CN115306391A - 一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法 - Google Patents
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Abstract
一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，涉及采矿方法技术领域。该方法包括：在阶段运输平巷内向尾砂充填体布置注浆锚索；向充填体内钻孔并安装钻孔窥视仪，确定浆液的扩散程度及范围；在运输平巷内分别向充填体布置水平锚杆，形成人工假顶；采用上向水平分层进路式充填采矿法回收水平隔离矿柱，采场沿竖直方向划分为若干个分层回采，各分层设置若干个进路；回采至最上一个分层前采用锚杆支护对进路顶板进行支护，回采后进行充填；回采最上一个分层进路时利用金属支架和金属网对上覆人工假顶进行支护，进路回采完毕后进行充填；重复上述步骤直至全部回收，在确保安全生产的前提下全部回收矿柱，不留护顶层，实现了安全高效回采。
Description
技术领域
本发明涉及采矿方法技术领域，尤其是一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法。
背景技术
在金属矿山采矿过程中，由于地质原因或开采原因，大多数釆矿方法中会留下各种的矿柱。随着浅部易采资源日渐枯竭，为了满足社会生产需求，矿山一方面转向深部开采，另一方面很多矿山都开始关注残矿(如矿柱)资源的二次回收。实践表明，加强矿柱回采，对提高矿产资源的利用率，延长矿山服务年限，缩短井下作业线，协调采掘顺序，改善井下管理条件，及时处理空区，维护井下作业安全等都具有非常积极的作用。
残采矿柱资源赋存条件的复杂性增加了其开采难度，成为目前地下金属矿山开采的一大技术难题。例如在现有技术中，当水平隔离矿柱上部为松散尾砂充填体时，其周围地质力学环境极为复杂。因此，采取恰当的方法对这些残留矿柱进行合理的回收利用，具有十分重要的现实意义。当前在回收松散尾砂充填体下水平隔离矿柱时，为了保证安全开采，通常会预留一定厚度的护顶层以防止上覆松散尾砂充填体发生大面积垮塌，进而保证采场稳定性。然而，留设护顶层势必会导致矿石资源的损失与浪费，不利于矿山的可持续发展。因此，如何在确保安全生产的前提下实现水平隔离矿柱的全部回收是目前类似地下金属矿山开采过程中必须要解决的关键技术问题。
发明内容
为了实现松散尾砂充填体下水平隔离矿柱的全部回收，无需预留护顶层，进一步提高采场的稳定性，本发明提供了一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，具体的技术方案如下。
一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，包括：
S1.在上一个阶段的上盘和下盘阶段运输平巷内向松散尾砂充填体布置注浆锚索，并进行注浆补强支护；
S2.向充填体内钻孔并安装钻孔窥视仪，确定浆液的扩散程度及范围，控制注浆时间；
S3.充填体固结后在运输平巷内分别向充填体布置水平锚杆，形成人工假顶；
S4.采用上向水平分层进路式充填采矿法回收水平隔离矿柱，采场沿竖直方向划分为多个分层回采，每个分层设置多个进路；
S5.回采至最上一个分层前采用锚杆支护对进路顶板进行支护，随采随支，进路回采完成后对采空区进行尾砂胶结充填；
S6.回采最上一个分层进路时利用金属支架和金属网对上覆人工假顶进行支护，进路回采完毕后进行尾砂胶结充填；
S7.重复步骤S4-S6直至本阶段内采场水平隔离矿柱全部回收。
2.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述回收方法适用于急倾斜矿体，矿体厚度为10m-20m，矿体上盘和下盘围岩稳定，在矿体的上盘和下盘均布置有脉外阶段运输平巷。
优选的是，注浆过程中注浆的高度根据废石层厚度确定；注浆方式为采用压力注浆注入高标号的水泥砂浆。
优选的是，人工假顶结构包括固结后的充填体-锚杆-上下盘围岩，所述人工假顶的抗弯强度根据水平隔离矿柱采场结构尺寸、上覆均布荷载以及注浆固结后充填体的厚度确定；所述上覆均布载荷包括松散尾砂充填体和废石层的重量。
优选的是，分层的高度根据隔离矿柱高度确定取3-5m，分层布置的进路长度等于矿柱的厚度，进路宽度为3-5m；回采方式为间隔回采，每次同时回采的进路为2-5个。
优选的是，阶段运输平巷布置的锚杆和锚索沿水平方向布置，锚杆和锚索间隔布置；在矿体倾向方向上，上盘阶段运输平巷设置锚索的长度为：上盘注浆锚索长度＝矿体厚度/2+阶段运输平巷与上盘边界线的距离；下盘阶段运输平巷设置锚索的长度为：下盘注浆锚索长度＝矿体厚度/2+阶段运输平巷与下盘边界线的距离。
优选的是，注浆锚索的间排距小于2倍的浆液扩散半径，注浆过程中观测注浆压力变化和注浆通道的渗漏、堵塞，达到设定的注浆范围后及时停止注浆。
优选的是，锚杆为拼接式锚杆，最上一个分层内的金属支架为永久支护。
进一步优选的是，采用上向水平分层进路式充填采矿法回收本阶段水平隔离矿柱时，采用由下盘向上盘推进的方式回采。
进一步优选的是，最上一个分层的水平隔离矿柱回采时，采取控制爆破的方式降低爆破对人工假顶的扰动。
本发明提供的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法有益效果包括：
(1)该方法充分利用了采准切割巷道对一定范围内的上覆松散尾砂充填体进行锚索注浆加固，提高松散尾砂充填体的粘聚力和内摩擦角，补强支护后形成具有一定承载能力的人工假顶。
(2)进行注浆时，浆液可以充分利用废石间的孔隙进行扩散，确保注浆加固效果，避免因松散尾砂充填体过于密实而无法注浆的弊端。
(3)通过向注浆固结后的充填体内打入一定间排距的水平长锚杆，从而使该部分固结充填体由“两边简支”梁受力状态转变为“两边固支”梁受力状态，充分提高其自身稳定性，形成了以“固结后充填体-长锚杆-上下盘围岩”为核心的人工假顶以维持隔离矿柱采场的稳定性。
(4)在最上一个分层进路采场内架设金属支架和金属网，做到随采随支，可以进一步提高采场的稳定性，防止人工假顶发生局部垮塌和冒落。
(5)该方法实现了松散尾砂充填体下水平隔离矿柱的全部回收，极大地降低了矿石资源的损失与浪费，在确保安全生产的前提下，提高了矿山的经济效益，促进了矿山的可持续发展。
附图说明
图1是沿矿体走向的开采布置示意图；
图2是沿垂直矿体走向的开采布置示意图；
图3是松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法施工流程图；
图中：1-锚杆、2-金属网、3-金属支架、4-水平隔离矿柱、5-窥视钻孔、6-注浆锚索、7-人工假顶、8-最上一个分层、9-已充填区域，10-松散尾砂充填体，11-上盘阶段运输平巷，12-下盘阶段运输平巷。
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无预留护顶层的隔离矿柱回收方法的具体实施方式进行说明。
一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，该回收方法适用于急倾斜矿体，矿体厚度为10m-20m，矿体上盘和下盘围岩稳定，在矿体的上盘和下盘均布置有脉外阶段运输平巷。具体的步骤包括：
S1.在上一个阶段的上盘和下盘阶段运输平巷内向松散尾砂充填体布置注浆锚索，并进行注浆补强支护。
其中，注浆锚索的间排距小于2倍的浆液扩散半径，注浆过程中还需要观测注浆压力变化和注浆通道的渗漏、堵塞，达到设定的注浆范围后及时停止注浆。
S2.向充填体内钻孔并安装钻孔窥视仪，确定浆液的扩散程度及范围，控制注浆时间；
对于采用嗣后充填法的矿山，在上阶段采场回采矿石的过程中，上下盘围岩部分废石会不可避免的垮落至采场底部，形成一定厚度的废石层。因此，后期在对采空区进行尾砂充填时，充填体下部事实上为含有废石层的尾砂充填体。其中，注浆过程中注浆的高度根据废石层厚度确定，一般不超过5m；注浆方式为采用压力注浆注入水泥砂浆。采用压力注浆方式向一定厚度松散尾砂充填体注入高标号水泥砂浆进行注浆补强支护，进而可以形成具有一定承载能力的人工假顶。通过窥视仪观察松散尾砂充填体内浆液的扩散程度和范围，当注浆范围满足既定要求时，停止注浆。
S3.充填体固结后在运输平巷内分别向充填体布置水平锚杆，形成人工假顶；
人工假顶包括固结后的充填体-锚杆-上下盘围岩，所述人工假顶的抗弯强度根据水平隔离矿柱采场结构尺寸、上覆均布荷载以及注浆固结后充填体的厚度确定，结合弹性力学以及材料力学中的固支梁理论计算回采某一条进路时上覆人工假顶所需抗弯强度。上覆均布载荷包括松散尾砂充填体和废石层的重量。
也可以在计算出上覆人工假顶所需抗弯强度之后，结合锚索、锚杆支护理论计算锚索、锚杆的支护参数，并结合充填材料配比试验确定注浆材料参数。
S4.采用上向水平分层进路式充填采矿法回收水平隔离矿柱，采场沿竖直方向划分为多个分层回采，每个分层设置多个进路。
采用上向水平分层进路式充填采矿法回收本阶段水平隔离矿柱。采场垂直矿体走向布置，采场长度即为矿柱厚度。将采场沿竖直方向划分为若干个分层回采，包括1个或2个以上的分层，分层的高度根据隔离矿柱高度确定取3-5m，分层布置的进路长度等于矿柱的厚度，进路宽度为3-5m；回采方式为间隔回采，每次同时回采的进路为2-5个。在回采至最上一个分层以前，随着各分层回采工作的推进，采用锚杆支护方式对进路内局部破碎顶板进行支护，做到随采随支，待各进路回采完毕后立即对采空区进行尾砂胶结充填。重复该步骤，直至各分层进路全部回采、支护和充填完毕。
其中阶段运输平巷布置的锚杆和锚索沿水平方向布置，锚杆和锚索间隔布置，其中锚杆为拼接式锚杆。由上下盘围岩阶段运输平巷向充填体内打入的注浆长锚索与长锚杆均采用水平布置的方式，锚索与锚杆需间隔布置。在矿体倾向方向上，上盘阶段运输平巷设置锚索的长度为：上盘注浆锚索长度＝矿体厚度/2+阶段运输平巷与上盘边界线的距离；下盘阶段运输平巷设置锚索的长度为：下盘注浆锚索长度＝矿体厚度/2+阶段运输平巷与下盘边界线的距离。由上盘阶段运输平巷向松散尾砂充填体内打入的长锚杆长度应大于或等于矿体厚度的1/5加上盘阶段运输平巷与上盘边界线间的距离，由下盘阶段运输平巷向松散尾砂充填体内打入的长锚杆长度应大于或等于矿体厚度的1/5加下盘阶段运输平巷与上盘边界线间的距离。
S5.回采至最上一个分层前采用锚杆支护对进路顶板进行支护，随采随支，进路回采完成后对采空区进行尾砂胶结充填。
S6.回采最上一个分层进路时利用金属支架和金属网对上覆人工假顶进行支护，进路回采完毕后进行尾砂胶结充填。
在最上一个分层，随着回采工作的推进，采用“金属支架+金属网”的方式对进路中的上覆人工假顶进行及时支护，做到随采随支，待进路回采完毕时立即对采空区进行尾砂胶结充填。重复该步骤，直至最上一个分层内进路全部回采、支护和充填完毕。其中最上一个分层内的金属支架为永久支护。最上一个分层的水平隔离矿柱回采时，采取控制爆破的方式降低爆破对人工假顶的扰动，包括尽量降低炸药用量、缩短爆破进尺等控制方式，以尽量降低爆破振动对于上覆人工假顶的扰动。
采用上向水平分层进路式充填采矿法回收本阶段水平隔离矿柱时，采用由下盘向上盘推进的方式回采。
S7.重复步骤S4-S6直至本阶段内采场水平隔离矿柱全部回收。
松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法在回采松散尾砂充填体下水平隔离矿柱时，通过向松散尾砂充填体进行锚索注浆可以提高松散尾砂充填体强度，使其承载性能显著提高；同时由于松散尾砂充填体下部含有一定厚度的废石，因此在注浆时，浆液可以充分利用废石间的孔隙进行扩散，确保注浆加固补强效果；此外，通过向固结后的充填体内打入一定间排距的长锚杆，使其由“两边简支”梁受力状态转变为“两边固支”梁受力状态，充分提高了自身稳定性，进而形成了以“固结后充填体-长锚杆-上下盘围岩”为核心的上覆人工假顶；此外，在回采最上一个分层进路时，由于采用了金属支架+金属网的支护方式，可以进一步防止上覆人工假顶发生垮塌和冒落，确保安全高效回采。该方法在回采松散尾砂充填体下水平隔离矿柱时，能够在确保安全生产的前提下全部回收矿柱，克服了以往在回收矿柱时留设一定厚度护顶层从而造成资源损失的弊端，实现了松散尾砂充填体下采场水平隔离矿柱的安全与高效回采作业，该方法尤其适用于回采经济价值较大、品位较高的残留矿柱。
为了进一步说明的松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法的有益效果，以某矿北翼755-855中段为例对该方法做进一步的说明。
该矿山在北翼755-855中段通过分段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，矿体宽度在10-30m。目前755m中段1#矿体采空区基本治理结束，805m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。拟全部回收755m中段水平隔离矿柱(顶柱)。采用上向分层进路式充填采矿法回收阶段内顶柱，顶柱厚度平均为15m，矿房垂直走向布置；每分层高度为3m，共划分为3个分层(最上一个分层高度为4m)；各分层内进路长度为即矿柱厚度15m，进路宽度取为5m，每分层共布置有15条进路；经估算废石层高度为3m，根据杨森散体压力理论计算得顶柱上覆均布荷载值为0.28MPa。
结合本实施例对比分析预留护顶层以及不留护顶层时回收隔离矿柱所获经济效益，其中预留护顶层时无需采用锚索注浆、长锚杆锚杆支护，而不留护顶层时需考虑锚索注浆、锚杆支护成本，其余所需成本均相同。
当预留护顶层时，在回采倒数第二分层时仍需要护顶层进行金属支架与挂金属网支护，因此这部分成本与无需预留护顶层时基本一致。
本实施例提供的回收方法，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，当进路宽度为5m时，所需留设护顶层厚度约为1m。由此确定在回收该顶柱时将采场划分为3个分层，每个分层高度均为3m。开采后，对上覆3m厚度的松散尾砂充填体进行锚索注浆与锚杆支护，上覆人工假顶在“固结后充填体-长锚杆-上下盘围岩”的共同作用下形成了“两边固支”梁力学模型。此时由弹性力学和材料力学中均布荷载下固支梁理论计算出回采某一条进路时对应人工假顶的抗弯强度。根据梁的抗弯强度进行充填材料配比试验，以获得注浆材料中高标号水泥的含量。
相比于原有的开采方法的护顶层厚度而言，可以多采出1m厚的顶柱矿石量。按照矿体密度3.565t/m3计算，一个进路中可多采出矿石量5m×15m×1m×3.565t/m3＝267.4t。按照本采场布置15个进路计算，该采场中可多回收矿石267.4t×15＝4010.6t。按照品位3.5g/t来计算，可多回收黄金14037.2g，按照黄金市场价370元/g计算，可实现收益519.38万元。
下面计算采用注浆长锚索与长锚杆所需的成本。按照间排距3m×1.5m计算，一个采场所需锚索数为100根。按照每根1200元计算，共计12万元；高标号水泥砂浆一个进路所需用量为225m3，对应水泥量为65t，按照每吨550元计算，共计35750元，因此一个采场所需水泥成本为53.62万元；长锚杆间排距3m×1.5m计算，一个采场所需长锚杆数为100根，按照每根1000元计算，共计10万元；按照考虑水、电、供风、管路铺设、运输以及设备损耗等成本，大约为30元/m2，一个采场15m×5m×15＝1125m2计算，合计3.375万元。因此，一个采场注浆锚索、长锚杆支护成本约为79万元。
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20元/m3，合计60元/m3。一个进路按照1m×15m×5m＝75m3的空间计算，所需充填材料成本为4500元。因此，一个采场需多支付充填成本为3750元×15＝6.75万元。
综上所述，当采用本发明回收该采场顶柱时，一个采场可多获得收益519.38-79-6.75＝433.63万元。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无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，包括：
S1.在上一个阶段的上盘和下盘阶段运输平巷内向松散尾砂充填体布置注浆锚索，并进行注浆补强支护；
S2.向充填体内钻孔并安装钻孔窥视仪，确定浆液的扩散程度及范围，控制注浆时间；
S3.充填体固结后在运输平巷内分别向充填体布置水平锚杆，形成人工假顶；
S4.采用上向水平分层进路式充填采矿法回收水平隔离矿柱，采场沿竖直方向划分为多个分层回采，每个分层设置多个进路；
S5.回采至最上一个分层前采用锚杆支护对进路顶板进行支护，随采随支，进路回采完成后对采空区进行尾砂胶结充填；
S6.回采最上一个分层进路时利用金属支架和金属网对上覆人工假顶进行支护，进路回采完毕后进行尾砂胶结充填；
S7.重复步骤S4-S6直至本阶段内采场水平隔离矿柱全部回收。
2.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述回收方法适用于急倾斜矿体，矿体厚度为10m-20m，矿体上盘和下盘围岩稳定，在矿体的上盘和下盘均布置有脉外阶段运输平巷。
3.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述注浆过程中注浆的高度根据废石层厚度确定；注浆方式为采用压力注浆注入水泥砂浆。
4.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述人工假顶包括固结后的充填体-锚杆-上下盘围岩，所述人工假顶的抗弯强度根据水平隔离矿柱采场结构尺寸、上覆均布荷载以及注浆固结后充填体的厚度确定；所述上覆均布载荷包括松散尾砂充填体和废石层的重量。
5.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述分层的高度根据隔离矿柱高度确定取3-5m，分层布置的进路长度等于矿柱的厚度，进路宽度为3-5m；回采方式为间隔回采，每次同时回采的进路为2-5个。
6.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述阶段运输平巷布置的锚杆和锚索沿水平方向布置，锚杆和锚索间隔布置；在矿体倾向方向上，上盘阶段运输平巷设置锚索的长度为：上盘注浆锚索长度＝矿体厚度/2+阶段运输平巷与上盘边界线的距离；下盘阶段运输平巷设置锚索的长度为：下盘注浆锚索长度＝矿体厚度/2+阶段运输平巷与下盘边界线的距离。
7.根据权利要求6所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述注浆锚索的间排距小于2倍的浆液扩散半径，注浆过程中观测注浆压力变化和注浆通道的渗漏、堵塞，达到设定的注浆范围后及时停止注浆。
8.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，所述锚杆为拼接式锚杆，最上一个分层内的金属支架为永久支护。
9.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，采用上向水平分层进路式充填采矿法回收本阶段水平隔离矿柱时，采用由下盘向上盘推进的方式回采。
10.根据权利要求1所述的一种松散尾砂充填体下无预留护顶层的隔离矿柱回收方法，其特征在于，最上一个分层的水平隔离矿柱回采时，采取控制爆破的方式降低爆破对人工假顶的扰动。
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