專利名稱：充填體包裹下厚大礦柱開采方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，屬于充填采礦技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，由于充填技術(shù)的快速發(fā)展和井下無軌自行設(shè)備的廣泛應(yīng)用，充填采礦已成為一種安全高效的開采方法。隨著現(xiàn)有探明的礦產(chǎn)資源不斷消耗，采礦向深部發(fā)展，地溫地壓不斷增加，環(huán)境保護的日趨嚴(yán)格，充填采礦法在今后將會得到更大的應(yīng)用與發(fā)展。充填采礦法雖然具有回采率高、靈活性大、適應(yīng)范圍廣、環(huán)保等一系列不可替代的優(yōu)點，但同時存在一些自身無法克服的弊端和不足，其中充填體包裹條件下礦柱或殘礦的回采是充填法礦山開采后期普遍面臨的技術(shù)難題之一?，F(xiàn)有的充填體包裹下礦柱的回采主要存在以下技術(shù)難點:(I)部分采切工程需布置在軟破充填體內(nèi)，如何實現(xiàn)充填體內(nèi)巷道工程的有效掘進和維護；(2)如何控制礦巖-充填體異質(zhì)界面爆破能量的合理分布，達到既有效破碎礦巖、又避免充填體破壞的目的；(3)如何實現(xiàn)對爆前補償空間、爆破過程、爆后超爆與欠爆的精準(zhǔn)測量和爆破控制，并準(zhǔn)確分析損失、貧化和充填體垮落情況
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的充填采礦技術(shù)中存在的容易引起充填體的垮落、難以有效破碎礦巖又避免充填體破壞、以及難以對爆前補償空間、爆破過程、爆后超爆與欠爆的精準(zhǔn)測量和爆破控制，并準(zhǔn)確分析損失、貧化和充填體垮落情況的問題，進而提供了一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法。為此，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案:一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，包括:充填體內(nèi)巷道的聯(lián)合支護；異質(zhì)界面控制爆破； 非接觸式激光精準(zhǔn)掃描與數(shù)字建模三維可視化開采。本發(fā)明適合于充填采礦法回采的礦山，針對充填體包裹條件下的厚大礦柱安全高效連續(xù)開采，既有效控制和管理深井地壓，保障采場與充填體的穩(wěn)定，又能實現(xiàn)深井礦體大規(guī)模、高強度的集中強化開采，降低礦石的開采成本，提高開采的經(jīng)濟效益。具


圖1為本發(fā)明的具體實施方式
提供的第一種鑿巖硐室支護方式示意圖；圖2為本發(fā)明的具體實施方式
提供的第二種鑿巖硐室支護方式示意圖；圖3為本發(fā)明的具體實施方式
提供的出礦穿脈支護方式示意圖；圖4為本發(fā)明的具體實施方式
提供的出礦穿脈眉線處支護方式示意圖；圖5為本發(fā)明的具體實施方式
提供的采準(zhǔn)巷道掘進與支護的施工流程示意圖6為本發(fā)明的具體實施方式
提供的上盤采場布孔示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本具體實施方式
以一個生產(chǎn)能力為3500t/d的礦山為例，其礦體平均厚為40至50m，最大厚度達80至100m，傾角70°以上，礦體形態(tài)較規(guī)整，采礦方法主要為大直徑深孔嗣后充填采礦法，采場垂直礦體走向布置，分礦房、礦柱，間隔式兩步回采。為便于說明，本實施例選擇礦體在_400m至-560m階段之間，從上至下為3個階段。根據(jù)_400m _560m中段整體規(guī)劃，伴隨上部R12及東、西兩側(cè)P23、Pl采場的回采充填完畢，R3采場處于頂板及兩側(cè)充填體的包裹下，同時承受著來自上下盤的巨大壓力。在回采過程中是否存在由于小小的回采擾動發(fā)生災(zāi)變的可能性，即充填體或礦柱的突然失穩(wěn)，是關(guān)系到礦體開采的全局性問題，因此，相比P23和Pl采場，充填體包裹條件下的礦柱采場R3無疑是-400m _560m區(qū)域中安全系數(shù)要求最高、開采技術(shù)難度最大的采場。本具體實施方式
提供了一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，包括:1、充填體巷道的聯(lián)合支護。(I)支護方案①鑿巖硐室支護方案
·
根據(jù)鑿巖硐室所布置的巖層位置，可采用噴射混凝土與錨索聯(lián)合支護方式以及錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護方式。如圖1所示，當(dāng)硐室頂板為巖體時，可采用全斷面噴射混凝土及拱部錨索聯(lián)合支護方式，混凝土的噴層厚度為50-150mm，優(yōu)選為100mm，錨索的參數(shù)為:錨索采用直徑10-20mm(優(yōu)選10_20mm)的除銹除油鋼絲線，長5 10m(優(yōu)選6 8m),網(wǎng)度為拱部環(huán)向1000-2000mm(優(yōu)選1500mm)，硐室走向方向1500_2500mm(優(yōu)選2000mm)，注漿混凝土配比為水泥:砂:水=1:1:0.4，錨索布置方式為梅花形或菱形。如圖2所示，當(dāng)硐室頂板為充填體時，采用錨桿掛網(wǎng)及全斷面噴射混凝土聯(lián)合支護方式，混凝土的噴層厚度為50-150mm,優(yōu)選為100mm,錨桿布置方式為全斷面布置，具體參數(shù)為:錨桿長1.8 2.5m (優(yōu)選2.0 2.2m)，間距為環(huán)向間距0.5_lm(優(yōu)選0.80m)，縱向間距0.6 1.2m(優(yōu)選0.8 1.0m),金屬網(wǎng)布置在拱和墻的部位。②出礦穿脈支護方案如圖3所示，采場底部出礦穿脈以及出礦回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道大部分在膠結(jié)充填體中掘進形成，直接頂板即為尾砂膠結(jié)充填體，設(shè)計采用錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護方式?；炷恋膰妼雍穸葹?0-150mm,優(yōu)選為100mm,,錨桿布置方式為全斷面布置,具體參數(shù)為:錨桿長1.8 2.5m(優(yōu)選為2.0 2.2m)，間距為環(huán)向間距0.5_lm(優(yōu)選0.80m)，縱向間距0.8 1.2m(優(yōu)選0.8 1.0m),金屬網(wǎng)布置在拱和墻的部位。③出礦進路眉線處支護方案如圖4所示，出礦進路眉線處是支護工作重點，特別是放礦口等應(yīng)力集中區(qū)域很容易發(fā)生破壞，所以這部分采用復(fù)合式支護方式:由噴射混凝土、錨桿和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方式構(gòu)成初期支護，待圍巖變形漸趨穩(wěn)定(變形速率接近O)時，施作模筑鋼筋混凝土支護。模筑鋼筋混凝土厚度為20-40cm (優(yōu)選30cm)，強度等級為C30，鋼筋采用Φ22螺紋鋼，網(wǎng)度為30cmX 30cm。同時由于采場采用單側(cè)塹溝出礦底部結(jié)構(gòu)，回采過程中，在爆破第5排孔時實行不同的裝藥深度控制爆破，保護放礦口礦巖的穩(wěn)定性。(2)施工流程
根據(jù)地下工程新奧法支護設(shè)計與施工的理論原則，在井巷或硐室掘進時宜采用光面爆破的控制爆破技術(shù)，噴錨支護應(yīng)緊跟工作面及時進行?？傮w上，應(yīng)遵循如圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。2、異質(zhì)界面控制爆破。充填體包裹條件下礦柱采場回采爆破時,爆炸波經(jīng)過礦巖-膠結(jié)充填體界面時發(fā)生透射和反射，一部分從界面反射回來進入礦體內(nèi)，另一部分透過交界面進入膠結(jié)充填體。因此，界面控制爆破技術(shù)的關(guān)鍵是要控制通過界面進入尾砂膠結(jié)充填體中的爆炸能量所產(chǎn)生的破壞作用，同時要求使界面處的礦石破碎成合格的塊度。(I)裝藥結(jié)構(gòu)形式的確定裝藥結(jié)構(gòu)形式的確定應(yīng)作如下考慮:降低炮孔裝藥量是首選的技術(shù)手段；多段間隔裝藥結(jié)構(gòu)可有效降低爆炸應(yīng)力波的作用，相對提高爆炸氣體膨脹作用，使爆破破壞程度控制在設(shè)計范圍內(nèi)；在耦合裝藥的情況下，相比柱狀藥包，球狀藥包的粉碎區(qū)半徑較小?；谝陨戏治龊托⌒捅颇M實驗，異質(zhì)界面控制爆破采用多分層小藥量球狀藥包空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。(2)邊孔距的理論估算爆炸過程是一個極其復(fù)雜的過程，為了使邊孔距離的理論計算簡化，先作如下假設(shè):①礦體與尾砂膠結(jié)充填體的分界面是一個規(guī)整的平面尾砂膠結(jié)充填體與礦體之間不存在任何空氣間隙；③礦體與尾砂膠結(jié)充填體均為各向同性彈性體；④藥包視為球狀藥包不考慮分界界面處爆炸應(yīng)力波的二次反射與透射；⑥爆炸應(yīng)力波到達界面時，按垂直入射計算應(yīng)力波的反射；⑦爆炸應(yīng)力波載荷按一維應(yīng)力波理論計算。根據(jù)爆破地震波質(zhì)點峰值振動速度、一維應(yīng)力波理論和入射動壓力垂直入射時反射應(yīng)力和射透應(yīng)力計算公式，對邊孔距離進行計算，代入?yún)?shù)數(shù)據(jù)可求得邊孔距離的理論估算值應(yīng)不小于0.506m。(3)小型爆破試驗小型試驗選擇在12#礦柱內(nèi)，其一側(cè)緊挨已采10#礦房充填體(灰砂比1: 8)，試驗炮孔水平布置，孔徑Φ42mm。試驗以巷道掘進的方式進行，巷道斷面2.5mX2m。試驗炸藥為普通乳化油炸藥?？砍涮铙w一側(cè)的邊孔采用多分層小藥量球狀藥包空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，藥卷長200mm，重200g，藥包長徑比為5。為避免充填體界面不規(guī)整所引起的試驗誤差，各次爆破進尺為0.9-1.0m。試驗共進行了 16次，通過對各次爆破后充填體的破壞程度、爆破大塊和爆破成本等參量進行綜合評分，利用二次回歸方程求最優(yōu)解可以得出:對于Φ42_的炮孔，當(dāng)分層裝藥量為0.2kg時，其邊孔至充填體界面最佳距離為0.41m，最佳空氣間隔長度為0.174m。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論與爆破相似理論，采用Φ 165mm大孔回采礦柱時，邊孔至充填體界面距離為1.51m，最佳空氣間隔長度為0.52-0.7m。3、非接觸式激光精準(zhǔn)掃描與數(shù)字建模三維可視化開采。采用非接觸式三維激光掃描測量系統(tǒng)對每次爆破前后采場進行精確測量，確定采空區(qū)形態(tài)，并導(dǎo)入三維數(shù)字礦山軟件中，實現(xiàn)礦山開采的過程模擬和效果控制。( I)炮孔布置與施工如圖6所示，采場布置5排炮孔，第I排、第5排炮孔按松動爆破技術(shù)，邊孔距均取
1.7m，邊孔孔底距取2.5mο IP 2P、4P 5P排間距取2.8m, 2P 3P、3P 4P排間距取
3.0m，中間孔孔底距取3m (部分孔例外)。鑿巖采用Atlas Copco公司生產(chǎn)的Simba-261潛孔鉆機,鉆頭為球齒鉆頭,直徑為165mm,鉆桿直徑為IlOmm,每節(jié)長1.5m,兩端帶有方形螺紋?？卓谝话慵尤?.8m長的套管，保護鉆孔。每個臺班2 3人作業(yè)，臺班效率40m以上。上盤采場設(shè)計孔深4205m，下盤采場設(shè)計孔深2517.8m。( 2 )爆破過程數(shù)字模擬每次爆破施工分為測孔、堵孔、填塞、裝藥等步驟，采場爆破共分為36次，消耗炸藥量39030kg，爆破礦量140175t。平均炸藥單耗0.28kg/t。從第16次和第29次爆破后的模擬孔深可以明顯看出大直徑深孔采礦方法的技術(shù)特點，同時在爆破過程中，能提高設(shè)計效率及監(jiān)控爆破過程。而對第29次爆破前、后礦體形態(tài)進行建模，經(jīng)計算得出，試驗采場至第29次爆破時累計爆破礦石體積29563m3，礦石量112339t ;從機運工區(qū)獲得出礦數(shù)據(jù)得知，截止2010年5月30日試驗采場累計出礦8189車，出礦量為48315t，出礦硐室保有礦石量為64024t，這樣的嘗試可以 做到采礦與出礦的銜接，既保證每次爆破的補償空間，又能做到留礦爆破，支撐兩側(cè)充填體，進一步減少貧化率。(3)爆破效果評估與控制采場回采完畢后，運用空區(qū)精密探測系統(tǒng)進行現(xiàn)場探測，精確地獲得采空區(qū)的三維形態(tài)，運用大型礦業(yè)軟件計算出空區(qū)體積，并與設(shè)計邊界進行對比分析，計算出采場貧化率。對爆破效果進行評估。采場鑿巖硐室底板標(biāo)高-505m，硐室高度為3.Sm,硐室頂板標(biāo)高為-50L 2m，空區(qū)模型高于-50L 2m水平的體積為280m3，最高垮落高度為2.5m，垮落主要集中于采場下盤中間區(qū)域。采場東西兩側(cè)分別為9P和IlP采場，9P柱充填體垮落較多，體積為2314m3，IIP充填體垮落相對較小，體積為240m3。目前設(shè)備探測獲得的空區(qū)總體積為21652m3，根據(jù)地質(zhì)資料獲得的試驗采場礦石總體積為44941m3。經(jīng)計算，試驗采場最終的貧化率為7.8%，損失率為5.5%，均達到設(shè)計要求。本具體實施方式
提供的技術(shù)方案適合于充填采礦法回采的礦山，針對充填體包裹條件下的厚大礦柱安全高效連續(xù)開采，既有效控制和管理深井地壓，保障采場與充填體的穩(wěn)定，又能實現(xiàn)深井礦體大規(guī)模、高強度的集中強化開采，降低礦石的開采成本，提高開采的經(jīng)濟效益。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，包括: 充填體內(nèi)巷道的聯(lián)合支護； 異質(zhì)界面控制爆破； 非接觸式激光精準(zhǔn)掃描與數(shù)字建模三維可視化開采。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述充填體巷道的聯(lián)合支護包括: 采用噴射混凝土與錨索聯(lián)合支護方式或錨桿掛網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護方式對鑿巖硐室進行支護； 采用錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護方式對出礦穿脈進行支護； 采用噴射混凝土、錨桿和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方式作為初期支護，待圍巖變形達到預(yù)定的穩(wěn)定程度時采用模筑鋼筋混凝土支護對出礦進路眉線處進行支護。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述噴射混凝土與錨索聯(lián)合支護方式包括:當(dāng)硐室頂板為巖體時，混凝土的噴層厚度為50-150mm，錨索采用直徑10_20mm的除銹除油鋼絲線，長5 10m，網(wǎng)度為拱部環(huán)向1000-2000mm，硐室走向方向1500-2500mm，注漿混凝土配比為水泥:砂:水=1:1:0.4，錨索布置方式為梅花形或菱形。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特·征在于，所述錨桿掛網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護方式包括:當(dāng)硐室頂板為充填體時，混凝土的噴層厚度為50-150mm，錨桿布置方式為全斷面布置，錨桿長1.8 2.5m,間距為環(huán)向間距0.5_lm，縱向間距0.6 1.2m,網(wǎng)掛在拱和墻的部位。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護方式包括:混凝土的噴層厚度為50-150mm，錨桿布置方式為全斷面布置，錨桿長1.8 2.5m,間距為環(huán)向間距0.5-lm，縱向間距0.8 1.2m,網(wǎng)掛在拱和墻的部位。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述模筑鋼筋混凝土支護包括:模筑鋼筋混凝土的厚度為20-40cm，強度等級為C30，鋼筋采用022螺紋鋼，網(wǎng)度為30cmX30cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述異質(zhì)界面控制爆破包括: 采用多分層小藥量球狀藥包空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)； 根據(jù)爆破地震波質(zhì)點峰值振動速度、一維應(yīng)力波理論和入射動壓力垂直入射時反射應(yīng)力和射透應(yīng)力計算公式，對邊孔距離進行計算，求得邊孔距離的理論估算值不小于0.506m ； 對于O42mm的炮孔，當(dāng)分層裝藥量為0.2kg時，邊孔至充填體界面最佳距離為0.41m,最佳空氣間隔長度為0.174m;當(dāng)采用165mm大孔回采礦柱時,邊孔至充填體界面距離為1.51m，最佳空氣間隔長度為0.52-0.7m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充填體包裹下厚大礦柱開采方法，其特征在于，所述非接觸式激光精準(zhǔn)掃描與數(shù)字建模三維可視化開采包括: 通過國際上先進的非接觸式激光精準(zhǔn)掃描(全方位360°掃描，覆蓋高達150m范圍內(nèi)整個空間，數(shù)據(jù)捕捉率可達每秒200點而精確度為+/-5cm)，確定每次爆破后采空區(qū)的形態(tài)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)入三維數(shù)字礦山模型中，精細化模擬礦山開采過程，實現(xiàn)采礦效果(損失率、貧化率等)的有效控制。`
全文摘要
本發(fā)明提供了一種充填體包裹下厚大礦柱開采方法，包括充填體內(nèi)巷道的聯(lián)合支護；異質(zhì)界面控制爆破；非接觸式激光精準(zhǔn)掃描與數(shù)字建模三維可視化開采。本發(fā)明適合于充填采礦法回采的礦山，針對充填體包裹條件下的厚大礦柱安全高效連續(xù)開采，既有效控制和管理深井地壓，保障采場與充填體的穩(wěn)定，又能實現(xiàn)深井礦體大規(guī)模、高強度的集中強化開采，降低礦石的開采成本，提高開采的經(jīng)濟效益。
文檔編號E21C41/16GK103233739SQ20131013197
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者楊小聰, 方志甫, 解聯(lián)庫, 衛(wèi)明, 馮盼學(xué), 鄒賢季, 楊志強, 史傳哲, 郭利杰, 王林, 董凱程, 羅皖東 申請人:北京礦冶研究總院, 銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦