CN113605971B - 一种防止充填体失稳的充填结构及其应用的采矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止充填体失稳的充填结构及其应用的采矿方法，充填结构包括充填体和底柱矿体，充填体将底柱矿体上方的采空区回填，充填体底部设置缓冲垫层，缓冲垫层夹设在充填体和底柱矿体之间。采矿过程中利用泡沫板创造应力波吸收层防止充填体失稳，当上部采场采用采用上向水平分层充填法回采完毕并进行充填前，在采空区底板铺设一层具有一定强度的泡沫板，以便在底柱矿体回采过程中充分反射并吸收爆破应力波，使得衰减后的应力波不会造成充填体损伤，充填体能保持稳定性，在底柱矿体回采过程中泡沫板不发生脱落，保障底柱矿体回采过程中采空区的安全性和充填体的稳定性，底柱矿体采空区安全性能好，能安全高效完成底柱矿体回采作业。

Description

一种防止充填体失稳的充填结构及其应用的采矿方法

技术领域

本发明涉及一种防止充填体失稳的充填结构及其施工方法，属于矿山充填防护技术。

背景技术

上向水平分层充填法、上向分层进路充填法和嗣后充填采矿法在施工时常留设底柱矿体以保证充填体稳定性，因此造成资源浪费，随着国内大部分矿山资源枯竭，须对底柱矿体进行回收。底柱矿体回采过程中，充填体在爆破应力波的作用下会产生裂隙，严重时发生顶板下沉、冒落、矿壁片帮等问题，时刻影响底柱矿体采矿区的安全和充填体的稳定性。

为了保护充填体稳定性和人员作业安全，目前较常用的方法主要有：采场爆破时预留一定厚度不进行装药，若预留厚度太大，则容易生成大块，若预留厚度太小，则在回采底柱矿体时将损伤充填体；对于上部采场，则采用高强度加筋充填体假顶，但充填成本提高，工序复杂，且在底柱矿体回收过程中的爆炸应力波仍然会损伤假顶，使得充填体失稳。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对底柱矿体回采爆破时容易损伤充填体假顶的问题，提供一种防止充填体失稳的充填结构及其施工方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种防止充填体失稳的充填结构，包括充填体和底柱矿体，所述充填体将底柱矿体上方的采空区回填，所述充填体底部设置缓冲垫层，所述缓冲垫层夹设在充填体和底柱矿体之间。

本发明的一种防止充填体失稳的充填结构中，进一步的，所述缓冲垫层与充填体的接触面上设有若干锚固凸起，所述锚固凸起锚固嵌入充填体内部。

本发明的一种防止充填体失稳的充填结构中，进一步的，所述缓冲垫层为若干拼接板平铺拼接形成，相邻拼接板之间通过捆扎带固定，所述捆扎带的末端在缓冲垫层与充填体的接触面一侧形成向上的锚固凸起。

在本发明的一种防止充填体失稳的充填结构中，所述缓冲垫层为泡沫板。

本发明还公开了一种上述防止充填体失稳的充填结构应用的采矿方法，具体包括如下步骤：

步骤一，分层矿体开采结束后，平整采空区；

步骤二，根据采空区底板面积准备好缓冲垫层需要的泡沫板；

步骤三，在采空区底板上铺设泡沫板，并使之拼接相连形成缓冲垫层；

步骤四，在缓冲垫层上对采空区进行充填作业,待充填体稳定后继续上采，直至整个采场回采结束；

步骤五，待上部充填体稳定后，回采底柱矿体，在底柱矿体开挖切割槽进行分区回采；

步骤六，在下部凿岩平巷内钻凿上向扇形中深炮孔，装药后以切割槽和凿岩平巷为自由面和初始补偿空间，侧向崩落底柱矿体矿石；

步骤七，底柱矿体回采结束后，密闭采场并对底柱矿体采空区充填接顶。

在上述采矿方法的步骤二中，所述泡沫板采用3～10cm厚的聚乙烯闭孔泡沫板，泡沫板应当具有能承受上部充填体自重的强度。

在上述采矿方法的步骤三中，所述泡沫板粗糙面朝上，相邻泡沫板之间的拼接处通过捆扎带进行固定，捆扎带的末端朝上凸出于泡沫板表面形成锚固凸起，在充填采空区的过程中，所述锚固凸起嵌入充填体内部将泡沫板与充填体之间锚固。

进一步优选的，所述锚固凸起的长度为3～5cm。

在上述采矿方法的步骤六中，上向扇形中深炮孔中的垂直炮孔进行钻凿时，间隔若干垂直炮孔钻透底柱矿体至泡沫板，控制其他类型炮孔底部到泡沫板的垂直距离在0.3～0.5m的范围内，形成对充填体的保护区。

在上述采矿方法的步骤六中，装药前用水炮泥填塞已钻透至泡沫板的垂直炮孔底部，填塞深度控制在0.3～0.5m，装药时装到水炮泥的位置即可，其他炮孔装药至孔底。这样一方面可以知道底柱矿体的厚度，从而顺利落矿，另一方面还可以在底柱矿体开采时形成一层保护区，从而降低了爆破应力波对泡沫板和充填体造成的损伤破坏。

采用本发明充填结构可以提高充填体在底柱矿体回采爆破时的稳定性，当底柱矿体爆破产生的应力波向上传播时，一方面由于缓冲垫层和底柱矿体之间的界面会反射一部分应力波，使得应力波发生衰减，另一方面，因缓冲垫层的泡沫板具有大量的密闭气泡结构和和良好的抗震性能，能对透射的应力波进行吸收，缓冲垫层的密闭气泡结构使得应力波发生折射和散射，使得透射应力波再次大幅衰减，残余的应力波对充填体几乎不会造成影响，保证了充填体的稳定性和下部底柱矿体回采空间的安全。

本发明应用的采矿方法具有如下有益效果：

利用泡沫板创造应力波吸收层防止充填体失稳，当上部采场采用采用上向水平分层充填法回采完毕并进行充填前，在采空区底板铺设一层具有一定强度的泡沫板，以便在底柱矿体回采过程中充分反射并吸收爆破应力波，使得衰减后的应力波不会造成充填体损伤，充填体能保持稳定性。泡沫板一方面因充填体具有粘结力而与其粘结在一起，另一方面连接泡沫板的铁丝和扎带部分嵌入充填体，能保证在底柱矿体回采过程中泡沫板不发生脱落，从而能安全高效完成底柱矿体回采作业。

在爆破底柱矿体时，利用泡沫板将充填体与底柱矿体隔开，留下有一定厚度的缓冲垫层，并反射和吸收底柱矿体回采过程中的爆炸应力波，从而保障底柱矿体回采过程中采空区的安全性和充填体的稳定性，不需要再预留一定厚度的矿体或采用高强度加筋充填体假顶，节省了充填成本，简化充填作业工序，效率高，劳动强度低，底柱矿体采空区安全性能好。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例的一种防止充填体失稳的充填结构主视图。

图2为实施例的一种防止充填体失稳的充填结构侧视图。

图3为实施例中的缓冲垫层平铺俯视图。

图4为实施例中的缓冲垫层泡沫板之间拼接固定示意图。

图5为实施例的充填结构应用的底柱矿体回采与现有底柱矿体回采之间的充填体冒落面积随底柱回采长度变化图。

图中标号：1-充填体、2-底柱矿体、3-缓冲垫层、4-炮孔、5-水炮泥、6-切割槽、7-凿岩平巷、8-进路、9-保护区、10-连接孔、11-锚固凸起、12-捆扎带。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的采场为采用本发明防止充填体失稳的充填结构的一种具体实施方案，在采场上部完成采挖后，对上部采空区进行充填形成充填体1，底部保留底柱矿体2，随着上部采场采挖完成后，需要对底柱矿体2进行爆破回采。本实施例在对采空区进行充填的过程中，设置防止充填体在底柱矿体爆破时失稳的充填结构。

具体的，该充填结构包括充填体1、底柱矿体2以及位于充填体1和底柱矿体2之间的缓冲垫层3，缓冲垫层3，其中充填体1将底柱矿体2上方的采空区回填，在充填体1底部设置缓冲垫层3，缓冲垫层3夹设在充填体1和底柱矿体2之间。

结合参见图3和图4，本实施例中的缓冲垫层3采用若干模块拼接板在采空区底板平铺拼接形成，相邻拼接板在拼接一侧加工连接孔10，通过捆扎带12穿过相邻拼接板并成环捆扎将相邻两块拼接板进行固定连接，捆扎带12可采用铁丝或扎带，将捆扎带12成环连接的末端向上伸出，在缓冲垫层3与充填体1的接触面一侧形成向上的若干锚固凸起11，在缓冲垫层3上浇筑充填后，所有锚固凸起11锚固嵌入充填体1内部，将缓冲垫层3和充填体1进行锚固固定。

本实施例中的缓冲垫层拼接板采用聚乙烯闭孔泡沫板，该种泡沫板具有一定的强度，需能承受上部充填体自重产生的压力而不被压溃。

采用本实施例上述充填结构的采矿方法具体包括如下步骤：

步骤一，在分层矿体开采结束后，先进行采空区地面和围岩的清理，用机械设备除去碎石，撬落可能掉落的岩石，平整采空区。本实施例旨在说明对底柱矿体爆破回采对充填体的影响，关于采场上层矿体分层开采方法可以按照上向水平分层充填法、上向分层进路充填法和嗣后充填采矿法，本实施例在此不做赘述。

步骤二，根据采空区底板面积准备好缓冲垫层3需要的泡沫板，准备边长为1m的标准方形泡沫板，采场边缘根据实际形状和尺寸进行裁切，以使铺装后的缓冲垫层全面覆盖采空区地板范围。

步骤三，在采空区底板上铺设泡沫板，并使之拼接相连形成缓冲垫层3，相邻泡沫板之间通过捆扎带12固定连接。

步骤四，在缓冲垫层3上对采空区进行充填作业,待充填体1稳定后继续上采，直至整个采场回采结束。

步骤五，待上部充填体1稳定后，回采底柱矿体2，在底柱矿体2开挖切割槽6进行分区回采。

步骤六，在下部凿岩平巷7内对底柱矿体2钻凿若干炮孔4，炮孔4采用上向扇形中深孔，装药后以切割槽6和凿岩平巷7为自由面和初始补偿空间，侧向崩落底柱矿体2矿石，通过凿岩平巷7和进路8将矿石运出。

步骤七，底柱矿体2回采结束后，密闭采场并对底柱矿体2采空区进行充填接顶。

在步骤三中，泡沫板粗糙面朝上与充填体1接触，提高缓冲垫层3与充填体1之间的粘结力，一方面通过充填体1具有粘结力而与其粘结在一起，另一方面缓冲垫层3的泡沫板通过固定孔10用捆扎带12相连，保证泡沫板拼装不出现重叠、错位等情况，且捆扎带连接的末端向上垂直或近似垂直于缓冲垫层上表面，伸出的捆扎带末端长约3～5cm，在缓冲垫层3上形成若干个锚固凸起11，在充填采空区后，锚固凸起11嵌入充填体1，将缓冲垫层3与充填体1粘结锚固在一起，防止泡沫板在底柱矿体2回采时掉落。

具体如图2所示，在步骤六中，炮孔4中的垂直炮孔进行钻凿时，沿凿岩平巷7的方向，间隔若干垂直炮孔就有一个垂直炮孔钻透底柱矿体2至缓冲垫层3的泡沫板，以控制其他炮孔的深度，确保其他类型炮孔底部距离缓冲垫层3的垂直距离在0.3～0.5m的范围内，形成对充填体的保护区9。在装药前先用水炮泥5填塞已贯通至泡沫板的垂直炮孔4，填塞深度控制在0.3～0.5m左右，装药时装到水炮泥5位置即可，其他的扇形炮孔则装药至孔底，控制整个保护区9的厚度d均匀在0.3～0.5m之间。这样做一方面可以知道底柱矿体2的厚度，从而顺利落矿，另一方面还可以在底柱矿体2开采时因形成一层保护区9，从而降低了爆破应力波对缓冲垫层3的泡沫板和充填体1造成的损伤破坏。

本实施例在上部采场回采完毕并进行充填前，在采空区底板铺设一层具有一定强度的泡沫板形成缓冲垫层3，以便在底柱矿体2回采过程中充分吸收爆破应力波，使得波能衰减后的应力波不造成充填体1损伤，充填体1能保持稳定性。缓冲垫层3的泡沫板一方面因充填体1具有粘结力而与其粘结在一起，另一方面连接泡沫板的捆扎带末端嵌入充填体，能保证在底柱矿体2回采过程中泡沫板不发生脱落，从而能安全高效完成底柱矿体2回采作业。

以下列举本实施例的工程应用实例来说明具体技术效果。

广西中金岭南矿业有限责任公司武宣县盘龙铅锌矿前期采用的采矿方法为浅孔留矿法，2018年开始采用分段凿岩阶段矿房嗣后充填采矿法和大直径深孔侧向崩矿嗣后充填采矿法，采空区采用尾砂胶结充填，充填体矿柱底部的灰砂比为1:4。由于存在作业班次更替，矿房和矿柱回采完毕后进行充填时，单日充填深度在0.6～2.0m之间，次日充填体已凝结，从而形成了众多充填体分层。在进行底柱回采过程中，上部采场充填体受到爆破振动的扰动，分层的充填体发生冒落，冒落深度在0.2～2.5m之间不等，其中尤以-70水平的403采场充填体顶板冒落尤为突出，冒落深度达2.0m以上，预先在充填体底部铺设的钢筋网裸露严重，表明充填体已严重失稳。在进行底柱回采时不得不在凿岩平巷内进行加强支护，以此保障作业人员和机械设备的安全，回采成本大幅上升。

将本实施例的采矿方法应用于广西中金岭南矿业有限责任公司武宣县盘龙铅锌矿-70水平418采场充填中，并回采其底柱矿体。经过实验测试，确定泡沫板型号为L600型聚乙烯闭孔泡沫板，这种类型的泡沫板密度小(密度为0.14g/cm³)、容重轻，回复率高、弹性强度大，抗压、抗拉强度较强，外表为蜂窝状孔洞均匀散布，具备自力的气泡布局，可以与充填体很好地粘结在一起，不易发生脱落，并且该型泡沫板外面吸水率低(0.5％/24h)，防渗入渗出机能好，能防止底层充填体浓度降低，强度下降，并且耐酸、碱、盐、油等无机溶剂腐化，充填体中的化学物质不易腐化该泡沫板；泡沫板在80℃以下时稳定性良好，能够适应新鲜充填流体的高温。L600型聚乙烯闭孔泡沫板具体性能参数见表1。

表1 L600型聚乙烯闭孔泡沫板性能参数表

选取与403采场条件相近的-70水平418采场按照本实施例的具体采矿步骤进行采矿充填，铺设5cm厚的L600型聚乙烯闭孔泡沫板，并对底柱进行回采，现场实时监测结果发现：①该泡沫板整体完整性较好，能很好地固定在顶板上；②底柱回采过程中未发现大面积和大深度的冒落，在底柱采场端部取下8㎡的泡沫板，观测该区域充填体情况，发现该区域充填体也未发生大范围冒落，只有凿岩平巷两侧顶板有零星的充填体碎块，且该充填碎块被泡沫板阻挡未发生掉落。底柱回采过程中403采场和418采场的充填体稳定性对比见表2，回采过程中两个采场充填体冒落面积随底柱回采长度变化见图5，图5中的横坐标为采场底柱回采长度，纵坐标为充填体冒落面积。

表2 403采场和418采场的充填体稳定性对比表

从表2和图5分析可知，运用本实施例的418采场充填体稳定性相对较好，在底柱回采过程中充填体冒落面积、冒落块度、离层组数和厚度、裂缝长度均优于未铺设泡沫板的403采场。其中418采场泡沫板亦未发生脱落，整体稳定性较好，这是因为该型泡沫板由于本身已和充填体粘结，起连接泡沫板作用的铁丝已嵌入充填体中，并且上向扇形孔的装药结构也进行了优化，在底柱爆破作业过程中不会损伤泡沫板。

在对整个凿岩平巷充填体冒落情况和8㎡区域内充填体的冒落情况这两方面的监测中，验证性确定了本发明能有效利用泡沫板吸收底柱回采过程中的爆炸应力波，避免其对上部充填体造成损伤和冒落，保障底柱回采过程中充填体下方作业人员和机械的安全，从而获得较好的底柱回采效果。

Claims (6)

1.一种防止充填体失稳的充填结构应用的采矿方法，其特征在于：所述充填结构包括充填体和底柱矿体，所述充填体将底柱矿体上方的采空区回填，所述充填体底部设置缓冲垫层，所述缓冲垫层夹设在充填体和底柱矿体之间；

所述缓冲垫层与充填体的接触面上设有若干锚固凸起，所述锚固凸起锚固嵌入充填体内部；

所述缓冲垫层为若干拼接板平铺拼接形成，相邻拼接板之间通过捆扎带固定，所述捆扎带的末端在缓冲垫层与充填体的接触面一侧形成向上的锚固凸起；

所述采矿方法具体包括如下步骤：

步骤一，分层矿体开采结束后，平整采空区；

步骤二，根据采空区底板面积准备好缓冲垫层需要的泡沫板；

步骤三，在采空区底板上铺设泡沫板，并使之拼接相连形成缓冲垫层；

步骤四，在缓冲垫层上对采空区进行充填作业,待充填体稳定后继续上采，直至整个采场回采结束；

步骤五，待上部充填体稳定后，回采底柱矿体，在底柱矿体开挖切割槽进行分区回采；

步骤六，在下部凿岩平巷内钻凿上向扇形中深炮孔，装药后以切割槽和凿岩平巷为自由面和初始补偿空间，侧向崩落底柱矿体矿石；

步骤七，底柱矿体回采结束后，密闭采场并对底柱矿体采空区充填接顶；

所述步骤六中，上向扇形中深炮孔中的垂直炮孔进行钻凿时，间隔若干垂直炮孔钻透底柱矿体至泡沫板，控制其他类型炮孔底部到泡沫板的垂直距离在0.3～0.5m的范围内，形成对充填体的保护区。

2.根据权利要求1所述的采矿方法，所述缓冲垫层为泡沫板。

3.根据权利要求1所述的采矿方法，所述步骤二中，所述泡沫板采用聚乙烯闭孔泡沫板，厚度为3～10cm。

4.根据权利要求1所述的采矿方法，所述步骤三中，所述泡沫板粗糙面朝上，相邻泡沫板之间的拼接处通过捆扎带进行固定，捆扎带的末端朝上凸出于泡沫板表面形成锚固凸起，在充填采空区的过程中，所述锚固凸起嵌入充填体内部将泡沫板与充填体之间锚固。

5.根据权利要求1所述的采矿方法，所述锚固凸起的长度为3～5cm。

6.根据权利要求1所述的采矿方法，所述步骤六中，装药前用水炮泥填塞已钻透至泡沫板的垂直炮孔底部，填塞深度控制在0.3～0.5m，装药时装到水炮泥的位置即可，其他炮孔装药至孔底。

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