CN111119894B - 一种下向进路充填采矿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下向进路充填采矿方法，通过将开采区域从竖直方向上划分为交替分布的间隔充填层和完全充填层，并采用下向进路逐层开采方法，同时将由水泥熟料、全尾砂、废石、速凝剂制成的高强速凝充填材料和由水泥、活性矿渣、尾矿、速凝剂制成的低强速凝充填材料交替充填于间隔充填层和完全充填层的采空区中，从而使上层充填体受到下层高强充填体和低强充填体的共同支撑，防止上层充填体坍塌，保障采矿安全；同时还能够有效减少充填材料中水泥的使用量，降低充填成本，并通过在充填材料中添加少量的速凝剂可大大缩短等待充填材料达到预设强度所需的时间，以缩短回采时间，从而大大提高开采效率。
Description
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种下向进路充填采矿方法。
背景技术
充填采矿法作为一种在回采过程中使用充填料对采空区进行充填的采矿方法，能够利用充填材料进行支撑，防止围岩崩落和地表沉陷，保护地上、地表环境，最大限度地回收矿产资源，因而得到了广泛应用。根据矿体回采方向和充填方式的不同，充填采矿方法可以分为上向进路充填法、下向进路充填法、和嗣后充填采矿法。其中，下向进路充填法通过构筑人工假顶，从而在人工假顶的保护下，对矿体进行从上向下的逐层回采，并将充填材料填充至充填区内，具有安全可靠、贫化率低、回采效率高等优势，因而被广泛用于开采矿岩易破碎、矿石品位高或矿石价值高的有色金属及稀有金属矿。2012年，青菜冲矿通过多年的努力及准备后也继用沙坝矿、马路坪矿之后开始全面应用推广充填采矿方法，自此，开阳磷矿矿业总公司全面进入充填采矿方法的研究应用与推广。
青菜冲矿在充填采矿方法应用过程中发现，在矿房回采过程中，回采矿房的矿体因地质构造、矿体稳定程度、石门位置不对应等因素影响造成切割不能贯穿上分层、多个矿房脉内采准贯通等现象，最终导致回采时无污风回风通道及回采后无充填通道，给生产过程带来极大的安全隐患。在回采矿体较缓的矿体时矿石回收率也受到极大影响，造成巨额的经济损失。
为解决上述技术问题，申请号为CN201910439695.6的专利，提供了一种缓倾斜矿体预留顶柱回采的充填采矿方法，通过对矿区进行合理规划，施工两条凿岩巷道后，将原本较厚矿体回采时分为两部分，缩小了采场的顶板暴露面积，减少了人员、设备在采空场的作业时间，大大提高了人员和设备在回采过程中的安全性；同时，两步骤回采能高效回收底板三角矿，大大提高了矿石的回收率。然而，随着矿石品位的下降，矿山开采的经济效益不断降低，采用该充填采矿方法存在充填工艺复杂、充填材料用量较大，从而使开采成本较高，已逐渐难以满足市场的需求。因此，如何在保证开采安全和质量的条件下降低充填成本、提高采矿效益，是当前针对充填采矿方法的研究重点。
有鉴于此，亟需提供一种下向进路充填采矿方法，在保证采矿安全的同时降低充填成本，并缩短开采时间，提高开采效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种下向进路充填采矿方法，在保障采矿安全的同时降低充填成本、并大大提高矿石的回收率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种下向进路充填采矿方法，包括如下步骤：
S1、矿块划分：将开采区域从竖直方向上划分为交替分布的间隔充填层和完全充填层，形成采场顶板、采场底板和采场围岩；
S2、将所述间隔充填层和所述完全充填层均划分为若干交替分布的第一条块和第二条块；
S3、采场区域开采顺序为下向进路逐层开采，其中相邻间隔充填层与完全充填层的进路布置相互垂直；
S4、开采间隔充填层时，按条块隔一采一，先开采第一条块区域矿体，第一条块为充填条块，向所述充填条块内充填高强速凝充填材料，待充填体达到设计强度后，再开采第二条块区域矿体，第二条块为空场条块；
S5、开采完全充填层时，先开采第一条块区域矿体，第一条块充填体达到设计强度后开采第二条块区域矿体并向所述充填条块内充填低强速凝充填材料；
S6、从采场最上层的间隔充填层开始，按照上述步骤S4与步骤S5依次逐层开采至采矿采场底板，完成一个采场的作业。
作为上述方案的进一步限定，步骤S4中，所述高强速凝充填材料由如下质量百分比的原料组成：8～15％水泥熟料、30～40％全尾砂、50～60％废石、2～5％速凝剂；所述高强速凝充填材料充填时的浆料浓度为70～80％。
作为上述方案的进一步限定，步骤S5中，所述低强速凝充填材料由如下质量百分比的原料组成：5～8％水泥、10～20％活性矿渣、70～80％尾矿、1～3％速凝剂；所述低强速凝充填材料充填时的浆料浓度为60～70％。
作为上述方案的更进一步限定，所述速凝剂由硫酸镁、硅酸钠和无水硫铝酸钙按照质量比为1:(0.8～1.2):(1～2)混合而成。
作为上述方案的进一步限定，所述活性矿渣是将采矿过程中产生的矿渣破碎为小于30mm颗粒，在400℃预处理3h后球磨4h，再置于600℃煅烧2h，0.5h升温到900℃，保温2h，在0.5h冷却到室温后得到，活性矿渣粒径≤80μm。
作为上述方案的进一步限定，所述全尾砂中粒度小于20μm的极细颗粒质量分数为35％，粒度小于74μm的颗粒质量分数为65％。
作为上述方案的进一步限定，所述废石为采矿过程中产生并破碎至最大粒径为12mm的混合料，所述混合料由粒径范围为0.15～4.75mm、4.75～9.50mm、9.50～12.00mm的碎石按照重量比为1：(3～5)：(2～3)混合而成。
本发明通过将采矿过程中产生的废石进行破碎后形成不同粒径大小的碎石，通过不同粒径的碎石进行混合，使颗粒之间的接触更加紧密，从而使充填材料的振实密度及强度加大，以对顶板及围岩起到支撑作用，从而大大确保了回采作业的安全性，并改善充填料浆的流动性。同时废石作为矿山废渣的重要组成部分，将其作为采矿充填料浆中的粗骨料，还可以提高矿山开采固体废弃物的综合利用率，减少其他地表堆存造成的占地和环境污染等问题，并大大降低充填成本。
作为上述方案的进一步限定，所述预设强度为1Mpa。
作为上述方案的更进一步限定，所述间隔充填层的进路布置与相邻的所述完全充填层的进路布置正交且等高度交替分布。
作为上述方案的更进一步限定，所述间隔充填层与所述完全充填层中的所述第一条块和所述第二条块为宽度和高度相等的等截面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种下向进路充填采矿方法通过将高强速凝充填材料和低强速凝充填材料交替充填于间隔充填层和完全充填层的采空区中，从而使上层充填体受到下层高强充填体和低强充填体的共同支撑，防止上层充填体坍塌，保障采矿安全；同时还能够有效减少充填材料中水泥的使用量，降低充填成本，并通过在充填材料中添加少量的速凝剂可大大缩短等待充填材料达到预设强度所需的时间，以缩短回采时间，从而大大提高开采效率。
(2)本发明通过将采矿过程中产生的尾砂、废石代替部分硅酸盐水泥并合理调配各组分的含量制备混凝土作为高强速凝充填材料，能够在保证安全的情况下降低成本，提高采矿的经济效益，同时提高对矿山开采固体废弃物的综合利用率，以减少废弃物地表堆存造成的占地和环境污染等问题。
(3)本发明配制的低强速凝充填材料中使用了具有活性的矿渣代替部分水泥熟料，并以大量尾矿作为主要原料，不仅能够减少水泥的使用，降低充填成本，还能够在速凝剂的作用下，使充填材料快速凝结，并在早期达到较高强度，既为采矿安全提供保障，又能够有效降低充填后的等待时间，提高采矿效率。
(4)本发明配制的高强速凝充填材料中通过采用不同粒径的碎石，通过不同粒径的碎石进行混合，使颗粒之间的接触更加紧密，从而使充填材料的振实密度及强度加大，以对顶板及围岩起到支撑作用，从而大大确保了回采作业的安全性，并改善充填料浆的流动性，同时在速凝剂的作用下提高充填材料的凝结速度和强度，保障采矿安全。
(5)本发明通过配制含有硫酸镁、硅酸钠和无水硫铝酸钙的速凝剂，不仅能够降低凝结时间，还能够增强充填体的早期强度；其中，硫酸镁中的硫酸根离子能够抑制水泥熟料中石膏的溶解，从而降低石膏的缓凝效果，促进水化反应的进行，降低凝结速度；硅酸钠中的硅酸根离子能够和水泥熟料中的钙离子反应生成具有胶结性能的硅酸钙，达到加速凝结的效果；同时，硫酸镁和硅酸钠的添加能够提高浆体的碱度，从而激发活性矿渣及尾矿的活性，促进其二次水化，提高填充体的强度；而无水硫铝酸钙能够在硫酸镁和碱性环境的共同激发下和水混合形成多硫型水化硫铝酸钙，不仅能够促进浆体凝结，提高充填体强度，还能够产生一定的体积膨胀，保证充填体充分接顶，对顶板提供有效支撑；三者协同作用，使形成的充填体在保持较低成本的同时获得优异的支撑效果。
附图说明
图1为本发明一种下向进路充填采矿方法开采区域的纵向分层和横向分条块充填开采示意图。
图2为图1的A-A剖面图。
图3为图1的B-B剖面图。
图4为图1的C-C剖面图。
图中：1、间隔充填层；2、完全充填层；3、第一条块；4、第二条块；5、采场顶板；6、采场底板；7、采场围岩。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
如图1～4所示，一种下向进路充填采矿方法，包括如下步骤：
S1、矿块划分：将开采区域从竖直方向上划分为交替分布的间隔充填层1和完全充填层2，所述间隔充填层1的进路布置与相邻的所述完全充填层2的进路布置正交且等高度交替分布，形成采场顶板5、采场底板6和采场围岩7；
S2、将所述间隔充填层1和所述完全充填层2均划分为若干交替分布的第一条块3和第二条块4，所述间隔充填层1与所述完全充填层2中的所述第一条块3和所述第二条块4为宽度和高度相等的等截面；
S3、采场区域开采顺序为下向进路逐层开采，其中相邻间隔充填层1与完全充填层2的进路布置相互垂直；
S4、开采间隔充填层1时，按条块隔一采一，先开采第一条块3区域矿体，第一条块3为充填条块，向所述充填条块内充填高强速凝充填材料，待充填体达到1Mpa设计强度后，再开采第二条块4区域矿体，第二条块4为空场条块；
所述高强速凝充填材料由如下质量百分比的原料组成：8％水泥熟料、35％全尾砂、55％废石、2％速凝剂；
所述高强速凝充填材料充填时的浆料浓度为75％；所述全尾砂中粒度小于20μm的极细颗粒质量分数为35％，粒度小于74μm的颗粒质量分数为65％；
所述废石为采矿过程中产生并破碎至最大粒径为12mm的混合料，所述混合料由粒径范围为0.15～4.75mm、4.75～9.50mm、9.50～12.00mm的碎石按照重量比为1：4：2.5混合而成；
S5、开采完全充填层2时，先开采第一条块3区域矿体，第一条块3充填体达到1Mpa设计强度后开采第二条块4区域矿体并向所述充填条块内充填低强速凝充填材料；
所述低强速凝充填材料由如下质量百分比的原料组成：7％水泥、15％活性矿渣、75％尾矿、3％速凝剂；所述低强速凝充填材料充填时的浆料浓度为65％；
所述活性矿渣是将采矿过程中产生的矿渣破碎为小于30mm颗粒，在400℃预处理3h后球磨4h，再置于600℃煅烧2h，0.5h升温到900℃，保温2h，在0.5h冷却到室温后得到，活性矿渣粒径≤80μm；
S6、从采场最上层的间隔充填层1开始，按照上述步骤S4与步骤S5依次逐层开采至采矿采场底板6，完成一个采场的作业。
所述速凝剂由硫酸镁、硅酸钠和无水硫铝酸钙按照质量比为1:1:1.5混合而成。
实施例2-5
实施例2-5提供一种下向进路充填采矿方法，与实施例1相比，不同之处在于，改变步骤S4中，所述高强速凝充填材料的原料组成质量百分比，除上述区别外，其他操作均相同，在此不再赘述；具体条件参数及各充填体的凝结时间和抗压强度结果如下表所示。
由上表结果可知，改变步骤S4中所述高强速凝充填材料的原料组成质量百分比，会对凝结后的充填体的凝结时间和抗压强度产生显著影响，且实施例1原料配比下，形成的充填体的凝结时间和抗压强度综合性能最佳。对比实施例1～4与实施例5结果可知，本发明通过在所述高强速凝充填材料中添加2～5％的速凝剂，能够显著提升充填体的凝结时间和抗压强度。
实施例6-12
实施例6-12提供一种下向进路充填采矿方法，与实施例1相比，不同之处在于，改变步骤S4中，所述高强速凝充填材料中所述废石的粒径范围及重量配比，除上述区别外，其他操作均相同，在此不再赘述；具体条件参数及各充填体的抗压强度结果如下表所示。
由上表结果可知，改变步骤S4中所述高强速凝充填材料中所述废石的粒径范围及重量配比，会对凝结后的充填体的抗压强度产生显著影响，且实施例1原料配比下，形成的充填体的抗压强度综合性能最佳。对比实施例1、实施例6～7与实施例8～12结果可知，本发明通过采用粒径范围为0.15～4.75mm、4.75～9.50mm、9.50～12.00mm的碎石按照重量比为1：(3～5)：(2～3)级配混合而成，使颗粒之间的接触更加紧密，从而使充填材料的振实密度及强度加大，以对顶板及围岩起到支撑作用，从而大大确保了回采作业的安全性。
实施例13-16
实施例13-16提供一种下向进路充填采矿方法，与实施例1相比，不同之处在于，改变步骤S5中，所述低强速凝充填材料的原料组成质量百分比，除上述区别外，其他操作均相同，在此不再赘述；具体条件参数及各充填体的凝结时间和抗压强度结果如下表所示。
由上表结果可知，改变步骤S5中所述低强速凝充填材料的原料组成质量百分比，会对凝结后的充填体的凝结时间和抗压强度产生显著影响，且实施例1原料配比下，形成的充填体的凝结时间和抗压强度综合性能最佳。对比实施例1、实施例13～15与实施例16结果可知，本发明通过在所述低强速凝充填材料中添加1～3％的速凝剂，能够显著提升充填体的凝结时间和抗压强度。
实施例17-23
实施例17-23提供一种下向进路充填采矿方法，与实施例1相比，不同之处在于，改变所述高强速凝充填材料中速凝剂的组成及质量比，除上述区别外，其他操作均相同，在此不再赘述；具体条件参数及各充填体的凝结时间和抗压强度结果如下表所示。
对比实施例1、实施例17-18与实施例19～23结果可知，改变速凝剂的组成及质量比，会对高强速凝充填材料的初凝时间和终凝时间及抗压强度产生显著影响，且本发明通过硫酸镁、硅酸钠和无水硫铝酸钙按照质量比为1:(0.8～1.2):(1～2)混合制得的速凝剂，不仅能够降低凝结时间，还能够增强充填体的早期强度。这是由于硫酸镁中的硫酸根离子能够抑制水泥熟料中石膏的溶解，从而降低石膏的缓凝效果，促进水化反应的进行，降低凝结速度；硅酸钠中的硅酸根离子能够和水泥熟料中的钙离子反应生成具有胶结性能的硅酸钙，达到加速凝结的效果；同时，硫酸镁和硅酸钠的添加能够提高浆体的碱度，从而激发活性矿渣及尾矿的活性，促进其二次水化，提高填充体的强度；而无水硫铝酸钙能够在硫酸镁和碱性环境的共同激发下和水混合形成多硫型水化硫铝酸钙，不仅能够促进浆体凝结，提高充填体强度，还能够产生一定的体积膨胀，保证充填体充分接顶，对顶板提供有效支撑；三者协同作用，使形成的充填体在保持较低成本的同时获得优异的支撑效果。
以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、矿块划分：将开采区域从竖直方向上划分为交替分布的间隔充填层和完全充填层，形成采场顶板、采场底板和采场围岩；
S2、将所述间隔充填层和所述完全充填层均划分为若干交替分布的第一条块和第二条块；
S3、采场区域开采顺序为下向进路逐层开采，其中相邻间隔充填层与完全充填层的进路布置相互垂直；
S4、开采间隔充填层时，按条块隔一采一，先开采第一条块区域矿体，第一条块为充填条块，向所述充填条块内充填高强速凝充填材料，待充填体达到设计强度后，再开采第二条块区域矿体，第二条块为空场条块；
S5、开采完全充填层时，先开采第一条块区域矿体，第一条块充填体达到设计强度后开采第二条块区域矿体，并向充填条块内充填低强速凝充填材料；所述高强速凝充填材料和所述低强速凝充填材料中均含有速凝剂，所述速凝剂由硫酸镁、硅酸钠和无水硫铝酸钙按照质量比为1:(0.8~1.2):(1~2)混合而成；
S6、从采场最上层的间隔充填层开始，按照上述步骤S4与步骤S5依次逐层开采至采矿采场底板，完成一个采场的作业。
2.根据权利要求1所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，步骤S4中，所述高强速凝充填材料由如下质量百分比的原料组成：8~15%水泥熟料、30~40%全尾砂、50~60%废石、2~5%速凝剂；所述高强速凝充填材料充填时的浆料浓度为70~80%。
3.根据权利要求1所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，步骤S5中，所述低强速凝充填材料由如下质量百分比的原料组成：5~8%水泥、10~20%活性矿渣、70~80%尾矿、1~3%速凝剂；所述低强速凝充填材料充填时的浆料浓度为60~70%。
4.根据权利要求3所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，所述活性矿渣是将采矿过程中产生的矿渣破碎为小于30mm颗粒，在400℃预处理3h后球磨4h，再置于600℃煅烧2h，0.5h升温到900℃，保温2h，在0.5h冷却到室温后得到，活性矿渣粒径≤80μm。
5.根据权利要求2所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，所述全尾砂中粒度小于20μm的极细颗粒质量分数为35%，粒度小于74μm的颗粒质量分数为65%。
6.根据权利要求2所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，所述废石为采矿过程中产生并破碎至最大粒径为12mm的混合料，所述混合料由粒径范围为0.15~4.75mm、4.75~9.50mm 、9.50~12.00mm的碎石按照重量比为1：（3~5）：（2~3）混合而成。
7.根据权利要求1所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，所述设计强度为1Mpa。
8.根据权利要求1所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，所述间隔充填层的进路布置与相邻的所述完全充填层的进路布置正交且等高度交替分布。
9.根据权利要求1所述一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，所述间隔充填层与所述完全充填层中的所述第一条块和所述第二条块为宽度和高度相等的等截面。
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