CN114278368A - 一种基于钢纤维混凝土的填充保护层及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于钢纤维混凝土的填充保护层，钢纤维混凝土充填底层位于胶结充填体与底柱矿体之间用于爆破时保护胶结充填体。本发明还公开了一种基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法。本发明通过利用钢纤维混凝土充填层将底柱矿体与胶结充填体间隔开，留下有一定厚度的高强度隔层，既使得废弃钢材得以废物利用，又反射和吸收底柱矿体回采过程中的爆炸应力波，保护上部充填体的稳定性和下部底柱矿体采场的安全，使得上部充填体不发生失稳和损伤，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。

Description

一种基于钢纤维混凝土的填充保护层及施工方法

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，特别涉及一种基于钢纤维混凝土的填充保护层及施工方法。

背景技术

采用上向水平分层充填法、上向分层进路充填法进行开采作业的矿山企业在施工时常留设底柱矿体以保证充填体和相邻采场的稳定性，但不可避免地会造成矿石损失。随着国内大部分矿山资源枯竭，矿山企业为了谋求发展，提高经济效益，须对底柱矿体进行回收。矿山企业在底柱矿体回采施工过程中，充填体在爆破作业所产生的爆炸应力波的作用下会派生出裂隙，严重时发生充填体下沉、冒落、矿壁片帮等问题，严重影响着底柱矿体采区的人员设备安全和充填体的稳定性。

为了确保充填体稳定性以及保护作业人员和设备的安全，目前底部矿体开采中较为常用的方法有：采场爆破时预留一定厚度不进行装药，在此种方法施工时，若预留厚度太厚，则容易生成大块，若预留厚度太薄，则在回采底柱矿体时将破坏充填体的完整性和稳定性，因此对爆破作业水平要求很高，常常出现爆破效果不理想的情况；上部采场采用高强度钢筋网混凝土形成人工假顶，但这种方法因铺设了高成本钢筋网，将会使得充填成本大幅提高，并且钢筋和钢丝网的铺设作业繁重琐碎，机械化程度低，在采空区进行铺设作业的人员的安全将得不到保障，钢筋网因其网格密度不规范，导致钢筋相对稀疏的区域仍然会被爆炸冲击波损伤，严重时常常使得充填体失稳。同时，矿山企业在生产中会产生许多废弃钢材，若不对其进行处理，则会造成资源浪费，消耗工业用地，埋下安全隐患。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提出一种基于钢纤维混凝土的填充保护层及施工方法，通过利用钢纤维混凝土充填层将底柱矿体与胶结充填体间隔开，留下有一定厚度的高强度隔层，既使得废弃钢材得以废物利用，又反射和吸收底柱矿体回采过程中的爆炸应力波，保护上部充填体的稳定性和下部底柱矿体采场的安全，使得上部充填体不发生失稳和损伤，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。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于钢纤维混凝土的填充保护层，涉及到底柱矿体，包括胶结充填体以及钢纤维混凝土充填底层，所述钢纤维混凝土充填底层位于胶结充填体与底柱矿体之间用于爆破时保护胶结充填体。

进一步的，所述钢纤维混凝土充填底层为矿山废弃钢材通过钢纤维制作机加工并通过掺入混凝土制作而成。

为了实现上述目的，本发明还公开了一种基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，包括以下步骤：

S1、在地面钢纤维制备站利用废弃钢材制备钢纤维，并运输至井下；

S2、在采场矿体开采结束后，先进行采空区地面和围岩的清理，平整采空区；

S3、在采场外利用混凝土搅拌机将水泥，钢纤维，充填骨料和水按设定比例进行混合，制备钢纤维混凝土，并用遥控式转载机将钢纤维混凝土运输至采空区，倾倒在采空区内，并进行平整工作；

S4、钢纤维混凝土充填底层施工完毕后，采用胶结充填料继续充填作业，直至接顶；

S5、待上部胶结充填体稳定后，回采底柱矿体，先在凿岩平巷中形成切割槽用于方便后续落矿作业的正常进行；

S6、在下部凿岩平巷内向上钻扇形孔，装药后以切割槽和凿岩平巷为自由面和初始补偿空间，侧向接收崩落底柱矿体；

S7、底柱矿体回采结束后，密闭采场并充填接顶。

进一步的，所述S1中钢纤维制备规格为：长度约10mm～50mm、直径约0.70mm～3.50mm的波浪剪切型钢纤维。

进一步的，所述S3中钢纤维用量每立方混凝土为25kg，体积掺入量为1.5％以上；每立方米混凝土中凝胶材料用量为200～300kg；每立方米混凝土中水泥用量在250～300kg之间，水泥强度等级不低于42.5级；骨料粒径不大于25mm；水胶比为0.44～0.47。

进一步的，所述S3中的平整工作具体为：当钢纤维混凝土运输至采场后，用遥控式转载机进行平整工作，对转载机不方便平整的边角区域，用遥控式小型混凝土平整机进行遥控铺平整工作。

进一步的，所述S6中向上钻凿扇形孔时，每隔3-4排间距钻凿一个直达钢纤维混凝土充填底层的竖直探孔用于监控掌握底柱矿体的厚度。

进一步的，钻凿所述扇形孔时预留30～50cm的长度，不钻至钢纤维混凝土充填底层用于形成爆破保护层，所述竖直探孔装药前填塞30～50cm的水炮泥，使得所有上向的扇形孔的装药位置处于同一水平，以保护钢纤维混凝土充填底层在落矿时不被爆破动载所损伤。

有益效果：本发明的基于钢纤维混凝土的填充保护层及施工方法，通过利用钢纤维混凝土充填层将底柱矿体与胶结充填体间隔开，留下有一定厚度的高强度隔层，既使得废弃钢材得以废物利用，又反射和吸收底柱矿体回采过程中的爆炸应力波，保护上部充填体的稳定性和下部底柱矿体采场的安全，使得上部充填体不发生失稳和损伤，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。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层在回采中的结构示意图；

图2为图1中I-I部的剖视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的设计思路：当上部采场采用上向水平分层充填法回采完毕并进行充填前，在地面废弃钢材存放处等钢纤维制备站区域，利用钢纤维制作机以矿山废弃钢材为原材料，在很短的时间内就可制作出满足一般采场规模的钢纤维混凝土假顶的钢纤维用量，且钢纤维从地面到采场外的混凝土制作区域的运输过程方便快捷，运量可观，废弃钢材得以废物利用，成本低廉；当混凝土中掺入钢纤维后，静力学特性、动力学特性均得以改善提升，强度增强。因本发明中钢纤维混凝土充填层在采场外制作，且运料简便量大，机械化程度高，不需要与全尾砂胶结充填料浆共用充填管线，整个施工工序得以大大简化，效率高，成本低。在底柱矿体开采过程中，钢纤维混凝土充填层形成的人工假顶相比传统方法，其强度更高，能减少爆炸应力波对充填体所造成的损伤，且更能承受上部充填体的自重所造成的压力，底柱矿体采场下的人员和设备安全得以保障。

实施例1

基于以上设计思路：参见图1-2：一种基于钢纤维混凝土的填充保护层，涉及到底柱矿体2，包括胶结充填体1以及钢纤维混凝土充填底层3，所述钢纤维混凝土充填底层3位于胶结充填体1与底柱矿体2之间用于爆破时保护胶结充填体1。

需要说明的是，本实施例的胶结充填体在具体实施时可以采用全尾砂胶结充填体。

另外，可以理解的是，由于矿山生产过程中会留下较多的废弃钢材，例如：废弃巷道的铁轨、拆除的钢结构支护设施等，利用钢纤维制作机将这些废弃钢材加工制作成钢纤维，钢纤维掺入混凝土内，不仅可以大大提高钢纤维充填底层的波阻抗和抗压抗拉以及抗剪强度，其抗冲击韧性、抗疲劳和耐久性能也大幅提高。一方面钢纤维混凝土充填底层强度高，波阻抗大，钢纤维的掺入势必会散射底柱矿体开采的爆破应力波，使得应力波发生衰减，减少上部胶结充填体的损伤；另一方面，钢纤维混凝土充填底层因其自身优异的力学性能，在底柱回采过程中不再需要预留一层矿体以保护充填体，能够完全开采出底部矿体，提高了矿体回采率，使得上部充填体不发生松脱冒落，从而在保障下部作业空间的人员和设备安全的前提下还大幅降低了成本。

在一具体的实例中，所述钢纤维混凝土充填底层3为矿山废弃钢材通过钢纤维制作机加工并通过掺入混凝土制作而成。

实施例2

为了实现上述目的，本实施例还公开了一种基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，包括以下步骤：

S1、在地面钢纤维制备站利用废弃钢材制备钢纤维，并运输至井下；

S2、在采场矿体开采结束后，先进行采空区地面和围岩的清理，平整采空区；

S3、在采场外利用混凝土搅拌机将水泥，钢纤维，充填骨料和水按设定比例进行混合，制备钢纤维混凝土，并用遥控式转载机将钢纤维混凝土运输至采空区，倾倒在采空区内，并进行平整工作；

S4、钢纤维混凝土充填底层3施工完毕后，采用全尾砂胶结充填料继续充填作业，直至接顶；

S5、待上部胶结充填体1稳定后，回采底柱矿体2，先在凿岩平巷4中形成切割槽5用于方便后续落矿作业的正常进行；

S6、在下部凿岩平巷4内向上钻扇形孔6，装药后以切割槽5和凿岩平巷4为自由面和初始补偿空间，侧向接收崩落底柱矿体2；

S7、底柱矿体2回采结束后，密闭采场并充填接顶。

在一具体的实例中，所述S1中钢纤维制备规格为：长度约10mm～50mm、直径约0.70mm～3.50mm的波浪剪切型钢纤维。

在一具体的实例中，所述S3中钢纤维用量每立方混凝土为25kg，体积掺入量为1.5％以上；每立方米混凝土中凝胶材料用量为200～300kg；每立方米混凝土中水泥用量在250～300kg之间，水泥强度等级不低于42.5级；骨料粒径不大于25mm；水胶比为0.44～0.47。

在一具体的实例中，所述S3中的平整工作具体为：当钢纤维混凝土运输至采场后，用遥控式转载机进行平整工作，对转载机不方便平整的边角区域，用遥控式小型混凝土平整机进行遥控铺平整工作。

需要说明的是，此项作业中，平整度适当即可，不需要完全平整，否则会与胶结充填体形成明显的分层，不利于胶结充填体与钢纤维混凝土底层的结合。

在一具体的实例中，所述S6中向上钻凿扇形孔6时，每隔3-4排间距钻凿一个直达钢纤维混凝土充填底层3的竖直探孔7用于监控掌握底柱矿体2的厚度。

在一具体的实例中，凿所述扇形孔6时预留30～50cm的长度，不钻至钢纤维混凝土充填底层3用于形成爆破保护层9，所述竖直探孔7装药前填塞30～50cm的水炮泥8，使得所有上向的扇形孔6的装药位置处于同一水平，以保护钢纤维混凝土充填底层3在落矿时不被爆破动载所损伤。

综上所述：本实施例通过利用钢纤维混凝土充填层将底柱矿体与胶结充填体间隔开，留下有一定厚度的高强度隔层，既使得废弃钢材得以废物利用，又反射和吸收底柱矿体回采过程中的爆炸应力波，保护上部充填体的稳定性和下部底柱矿体采场的安全，使得上部充填体不发生失稳和损伤，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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于钢纤维混凝土的填充保护层，涉及到底柱矿体(2)，其特征在于，包括胶结充填体(1)以及钢纤维混凝土充填底层(3)，所述钢纤维混凝土充填底层(3)位于胶结充填体(1)与底柱矿体(2)之间用于爆破时保护胶结充填体(1)。

2.根据权利要求1所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层，其特征在于，所述钢纤维混凝土充填底层(3)为矿山废弃钢材通过钢纤维制作机加工并通过掺入混凝土制作而成。

3.一种基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在地面钢纤维制备站利用废弃钢材制备钢纤维，并运输至井下；

S2、在采场矿体开采结束后，先进行采空区地面和围岩的清理，平整采空区；

S3、在采场外利用混凝土搅拌机将水泥，钢纤维，充填骨料和水按设定比例进行混合，制备钢纤维混凝土，并用遥控式转载机将钢纤维混凝土运输至采空区，倾倒在采空区内，并进行平整工作；

S4、钢纤维混凝土充填底层(3)施工完毕后，采用胶结充填料继续充填作业，直至接顶；

S5、待上部胶结充填体(1)稳定后，回采底柱矿体(2)，先在凿岩平巷(4)中形成切割槽(5)用于方便后续落矿作业的正常进行；

S6、在下部凿岩平巷(4)内向上钻扇形孔(6)，装药后以切割槽(5)和凿岩平巷(4)为自由面和初始补偿空间，侧向接收崩落底柱矿体(2)；

S7、底柱矿体(2)回采结束后，密闭采场并充填接顶。

4.根据权利要求3所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，其特征在于，所述S1中钢纤维制备规格为：长度约10mm～50mm、直径约0.70mm～3.50mm的波浪剪切型钢纤维。

5.根据权利要求3所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，其特征在于，所述S3中钢纤维用量每立方混凝土为25kg，体积掺入量为1.5％以上；每立方米混凝土中凝胶材料用量为200～300kg；每立方米混凝土中水泥用量在250～300kg之间，水泥强度等级不低于42.5级；骨料粒径不大于25mm；水胶比为0.44～0.47。

6.根据权利要求3所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，其特征在于，所述S3中的平整工作具体为：当钢纤维混凝土运输至采场后，用遥控式转载机进行平整工作，对转载机不方便平整的边角区域，用遥控式小型混凝土平整机进行遥控铺平工作。

7.根据权利要求3所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，其特征在于，所述S6中向上钻凿扇形孔(6)时，每隔3-4排间距钻凿一个直达钢纤维混凝土充填底层(3)的竖直探孔(7)用于监控掌握底柱矿体(2)的厚度。

8.根据权利要求7所述的基于钢纤维混凝土的填充保护层的施工方法，其特征在于，钻凿所述扇形孔(6)时预留30～50cm的长度，不钻至钢纤维混凝土充填底层(3)用于形成爆破保护层(9)，所述竖直探孔(7)装药前填塞30～50cm的水炮泥(8)，使得所有上向的扇形孔(6)的装药位置处于同一水平，以保护钢纤维混凝土充填底层(3)在落矿时不被爆破动载所损伤。

Images