CN108643912A - 一种诱导冒落嗣后充填采矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属矿床地下采矿技术领域，尤其涉及一种诱导冒落嗣后充填采矿方法。方法如下：沿矿体走向垂直分条划分采场，将每个采场从下到上分为底部出矿区、控制冒落区、诱导冒落区、监测充填区和地表保护区；从底部出矿区开采，形成采空区，控制冒落区中的矿石因诱导冒落而向底部出矿区中的采空区冒落，冒落的矿体从底部出矿区被开采出；控制冒落区因其中矿体冒落而出现空区时，诱导冒落区的围岩自然下落填充下部空区并保留在采场中；诱导冒落区出现空区时，经监测充填区向诱导冒落区的空区中实时注入填充物料。本发明提供的诱导冒落嗣后充填采矿方法，人工充填冒落空区实现采充分离，有效提高矿体的开采效率。

Description

一种诱导冒落嗣后充填采矿方法

技术领域

本发明属于金属矿床地下采矿技术领域，尤其涉及一种诱导冒落嗣后充填采矿方法。

背景技术

在我国，平原富水地区埋藏较深的大型铁矿床正在大量投入开采，由于地表不允许塌陷，不能采用崩落法处理采空区，而对采空区用锚索或锚杆加固，只是一种临时措施，要彻底根除采空区带来的安全隐患，对此类矿床需用充填法开采。

常规充填法是利用地表露天剥离的废石、井下开采废石或选矿尾砂作为主要充填骨料，通过采空区的钻孔、天井或充填管道将充填料自流(或加压)充填至井下采空区。用充填料减缓或阻止围岩的变形，以保持其相对稳定。

常规充填法存在以下缺点：1、回采工艺和充填工艺复杂；2、充填和采矿互相影响，如果回采作业机械化不能妥善解决，则生产效率和生产能力都比较低；3、充填料的开采，加工、输送及其他一系列消耗使矿石成本较高；4、劳动强度大。

尤其是热液交代型矽卡岩型铁矿床，受地质成矿作用的影响，矿体与近矿围岩稳定性差，允许空场的尺寸小，采矿效率低下，而且采场容易发生塌冒事故，生产可靠性差。采场塌冒造成充填困难，采空区得不到有效充填，容易引起上覆岩层变形破坏，使地表得不到有效保护。

因此，在铁矿山软破厚大矿体开采中，因矿体与近矿围岩稳定性差、采场尺寸小、空场容易塌冒等原因，常常导致矿山难以实现设计产能，采矿效益低下，且常规充填法生产效率低而成本高，低价铁矿山经济上难以承受。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种诱导冒落嗣后充填采矿方法，人工充填冒落空区实现采充分离，有效提高矿体的开采效率。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种诱导冒落嗣后充填采矿方法，沿矿体走向垂直分条划分采场，将每个采场从下到上分为：底部出矿区、控制冒落区、诱导冒落区、监测充填区和地表保护区；从底部出矿区开采，底部出矿区中形成采空区，控制冒落区中的矿石因诱导冒落而向底部出矿区中的采空区冒落，冒落的矿体从底部出矿区被开采出；控制冒落区因其中矿体冒落而出现空区时，诱导冒落区的近矿围岩自然下落填充下部空区并保留在采场中；诱导冒落区出现空区时，经监测充填区向诱导冒落区的空区中实时注入填充物料；若监测充填区的下部出现空区，则实时向监测充填区的空区注入填充物料。

进一步地，在底部出矿区出矿以前，在控制冒落区中与底部出矿区邻接的部分内布置多个拉底巷道，并在控制冒落区中且在拉底巷道回采空区之上的采场周边布置切帮巷道，回采时将每相邻两个拉底巷道之间的矿体崩透，形成连续采空区，诱导连续采空区上部的矿岩自然冒落。

进一步地，切帮巷道与拉底巷道之间的垂直距离为12～15m。

进一步地，拉底巷道回采时，侧边至少布置三个用于崩透矿体的炮孔。

采场的宽度大于等于诱导冒落区内顶部岩体的临界冒落跨度，并且小于等于监测充填区内顶部的临界冒落跨度。

进一步地，采场的宽度由如下公式确定：

式中：B为采场宽度，m；Tc为监测充填区岩体抗压强度，t/m²；d为空区顶板承载水平力的有效厚度，d＝1.05～1.60，m；H为矿体顶板埋深，m；h为矿体回采高度，m；η为冒落岩体碎胀系数，η＝1.2～1.3；γ为顶板岩体平均体重，t/m³；k为保险系数，是安全系数的倒数，k＝0.5～0.8；h_m为矿体顶板到地表保护区底部高度，m；H_b为地表保护区厚度，m。

进一步地，在地表保护区内，在地表强度弱化岩层之下，稳定岩层的厚度大于等于采场宽度的1.2倍。

进一步地，采场回采结束后，实时向诱导冒落区和监测充填区中滞后冒落形成的空区充填。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的诱导冒落嗣后充填空区采矿方法，利用矿岩冒落规律开采矿石，利用岩石自然冒落和人工充填滞后冒落形成的空区，实现采充分离，提高了开采效率并确保地表安全。

2、本发明提供的诱导冒落嗣后充填空区采矿方法安全、环保，同时节省落矿费用，降低人工劳动强度。

3、本发明提供的诱导冒落嗣后充填空区采矿方法特别适用于地表需要保护的埋藏深度超过矿体铅直厚度5倍以上的中等稳定以下的厚大矿体，特别是厚大破碎矿体的充填法开采。

附图说明

图1为本发明诱导冒落嗣后充填采矿方法的采场结构图；

图2为本发明诱导冒落嗣后充填采矿方法的采场内部结构布置图；

图3为本发明诱导冒落嗣后充填采矿方法的采场内部结构布置的侧视图；

图4为本发明诱导冒落嗣后充填采矿方法的采场内部结构布置的俯视图；

图5为本发明诱导冒落嗣后充填采矿方法的实施例中底部出矿区出矿横穿支护形式图；

图6为本发明诱导冒落嗣后充填采矿方法的实施例中底部出矿区出矿巷道支护形式图。

【附图标记说明】

1：下盘运输巷道；2：穿脉巷道；3：上盘运输巷道；4：阶段斜坡道；5：分段巷道；6：矿石溜井；7：出矿巷道；8：堑沟巷道；9：出矿横穿；10：回风巷道；11：拉底巷道；12：切割井；13：切帮巷道；14：上阶段运输巷；15：监控充填联巷；16：监控充填巷道；17：充填巷道；18：充填钻孔；19：监控充填钻孔；20：回采炮孔；A1：底部出矿区；A2：控制冒落区；A3：诱导冒落区；A4：监测充填区；A5：地表保护区；B1：矿体；B2：近矿围岩；B3：稳定岩层；B4：地表弱化岩层；C1、C2：一步采场；D：二步采场；M：锚索；N：锚杆。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，在本实施例中，一种诱导冒落嗣后充填采矿方法，沿矿体走向垂直分条划分采场，将采场从下到上分为：底部出矿区A1、控制冒落区A2、诱导冒落区A3、监测充填区A4和地表保护区A5；其中底部出矿区A1和控制冒落区A2位于矿体B1内，诱导冒落区A3位于近矿围岩B2中，监测充填区A4和地表保护区A5的下部位于稳定岩层B3内，地表保护区A5的上部位于地表弱化岩层B4(第四纪与风化层等)中。

本实施例中，从底部出矿区A1开采，底部出矿区A1中形成采空区，控制冒落区A2中的矿石因诱导冒落而向底部出矿区A1中的采空区冒落，冒落的矿体从底部出矿区A1被开采出；控制冒落区A2因其中矿体冒落而出现空区时，诱导其上部诱导冒落区A3的近矿围岩自然下落填充下部空区并保留在采场中；诱导冒落区A3出现空区时，经监测充填区A4向诱导冒落区A3的空区中实时注入填充物料；若监测充填区A4的下部出现空区，则实时向监测充填区A4的空区注入填充物料，因此，可通过监测充填区A4监测冒落进度并充填冒落空区，使岩体冒落活动不涉及地表保护区A5。

本实施例中采场内矿体厚(即矿体回采高度)41m，矿体顶板埋深384.3m，根据矿体厚度条件与上覆稳定岩层位置，矿体顶板到地表保护区A5底部高度取为190m，地表保护区A5厚度为194.4m。采场宽度大于等于诱导冒落区A3内顶部岩体的临界冒落跨度，并且小于等于监测充填区A4内顶部的临界冒落跨度，按下式计算：

式中：为B采场宽度，m；Tc为监测充填区A4岩体抗压强度，t/m²；d为空区顶板(即使空区存在的顶部岩体)承载水平力的有效厚度，一般d＝1.05～1.60，m；H为矿体顶板埋深，m；h为矿体回采高度，m；η为冒落岩体碎胀系数，η＝1.2～1.3，当岩体完整性系数大于0.5时取较大值，反之，取较小值；γ为顶板岩体平均体重，t/m³；k为保险系数，是安全系数的倒数，k＝0.5～0.8，当地表保护区厚度较小和矿体厚度较大时取较小值，当地表保护区厚度较大和矿体厚度较低小时取较大值；h_m为矿体顶板到地表保护区A5底部高度，m；H_b为地表保护区A5厚度，m。根据上式计算值，结合矿体产状与采准工程布置的便利条件确定采场宽度。

本实施例中矿体上覆较稳定灰岩体的岩石抗压强度为68.68MPa，岩体完整性系数为0.58，则有：Tc＝68.68×0.58＝39.83MPa＝4063.11t/m²，h＝41m，H＝384.3m，H_b＝194.4m，h_m＝190m，岩体体重γ＝2.7t/m³，取η＝1.3，k＝0.5，代入上式计算得：

34.6m≤B≤56.1m

根据采准工程布置的便利条件，选定采场宽度为36m。

诱导冒落区A3岩体的自然冒落高度，由采场宽度控制，即利用在控制冒落区A2形成的采空区的宽度，诱导该区岩体自然冒落。冒落的岩石量，满足及时充填矿体内空区、挤住相邻采场边界使之不发生片落的要求。

此外，由于稳定岩层的厚度一般大于等于采场宽度的1.2倍，因此，可以通过采场宽度来限定稳定岩层的厚度至少为44m，以此保证采矿的安全性。

如图2所示，为提高矿体回采率，底部出矿区A1包括堑沟巷道8、出矿巷道7和出矿横穿9，一般布置在下盘围岩里，开掘岩石高度(从巷道顶板算起)不超过6m，底部出矿区A1用于放出本区内形成受矿工程前崩落的矿石和控制冒落区A2诱导冒落的矿石，形成采空区。进一步地，在底部出矿区A1最内侧还设置有回风巷道10，回风巷道10与矿体外界连通，满足作业人员在矿体内对新鲜空气的需求。

在底部出矿区A1出矿以前，在控制冒落区A2内布置切割井12、多个拉底巷道11和切帮巷道13，拉底巷道11位于控制冒落区A2中与底部出矿区A1邻接的部分，与矿体走向垂直，切割井12位于控制冒落区A2中靠近矿体的内侧与拉底巷道11垂直的部分，切帮巷道13在控制冒落区A2中且在拉底巷道11回采空区之上的采场周边布置，垂直切割井12与拉底巷道11并配以扇形中深孔爆破方法，取分段高度15m，即在堑沟巷道8之上15m水平进行拉底，拉底巷道11的崩矿高度(从巷道顶板算起)取15m，拉底巷道11的布置位置需满足便于完整崩落本分段内的矿石、在每两条拉底巷道11之间形成连续采空区的要求。在拉底巷道11采空区顶板之上，在采场矿体内每隔15m布置一层切帮巷道13，用于辅助诱导冒落矿石，并控制矿体冒落边界。进一步地，切帮巷道13位于一步采场(C1、C2示出区域)边界内，矿石比较破碎时自然塌落；中等稳定以上时凿岩爆破，形成6～9m的切割槽(从巷道底板算起)，以控制矿体及时冒落。由此，在本实施例中，冒落进度主要指冒落高度，用采场宽度控制；冒落范围主要指冒落宽度，由切帮工程控制。

回采时，拉底巷道11侧边布置回采炮孔20，回采炮孔20用于将每相邻两个拉底巷道11之间的矿体崩透，形成连续采空区，诱导控制冒落区A2的上部矿石自然向底部出矿区A1中的采空区冒落，利用切帮巷道控制矿石按切帮边界自然冒落，冒落的矿石从底部出矿区A1被开采出，各分段采准工程由采区阶段斜坡道4与分段巷道5连接。

进一步地，由于本实施例中矿石破碎，采用分次凿岩方式，每次凿岩5排炮孔，炮孔排距1.8m，孔底距2.9～3.8m。回采炮孔20的布置形式，需保证拉底巷道11之间的矿体完整崩透，并尽可能多地放出矿石，增大松动范围，以减小下部出矿巷道13的采动压力，为此，需保证边界炮孔不小于3个。每次凿岩后立即回采，崩落矿石从拉底巷道11端部口放出50％左右，保持巷道端部口不敞空。回采工作面剩下2排炮孔时，进行下次凿岩。

诱导冒落区A3一般不布置工程，在控制冒落区A2因其中矿体冒落而出现空区时，诱导冒落区A3依靠空区跨度，诱导该区岩体自然冒落，冒落的岩石及时充填矿体内的空区并保留在采场中，保护相邻采场边界不片落。

在监测充填区A4布置在诱导冒落区A3之上且邻接地表保护区A5的比较稳定的岩层里，垂直于矿体走向依次设置上阶段运输巷14、监控充填联巷15、监控充填巷道16和充填巷道17，有时也布置废石充填井；在监测充填区A4中上阶段运输巷14、监控充填联巷15、监控充填巷道16和充填巷道17的下方设置充填钻孔18和监控充填钻孔19，其中监控充填联巷15和充填巷道17垂直向下均与充填钻孔18连接，监控充填巷道16垂直向下与监控充填钻孔19连接，监测充填区A4完成冒落过程监测与冒落空区充填，监控与充填工程的平面位置，也是冒落控制线位置，严格控制冒落高度不超过冒落控制线。

当诱导冒落区A3出现空区时，经充填钻孔18和监控充填钻孔19向诱导冒落区A3的空区中实时注入填充物料，使岩体冒落活动终止于该内区，不波及地表保护区A5。当监测充填区A4出现空区时，可通过在地表保护区A5设置废石充填井，向空区实时注入充填物料。当冒落控制线之上出现断层或其它不稳结构时，或岩体稳定性较差时，在采场投影面内预先打控顶工程，施工长锚索或长锚杆等，支护其上围岩，控制空区冒落拱终止于冒落控制线，确保地表保护区A5安全。进一步地，监测充填巷道16与监测充填钻孔19在底部结构大量出矿之前施工完毕，充填钻孔18接续监测充填钻孔19施工。

采矿过程

先施工拉底巷道11、切帮巷道13、上阶段运输巷14和监控充填联巷15，其中切帮巷道13、上阶段运输巷14和监控充填联巷15在拉底巷道11回采之前施工完毕。拉底巷道11的数量依采场宽度而定，当采场宽度较大、或矿体破碎炮孔爆破可靠性较差时，每一个由堑沟巷道8、出矿巷道7与出矿横穿9构成的底部结构，可布置3条拉底巷道11，其中一条布置在出矿巷道7的正上方，以确保在拉底巷道11回采后出矿巷道7处于卸压区内。在拉底巷道11掘成后，立即进行凿岩。

位于底部结构区的堑沟巷道8接续拉底巷道11施工，堑沟巷道8的凿岩与回采方式与其上拉底巷道11相同，但要滞后拉底巷道11回采，滞后的距离大于等于5个步距。在堑沟巷道8回采后，掘进出矿巷道7和出矿横穿9。进一步地，为便于大块矿石的放出，采用平底堑沟底部结构，并使用卸压开掘与如图5、6所示的喷锚网+长锚索支护形式(图中示出了锚索M和锚杆N)使出矿巷道7具有足够的稳定性，确保底部结构的稳定，出矿横穿9进行大量出矿。

进一步地，拉底巷道11与堑沟巷道8回采时，每一步距出矿到微露空区为止，保持端部口不敞空，以避免采空区围岩大批量冒落可能产生的冲击危害；当采空区围岩对回采安全构成威胁时，需留下自进路顶板算起厚度不小于3m的矿石安全垫层，避免采空区围岩突然较大规模冒落造成的冲击危害。

堑沟巷道8矿石出矿结束后，回采出矿巷道7，以回收脊部残留体。在出矿巷道7回采结束后，集中充填上部冒落空区，完成一步采场(C1、C2)的回采工作。待充填体渗干后，开始回采二步采场(D示出区域)。

二步采场(图中以D示出)与一步采场(同种以C1、C2示出)间隔回采，同步距退采拉底巷道11，控制矿体均匀冒落，与一步采场的区别，仅在于不需要布置切帮巷道13，同时需要合理安排出矿口位置与出矿方式，保持采场冒落的矿石平面下降，其余的采准、回采与监测充填等工作，与一步采场相同。

采用铲运机进行采场运搬，拉底巷道11与底部结构采出的矿石，倒入矿石溜井6，下放到穿脉巷道2装车，经下盘运输巷道1和上盘运输巷道3运走。

采场回采结束后，通过充填钻孔18和监控充填钻孔19，充填围岩滞后冒落形成的空区，多次充填，直至充填料充满空区为止。

综上，首先，本实施例提供的诱导冒落嗣后充填空区采矿方法，利用矿岩冒落规律开采矿石，利用岩石自然冒落和人工充填滞后冒落形成的空区，实现采充分离，提高了开采效率并确保地表安全。其次，本实施例提供的诱导冒落嗣后充填空区采矿方法安全、环保，同时节省落矿费用，降低人工劳动强度。再次，本实施例提供的诱导冒落嗣后充填空区采矿方法特别适用于地表需要保护的埋藏深度超过矿体铅直厚度5倍以上的中等稳定以下的厚大矿体，特别是厚大破碎矿体的充填法开采。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：沿矿体走向垂直分条划分采场，将每个所述采场从下到上分为：底部出矿区、控制冒落区、诱导冒落区、监测充填区和地表保护区；

从所述底部出矿区开采，所述底部出矿区中形成采空区，所述控制冒落区中的矿石因诱导冒落而向所述底部出矿区中的采空区冒落，冒落的矿体从所述底部出矿区被开采出；

所述控制冒落区因其中矿体冒落而出现空区时，所述诱导冒落区的近矿围岩自然下落填充下部空区并保留在所述采场中；

所述诱导冒落区出现空区时，经所述监测充填区向所述诱导冒落区的空区中实时注入填充物料；

若所述监测充填区的下部出现空区，则实时向所述监测充填区的空区注入填充物料。

2.根据权利要求1所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：

在所述底部出矿区出矿以前，在所述控制冒落区中与所述底部出矿区邻接的部分内布置多个拉底巷道，并在所述控制冒落区中且在所述拉底巷道回采空区之上的采场周边布置切帮巷道，回采时将每相邻两个所述拉底巷道之间的矿体崩透，形成连续采空区，诱导所述连续采空区上部的矿岩自然冒落。

3.根据权利要求2所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：所述切帮巷道与所述拉底巷道之间的垂直距离为12～15m。

4.根据权利要求2所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：所述拉底巷道回采时，侧边至少布置三个用于崩透矿体的炮孔。

5.根据权利要求1所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：所述采场的宽度大于等于所述诱导冒落区内顶部岩体的临界冒落跨度，并且小于等于所述监测充填区内顶部的临界冒落跨度。

6.根据权利要求1所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：所述采场的宽度由如下公式确定：

式中：B为采场宽度，m；Tc为监测充填区岩体抗压强度，t/m²；d为空区顶板承载水平力的有效厚度，d＝1.05～1.60，m；H为矿体顶板埋深，m；h为矿体回采高度，m；η为冒落岩体碎胀系数，η＝1.2～1.3；γ为顶板岩体平均体重，t/m³；k为保险系数，是安全系数的倒数，k＝0.5～0.8；h_m为矿体顶板到地表保护区底部高度，m；H_b为地表保护区厚度，m。

7.根据权利要求1所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：在所述地表保护区内，在地表强度弱化岩层之下，稳定岩层的厚度大于等于所述采场宽度的1.2倍。

8.根据权利要求1所述的诱导冒落嗣后充填采矿方法，其特征在于：采场回采结束后，实时向所述诱导冒落区和所述监测充填区中滞后冒落形成的空区充填。