CN101761340B - 海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法，其特征在于：在矿体与海底之间预留安全隔离层；在垂高方向上从中腰将矿体分为上下二部分；所述中腰位置距海底海泥的垂高为100～150m；从矿体中腰位置开始回采，其上部采用上行式开采，下部采用下行式开采；所述的上行式开采采用留规则点柱的脉外无轨采准上向分层胶结充填法；所述的下行式开采采用脉外无轨采准普通分层充填采矿法，采场用充填料填实采空区。本发明具有开采安全性高，资源损失小，机械化程度高，劳动强度低，生产能力大，回采时间短，开采沉降低等显著特点。

Description

海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法

技术领域

本发明属于采矿技术领域，涉及一种海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法。该方法主要适用于近海距陆地较近、且生产能力大、高效率的厚大金属矿床开采，同时也适应于水体或河流、湖泊下厚大金属矿床的开采。

技术背景

海底(海基类)金属资源是陆地金属资源的接替。随着陆地金属资源的开采殆尽，大量的海底资源面临开发。在所有海基类矿产资源中，以厚大金属类矿床的开采难度最大。厚大矿体储量大，延深长，人员设备在海底同一垂直位置停留与作业时间长，形成的采空区体积大，受岩石自重及海水压力的影响，采空区顶板岩层的变形、开裂等都可能导致海水渗透井下，引起井毁人亡的重大矿难。海基类金属矿床不同于海基类煤矿开采，煤矿厚度薄，用长壁式开采，在海底某一位置开采和停留的时间短，放顶处理后不易引起海基岩层的开裂，海底表层海水渗透地点与井下人员与设备作用位置存在严重滞后，作业的安全性高于海底厚大金属矿开采。

常规的水下厚大金属矿采矿方法，采用下行式开采方式，一方面在水下留足够厚大的顶底柱，资源损失严重；另一方面，采矿形成的大体积采空区，可能引起岩层开裂或顶板不均匀沉降，破坏预留的顶板，使大量海水沿裂隙进入井下形成管涌，导致突水事故，造成井毁人亡的重大安全事故。国内外海底厚大金属矿床开采缺乏安全可靠的采矿方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对海底(水体)下开采这一特殊环境，提出一种海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法，克服现有海底矿产开采方法所具有的安全性低、资源损失浪费严重、生产效率低、回采时间长；机械化程度低、劳动强度大等缺点。

本发明的技术解决方案如下：

一种海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法，其特征在于：

在矿体与海底之间预留安全隔离层；所述的安全隔离层的厚度为40-60m；

在垂高方向上从中腰将矿体分为上下二部分；所述中腰位置距海底海泥的垂高为100～150m；从矿体中腰位置开始回采，其上部采用上行式开采，下部采用下行式开采；所述的上行式开采采用留规则点柱的脉外无轨采准上向分层胶结充填法；所述的下行式开采采用脉外无轨采准普通分层充填采矿法，采场用充填料填实采空区。

在上行式开采过程中，采用渐变点柱上向分层尾砂胶结充填采矿法，单个点柱尺寸上下一致，但在不同垂高位置，矿柱大小不同，越靠近海底，规则矿石点柱的尺寸增大；规则矿石点柱的尺寸范围为3m×3m～5m×5m；

在下行式开采过程中，随着开采深度的增加，逐渐将矿石点柱减少直到取消矿石点柱，并发展成为分矿房、矿柱回采的分层充填采矿法，矿石点柱取消后，在垂直走向将矿体分为矿房矿柱，先采矿房后采矿柱；矿房用尾砂胶结充填并接顶，充填体强度1～1.50Mpa；矿柱用尾砂充填并接顶。

上行式开采过程中，采用分段开采，划分回采单元；借助脉外无轨采准系统中的分段平巷向上开采至安全隔离层，分段平巷的分段高10m；所有采空区用尾砂、胶结剂充填接顶。

有益效果：

①开采安全性高

本发明围绕海底厚大金属矿床开采，基于提出的海底低沉降安全开采方法，从1)渐变式点柱+连续条柱+安全隔离层复合矿柱系统；2)采空区充填料密实接顶等方面采取措施，通过布置合理点柱支撑上盘围岩，用充填料密实接顶控制顶板岩层下沉，确保了低沉降安全开采海下资源。海底开采岩层位移监测结果表明，安全隔层的岩层最大位移仅2.2mm，岩层变形量极小，海底开采提出的措施与方法是有效可行的。

②资源损失小

针对海下开采特定环境，在确保安全的前提下，使护顶矿柱、条柱及安全隔离层厚度最为安全、经济、合理，避免了矿柱及安全隔离层厚度太大，采矿试验表明，-200以上资源海下开采贫化率6.5％，损失率85.76％；-200以下资源开采取消点柱，资源回收率达到92.7％，贫化率6.9％，该指标达到甚至超过陆地开采技术水平。

③机械化程度高、劳动强度低

生产中采用无轨采准系统，配备凿岩台车、铲运机及坑内电动卡车等先进采矿设备，不仅机械化程度高，而且节省了劳力，降低了工人劳动强度。

④效率高、生产能力大，回采时间短

生产中采用了从中腰开始的双向回采方法，增加了同时回采的工作面个数；特别是-200m以上矿体采用上向行式开采方式，完全颠覆了矿块以中段作为回采单元的概念，借助无轨开采机械化的灵活性及其机动方便的特点，以分段作为回采单元，不仅有利于护顶矿柱和安全隔离层的设置，而且采矿效率高，试验结果显示盘区生产能力403t/d，最大达到806t/d，实现了矿块强采强出，缩短了回采作业时间，提高了作业的安全性。

附图说明

图1为本发明采矿方法结构示意图。

图2为图1的B-B剖面图

图3为图1的C-C剖面图

图4为图1的D-D剖面图

图中：1-海水 2-海泥 3-隔水层 4-安全隔离层 5-条柱 6-矿体 7-点柱 8-充填体 9-I步矿房 10-II步矿房 11-溜矿井 12-充填井 13-回风平巷 14-分段巷道 15-溜井联络巷 16-阶段运输巷道 17-分层联络道

具体实施方式

本发明采矿方法的技术方案如下：

①根据海下开采数值计算分析，在矿体垂高方向上将矿体分为上下二部分，即从-180～-220m(平均-200m)位置最先开始回采。(上部海水及海泥50m、矿体及安全隔离层厚度150m)

②-200m以上矿体，上行式开采，采用脉外无轨采准点柱式上向分层充填采矿法，其技术要点是：在矿体外布置斜坡道、分段出矿巷和采场联络巷用于人行、出矿和通风，分段高度10m～12m，分层回采高度3.0～4.0m，采场内留规则点柱支撑采场顶板，分层回采完毕进行充填。对于-200m以下矿体，采用下行式开采，具体采用普通上向分层充填采矿法，该方法特征是：矿体采用脉外无轨采准系统，斜坡道将脉外分段平巷联通，分段高10m～12m，每分段分三层回采，分层高度3.0m～4.0m。采场内采用凿岩台车打眼，铲运机直接装矿至坑内卡车，坑内电动卡车装矿至主要溜井，竖井提升至地表。

③-200m以上矿段以走向长80～120m为一个回采单元，每个单元留5m垂直走向连续条柱。点柱在-200m水平的尺寸为3m×3m，网度10m×10m，且越靠近海面，在网度不变的情况下点柱的尺寸向上逐渐增加到5m×5m；采场分层充填，当回采到安全隔离层位置时，最后一层要求充填接顶，通过采用分次充填、分区充填、充填滤水器预脱水、泵送充填等措施实现采空区密实充填接顶；采用尾砂胶结料充填，充填体强度1Mpa以上。

④为防止海水渗透，确保海底开采安全，除合理选择采矿方法、回采顺序和强化充填工艺、控制回采速度外，在矿体与海水及海泥间，留有点柱+顶柱+条柱的护顶矿柱系统，其尺寸大小(点柱、条柱+隔离层厚度)取40m～60m。控制顶板下沉，防止海床隔水层出现不均匀沉降。

⑤-200m以下矿体用下行式普通充填采矿法与上部矿体同时回采。依据顶板岩层的位移与变形观测，逐渐将矿石点柱(3m×3m)取消并发展成为分矿房、矿柱回采的分层充填采矿法【即矿石点柱和分矿房、矿柱回采的分层充填采矿法相结合的方法】。取消点柱后，垂直走向将矿体分为矿房矿柱，先采矿房后采矿柱，矿房宽12m，矿柱宽10m。矿房用尾砂胶结充填并接顶，充填体强度不低于1Mpa；矿柱用尾砂充填并接顶。

⑥用瑞典LUT地应力测量法对区域应力场进行测定；在采空区上方(矿体上盘)围岩中安装3～5点位移计，对顶板岩层变形进行长期观测。在矿柱及其相邻采场充填体内埋设压力计，观测其受力状况。通过上述监测，了解海下开采的安全性，对采矿方法参数及采场回采强度、顺序、护顶系统进行相应调整；作为本发明的进一步改进，本发明用分区充填(将采场分为两个或三个区域分别进行接顶充填)、分次充填(第一次充满采空区后，待充填体脱水沉降后，再次充满采空区，如此反复二至三次实现充填接顶)、泵送强制充填(用砂浆泵将高浓度的充填料浆压入采空区，强制接顶)等方法对采空区进行密实充填接顶。

以下将结合图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

三山岛金矿新立矿区是我国第一个从事大陆架滨海矿床地下开采的硬岩矿山，其目前开采的矿体大部分位于海水以下。1号矿体为矿床内主矿体，矿体总体走向62°，倾向南东，倾角33～67°，平均46°，由北向南倾角有逐渐变陡趋势。矿体厚20～30m。矿体单工程品位1.52～12.53g/t，平均3.26g/t。三山岛金矿新立矿区海底矿床采用中腰双向式充填采矿法。

(1)具体实施方案

①在图1中，在10m深的海水下，有30～50m海泥，海泥沉积物中赋存着厚度1～2m的隔水层，下部为矿体，矿体倾角35～45°，矿体厚度20～30m。为保证安全、科学、经济、高效、低损失回采海下资源，防止海水渗漏，确保海底开采安全，回采从矿体中腰位置开始，即将矿体在-200m位置分为上下二部分，-200m以上用点柱式上向分层充填采矿法开采，-200m以下用普通上向分层充填采矿法开采，上下部矿体同时回采。

②矿山采用竖井+斜坡道的开拓方式。为配合无轨机械化采矿，在矿体下盘布置脉外无轨采准系统，垂高每10m设置一条脉外分段平巷，分段平巷由斜坡道联结。通过分层联络道与采场相通，通过下盘溜井及联络道形成溜井出矿系统。

③-200m以上矿体，沿走向划分回采单元，以分层高作为向上推进的步距。采场长100m，分段高10m，分段内矿块分三层回采，分层高3.3m，采场之间用5m连续条柱隔开。从-200m位置开始，用点柱式分层充填采矿法回采，采一层、充一层，直至预留的海泥下50m安全隔离层位置止(即预留50m安全隔离层)。采场内布置的点柱规格为3m×3m，网度10m×10m，越靠近海面，采场点柱网度不变，但点柱尺寸逐渐增加到5m×5m。采场内凿岩、爆破、出矿、支护交错进行。随着回采的进行，在靠近海底位置，形成以点柱、条柱、顶柱+密实充填体构成的海底开采安全支护系统。

④-200m以下矿体，依顶板岩石稳固情况与岩层实际变形观测结果，逐渐取消点柱(3m×3m)，将点柱式分层充填采矿法变更为分矿房、矿柱回采的分层充填采矿法，即垂直走向将矿块划分为矿房、矿柱，矿房宽12m，矿柱宽10m，长为矿体厚度，中段高40～50m，先采矿房后采矿柱。多采场组成盘区，盘区内凿岩、爆破、出矿、支护平行进行。用液压凿岩台车打眼，铲运机配合坑内卡车出矿。

⑤-200m以上矿体采至安全隔离层位置时，采空区用分次充填、分区充填、充填滤水器预脱水、泵送充填等措施，使采空区的充填接顶率达到90％以上，实现采空区密实充填，有效阻止岩层变形和不均匀下沉。充填料采用尾砂胶结料充填，充填体强度1Mpa以上。-200m以下矿体矿房用尾砂胶结充填并接顶，充填体强度不低于1Mpa；矿柱用尾砂充填并接顶。

⑥如附图1～4所示，首先掘进阶段运输巷道16，然后掘进斜坡道，在斜坡道沿矿体走向按10m垂高掘进分段巷道14，再后掘进下盘出矿溜井11。在分段巷道中垂直矿体走向掘进分层联络道17直到矿体下盘边界。在分段巷道与出矿溜井之间掘进溜井联络巷15。回采作业中，在回采工作面，用Altlas-Copco公司生产的单臂液压凿岩台车打水平眼，孔深2.8m，排距1.0m，间距1.6m，人工装药，毫秒微差非电导爆雷管起爆。TORO-3.5M3铲运机将矿石直接铲运至下盘集中溜井，电动卡车装矿至地表或竖井侧主溜井，然后提升至地表。每分层回采完后进行采空区充填，充填前，先构筑充填隔离墙，然后架设充填管，当充填准备工作完成后再进行充填。

⑦为保证海底开采安全，除靠近海底位置的支撑矿柱与安全隔离层不能人为破坏外，在矿体上盘、矿柱及充填体内埋设了多种力学、位移测试装置，从而对施工现场进行长期观测；此外，对海底开采作业进行规范化，制定海底开采安全应急预案，确保海底开采安全、经济、科学和合理。

Claims (3)

1.一种海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法，其特征在于：

在矿体与海底之间预留安全隔离层；所述的安全隔离层的厚度为40-60m；

在垂高方向上从中腰将矿体分为上下二部分；所述中腰位置距海底海泥的垂高为100～150m；从矿体中腰位置开始回采，其上部采用上行式开采，下部采用下行式开采；所述的上行式开采采用留规则点柱的脉外无轨采准上向分层胶结充填法；所述的下行式开采采用脉外无轨采准普通分层充填采矿法，采场用充填料填实采空区。

2.根据权利要求1所述的海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法，其特征在于：上行式开采过程中，采用渐变点柱上向分层尾砂胶结充填采矿法，单个点柱尺寸上下一致，但在不同垂高位置，矿柱大小不同，越靠近海底，规则矿石点柱的尺寸增大；规则矿石点柱的尺寸范围为3m×3m～5m×5m；

在下行式开采过程中，随着开采深度的增加，逐渐将矿石点柱减少直到取消矿石点柱，并发展成为分矿房、矿柱回采的分层充填采矿法，矿石点柱取消后，在垂直走向将矿体分为矿房矿柱，先采矿房后采矿柱；矿房用尾砂胶结充填并接顶，充填体强度1～1.50Mpa；矿柱用尾砂充填并接顶。

3.根据权利要求1或2所述的海底厚大金属矿护顶下中腰双向式充填采矿法，其特征在于：上行式开采过程中，采用分段开采，划分回采单元；借助脉外无轨采准系统中的分段平巷向上开采至安全隔离层，分段平巷的分段高10m；所有采空区用尾砂、胶结剂充填接顶。

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