CN108894782B - 一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，回采矿体时，首先在矿体内钻凿钻孔，然后在钻孔内注入液氮，形成低温环境，使得赋存在矿体节理裂隙中的水分冻结成冰，产生冻胀压力，促使矿体内部节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性并最终破裂，从而实现矿体自行冒落。本发明特别适用于节理裂隙与导水结构发育、可崩性较好、围岩中等稳固及以上的倾斜、厚大矿体地下开采。该方法崩落范围与崩矿量可控，且不会产生爆破震动、炮烟中毒等危害，具有作业安全、生产效率高、矿块生产能力大、采矿成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下硬岩矿山诱导冒落采矿法，尤其涉及一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法。
背景技术
针对松软破碎、节理裂隙发育、导水结构发育、可崩性较好的金属矿床，传统上多采用分段或阶段矿房法、分段或阶段崩落法进行开采。崩落采矿法具有生产能力大、便于组织管理、开采成本低等优点。但该方法对矿体的可崩性要求较高，如果矿体内的节理裂隙发育程度较低，则矿体的自然冒落很难持续进行，就需要采用炸药爆破进行强制崩落，而炸药爆破的爆破震动过大，范围难以精准控制、炮烟中毒、爆破能量利用率低等问题突出，使得崩落法的使用受到限制，难以进行安全高效的回采。
何荣兴等人在文《论诱导冒落与自然崩落》(何荣兴，任凤玉，谭宝会，刘洋，付煜，胡颖鹏.论诱导冒落与自然崩落[J].金属矿山，2017(3):9-14)中提出：金属矿山地下开采中能耗的30％～60％与岩体破碎有关，因此，诱导地压自行破岩逐渐成为矿业研究的热点。诱导冒落法和自然崩落法是目前最具代表性的利用诱导破岩的采矿方法。目前一些非爆破诱导破岩的方法，如机械切割技术、高压水射流技术、水力压裂、二氧化碳爆破技术、微波加热技术等开始应用，但存在施工工艺复杂、生产规模较小、作业效率和矿块生产能力低、采矿成本高等问题，使用效果不明显，也难以在厚大矿体中使用。因此，提出一种非爆破诱导冒落采矿法，提高矿岩的破碎效率，是实现诱导地压自行破岩的重点
冻胀是由于岩土体中水的冻结和冰体的增长引起岩土体膨胀的作用。冻胀对岩土工程的变形破坏是由于岩土体中含有不同的水量，经过低温冻结，体积增大，产生不同程度的冻胀力。冻胀作用在工程结构体上，会对工程造成很大的破坏和严重的经济损失。
在常压下，液氮温度为-196℃，1m3的液氮可以膨胀为696m3的21℃纯气态氮，汽化时可吸收周围大量热量。液氮具有制备简单、原料来源广泛等优点，在岩土体冻胀过程中，液氮可作为一种高效的制冷介质。
将人工冻结法应用于矿体开采方面，周科平等人在《一种人工冻结采场顶板深孔崩矿嗣后充填采矿法》(周科平，李杰林，邓红卫，高峰、杨念哥.一种人工冻结采场顶板深孔崩矿嗣后充填采矿法[R].ZL 201210377660.2)中提出了一种利用人工冻结方法，将松软破碎的采场顶板冻结成一个稳固的冻结体，人员和设备可进入采场，在冻结顶板下作业，同时采用大直径深孔崩矿嗣后充填的回采工艺，从而实现顶板极不稳固矿体安全高效开采的目的。但目前利用人工冻胀致裂的技术和理论进行矿体开采还缺乏研究。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种崩落范围与崩矿量可控、作业安全、生产效率高、矿块生产能力大、采矿成本低的低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，回采矿体时，首先在矿体内钻凿钻孔，然后在钻孔内注入液氮，形成低温环境，使得赋存在矿体节理裂隙中的水分冻结成冰，产生冻胀压力，促使矿体内部节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性并最终破裂，从而实现矿体自行冒落。
进一步的，根据采场结构尺寸和矿体的可崩性评价，首先确定冻胀致裂范围，计算出矿体低温冻胀时间和冻胀范围，以及所需的氮气量，完成冻胀钻孔设计、液态氮气充装设备选型，然后在采准巷道中依次进行：钻凿冻结孔、氮气充装管路的安装、氮气充装、冻胀系统运转、冻胀过程监测，矿体节理裂隙中的水分冻结并产生冻胀力，降低矿体的强度和完整性并最终破坏矿体稳定性，使得矿体自行冒落，最后使用铲运机从底部出矿巷道连续出矿，直到矿体回采完毕。
进一步的，包括如下步骤：
步骤一：对矿体进行工程地质调查，确定矿体节理裂隙的发育程度、水文地质、导水结构、围岩稳定性、矿岩物理力学参数；
步骤二：根据矿体的赋存状态和物理力学参数，进行矿体的可崩性评价，确定冻胀致裂范围，计算出矿体低温冻胀时间和冻胀范围，以及所需的氮气量，完成冻胀钻孔设计、液态氮气充装设备选型；
步骤三：确定采场的结构参数，选取适应的开采设备进行采准工程布置，包括阶段运输巷道、凿岩巷道、溜井、观察天井、切帮巷道与平巷；然后在凿岩巷道中进行钻凿冻结孔、液氮充装管路安装、冻结系统的安装与调试、冻结系统运转、工程监测；
步骤四：在水相变冻胀力、液氮气化膨胀力的共同作用下，促使矿体中节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性，致使矿体破裂并自行冒落，同时破坏矿石自然冒落过程中形成的平衡拱，控制矿体崩落的时空界限；崩下的矿石经底部出矿巷道放出，采用铲运机出矿。
进一步的，采场的结构参数为：阶段高度60-100m，矿块长度30-60m，分段高度10-15m，出矿进路间距10-15m。
进一步的，所述的矿体为节理裂隙和导水结构发育、可崩性较好、围岩中等稳固及以上的倾斜、厚大矿体。
采用上述技术方案的低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，在节理裂隙和导水结构发育、可崩性较好的厚大矿体开采中，利用人工冻结技术，钻凿钻孔并注入液态氮气，运行冻结系统；利用液态氮气的气化作用吸收大量的热量，形成低温环境，赋存在矿体内的节理裂隙水冻结成冰；在水相变冻胀力、液氮气化膨胀力的共同作用下，对矿体进行诱导致裂，促使矿体内部节理裂隙的扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性并最终破裂，从而实现矿体自行冒落；同时，利用冻胀致裂的方式避免爆破震动对周围井巷工程稳定性的损伤、炮烟对井下工作人员的危害，达到安全高效采矿的目的。
本发明适用于地下金属矿围岩顶板中等稳固、节理裂隙及导水结构发育、可崩性较好的松软破碎不稳固矿体回采中。
本发明采用液氮制冷，矿体在水相变冻胀力、液氮气化膨胀力的共同作用下，促使矿体节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性并最终破裂，诱导矿体自行冒落，以物理作用方式取代了传统的(炸药)化学爆炸，没有有毒有害气体的排放，冻结系统可重复使用，操作简单，生产的安全性得到大幅提高，采矿成本大幅降低。
综上所述，本发明针对目前诱导破岩技术的不足，通过液氮的相变对岩体进行冻胀致裂，为矿体诱导冒落采矿提供一种更加高效的诱导地压自行破岩方法，适用于节理裂隙与导水结构发育、围岩中等稳固及以上的倾斜、厚大矿体地下开采，尤其适用于厚大、破碎、导水结构发育、可崩性较好的地下金属矿体开采。该方法崩落范围与崩矿量可控，且不会产生爆破震动、炮烟中毒等危害，具有作业安全、生产效率高、矿块生产能力大、采矿成本低的特点。
附图说明
图1为低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法主视图；
图2为沿图1中Ⅱ-Ⅱ线剖面图；
图3为沿图1中Ⅲ-Ⅲ线剖面图；
图4为冻胀致裂系统安装示意图；
其中：1-阶段运输平巷；2-穿脉出矿横巷；3-分段出矿横巷；4-出矿进路；5-联络道；6-溜井；7-切帮天井；8-切帮巷道；9-观察天井；10-观察巷道；11-观察钻孔；12-矿体崩落边界；13-矿石；14-冻结孔；15-钻孔密封装置；16-液氮输送管路；17-冻结控制系统；18-原始节理裂隙面；19-冻胀裂纹。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参见图1-图4，一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，包括如下步骤：
针对节理裂隙和导水结构发育的松散破碎矿体，对矿体进行工程地质调查，确定矿体节理裂隙的发育程度、水文地质、导水结构、围岩稳定性、矿岩物理力学等参数。
根据矿体的赋存状态和物理力学参数，进行矿体的可崩性评价，确定冻胀致裂范围，计算出矿体低温冻胀时间和冻胀范围，以及所需的氮气量，完成冻胀钻孔设计、液态氮气充装设备选型。
依据地质调查结果选取采场的结构参数，通常阶段高度取60～100m，矿块长度取30～60m，分段高度10～15m，出矿进路间距10～15m。
确定采场的结构参数，选取适应的开采设备进行采准工程布置，包括阶段运输巷道、凿岩巷道、溜井、观察天井、切帮巷道与平巷；然后在凿岩巷道中进行钻凿冻结孔、液氮充装管路安装、冻结系统的安装与调试、冻结系统运转、工程监测等工序。在水相变冻胀力、液氮气化膨胀力的共同作用下，促使矿体中节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性，致使矿体破裂并自行冒落，同时破坏矿石自然冒落过程中形成的平衡拱，控制矿体崩落的时空界限；崩下的矿石经底部出矿巷道放出，采用铲运机出矿。
采用传统的矿山开拓采准方法，沿矿体走向掘进阶段运输平巷1和穿脉出矿横巷2；在矿体底部掘进分段出矿横巷3和出矿进路4，同时掘进出矿进路间的联络道5；在矿体下盘的穿脉出矿横巷向上掘进溜井6到分段出矿横巷，溜井间距与穿脉出矿横巷间距相等。在矿块的四角向上掘进4条切帮天井7，自切帮天井底部起每隔一定间距沿矿块周边掘进切帮巷道8；同时在矿体外围布置观察天井9，自观察天井向矿体方向掘进观察巷道10，并与矿体内部的切帮巷道相连。在顶部的切帮巷道中部，向下钻凿小直径的观察钻孔11，实时观察下部矿体顶板冒落情况。
回采过程中，首先从中央向两端进行拉底作业，使用微差爆破一次完成，形成矿块底部的冒落空间。此时，通过观察巷道10和观察钻孔11，确定矿体冒落边界12的状态，进而确定上部矿体的冻胀范围。在上部的切帮巷道8中，向下钻凿冻结孔14，并在冻结孔上部安装钻孔密封装置15，防止液氮泄露到上部空间中，其中冻结孔14的布置参数根据节理裂隙发育程度以及矿体的崩落情况确定；然后连接钻孔之间的液氮输送管路16，同时安装冻结控制系统17。在液氮气化的物理作用下，矿体中的节理裂隙水冻结产生冻胀压力，使得矿体中的原始节理裂隙面18在拉应力的作用下持续扩展、发育，从而产生大量的次生冻胀裂纹19，造成矿体在自重应力的作用下沿节理裂隙面不断的冒落。回采过程中，通过控制矿体各个分段的冻胀时间，从而控制矿体节理裂隙的发育程度，使得矿体从下向上依次冒落，实现矿石连续不断的生产。
矿块采用平底结构出矿，设计参数由铲运机型号及其安全运行的可靠度、矿块生产能力来确定。冒落的矿石13在自重的作用下沿堑沟聚集到出矿巷道中，由铲运机将矿石运送到溜井下放到阶段运输巷道1中。放矿时，先放出三分之一，余矿留待全阶段冒落完成后大量放矿。
使用冻胀致裂诱导矿体冒落法，克服传统炸药爆炸带了的爆破震动、炮烟等种种弊端，提高了采矿作业的效率，降低了开采成本及矿石损失率、贫化率，是一种安全高效的开采方式。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，其特征在于：回采矿体时，首先在矿体内钻凿钻孔，然后在钻孔内注入液氮，形成低温环境，使得赋存在矿体节理裂隙中的水分冻结成冰，产生冻胀压力，促使矿体内部节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性并最终破裂，从而实现矿体自行冒落；
根据采场结构尺寸和矿体的可崩性评价，首先确定冻胀致裂范围，计算出矿体低温冻胀时间和冻胀范围，以及所需的氮气量，完成冻胀钻孔设计、液态氮气充装设备选型，然后在采准巷道中依次进行：钻凿冻结孔、氮气充装管路的安装、氮气充装、冻胀系统运转、冻胀过程监测，矿体节理裂隙中的水分冻结并产生冻胀力，降低矿体的强度和完整性并最终破坏矿体稳定性，使得矿体自行冒落，最后使用铲运机从底部出矿巷道连续出矿，直到矿体回采完毕；
具体包括如下步骤：
步骤一：对矿体进行工程地质调查，确定矿体节理裂隙的发育程度、水文地质、导水结构、围岩稳定性、矿岩物理力学参数；
步骤二：根据矿体的赋存状态和物理力学参数，进行矿体的可崩性评价，确定冻胀致裂范围，计算出矿体低温冻胀时间和冻胀范围，以及所需的氮气量，完成冻胀钻孔设计、液态氮气充装设备选型；
步骤三：确定采场的结构参数，选取适应的开采设备进行采准工程布置，包括阶段运输巷道、凿岩巷道、溜井、观察天井、切帮巷道与平巷；然后在凿岩巷道中进行钻凿冻结孔、液氮充装管路安装、冻结系统的安装与调试、冻结系统运转、工程监测；
步骤四：在水相变冻胀力、液氮气化膨胀力的共同作用下，促使矿体中节理裂隙扩展、发育和贯通，降低矿体的强度和完整性，致使矿体破裂并自行冒落，同时破坏矿石自然冒落过程中形成的平衡拱，控制矿体崩落的时空界限；崩下的矿石经底部出矿巷道放出，采用铲运机出矿。
2.根据权利要求1所述的低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，其特征在于：采场的结构参数为：阶段高度60-100m，矿块长度30-60m ，分段高度10-15m，出矿进路间距10-15m。
3.根据权利要求1或2所述的低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法，其特征在于：所述的矿体为节理裂隙和导水结构发育、可崩性好且围岩中等稳固的倾斜厚大矿体。
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