沿另一個豎向采柱4進行下一次開采，如此循環；采落的礦石沿所述溜礦孔5依靠自身重量自溜連續運輸至下部開采巷道3，經礦石運輸系統運至地面；豎向采礦機循環采礦，將上部開采巷道2和下部開采巷道3之間除保護礦柱外的礦體開采完；

第四步，根據采動圍巖控制和地面生態環境保護要求，確定是否進行采空區充填；進行采空區充填時，在豎向采柱4逐個采空之后，根據采空結構力學特征和采礦、充填生產工藝安排，確定同時充填的采空柱數量和充填順序；首先在廢棄的下部開采巷道3內構筑采空柱下口密閉設施7，采用充填設備將充填料漿8自下而上逐層充滿到下部廢棄開采巷道和采空柱的空間后，在廢棄的上部開采巷道2內構筑采空柱上口密閉設施6，將充填料漿8充滿上部廢棄開采巷道的空間，實現采空區的立體式、有序化、全體積充填；

第五步，重復第一步到第四步，實現厚度30m以上特厚鉀鹽礦床1的安全高效開采、尾礦低成本回填、生態環境有效保護和資源可持續開采利用。

所述的礦石運輸系統為帶式輸送機。

實施例二

如圖1、圖3、圖4、圖5所示，本發明特厚鉀鹽礦床豎向綜合機械化開采方法，按照下述步驟進行：

第一步，根據厚度30m以上特厚鉀鹽礦床1的賦存條件，在分析礦體及圍巖力學特征、合理確定開采技術參數的基礎上，確定特厚鉀鹽礦床1的一次開采厚度為30～200m，在礦體上部和下部分別布置開采巷道；

第二步，根據礦體力學特征分析計算結果，確定豎向采柱4之間的間距為6～11m，并確定每個豎向采柱4的直徑為3.5～6m，每個豎向采柱4預先采用鉆進設備自上而下，或自下而上施工多個豎直的直徑為0.8～1.4m的溜礦孔5，所述溜礦孔5貫通上部開采巷道2和下部開采巷道3，在下部開采巷道3中布置礦石運輸系統，礦石運輸系統位于溜礦孔5下方；

第三步，溜礦孔5施工完成之后，在上部開采巷道2內，采用反井鉆機沿布置好的豎向采柱4自下而上開采礦體，由鉆桿提升鉆頭開采至上部開采巷道2后，將鉆頭運送至下部開采巷道3沿另一個豎向采柱4進行下一次開采，如此循環；采落的礦石沿所述溜礦孔5依靠自身重量自溜連續運輸至下部開采巷道3，經礦石運輸系統運至地面；反井鉆機循環采礦，將上部開采巷道2和下部開采巷道3之間除保護礦柱外的礦體開采完；

第四步，根據采動圍巖控制和地面生態環境保護要求，確定是否進行采空區充填；進行采空區充填時，在豎向采柱4逐個采空之后，根據采空結構力學特征和采礦、充填生產工藝安排，確定同時充填的采空柱數量和充填順序；首先在廢棄的下部開采巷道3內構筑采空柱下口密閉設施7，采用充填設備將充填料漿8自下而上逐層充滿到下部廢棄開采巷道和采空柱的空間后，在廢棄的上部開采巷道2內構筑采空柱上口密閉設施6，將充填料漿8充滿上部廢棄開采巷道的空間，實現采空區的立體式、有序化、全體積充填；

第五步，重復第一步到第四步，實現厚度30m以上特厚鉀鹽礦床1的安全高效開采、尾礦低成本回填、生態環境有效保護和資源可持續開采利用。

所述的礦石運輸系統為帶式輸送機。

所述豎向采礦機可以為下沉式豎井掘進設備VSM。

上面結合附圖對本發明的實施例作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。