CN111088979A - 一种下向进路充填采矿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下向进路充填采矿方法，包括矿块划分、采准布置、采场回采和采场填充，通过将相邻分层进路间的矿块交错设置，并将高强速凝充填材料和低强速凝充填材料交替充填于每条分层进路的相邻矿块采空区中，从而在保证采矿安全的同时降低充填成本，并缩短开采时间，提高开采效率。通过上述方式，本发明不仅能够使上层充填体受到下层高强充填体和低强充填体的共同支撑，防止上层充填体坍塌，保障采矿安全；还能够通过配制速凝剂，在有效减少充填材料中水泥的使用量、降低充填成本的同时，提高充填体的强度，并缩短等待充填材料达到强度所耗费的时间，提高开采效率。同时，充填体的性能可以根据使用需求进行调控，应用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及矿山开采技术领域，特别是涉及一种下向进路充填采矿方法。
背景技术
充填采矿法作为一种在回采过程中使用充填料对采空区进行充填的采矿方法，能够利用充填材料进行支撑，防止围岩崩落和地表沉陷，保护地上、地表环境，最大限度地回收矿产资源，因而得到了广泛应用。根据矿体回采方向和充填方式的不同，充填采矿方法可以分为上向进路充填法、下向进路充填法、和嗣后充填采矿法。其中，下向进路充填法通过构筑人工假顶，从而在人工假顶的保护下，对矿体进行从上向下的逐层回采，并将充填材料填充至充填区内，具有安全可靠、贫化率低、回采效率高等优势，因而被广泛用于开采矿岩易破碎、矿石品位高或矿石价值高的有色金属及稀有金属矿。
随着矿石品位的下降和高价值金属价格的下滑，矿山开采的经济效益不断降低，而下向进路充填采矿方法由于充填工艺复杂、充填材料的用量较大，导致开采成本较高，已逐渐难以满足市场的需求。因此，如何在保证开采安全和质量的条件下降低充填成本、提高采矿效益，是当前针对下向进路充填采矿方法的研究重点。
为降低充填成本，公开号为CN106014410A的专利提供了一种下向进路部分充填采矿方法，该方法通过将开采区域划分为相互交替的间隔充填层和完全充填层，并对间隔充填层进行间隔填充，从而减少充填材料的使用量，降低充填成本。但由于该方法显著降低了充填比，却并未增设防护装置，且各间隔充填层中空场条块的位置相同，导致空场区域对应的竖直方向仅含50％的充填材料，缺乏足够支撑力度，容易造成崩塌，存在安全隐患。同时，该方法在进行充填的过程中，需要等第一条块的充填体达到设计强度后再进行第二条块的开采，整体过程耗时较长，开采效率低。
有鉴于此，当前仍有必要设计一种下向进路充填采矿方法，在保证采矿安全的同时降低充填成本，并缩短开采时间，提高开采效率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够在保障采矿安全的同时降低充填成本、提高开采效率的下向进路充填采矿方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种下向进路充填采矿方法，包括如下步骤：
S1、矿块划分：将开采中段平均划分为若干分段，每个所述分段平均划分为两个水平分层，每个所述分层平均划分为若干矿块，并使相邻分层间的矿块相互交错；
S2、采准布置：采用脉外采准对开采中段进行布置，每隔固定距离布置一条分段运输巷，并在开采中段底部布置中段运输巷，所述分段运输巷和所述中段运输巷分别通过采场联络道和穿脉运输巷与矿体相连，所述分段运输巷通过分层联络巷与所述分层相连；每个所述分层内布置一条进路，每个所述分段内的上层进路顶部设有人工假顶；
S3、采场回采：按自上而下的顺序依次对各分层进行回采，每个所述分层内沿所述进路按隔一采一的间隔回采方式先对各矿块进行一次回采，待一次采空区充填完成并达到预设抗压强度后，对该进路的剩余矿块进行二次回采，并形成二次采空区；
S4、采场充填：在所述一次回采完成后，向所述一次采空区内充填高强速凝充填材料，并在所述二次回采完成后，向所述二次采空区内充填低强速凝充填材料。
进一步地，在步骤S1中，所述相邻分层间的矿块相互错开半个矿块宽度。
进一步地，在步骤S2中，所述人工假顶中混凝土的强度等级为C25，所述混凝土由水泥、细尾砂、粗尾砂、碎石和水配制而成，所述水泥、细尾砂、粗尾砂、碎石和水的配比为1:0.3:0.6:8:0.6；所述细尾砂为粒径＜74μm的尾砂，所述粗尾砂为粒径≥74μm的尾砂。
进一步地，在步骤S2中，还包括将分层矿体划分为盘区，每个所述盘区内设有充填回风井和脉外溜矿井；所述充填回风井设置于矿体下盘，所述脉外溜矿井设置于矿体下盘脉外。
进一步地，在步骤S3中，所述回采包括凿岩、***、支护和出矿；所述支护方式为采用锚杆与金属网联合支护。
进一步地，在步骤S3中，所述预设抗压强度为1Mpa。
进一步地，在步骤S4中，还包括充填管道铺设和充填挡墙砌筑；所述充填管道为两组，分别对应所述一次采空区和所述二次采空区。
进一步地，在步骤S4中，所述高强速凝充填材料的原料及配比为水泥熟料4％、矿渣9％、尾矿84％、速凝剂3％；所述高强速凝充填材料充填时的浆料浓度为70％。
进一步地，在步骤S4中，所述低强速凝充填材料的原料及配比为水泥熟料10％、尾矿87.8％、十二烷基硫酸钠0.2％、速凝剂2％；所述低强速凝充填材料充填时的浆料浓度为65％。
进一步地，所述速凝剂为硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的混合物，所述硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的配比为1:(0.8～1.2):(1～3)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种下向进路充填采矿方法通过将高强速凝充填材料和低强速凝充填材料交替充填于每条分层进路的相邻矿块采空区中，并使相邻分层进路间的矿块交错设置，不仅能够使上层充填体受到下层高强充填体和低强充填体的共同支撑，防止上层充填体坍塌，保障采矿安全；还能够有效减少充填材料中水泥的使用量，降低充填成本，并缩短等待充填材料达到强度所耗费的时间，提高开采效率。
2、本发明通过在每个分段中的上层进路顶部布置人工假顶，能够对地表或上分段进行有效支撑与防护，提高采矿过程的安全性；同时，在布置该人工假顶时通过将一定量的粗、细尾砂和碎石代替部分硅酸盐水泥制备混凝土，能够在保证安全的情况下降低成本，提高采矿的经济效益。
3、本发明配制的高强速凝充填材料中使用了具有活性的矿渣代替部分水泥熟料，并以大量尾矿作为主要原料，不仅能够减少水泥的使用，降低充填成本，还能够在速凝剂的作用下，使充填材料快速凝结，并在早期达到较高强度，既为采矿安全提供保障，又能够有效降低充填后的等待时间，提高采矿效率；同时，本发明配制的低强速凝充填材料中添加了少量十二烷基硫酸钠，能够在形成浆料的过程中起到发泡效果，从而增加充填材料的孔隙率，降低充填单位体积所需的各原料用量，显著降低充填成本，并在速凝剂的作用下提高其凝结速度和强度，再通过与高强速凝填充材料交错设置，能够共同提供良好的支撑作用，保障采矿安全。
4、本发明通过配制含有硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的速凝剂，不仅能够降低凝结时间，还能够增强充填体的早期强度；其中，硫酸钠中的硫酸根离子能够抑制水泥熟料中石膏的溶解，从而降低石膏的缓凝效果，促进水化反应的进行，降低凝结速度；硅酸钠中的硅酸根离子能够和水泥熟料中的钙离子反应生成具有胶结性能的硅酸钙，达到加速凝结的效果；同时，硫酸钠和硅酸钠的添加能够提高浆体的碱度，从而激发矿渣及尾矿的活性，促进其二次水化，提高填充体的强度；而无水硫铝酸钙能够在硫酸钠和碱性环境的共同激发下和水混合形成多硫型水化硫铝酸钙，不仅能够促进浆体凝结，提高充填体强度，还能够产生一定的体积膨胀，保证充填体充分接顶，对顶板提供有效支撑；三者协同作用，使形成的充填体在保持较低成本的同时获得优异的支撑效果。
附图说明
图1是本发明一种下向进路充填采矿方法的开采区域平面结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图1的B-B剖面图；
附图中各部件的标记如下：1、分段运输巷；2、中段运输巷；3、采场联络道；4、穿脉运输巷；5、分层联络巷；6、人工假顶；7、充填回风井；8、脉外溜矿井；9、高强速凝充填体；10、低强速凝充填体；11、未回采矿体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
请参阅图1，本实施例提供了一种下向进路充填采矿方法，选取矿体为矿岩不稳定的急倾斜矿体，所述下向进路充填采矿方法包括如下步骤：
S1、矿块划分
开采中段高度为40m，将所述开采中段平均划分为四个分段，每个所述分段高10m；将每个所述分段平均划分为两个水平分层，沿矿体走向将每个所述分层平均划分为若干矿块，各矿块的宽度和层高相等，且相邻分层间的矿块相互错开半个矿块宽度。
S2、采准布置
采用脉外采准对开采中段进行布置，每隔10m布置一条分段运输巷1，并在开采中段底部布置中段运输巷2，所述分段运输巷1和所述中段运输巷2分别通过采场联络道3和穿脉运输巷4与矿体相连，每个所述分段运输巷1通过分层联络巷5与所述分层相连，一个所述分段运输巷可以向两个分层进行运输；每个所述分层内布置一条进路，所述进路宽为4m、高为5m，每个所述分段内的两个分层中的上层进路的顶部设有高为1m的人工假顶6；将分层矿体划分为盘区，每个所述盘区内设有充填回风井7和脉外溜矿井8；所述充填回风井7设置于矿体下盘，所述脉外溜矿井8设置于矿体下盘脉外，便于出矿。
其中，所述人工假顶为强度等级达C25的混凝土构筑而成，所述混凝土由水泥、细尾砂、粗尾砂、碎石和水配制而成，所述水泥、细尾砂、粗尾砂、碎石和水的配比为1:0.3:0.6:8:0.6；所述水泥为强度等级为32.5的硅酸盐水泥，所述细尾砂为粒径＜74μm的尾砂，所述粗尾砂为粒径≥74μm的尾砂；所述混凝土的3d、7d和28d的抗压强度分别为15.2MPa、20.3MPa和28.9MPa。
S3、采场回采：按自上而下的顺序依次对各分层进行回采，每个所述分层内沿所述进路按隔一采一的间隔回采方式先对各矿块进行一次回采，待一次采空区充填完成并达到1Mpa的抗压强度后，对该进路的剩余矿块进行二次回采，并形成二次采空区。
其中，所述回采包括凿岩、***、支护和出矿；先采用凿岩台车在凿岩平巷中布孔，再将***置于孔底，采用逐孔分段、孔底起爆的方式进行***；再将锚杆打入巷道的顶部和两帮，并将金属网通过锚杆固定在巷道两帮，对巷道进行支护；最后使铲运机从分段运输巷1进入，经采场联络道3进入分层联络巷5，并进入矿体，将崩落的矿石铲取后由脉外溜矿井8送出，经所述脉外溜矿井8底部的振动出矿机对矿石进行接收和送出。
S4、采场充填：在每次回采完成后，对采场进行清理，铺设充填管道并砌筑充填挡墙；所述充填管道分为第一充填管道和第二充填管道，分别对应所述一次采空区和所述二次采空区；所述充填挡墙由混凝土预制砖砌筑。
具体地，当所述一次回采完成后，通过所述第一充填管道向所述一次采空区内充填高强速凝充填材料至接顶，所述高强速凝充填材料能够快速凝结，早期强度高，3d后所述高强速凝充填材料形成的高强速凝充填体9的抗压强度达到2.4Mpa，可以进行二次回采；在所述二次回采完成后通过所述第二充填管道向所述二次采空区内充填低强速凝充填材料至接顶，所述低强速凝充填材料形成的低强速凝充填体10的3d抗压强度为0.7MPa，7d抗压强度为1.1Mpa，可以按同样的方法对下一分层中未回采的矿体11进行回采与充填，直至各分层的矿块全部回采并充填完成。
在本实施例中，所述高强速凝充填材料的原料及配比为水泥熟料4％、矿渣9％、尾矿84％、速凝剂3％，所述高强速凝充填材料充填时的浆料浓度为70％；同时，所述低强速凝充填材料的原料及配比优选为水泥熟料10％、尾矿87.8％、十二烷基硫酸钠0.2％、速凝剂2％；所述低强速凝充填材料充填时的浆料浓度为65％。其中，所述速凝剂为硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的混合物，所述硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的配比为1:1:2。
需要说明的是，在其他实施例中，所述速凝剂中各原料的配比可以在一定范围内进行调整，在其他条件均与本实施例保持一致的情况下，速凝剂中各原料配比变化时形成的各充填体的凝结时间和抗压强度如表1所示。
表1速凝剂中原料配比变化时形成的各充填体的凝结时间和抗压强度
由表1可以看出，速凝剂中各原料的配比变化会对形成的充填体的凝结时间和抗压强度产生影响。随着速凝剂中硅酸钠所占比例的增加，由该速凝剂制备的高强速凝充填材料和低强速凝充填材料的初凝时间和终凝时间都逐渐缩短，其形成的充填体的早期抗压强度和后期抗压强度则逐渐提高。主要是因为硅酸钠中的硅酸根离子能够和水泥中的钙离子反应生成具有胶结性能的硅酸钙，并营造碱性环境，激发矿渣及尾矿的活性，从而加速填充材料的凝结并提高其早期和后期强度。因此，当硅酸钠在一定范围内增加能够有效缩短充填材料的凝结时间，并提高其所得充填体的抗压强度，但过量的硅酸钠不仅对充填材料凝结时间和抗压强度的改善不明显，还会增加速凝剂的制备成本。
随着速凝剂中无水硫铝酸钙所占比例的增加，由该速凝剂制备的高强速凝充填材料和低强速凝充填材料的初凝时间和终凝时间同样逐渐缩短，其形成的充填体的3d和7d的早期抗压强度也逐渐增强，但其28d的抗压强度则呈现先增加后降低的趋势。主要是因为无水硫铝酸钠和水混合后，会迅速水化生成多硫型水化硫铝酸钙，不仅会产生一定的体积膨胀，还会促进浆体凝结，并提高填充体早期强度，但是由于硫铝酸钙对矿渣及尾矿的激发效果有限，使得填充体的抗压强度在后期增长缓慢，当硫铝酸钙比例较高时反而会导致充填体的抗压强度有所降低。
因此，综合充填体的各期强度及成本因素，本发明优选速凝剂中硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的配比为1:(0.8～1.2):(1～3)。同时，根据矿体结构及其对充填体强度要求的不同，在实际使用中可以通过调整速凝剂中原料的配比对充填体的性能进行调控，从而满足不同情况下的使用需求，应用范围较广。
综上所述，本发明提供的下向进路充填采矿方法通过将相邻分层进路间的矿块交错设置，并将高强速凝充填材料和低强速凝充填材料交替充填于每条分层进路的相邻矿块采空区中，不仅能够使上层充填体受到下层高强充填体和低强充填体的共同支撑，防止上层充填体坍塌，保障采矿安全；还能够通过配制速凝剂，在有效减少充填材料中水泥的使用量、降低充填成本的同时，提高充填体的强度，并缩短等待充填材料达到强度所耗费的时间，从而在保证采矿安全的同时降低充填成本，并缩短开采时间，提高开采效率。
以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种下向进路充填采矿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、矿块划分：将开采中段平均划分为若干分段，每个所述分段平均划分为两个水平分层，每个所述分层平均划分为若干矿块，并使相邻分层间的矿块相互交错；
S2、采准布置：采用脉外采准对开采中段进行布置，每隔固定距离布置一条分段运输巷，并在开采中段底部布置中段运输巷，所述分段运输巷和所述中段运输巷分别通过采场联络道和穿脉运输巷与矿体相连，所述分段运输巷通过分层联络巷与所述分层相连；每个所述分层内布置一条进路，每个所述分段内的上层进路顶部设有人工假顶；
S3、采场回采：按自上而下的顺序依次对各分层进行回采，每个所述分层内沿所述进路按隔一采一的间隔回采方式先对各矿块进行一次回采，待一次采空区充填完成并达到预设抗压强度后，对该进路的剩余矿块进行二次回采，并形成二次采空区；
S4、采场充填：在所述一次回采完成后，向所述一次采空区内充填高强速凝充填材料，并在所述二次回采完成后，向所述二次采空区内充填低强速凝充填材料。
2.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S1中，所述相邻分层间的矿块相互错开半个矿块宽度。
3.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S2中，所述人工假顶中混凝土的强度等级为C25，所述混凝土由水泥、细尾砂、粗尾砂、碎石和水配制而成，所述水泥、细尾砂、粗尾砂、碎石和水的配比为1:0.3:0.6:8:0.6；所述细尾砂为粒径＜74μm的尾砂，所述粗尾砂为粒径≥74μm的尾砂。
4.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S2中，还包括将分层矿体划分为盘区，每个所述盘区内设有充填回风井和脉外溜矿井；所述充填回风井设置于矿体下盘，所述脉外溜矿井设置于矿体下盘脉外。
5.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S3中，所述回采包括凿岩、***、支护和出矿；所述支护方式为采用锚杆与金属网联合支护。
6.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S3中，所述预设抗压强度为1Mpa。
7.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S4中，还包括充填管道铺设和充填挡墙砌筑；所述充填管道为两组，分别对应所述一次采空区和所述二次采空区。
8.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S4中，所述高强速凝充填材料的原料及配比为水泥熟料4％、矿渣9％、尾矿84％、速凝剂3％；所述高强速凝充填材料充填时的浆料浓度为70％。
9.根据权利要求1所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：在步骤S4中，所述低强速凝充填材料的原料及配比为水泥熟料10％、尾矿87.8％、十二烷基硫酸钠0.2％、速凝剂2％；所述低强速凝充填材料充填时的浆料浓度为65％。
10.根据权利要求9或10所述的一种下向进路充填采矿方法，其特征在于：所述速凝剂为硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的混合物，所述硫酸钠、硅酸钠和无水硫铝酸钙的配比为1:(0.8～1.2):(1～3)。
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