CN113818882A - 一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法 - Google Patents
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Abstract
一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，涉及矿山开采技术领域，包括：当本阶段采场顶柱上方为松散尾砂充填体时，先确定上覆均布载荷值和采场结构尺寸，并计算护顶层初始预留厚度；沿竖直方向划分多个分层回采，最上方分层厚度为护顶层厚度，各个分层设置多个进路，间隔回采；进路掘进过程中对局部破碎围岩采用锚杆支护，回采后立即进行尾砂胶结充填，自下至上逐层回采；回采完次顶分层后，采用长锚索注浆和金属支架的方式对采场顶板进行支护，向护顶层及上覆松散尾砂充填体一定厚度钻孔注浆，形成锚索‑护顶层‑人工混凝土假顶的协同支撑体系；本分层内充填完毕后，重新计算护顶层厚度，回采差值厚度的矿体，并进行充填结顶，完成阶段内的回采。
Description
技术领域
本发明涉及矿山开采技术领域，尤其是一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法。
背景技术
在金属矿山采矿过程中，由于各种原因，在大多数釆矿方法中均会留下各种各样的矿柱。随着生产的进行，留下矿柱的矿量日益增加。随着浅部易采资源的日渐枯竭，为了满足对资源的需求，矿山一方面向深部开采，另一方面提高现有资源的利用率。有的矿山开始关注残矿资源的二次回收，特别是由于深部开采在技术上或经济上面临着很多无法克服困难，使得许多矿山将会更多地转向原采场残留资源的再次回采。然而由于残矿资源赋存条件的复杂性增加了其开采难度，成为目前矿体开采的一大技术难题。
在顶柱上方为松散介质充填体，上阶段采空区充填有松散尾砂充填体的条件下，现有开采技术在阶段矿柱回收时还存在以下问题：
(1)由于充填尾砂渗水性好，采场底部常有大量积水，若矿柱发生失稳坍塌，将导致尾砂泄漏流失，堵塞作业空间和巷道，安全威胁大，严重时还会引起地表陷落。
(2)在分析顶柱采场顶板稳定性时，大多数情况下仅依靠护顶层及必要的支护措施来维持采场的稳定性。这种情况下往往需要留设较大尺寸的护顶层以维持采场内顶板的稳定性。而留设较大尺寸的护顶层必然会导致矿产资源的损失与浪费，进而缩短矿山服务年限。
因此，确保安全生产的前提下尽可能多的回收顶柱矿石，已成为金属矿山开采技术应用过程中必须要解决的问题。
发明内容
为了提高护顶层强度提高其承载性，防止松散尾砂渗透至采场内，确保安全生产的前提下尽可能多的回收顶柱矿石，实现安全高效回采，本发明提供了一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，具体技术方案如下。
一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，顶柱上方为松散介质充填体，上阶段采空区充填有松散尾砂充填体，步骤包括：
S1.确定上覆均布载荷值和采场尺寸，并利用极限跨度理论计算护顶层预留厚度初值；
S2.沿采场竖直方向划分多个分层回采，最上方分层的厚度为护顶层厚度，在各个分层设置进路，间隔回采；
S3.进路掘进过程中对局部破碎围岩采用锚杆支护，回采后立即进行尾砂胶结充填，待本分层全部回采完毕后，再回采上一分层，自下至上逐层回采；
S4.回采次顶分层时，回采后采用长锚索注浆和金属支架的方式对采场顶板进行支护，向护顶层及上覆松散尾砂充填体一定厚度内钻孔注浆；
S5.本分层内进路回采充填完毕后，重新计算护顶层厚度与护顶层预留厚度初值之间的差值，回采护顶层差值厚度的矿体，并进行充填结顶，完成阶段内的回采。
优选的是，顶柱的回收采用机械化上向分层进路式充填采矿法；根据矿体的厚度确定采场的布置方向。
优选的是，矿体的厚度小于10m时，采场沿矿体走向布置；当矿体的厚度大于等于10m时，采场沿垂直于矿体的方向布置。
优选的是，分层的厚度为3-5m，进路的宽度为3-5m。
优选的是，分层内同时布置回采进路2条，由矿房一侧向另一侧推进回采；当进路回采完毕后对该进路进行尾砂胶结充填。
还优选的是，次顶分层使用的金属支架由钢轨搭接而成，金属支架上方设置搭接的圆木，金属支架底部设置有垫板。
还优选的是，长锚索为预应力注浆锚索，长锚索深入上覆尾砂充填体，锚索的间排距小于2倍的浆液扩散半径。
进一步优选的是，护顶层厚度的计算采用组合梁理论确定锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系中所需的护顶层厚度。
进一步优选的是，步骤S5中回采作业布置1条回采进路，随采随充，由矿房一侧向另一侧推进。
进一步优选的是，向上覆松散尾砂充填体钻孔注浆，上覆松散尾砂充填体的注浆厚度为2-4m。
本发明提供的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法有益效果包括：
(1)该方法通过注浆可以提高护顶层强度，同时还可以对上覆一定厚度尾砂充填体进行补强，使其承载性能显著提高，形成上覆人工假顶；通过长锚索将护顶层和固结尾砂充填体相连接，使其成为一个整体，从而进一步提高其承载能力，还能减小护顶层留设厚度，尽可能多的回收顶柱矿石，减小矿产资源的损失与浪费；
(2)该方法通过在尾砂充填体中注浆，可防止尾砂以流体的形式渗透到采场内，避免突水、冒顶等事故的发生；在采场内架设金属支架，做到随采随支，可以进一步提高采场的稳定性，防治顶板发生大面积垮塌。
(3)该方法通过构建锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系，并重新计算护顶层厚度，回采护顶层差值厚度的矿体，实现了安全高效回采，避免了尾砂泄露风险，延长了矿山服务年限，具有更好的经济效益。
附图说明
图1是松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法过程示意图；
图2是矿体走向开采示意图；
图3是垂直矿体走向的开采示意图；
图中：1-松散尾砂充填体，2-预应力注浆锚索，3-金属支架，4-顶柱，5-次顶分层，6-人工假顶，7-护顶层，8-已采矿房充填层。
具体实施方式
结合图1至图3所示，对本发明提供的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法的具体实施方式进行说明。
实施例1
针对阶段水平矿柱(顶柱)上方为松散介质充填体这一情况，当采用上向分层充填采矿法回收该部分顶柱时，提供一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，顶柱上方为松散介质充填体，上阶段采空区充填有松散尾砂充填体，步骤包括：
S1.确定上覆均布载荷值和采场尺寸，并利用极限跨度理论计算护顶层预留厚度初值。
S2.沿采场竖直方向划分多个分层回采，最上方分层的厚度为护顶层厚度，在各个分层设置进路，间隔回采。
其中，顶柱(水平矿柱)的回收采用机械化上向分层进路式充填采矿法。根据矿体的厚度划分采场的方向，当矿体的厚度小于10m时，采场沿矿体走向布置；当矿体的厚度大于等于10m时，采场沿垂直于矿体的方向布置；最上方的分层为护顶层，护顶层仅开采一部分，护顶层的开采厚度根据计算确定。
S3.进路掘进过程中对局部破碎围岩采用锚杆支护，回采后立即进行尾砂胶结充填，待本分层全部回采完毕后，再回采上一分层，自下至上逐层回采。
其中，分层的厚度为3-5m，进路的宽度为3-5m。每个分层内同时布置回采进路2条，由矿房一侧向另一侧推进回采；当进路回采完毕后对该进路进行尾砂胶结充填。掘进时在顶部较破碎位置采用锚杆方式进行区域支护，锚杆为预应力注浆锚杆。各进路回采完毕后立即对采空区进行尾砂胶结充填。所有进路回采并充填完毕后开始回采上分层，充填体将作为上分层作业时的人工假底，周而复始，直至回采至次顶分层，次顶分层为最上方分层相邻的下方分层。
S4.回采次顶分层时，回采后采用长锚索注浆和金属支架的方式对采场顶板进行支护，向护顶层及上覆松散尾砂充填体一定厚度内钻孔注浆。向上覆松散尾砂充填体钻孔注浆，上覆松散尾砂充填体的注浆厚度为2-4m，一般情况下就是3m左右的注浆厚度。
其中，在回采次顶分层时，随着回采工作的推进，采用长锚索注浆+金属支架的方式对采场顶板进行支护，做到随采随支。然后在孔内安设注浆花管并封闭孔口，采用压力注浆方式向护顶层及上覆松散尾砂充填体注入高标号水泥砂浆进行注浆补强，使一定厚度的松散尾砂充填体形成高强度人工假顶。次顶分层可以使用的金属支架由废旧钢轨搭接而成，金属支架上方设置搭接的圆木，以使顶板与金属支架充分接触；金属支架底部设置有垫板，以防止金属支架过深插入底板而失去其承载性能。长锚索为预应力注浆锚索，长锚索深入上覆尾砂充填体，锚索的间排距小于2倍的浆液扩散半径，通过长锚索将护顶层和固结尾砂充填体相连接，使其成为一个整体，从而进一步提高其承载能力，还能减小护顶层留设厚度，尽可能多的回收顶柱矿石，减小矿产资源的损失与浪费。
锚索安装后能够及时施加预紧力，为围岩提供支护阻力；浆液在破碎松散岩层中扩散、固结，注浆实现了锚索的全长锚固，提高了巷道围岩的整体性和强度以及自承能力。注浆锚索要深入到上覆尾砂充填体一定厚度(2米以上)，锚索间排距应小于2倍浆液扩散半径。注浆前应保证与注浆泵连接的注浆管和注浆头畅通，注浆过程中应时刻关注注浆压力变化趋势，避免出现浆液渗漏或注浆通道堵塞等现象。
S5.本分层内进路回采充填完毕后，重新计算护顶层厚度与护顶层预留厚度初值之间的差值，回采护顶层差值厚度的矿体，并进行充填结顶，完成阶段内的回采。该方法通过注浆可以提高护顶层强度，同时还可以对上覆一定厚度尾砂充填体进行补强，使其承载性能显著提高，形成上覆人工假顶。
护顶层厚度的计算采用组合梁理论确定锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系中所需的护顶层厚度，对比护顶层厚度与护顶层预留厚度初值，采用进路式充填采矿法回采多出的护顶层矿石，本分层各进路回采完毕后需立即进行充填接顶工作。回采作业布置1条回采进路，随采随充，由矿房一侧向另一侧推进。锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系利用护顶层和人工混凝土假定通过锚索结合为一个组合梁，形成的整体为锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系，其中人工混凝土假顶就是注浆补固结强了以后的那部分松散尾砂。
重复以上步骤S1-S5，直至本阶段内采场顶柱全部回采和充填完毕。
该方法通过在尾砂充填体中注浆，可防止尾砂以流体的形式渗透到采场内，避免突水、冒顶等事故的发生；在采场内架设金属支架，做到随采随支，可以进一步提高采场的稳定性，防治顶板发生大面积垮塌。该方法通过构建锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系，并重新计算护顶层厚度，回采护顶层差值厚度的矿体，实现了安全高效回采，避免了尾砂泄露风险，延长了矿山服务年限，具有更好的经济效益
实施例2
一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法适用于回采薄、中厚以及厚大矿体中采场遗留的顶柱，要求矿体自身较为稳固。
针对阶段水平矿柱(顶柱)上方为松散介质充填体这一情况，当采用上向分层充填采矿法回收该部分顶柱时，将采场划分为若干个分层，最上一分层不进行回采，作为隔离松散尾砂充填体及支撑采场的护顶层。当回采下部分层时，仅在每个分层采场顶板内的适当位置打锚杆支护，而当回采至倒数第二分层时，需采用长锚索注浆+金属支架的方式支护采场内顶板(护顶层)。长锚索需打入上覆松散尾砂充填体内一定厚度，通过对松散尾砂充填体进行注浆使之固结补强，使之成为最上一分层(护顶层)的人工假顶,最终形成以“护顶层-预应力锚索-人工假顶”为核心的协同支护体系。在回采松散尾砂充填体下水平矿柱时，通过注浆方式可以提高护顶层强度，同时还可以对上覆一定厚度尾砂充填体进行补强，使其承载性能显著提高；同时，通过长锚索将护顶层和固结尾砂充填体相连接，使其成为一个整体，进而进一步提高其承载能力；此外通过在尾砂充填体中注浆，可防止松散尾砂以流体的形式渗透到采场内，避免了突水、冒顶等重大安全事故。由于上覆松散尾砂充填体得到了充分的补强和固结，因此该方法能够在确保安全生产的前提下尽可能多的回收顶柱矿石，减少护顶层的留设厚度，实现了松散尾砂充填体下采场顶柱安全与高效回采。
以某金矿为例进行经济比较，说明采用此种方法以后获得的经济效益。
该矿山在北翼855中段通过空场嗣后充填法回采，采场结构参数为：间柱18m，矿房32m，顶柱10m，矿体平均宽度在25之间。目前855m中段1#矿体采空区基本治理结束，905m中段部分采空区充填采用1:10的分级尾砂，底部未施工假底。
拟回收855m中段顶柱，若将该矿柱全部进行回收，有可能会造成充填体大量塌落混入矿石、堵塞出矿通道，且作业安全威胁大，因此需留设一定厚度的护顶层以隔离顶柱采场与上覆松散尾砂充填体。拟采用机械化上向分层进路式充填采矿法回收阶段内顶柱(水平矿柱)，采场厚度大于10m，垂直走向布置矿房，进路长度为矿体厚度，即20m，进路宽度取为4m，共布置有8个进路。顶柱上覆均布荷载值约为2.5MPa。
本次仅计算未采用注浆锚索时需要的护顶层厚度和采用以“锚索-护顶层-人工混凝土假顶”为核心的协同支撑体系后所需的护顶层厚度，以及采用预应力注浆锚索的成本，以及多采出矿石所需充填成本，进而说明采用本发明后多采出的顶柱矿石量。
未采用本发明时，在确保安全生产的前提下，根据极限跨度理论计算出所需留设护顶层厚度。隔离矿柱的厚度主要是受其自身重力、上部松散尾砂充填体自重以及部分作用在尾砂充填体上的废石自重的影响。经计算，所需留设护顶层厚度约为4m。由此确定在回收该顶柱时将采场划分为3个分层，下部2个分层高度均为3m，护顶层厚度为4m。
采用本发明后，对护顶层及上覆3m厚度的松散尾砂充填体进行预应力锚索注浆支护，在预应力锚索的作用下，使护顶层及固结充填体形成类似于组合梁的力学结构。此时由组合梁理论可以计算出在确保安全生产的前提下，该梁的整体厚度约为5m，除去3m的固结充填厚度外，护顶层厚度为2m。相比于未采用本发明时的护顶层厚度而言，可以多采出2m厚的顶柱矿石量。按照矿体密度3.565t/m3计算，该进路中可多采出矿石量4m×20m×2m×3.565t/m3＝570.4t，该采场中可多回收矿石570.4t×8＝4563.2t。按照品位3g/t来计算，可多回收黄金13689.6g，按照黄金市场价370元/g计算，可实现收益506.5万元。
下面计算采用预应力注浆锚索所需的成本。按照间排距1.2m×1.2m计算，一个进路所需锚索数为60根。按照每根1200元计算，共计72000元；一个采场所需锚索为72000×8＝57.6万元。高标号水泥砂浆一个进路所需用量为200m3，对应水泥量为60t，按照每吨550元计算，共计33000元，因此一个采场所需水泥成本为26.4万元；考虑水、电、供风、管路铺设、运输以及设备损耗等成本，大约为20元/m2，一个采场20m×4m×8＝640m2计算，合计1.28万元。因此，一个采场预应力锚索支护成本约为85.28万元。
对于多采出的矿柱，需要采用尾砂胶结充填法对采空区进行充填接顶，因此需要计算额外的充填成本。胶结材料为425#普通硅酸盐水泥，充填骨料为该矿尾矿库尾砂以及从井下运出的碎石，充填用水为井下矿坑废水。采用1:8的灰砂比，即水泥含量为100kg/m3。以每吨300元价格计算，每立方米所需水泥成本30元，考虑尾砂、碎石和水的成本，约为40元/m3；充填工艺包括通风、料浆制备、输送、设备损耗、供电、供水、排水等因素，预计成本为10元/m3，合计50元/m3。一个进路按照2m×20m×4m＝160m3的空间计算，所需充填材料成本为8000元。因此，一个采场所需充填成本为8000元×8＝6.4万元。
综上所述，当采用本发明回收该采场顶柱时，可多获得收益506.5-84-6.4＝414.82万元。可以看出，在确保安全生产的前提下，极大提升了矿山效益。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，顶柱上方为松散介质充填体，上阶段采空区充填有松散尾砂充填体，步骤包括：
S1.确定上覆均布载荷值和采场尺寸，并利用极限跨度理论计算护顶层预留厚度初值；
S2.沿采场竖直方向划分多个分层回采，最上方分层的厚度为护顶层厚度，在各个分层设置进路，间隔回采；
S3.进路掘进过程中对局部破碎围岩采用锚杆支护，回采后立即进行尾砂胶结充填，待本分层全部回采完毕后，再回采上一分层，自下至上逐层回采；
S4.回采次顶分层时，回采后采用长锚索注浆和金属支架的方式对采场顶板进行支护，向护顶层及上覆松散尾砂充填体钻孔注浆；
S5.本分层内进路回采充填完毕后，重新计算护顶层厚度与护顶层预留厚度初值之间的差值，回采护顶层差值厚度的矿体，并进行充填结顶，完成阶段内的回采。
2.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述顶柱的回收采用机械化上向分层进路式充填采矿法；根据矿体的厚度确定采场的布置方向。
3.根据权利要求2所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述矿体的厚度小于10m时，采场沿矿体走向布置；当矿体的厚度大于等于10m时，采场沿垂直于矿体的方向布置。
4.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述分层的厚度为3-5m，进路的宽度为3-5m。
5.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述分层内同时布置回采进路2条，由矿房一侧向另一侧推进回采；当进路回采完毕后对该进路进行尾砂胶结充填。
6.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述次顶分层使用的金属支架由钢轨搭接而成，金属支架上方设置搭接的圆木，金属支架底部设置有垫板。
7.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述长锚索为预应力注浆锚索，长锚索深入上覆尾砂充填体，锚索的间排距小于2倍的浆液扩散半径。
8.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述护顶层厚度的计算采用组合梁理论确定锚索-护顶层-人工混凝土假顶的协同支撑体系中所需的护顶层厚度。
9.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述步骤S5中回采作业布置1条回采进路，随采随充，由矿房一侧向另一侧推进。
10.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下采场顶柱回收方法，其特征在于，所述的向上覆松散尾砂充填体钻孔注浆，上覆松散尾砂充填体的注浆厚度为2-4m。
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