CN111441773B - 一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法 - Google Patents

一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，属于采矿技术领域，布盘区选取，选择矿块垂直矿体走向布置，将矿块划分为矿房和矿柱；矿房切割，在划分的矿块表面钻凿***浅孔进行浅孔***落矿作业；矿房回采，采用分段空场法进行回采；胶结充填，采用如权利要求1所述的注浆装置将填料分段充填矿房。本发明通过设计矿柱结构以及对矿房采空后进行分段式填充，并对填充过程中采用5G技术对注浆压力进行监测与调控以及对开采区进行地压监测，有效控制地压，防止和减少开采区差异沉降以及冒顶事故。

Description

一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法
技术领域
本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法。
背景技术
缓倾斜中厚矿体是指倾角5°-30°、厚度为4-15m的矿体，这类矿体在我国占有相当的比例。在已探明的105亿t磷矿资源中，该类矿占86％，在铁矿储量中占18％，有色金属占5％-9％，以铜为主，其次是铅、锌、钼、锑等。此外，锰矿、粘土矿、硫铁矿、矾矿资源中也有相当的比例，据对国内缓倾斜中厚矿体矿山的统计，房柱采矿法占50％，底盘漏斗采矿法占35％，国外这类矿体主要采用房柱法，其比例达到61％。
其中房柱法开采缓倾斜中厚矿体由于开采后采空区暴露面积大，不适当的房柱法变形方案及采场参数容易使上覆岩层产生较大的移动变形，进而导致地表发生大的变形沉降。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种注浆装置，用于对房柱发开采过程中进行注浆回填保持采场的稳定性，确保安全生产，同时实现注浆填料充分充填矿房，并避免注浆对岩体压力过大导致矿柱及矿房内岩体存在裂隙的问题。
本发明为实现上述第一个目的所采取的技术方案为：一种注浆装置，包括：
缓料箱，
至少两个进料主管，至少两个进料主管贯穿中空设置的缓料箱并由位于缓料箱外的进料主管的管体排出第二填料，
进料副管，其贯穿缓料箱并由位于缓料箱外内的管体排出第一填料，并且能够使排出第一填料从缓料箱具有的出料孔I排出与第二填料混合，
其中，注浆装置还包括：用于调节至少两个进料主管内第二填料压力的循环管，循环管在至少两个进料主管之间呈蛇形排布，循环管进/出料端与液体循环泵连接，
其中，注浆装置还包括：紧固套体，其被安装到缓料箱内的进料主管表面，用于对进料主管上两点直线距离管径进行控制。
本发明利用缓料箱将进料副管内送入的第一填料排出至矿房中，进料主管将第二填料在缓料箱外喷射，通过第一填料和第二填料从不同部位的射出来实现填料之间的混合，获得多方位喷射效果以及充填范围，有利于混合后的填料与岩体之间的充分接触，也避免了采用一个方位喷射所带来的喷射压强过大对岩体造成的喷射冲击压力过大而使岩体出现裂隙的问题，在进料主管送入填料的过程中利用内部循环流动液体的循环管形成可形***管，进料主管内流动的填料相对循环管的压力可由循环管吸收或调控适当的填料注入压力，改变进料主管内的填料流动效果，来改善填料的喷射效果。
根据本发明一实施方式，注浆装置还包括：
限流套，其被套接于缓料箱内的进料副管上，限流套具有内径与进料副管外径相等的第一环状部，以及内径小于进料副管外径相等的第二环状体，通过在进料副管上设限流套的方式来缩小安装点的流通面以扩大通过该流通面的流体的流速。
根据本发明一实施方式，限流套套接于缓料箱进料方向的进料副管上，用于扩大缓料箱内进料副管中填料的流动速度以保证第一填料从缓料箱具有的出料孔I排出与第二填料混合。
根据本发明一实施方式，限流套套接于缓料箱出料方向的进料副管上，用于扩大缓料箱外的进料副管内填料的流动速度以保证填料的整体充填速度。
根据本发明一实施方式，紧固套体由至少两个圆环状且具有弹性的紧固圈体和用于连接相邻紧固圈体且能够伸缩形变的紧固条组成。紧固圈体套接于缓料箱内的进料副管上，所设置的紧固条环绕布设于紧固套体上具有均匀的间隙，在缓料箱内的进料主管上设置紧固套体的方式以降低缓料箱内的第一填料对进料主管起到过强的压力以避免缩小缓料箱内进料主管某点位的流通面积。
根据本发明一实施方式，至少两个进料主管一端部通过多通管件与注浆泵连接，至少两个进料主管另一端部设于具有空腔结构的缓冲球体内，缓冲球体外设第二压力监测器，注浆泵出浆口端设第一压力监测器，第一压力监测器和第二压力监测器分别与控制注浆泵的压力控制单元连接。进料主管与缓料箱连接外壁上设有密封圈。在进料主管端部设置缓冲球体上设置第二压力监测器的方式来获取充填矿房内的填料压力信号并通过5G通信网络完成数据传输至压力控制单元，压力控制单元控制注浆泵停止工作或调整注浆泵运行参数。
本发明第二个目的在于提供一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，设计矿柱结构以及对矿房采空后进行分段式填充，并对填充过程中采用5G技术对注浆压力进行监测与调控以及对开采区进行地压监测，有效控制地压，防止和减少开采区差异沉降以及冒顶事故。
本发明为实现上述第二个目的所采取的技术方案为：一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，步骤如下：
-布盘区选取，选择矿块垂直矿体走向布置(矿体厚度≥10m)，将矿块划分为矿房和矿柱；
-矿房切割，在划分的矿块表面钻凿***浅孔进行浅孔***落矿作业；
-矿房回采，采用分段空场法进行回采；
-胶结充填，采用注浆装置将填料分段充填矿房。
为防止开采矿区存在大量的采空区以及进行深度开采工作，通过房柱法对矿块进行开采并采用保留矿柱的方式来保证矿区的稳定性，并进一步通过充填填料的方式来保证开采区稳定性，防止和减小岩爆和岩层冒落等灾害性事故的发生，所选用的填料成分中优选使用开采过程中的废石进行回填，有效减少对环的污染并提高填充强度以及减少填充成本。
根据本发明一实施方式，矿房宽10-15m，矿柱宽4-6m，在矿房内，沿矿房高度划分为5个分段，分段高度10m，同时预留7m高顶柱，矿柱划分为5个分段，分段高度10m，每个分段划分3个分层，每个分层通过分层联络道将分层与分段巷道连接。此法为矿柱法开采，通过对矿块进行划分，并具体设计矿房和矿柱的宽度，才此尺寸下开采过程中顶板处应力迁移以及位移变化较低，在完成矿块划分后进行二个步骤进行开采，第一步先开采划分的矿房，第二步对开采后的矿房进行回填，在回填的填料凝结后养护强度满足条件在进行下一深度的开采工作直至开采区域矿块开采完成。
根据本发明一实施方式，填料相对于水泥以相对质量份包括：100份水泥、300-430份细沙、100-160份矿渣、0.2-0.55份减水剂、20-35份硅灰、0.4-0.6份消泡剂、0.1-0.23份速凝剂，水灰比0.4-0.55:1，本发明用充填填料的物理性能及力学性能满足了规范标准要求，充填填料中混合料喷射均匀性好，不会脱落，能与岩面牢固结合有效减少填料凝固产生收缩缝的现象，在填料凝结后具有较好的抗压强度、具有较高的防渗水性能，防止和减少开充填后的采区差异沉降以及冒顶事故。
根据本发明一实施方式，矿渣为废弃矿石粉碎后浇筑成截面为方形或圆形矿渣，选用矿渣粒径为1.5-4mm；选用硅灰粒径为0.1-0.3μm，本发明选择对采矿产生的矿渣以及废石进行破碎形成粒度较小的矿渣，并采用浇注的方式对矿渣进行浇注。
根据本发明一实施方式，填料28d龄抗压强度≥37.4MPa，28d龄破坏载荷≥828.3/KN，通过配比本发明的填料并使之充填于采空的矿房内，在填料凝结后获得较高的抗压强度，并利用具有此性能的填料来减小矿房各区域位置出现的差异沉降同时保证对充填区顶板的支撑，在充填矿房区域范围内出现岩体拉伸破坏或剪切破坏时通过充填填料确保矿区稳定。
根据本发明一实施方式，分段充填矿房时，首次分段填充采用第一填料：第二填料＝1:4的填料，其他部分采用第一填料：第二填料＝1:5-10的填料，第一填料水灰比0.4:1，第二填料水灰比0.5:1，在首次分段充填过程中为保证首次充填填料的强度以、耐久度以及一系列的物理力学性能通过减小第一填料和第二填料的比例来缩小混合后的填料的整体的水灰比，来保证最终混合后的填料的流变性能、水泥浆凝聚结构以及硬化后的密实度，在后续分段填充过程中在保证填料支撑强度以及矿区稳定性情况下，可适当扩大第一填料和第二填料的用量比以降低充填成本。
根据本发明一实施方式，浅孔***落矿作业中形成分割矿房的矿柱截面为L形/倒T形结构，对于开采区而言，矿柱支撑为采场支撑体系的核心，通过设计合理的矿柱结构对采场稳定性具有重要的作用，依据矿柱的载荷-位移关系式来设计矿柱尺寸与结构减小在载荷下矿柱的位移量保证矿区稳定性，具体计算式如下：
Figure BDA0002427599990000041
式中，k为矿柱的初始刚度，k＝EbA/D1；
u0为峰值应变所对应的岩体顶板下沉量；
A为矿柱的横截面积，A＝Z1×D1+Z2×D2，Z1为矿柱竖直部分宽度，Z2为矿柱延伸部分宽度，
D1为矿房高度，D2为矿柱延伸部分高度；通过改变矿柱的横截面积来提高矿柱的初始刚度，具体的是通过在矿柱底部设置延伸部的方式，该延伸部在承受岩体顶板自重及其上覆岩层的压力的过程中可将集中于矿柱上的压力向下分散至延伸部并利用延伸部与矿房的接触面积扩大来减小矿柱竖直部分受力以缩小矿柱受压失稳甚至丧失支撑能力，此设计对于突发性的采场顶板冒落具有较好的缓冲效果，在瞬时出现的应力变化由矿柱主体和延伸部承受，以避免瞬间掩埋井巷以及采场的事故出现，给采场区域人员一定反应时间，延伸部的设计还扩大了矿柱面积与采场空区总面积比，实现矿柱面积比大于30％来保证采场的稳定性。
根据本发明一实施方式，矿房回填过程中，对注浆压力进行监测与调控，以及对开采区进行地压监测，整个监测和调控过程由5G通信网络完成传输数据和/或控制指令发送。选用5G通信网络具有高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗的特点，相较于4G通信网络，采用5G通信网络在传输速率、延时性等指标上具有优于4G通信的性能，对于海量的监测数据可起到快速传输，在矿区出现事故预警进行报警反应时间可起到极大的缩短，对于矿区人员逃生率以及存活率的极大提升，并且利用5G通信网络可实现对充填填料过程监测实时保持充填填料压力稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过房柱法对矿块进行开采并采用保留矿柱以及进行填料回填的方式来保证矿区的稳定性，防止和减小岩爆和岩层冒落等灾害性事故的发生，在填料回填过程中选用注浆装置进行回填操作，解决了采用一个方位喷射所带来的喷射压强过大对岩体造成的喷射冲击压力过大而使岩体出现裂隙的问题，同时矿房回填过程中，对注浆压力进行监测与调控，以及对开采区进行地压监测，整个监测和调控过程由5G通信网络完成传输数据和/或控制指令发送，保证矿区稳定性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本申请实施例提出的缓倾斜中厚矿体开采过程中A-A的剖视图；
图2示出本申请实施例提出的缓倾斜中厚矿体开采过程中C-C的剖视图；
图3示出本申请实施例提出的缓倾斜中厚矿体开采过程中B-B的剖视图；
图4示出本申请实施例提出的房柱法开采矿柱和矿房的示意图；
图5示出本申请实施例提出的注浆装置示意图；
图6示出本申请实施例提出的紧固套结构示意图；
图7示出图5中a部放大示意图；
图8示出本申请实施例提出第一、二压力监测器、压力控制单元、注浆泵的连接示意图；
图9示出本申请实施例提出的5G通信网络结构图；
图10示出本申请实施例提出的一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法流程图；
图11示出本申请实施例提出试验例2中填料抗压强度；
图12示出本申请实施例提出试验例2中填料抗渗透性。
附图标记说明：10-矿房；11-回采进路；12-***浅孔；13-分段联络道；14-矿石溜井；15-分段巷道；16-中段运输穿脉巷道；17-矿石；18-回风井；19-顶板；20-矿柱；30-填料；40-循环泵；41-循环管；50-缓料箱；51-出料孔I；52-密封圈；53-进料副管；54-出料孔II；60-多通管件；61-进料主管；62-紧固套体；621-紧固圈体；622-紧固条体；63-出料孔III；64-缓冲球体；70-第二压力监测器；80-限流套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施方式提供了一种注浆装置，包括：
缓料箱50，
至少两个进料主管61，至少两个进料主管61贯穿中空设置的缓料箱50并由位于缓料箱50外的进料主管61的管体排出第二填料，
进料副管53，其贯穿缓料箱50并由位于缓料箱外50内的管体排出第一填料，并且能够使排出第一填料从缓料箱50具有的出料孔I51排出与第二填料混合，
其中，注浆装置还包括：用于调节至少两个进料主管61内第二填料压力的循环管41，循环管41在至少两个进料主管61之间呈蛇形排布，循环管41进/出料端与液体循环泵40连接，
其中，注浆装置还包括：紧固套体62，其被安装到缓料箱50内的进料主管61表面，用于对进料主管61上两点直线距离管径进行控制。
本发明通过两个注浆泵分别对进料主管61和进料副管53送入填料，通过此方式来改善充填的矿房中的填料混合效果，具体利用缓料箱50将进料副管53内送入的第一填料排出至矿房中，进料主管61将第二填料在缓料箱50外喷射，通过第一填料和第二填料从不同部位的射出来实现填料之间的混合，获得多方位喷射效果以及充填范围，有利于混合后的填料与岩体之间的充分接触，也避免了采用一个方位喷射所带来的喷射压强过大对岩体造成的喷射冲击压力过大而使岩体出现裂隙的问题，同时为调控进料主管61的喷射速度，在进料主管61送入填料的过程中利用内部循环流动液体的循环管41形成可形***管，进料主管61内流动的填料相对循环管41的压力可由循环管41吸收或调控适当的填料注入压力，改变进料主管61内的填料流动效果，来改善填料的喷射效果，循环管41外径随受压可调以此可调节进料主管61上不同点位的内部流通面积以降低堵塞的几率，在缓料箱50内的进料主管61上设置紧固套体62的方式以降低缓料箱50内的第一填料对进料主管61起到过强的压力以避免缩小缓料箱50内进料主管61某点位的流通面积。
所选用的进料主管61和进料副管53选用橡胶管，具体可以是聚氨酯和丁基橡胶为主原料制备而成的橡胶管，常温下工作压力为2.5-7.5MPa，循环管41选用PVC软管，其内部循环流动介质为水。
于本发明一实施方式中，注浆装置还包括：
限流套80，其被套接于缓料箱50内的进料副管53上，限流套80具有内径与进料副管53外径相等的第一环状部，以及内径小于进料副管53外径相等的第二环状体，通过在进料副管53上设限流套80的方式来缩小安装点的流通面以扩大通过该流通面的流体的流速，限流套80所用材质优选为金属材质，硬度高于进料副管53。
于本发明一实施方式中，限流套80套接于缓料箱50进料方向的进料副管53上，用于扩大缓料箱50内进料副管53中填料的流动速度以保证第一填料从缓料箱50具有的出料孔I51排出与第二填料混合。
于本发明一实施方式中，限流套80套接于缓料箱50出料方向的进料副管53上，用于扩大缓料箱50外的进料副管53内填料的流动速度以保证填料的整体充填速度。
于本发明一实施方式中，紧固套体62由至少两个圆环状且具有弹性的紧固圈体621和用于连接相邻紧固圈体621且能够伸缩形变的紧固条622组成。紧固圈体621套接于缓料箱50内的进料副管53上，所设置的紧固条622环绕布设于紧固套体62上具有均匀的间隙，在缓料箱50内的进料主管61上设置紧固套体62的方式以降低缓料箱50内的第一填料对进料主管61起到过强的压力以避免缩小缓料箱50内进料主管61某点位的流通面积。
于本发明一实施方式中，至少两个进料主管61一端部通过多通管件60与注浆泵连接，至少两个进料主管61另一端部设于具有空腔结构的缓冲球体64内，缓冲球体64外设第二压力监测器70，注浆泵出浆口端设第一压力监测器，第一压力监测器和第二压力监测器分别与控制注浆泵的压力控制单元连接。进料主管61与缓料箱50连接外壁上设有密封圈52。在进料主管61端部设置缓冲球体64上设置第二压力监测器70的方式来获取充填矿房内的填料压力信号并通过5G通信网络完成数据传输至压力控制单元，压力控制单元实时接收第一压力监测器和第二压力监测器反馈数据进行比对，在第二压力监测器或第一压力监测器达到预定值时，压力控制单元控制注浆泵停止工作或调整注浆泵运行参数(初始注入填料压力为4MPa，调节注浆压力范围为1.5-2.5MPa)，实现充填的矿房内的注浆压力稳定，避免喷射压强过大对岩体造成的喷射冲击压力过大而使岩体出现裂隙的问题。
本发明一实施方式提供了：一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，步骤如下：
S10、布盘区选取，选择矿块垂直矿体走向布置(矿体厚度≥10m)，进路间距10m，将矿块划分为矿房和矿柱，其中采准工程主要有采区斜坡道、分段巷道、分段联络道、分层联络道(矿房)、溜矿井、充填小井(矿房)、充填回风井(矿柱)、顺路滤水井(矿柱)、采矿进路(矿房)，切割工程主要为切割平巷和切割天井；
S20、矿房切割，在划分的矿块表面钻凿***浅孔12进行浅孔***落矿作业；
S30、矿房回采，采用分段空场法进行回采，矿房回采时在分段巷道中用YGZ－90凿岩机钻凿扇形浅孔，排距为1.5-1.8m，孔底距为2-2.3m，采下的矿石利用铲运机经采矿进路运至采区溜井，矿柱回采时用凿岩台车自下而上逐层回采，爆下的矿石采用铲运机经采矿进路运至采区溜井，压顶采用控制***，保证顶板平整与稳定，矿房采用上向风流贯通式通风，矿房、矿柱均采用局扇辅助通风，确保良好的作业环境；
S40、出矿时，分段采下的矿石，经铲运机在采矿进路中铲装后卸往脉外溜矿井，最后一个分段回采结束后，未出尽矿石采用遥控铲运机清理采场，经遥控铲运机铲取后直接卸往脉外溜矿井。矿柱出矿时，铲运机经回采进路铲装矿石后卸入脉外溜井中。最后溜井中的矿石通过电机车运输到主井井底车场，通过主井提升至地表；
S50、胶结充填，采用注浆装置将填料分段充填矿房。
注：进路断面尺寸为3m×4.2m(宽×高)。
为防止开采矿区存在大量的采空区以及进行深度开采工作，通过房柱法对矿块进行开采并采用保留矿柱的方式来保证矿区的稳定性，并进一步通过充填填料的方式来保证开采区稳定性，防止和减小岩爆和岩层冒落等灾害性事故的发生，所选用的填料成分中优选使用开采过程中的废石进行回填，有效减少对环的污染并提高填充强度以及减少填充成本。
于本发明一实施方式中，矿房宽10-15m，矿柱宽4-6m，在矿房内，沿矿房高度划分为5个分段，分段高度10m，同时预留7m高顶柱，矿柱划分为5个分段，分段高度10m，每个分段划分3个分层，每个分层通过分层联络道13将分层与分段巷道15连接。此法为矿柱法开采，通过对矿块进行划分，并具体设计矿房和矿柱的宽度，才此尺寸下开采过程中顶板处应力迁移以及位移变化较低，在完成矿块划分后进行二个步骤进行开采，第一步先开采划分的矿房，第二步对开采后的矿房进行回填，在回填的填料凝结后养护强度满足条件在进行下一深度的开采工作直至开采区域矿块开采完成。
于本发明一实施方式中，填料30相对于水泥以相对质量份包括：100份水泥、300-430份细沙、100-160份矿渣、0.2-0.55份减水剂、20-35份硅灰、0.4-0.6份消泡剂、0.1-0.23份速凝剂，水灰比0.4-0.55:1，
本发明用充填填料的物理性能及力学性能满足了规范标准要求，充填填料中混合料喷射均匀性好，不会脱落，能与岩面牢固结合有效减少填料凝固产生收缩缝的现象，在填料凝结后具有较好的抗压强度、具有较高的防渗水性能，防止和减少开充填后的采区差异沉降以及冒顶事故，优选的，水泥优选P.O42.5普通硅酸盐水泥，优选的，细沙粒径为0.25-0.35mm，优选的，渣为废弃矿石粉碎后浇筑成截面为方形或圆形矿渣，矿渣粒径为1.5-4mm；选用硅灰粒径为0.1-0.3μm；优选的，减水剂选自由木质素磺酸盐、多元醇衍生物、萘磺酸甲醛缩合物以及具有聚氧化烯基和阴离子性基团的聚合物组成的组中的至少一种化合物，消泡剂例如甘油、聚乙烯醇、铝甲基硅酸钠、对氨基苯磺酸和酪蛋白等。优选的，消泡剂采用矿物油类消泡剂，优选的，速凝剂为无机盐类速凝剂，具体为红星I型。为进一步使得充填的填料防渗水性能提升，于本发明一实施方式中，回填的填料相对水泥以相对质量份还包括：0.03-0.05份尿囊素。尿囊素的加入还可降低提高填料的抗压强度，具体的实现填料28d龄抗压强度≥37.4MPa，28d龄破坏载荷≥828.3/KN。
于本发明一实施方式中，矿渣为废弃矿石粉碎后浇筑成截面为方形或圆形矿渣，选用矿渣粒径为1.5-4mm；选用硅灰粒径为0.1-0.3μm，本发明选择对采矿产生的矿渣以及废石进行破碎形成粒度较小的矿渣，并采用浇注的方式对矿渣进行浇注，其目的在于用于减小矿渣对填料在混合过程中的搅拌性能以及形成的填料在输送过程中的流动性的影响并相对提高填料的混合搅拌速率以及其流动性，具体的通过规则形状的矿渣改善填料流动过程中矿渣随之流动过程中对填料浆液的剪切作用，相比较于不规则矿渣采用截面为方形或圆形矿渣的填料流动性更好，利于提升凝结后的填料抗压强度等学性能。
于本发明一实施方式中，填料28d龄抗压强度≥37.4MPa，28d龄破坏载荷≥828.3/KN，通过配比本发明的填料并使之充填于采空的矿房内，在填料凝结后获得较高的抗压强度，并利用具有此性能的填料来减小矿房各区域位置出现的差异沉降同时保证对充填区顶板的支撑，在充填矿房区域范围内出现岩体拉伸破坏或剪切破坏时通过充填填料确保矿区稳定。
于本发明一实施方式中，分段充填矿房时，首次分段填充采用第一填料：第二填料＝1:4的填料，其他部分采用第一填料：第二填料＝1:5-10的填料，第一填料水灰比0.4:1，第二填料水灰比0.5:1，在首次分段充填过程中为保证首次充填填料的强度以、耐久度以及一系列的物理力学性能通过减小第一填料和第二填料的比例来缩小混合后的填料的整体的水灰比，来保证最终混合后的填料的流变性能、水泥浆凝聚结构以及硬化后的密实度，在后续分段填充过程中在保证填料支撑强度以及矿区稳定性情况下，可适当扩大第一填料和第二填料的用量比以降低充填成本。
于本发明一实施方式中，浅孔***落矿作业中形成分割矿房的矿柱截面为L形/倒T形结构，对于开采区而言，矿柱支撑为采场支撑体系的核心，通过设计合理的矿柱结构对采场稳定性具有重要的作用，依据矿柱的载荷-位移关系式来设计矿柱尺寸与结构减小在载荷下矿柱的位移量保证矿区稳定性，具体计算式如下：
Figure BDA0002427599990000111
式中，k为矿柱的初始刚度，k＝EbA/D1；
u0为峰值应变所对应的岩体顶板下沉量；
A为矿柱的横截面积，A＝Z1×D1+Z2×D2，Z1为矿柱竖直部分宽度，Z2为矿柱延伸部分宽度，
D1为矿房高度，D2为矿柱延伸部分高度；通过改变矿柱的横截面积来提高矿柱的初始刚度，具体的是通过在矿柱底部设置延伸部的方式，该延伸部在承受岩体顶板自重及其上覆岩层的压力的过程中可将集中于矿柱上的压力向下分散至延伸部并利用延伸部与矿房的接触面积扩大来减小矿柱竖直部分受力以缩小矿柱受压失稳甚至丧失支撑能力，此设计对于突发性的采场顶板冒落具有较好的缓冲效果，在瞬时出现的应力变化由矿柱主体和延伸部承受，以避免瞬间掩埋井巷以及采场的事故出现，给采场区域人员一定反应时间，延伸部的设计还扩大了矿柱面积与采场空区总面积比，实现矿柱面积比大于30％来保证采场的稳定性。
于本发明一实施方式中，矿房回填过程中，对注浆压力进行监测与调控，以及对开采区进行地压监测，整个监测和调控过程由5G通信网络完成传输数据和/或控制指令发送。选用5G通信网络具有高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗的特点，相较于4G通信网络，采用5G通信网络在传输速率、延时性等指标上具有优于4G通信的性能，对于海量的监测数据可起到快速传输，在矿区出现事故预警进行报警反应时间可起到极大的缩短，对于矿区人员逃生率以及存活率的极大提升，并且利用5G通信网络可实现对充填填料过程监测实时保持充填填料压力稳定。
所使用的5G通信网络主要由核心网、宏基站和微基站组成，如图9所示，核心网是通信***的“大脑”，负责***的控制和信息数据的传递，将不同端口的呼叫或数据请求接续到对应网络上。宏基站则是通信***的“中枢神经”，通过光纤或微波与核心网相连，并通过无线通信将信息传递至对应不同区域的宏基站、微基站和用户。宏基站发射功率大，覆盖半径广。其单载波发射功率一般大于10W，覆盖半径通常为200m以上。微基站则是通信***的“末梢神经”，微基站发射功率低，覆盖半径小，大量微基站的协同覆盖能够保证各区域信号强度，提高无线连接密度。
对充填时填料的注浆压力进行监控与调试操作如下：利用5G通信网络对第一压力监测器和第二压力监测器所获取的压力数据进行接收反馈至压力控制单元，压力控制单元将获取的数据与预设值进行比对处理，在比对得出获取数值大于预设值时，控制注浆泵停止工作或调整注浆泵的注入压力，实现充填的矿房内的注浆压力稳定，避免喷射压强过大对岩体造成的喷射冲击压力过大而使岩体出现裂隙的问题。
对开采区进行地压监测操作如下：在开采的矿房以及矿柱上安装应力计、多点位移计(包括已进行充填的矿房和矿柱)，应力计可选择韩国1338VW型钻孔应力计，多点位移计可以是BOR-EX型钻孔式多点位移计，利用5G通信网络对数据进行采集传输至工控机控制单元，由工控机控制单元对数据进行处理，并对处理后数据以图形和数值方式显示，监测数据可采用统计的沉降图、沉降表等方式表示，设定预设值，在数据值达到预设值后进行报警操作，及时疏散矿区工作人员以及采取相应应急措施。低压监测时在首次监测应联系进行两次独立的监测，将监测结果作为变形测量的初始值，之后前6个月内每15天监测一次，7-12月内每一个月监测一次，以后为每2个月监测一次。
在监测过程中以下情况需进行上报以便于进行调整监测方案：
1)变形量或变形速率出现突然的异常变化；
2)监测的数值的变形量达到或超过临界预警值，即监测数值超过预设值；
3)矿区各中段出现坍塌、岩崩及地表出现异常情况；
4)由于地震等自然灾害引起的其他异常变形情况。
实施例1：
参见图5-8所示，一种注浆装置，包括：缓料箱50，包括两根进料主管61,和一根进料副管53，进料主管61和进料副管53管体材质及管径一致，缓料箱50还包括柱状的缓料箱50，缓料箱50内部中空设置，进料主管61贯穿中空设置的缓料箱50并由位于缓料箱50外的进料主管61的管体排出第二填料，缓料箱50内的进料主管61表面安装有紧固套体62，紧固套体62由至少两个圆环状且具有弹性的紧固圈体621和用于连接相邻紧固圈体621且能够伸缩形变的紧固条622组成。进料副管53贯穿缓料箱50并由位于缓料箱外50内的管体排出第一填料，并且能够使排出第一填料从缓料箱50具有的出料孔I51排出与第二填料混合，缓料箱50内的进料副管53上安装有限流套体80，限流套80具有内径与进料副管53外径相等的第一环状部，以及内径小于进料副管53外径相等的第二环状体，限流套80套接于缓料箱50进料方向的进料副管53上，两根进料主管61一端部通过三通管与注浆泵连接，进料副管53同时连接第二个注浆泵，两个进料主管61另一端部设于具有空腔结构的缓冲球体64内，缓冲球体64外设第二压力监测器70，两个注浆泵出浆口端分别设第一压力监测器，第一压力监测器和第二压力监测器分别与控制注浆泵的压力控制单元连接，进料主管61与缓料箱50连接外壁上设有密封圈52。
所选用的进料主管61和进料副管53选用橡胶管，是聚氨酯和丁基橡胶为主原料制备而成的橡胶管，常温下工作压力为2.5-7.5MPa，循环管41选用PVC软管。
在填料注浆充填矿房时对充填填料压力进行监测，具体如下：利用5G通信网络对第一压力监测器和第二压力监测器所获取的压力数据进行接收反馈至压力控制单元，压力控制单元将获取的数据与预设值进行比对处理，在比对得出获取数值大于预设值时，控制注浆泵停止工作或调整注浆泵的注入压力，实现充填的矿房内的注浆压力稳定，避免喷射压强过大对岩体造成的喷射冲击压力过大而使岩体出现裂隙的问题。
注浆泵的初始注入填料压力为4MPa，压力控制单元调节注浆压力范围为1.5-2.5MPa。
实施例2：
参见图1-3、10所示，一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，步骤如下：
S10、布盘区选取，选择矿块垂直矿体走向布置(矿体厚度≥10m)，进路间距10m，将矿块划分为矿房和矿柱，矿房宽10-15m，矿柱宽4-6m，在矿房内，沿矿房高度划分为5个分段，分段高度10m，同时预留7m高顶柱，矿柱划分为5个分段，分段高度10m，每个分段划分3个分层，每个分层通过分层联络道13将分层与分段巷道15连接，其中采准工程主要有采区斜坡道、分段巷道、分段联络道、分层联络道(矿房)、溜矿井、充填小井(矿房)、充填回风井(矿柱)、顺路滤水井(矿柱)、采矿进路(矿房)，切割工程主要为切割平巷和切割天井；
S20、矿房切割，在划分的矿块表面钻凿***浅孔12进行浅孔***落矿作业；
S30、矿房回采，采用分段空场法进行回采，矿房回采时在分段巷道中用YGZ－90凿岩机钻凿扇形浅孔，排距为1.5-1.8m，孔底距为2-2.3m，采下的矿石利用铲运机经采矿进路运至采区溜井，矿柱回采时用凿岩台车自下而上逐层回采，爆下的矿石采用铲运机经采矿进路运至采区溜井，压顶采用控制***，保证顶板平整与稳定，矿房采用上向风流贯通式通风，矿房、矿柱均采用局扇辅助通风，确保良好的作业环境；
S40、出矿时，分段采下的矿石，经铲运机在采矿进路中铲装后卸往脉外溜矿井，最后一个分段回采结束后，未出尽矿石采用遥控铲运机清理采场，经遥控铲运机铲取后直接卸往脉外溜矿井。矿柱出矿时，铲运机经回采进路铲装矿石后卸入脉外溜井中。最后溜井中的矿石通过电机车运输到主井井底车场，通过主井提升至地表；
S50、胶结充填，采用注浆装置将填料分段充填矿房，分段充填矿房时，首次分段填充采用第一填料：第二填料＝1:4的填料，其他部分采用第一填料：第二填料＝1:5-10的填料，第一填料水灰比0.4:1，第二填料水灰比0.5:1。
注：进路断面尺寸为3m×4.2m(宽×高)，浅孔***落矿作业中形成分割矿房的矿柱截面为倒T形结构，对于开采区而言，矿柱支撑为采场支撑体系的核心，通过设计合理的矿柱结构对采场稳定性具有重要的作用，参见图4所示，依据矿柱的载荷-位移关系式来设计矿柱尺寸与结构减小在载荷下矿柱的位移量保证矿区稳定性，具体计算式如下：
Figure BDA0002427599990000151
式中，k为矿柱的初始刚度，k＝EbA/D1；
u0为峰值应变所对应的岩体顶板下沉量；
A为矿柱的横截面积，A＝Z1×D1+Z2×D2，Z1为矿柱竖直部分宽度，Z2为矿柱延伸部分宽度，D1为矿房高度，D2为矿柱延伸部分高度；
填料相对于水泥以相对质量份包括：100份水泥、340份细沙、120份矿渣、0.35份减水剂、28份硅灰、0.45份消泡剂、0.18份速凝剂，水灰比0.45:1，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，细沙粒径为0.28mm，渣为废弃矿石粉碎后浇筑成截面为圆形矿渣，矿渣粒径为2mm，硅灰粒径为0.2μm；减水剂为萘磺酸甲醛缩合物，消泡剂为甘油，凝剂为红星I型。
实施例3：
与实施例2的不同之处在于：充填所用填料中还包括0.04份的尿囊素；填料28d龄抗压强度≥37.4MPa，28d龄破坏载荷≥828.3/KN，渣为废弃矿石粉碎后浇筑成截面为矩形矿渣。
实施例4：
本发明选用5G通信网络具有高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗的特点，相较于4G通信网络，采用5G通信网络在传输速率、延时性等指标上具有优于4G通信的性能，对于海量的监测数据可起到快速传输，在矿区出现事故预警进行报警反应时间可起到极大的缩短，对于矿区人员逃生率以及存活率的极大提升，并且利用5G通信网络可实现对充填填料过程监测实时保持充填填料压力稳定。
所使用的5G通信网络主要由核心网、宏基站和微基站组成，如图9所示，核心网是通信***的“大脑”，负责***的控制和信息数据的传递，将不同端口的呼叫或数据请求接续到对应网络上。宏基站则是通信***的“中枢神经”，通过光纤或微波与核心网相连，并通过无线通信将信息传递至对应不同区域的宏基站、微基站和用户。宏基站发射功率大，覆盖半径广。其单载波发射功率一般大于10W，覆盖半径通常为200m以上。微基站则是通信***的“末梢神经”，微基站发射功率低，覆盖半径小，大量微基站的协同覆盖能够保证各区域信号强度，提高无线连接密度。
对开采区进行地压监测操作如下：在开采的矿房以及矿柱上安装应力计、多点位移计(包括已进行充填的矿房和矿柱)，应力计可选择韩国1338VW型钻孔应力计，多点位移计可以是BOR-EX型钻孔式多点位移计，利用5G通信网络对数据进行采集传输至工控机控制单元，由工控机控制单元对数据进行处理，并对处理后数据以图形和数值方式显示，监测数据可采用统计的沉降图、沉降表等方式表示，设定预设值，在数据值达到预设值后进行报警操作，及时疏散矿区工作人员以及采取相应应急措施。低压监测时在首次监测应联系进行两次独立的监测，将监测结果作为变形测量的初始值，之后前6个月内每15天监测一次，7-12月内每一个月监测一次，以后为每2个月监测一次。
在监测过程中以下情况需进行上报以便于进行调整监测方案：
1)变形量或变形速率出现突然的异常变化；
2)监测的数值的变形量达到或超过临界预警值，即监测数值超过预设值；
3)矿区各中段出现坍塌、岩崩及地表出现异常情况；
4)由于地震等自然灾害引起的其他异常变形情况。
对比例1：与实施例1不同之处在于：进料主管61内不设置循环管41；
对比例2：与实施例1不同之处在于：不对填料注浆充填矿房时对充填填料压力进行监测。
对比例3：与实施例2的不同之处在于：充填所用填料的矿渣粒径为6mm。
对比例4：与实施例2的不同之处在于：充填所用填料的矿渣不经过浇筑处理，采用粉碎过筛获得，获得的粒径约为8mm。
对比例5：与实施例2的不同之处在于：充填所用填料的矿渣经浇筑为截面为凹字形。
对比例6：与实施例2的不同之处在于：充填所用填料还包括0.04份的尿囊素和65份细骨料。
对比例7：与实施例4的不同之处在于：对开采区进行地压监测采用4G通信网络。
试验例1：
注浆装置喷射填料性能测定，采用实施例1、对比例1、对比例2的注浆装置分别对试验岩石构成的矿房进行充填试验，观察灰岩开裂情况，所用填料成分如表1所示，结果如表2所示。
表1喷射填料原料
项目 水泥(Kg/m<sup>3</sup>) 砂(Kg/m<sup>3</sup>) 水(Kg/m<sup>3</sup>) W/C
填料 600 530 270 0.45
试验用岩石为Solnhofen灰岩，采用30×30cm的灰岩块组成矿房，在注浆前需用盐水将灰岩浸透。
表2矿房进行充填试验
Figure BDA0002427599990000171
试验例2：
充填填料性能的测定：
1)抗压强度测试：
分别采用实施例2-3、对比例3-6填料充填制作30mm×30mm×30mm尺寸试件，拆模养护28d，在养护后及时进行抗压强度试验，将试件表面与上下承压板面擦干净并安放在液压试验机的垫板上，确定试件的承压面与成型时的顶面垂直，试件的中心应与试验机下压板中心对其，开动试验机，在试验过程中连续均匀地加荷，加荷速度取0.1Mpa/s，加载直至试件破坏，记录破坏载荷，实施例2、对比例4-6填料制作试件的抗压强度如图11所示，可以看出实施例2试件的28d龄抗压强度为36.4MPa，实施例3试件的28d龄抗压强度为41.3MPa，高于对比例3-6；且实施例2的试件3d龄、14d龄抗压强度均高于对比例3-6，而实施例3试件3d龄、14d龄抗压强度均高于实施例2试件；以上结果表明实施例2所用浇筑的矿渣能够有效提升试件3d龄、14d龄抗压强度，而实施例3中尿囊素的加入能够进一步提高试件3d、14d龄和28d龄的抗压强度。
采用的抗压强度计算公式如下：
fcc＝F/A；
式中：fcc为混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；F为时间破坏载荷(N)；A为时间承压面积(mm2)；
2)抗渗性测试
试件制作：试模尺寸为上口直径175mm下口直径185mm高150mm的圆台体试件。试验时将试模放置于工作面附近，以80°度左右置于墙角处，分别充填实施例2-3、对比例3-6的填料制作试件，尽快将试件运回试验室，拆模后清理干净两端面的水泥浆膜，然后把试件用黄油涂抹压入抗渗试模内开始试验。
试验过程：试验时，水压恒定为0.8MPa±0.05MPa，1d后停止试验，取出试件；
将试件用压力机上纵向压裂成两半，用签字笔描出水痕，即为渗水深度，然后用刻度尺量测并记录数据；
取8个比较清晰的测点值的平均值即为该试件的渗水高度；
计算相对渗透系数(cm/s)，如下式所示：
Sk＝(mDm 2)/(2TH)，，式中，
Sk-相对渗透系数(cm/h)；
Dm-平均渗水高度(cm)；
H-水压力，以水柱高度表示(cm)；
T-恒压经历时间(h)；
M-混凝土的吸水率，一般为0.03。
分别对3d、14d龄和28d龄试件做了渗透系数的试验，试验结果如图7，相较于对比例3-6，实施例3试件的抗渗性有了明显的提高；而相较于实施例3，实施例2混凝土的抗渗性无明显的变化。以上结果表明，实施例3的填料中加入尿囊素后可有效提高试件的抗渗透性，而实施例2以及对比例3-5的抗渗透性均无过于明显的变化，对比例6中由于添加了尿囊素其试件抗渗透效果略差于实施例3的填料抗渗透性，可能的原因是对比例6中的细骨料对试件的抗渗透性产生了影响，导致对比例6的试件3d、14d龄和28d龄的抗渗透效果均略低于实施例3的试件。
试验例3：
在一处黄土坡铜锌矿场进行对开采区进行地压监测试验，对矿体中段260m处的采空区进行地压监测模拟试验，分别在两相邻位置按照实施例4和对比例7方案进行地压监测，对两者数据反馈差值进行统计，并通过人员在矿区内同时按压应力计的方式来测试实施例4和对比例7监测***的报警时间差值，经测结果为对比例7的数据反馈时间比实施例4监测***数据反馈时间长0.3秒，而模拟报警测试中实施例4的监测***于对比例7监测***早报警1.5s，可实现增大矿区人员逃生几率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种注浆装置，包括：
缓料箱(50)，
至少两个进料主管(61)，所述至少两个进料主管(61)贯穿中空设置的缓料箱(50)并由位于缓料箱(50)外的管体排出第二填料，
进料副管(53)，其贯穿缓料箱(50)并由位于缓料箱外(50)内的管体排出第一填料，并且能够使排出第一填料从缓料箱(50)具有的出料孔I(51)排出与第二填料混合，
其中，所述注浆装置还包括：用于调节至少两个进料主管(61)内第二填料压力的循环管(41)，所述循环管(41)在至少两个进料主管(61)之间呈蛇形排布，所述循环管(41)进/出料端与液体循环泵(40)连接，
其中，所述注浆装置还包括：紧固套体(62)，其被安装到缓料箱(50)内的进料主管(61)表面，用于对进料主管(61)上两点直线距离管径进行控制。
2.根据权利要求1所述的注浆装置，其特征在于：所述注浆装置还包括：
限流套(80)，其被套接于缓料箱(50)内的进料副管(53)上，
所述限流套(80)套接于缓料箱(50)进料方向的进料副管(53)上；
所述限流套(80)套接于缓料箱(50)出料方向的进料副管(53)上。
3.根据权利要求1所述的注浆装置，其特征在于：所述紧固套体(62)由至少两个圆环状且具有弹性的紧固圈体(621)和用于连接相邻紧固圈体(621)且能够伸缩形变的紧固条(622)组成。
4.根据权利要求1或2或3所述的注浆装置，其特征在于：所述至少两个进料主管(61)一端部通过多通管件(60)与注浆泵连接，所述至少两个进料主管(61)另一端部设于具有空腔结构的缓冲球体(64)内，所述缓冲球体(64)外设第二压力监测器(70)，所述注浆泵出浆口端设第一压力监测器，所述第一压力监测器和第二压力监测器分别与控制注浆泵的压力控制单元连接。
5.一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，步骤如下：
-布盘区选取，选择矿块垂直矿体走向布置，矿体厚度≥10m，将矿块划分为矿房和矿柱；
-矿房切割，在划分的矿块表面钻凿***浅孔(12)进行浅孔***落矿作业；
-矿房回采，采用分段空场法进行回采；
-胶结充填，采用如权利要求1所述的注浆装置将填料(30)分段充填矿房。
6.根据权利要求5所述的一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，其特征在于：所述矿房宽10-15m，矿柱宽4-6m，在矿房内，沿矿房高度划分为5个分段，分段高度10m，同时预留7m高顶柱，矿柱划分为5个分段，分段高度10m，每个分段划分3个分层，每个分层通过分层联络道(13)将分层与分段巷道(15)连接。
7.根据权利要求5所述的一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，其特征在于：所述填料(30)相对于水泥以相对质量份包括：100份水泥、300-430份细沙、100-160份矿渣、0 .2-0 .55份减水剂、20-35份硅灰、0 .4-0 .6份消泡剂、0 .1-0 .23份速凝剂，水灰比0.4-0.55:1；
所述矿渣为废弃矿石粉碎后浇筑成截面为方形或圆形矿渣，选用矿渣粒径为1 .5-4mm；
所述填料28d龄抗压强度≥37 .4MPa，28d龄破坏载荷≥828.3/KN。
8.根据权利要求5所述的一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，其特征在于：分段充填矿房时，首次分段填充采用第一填料：第二填料＝1:4的填料(30)，其他部分采用第一填料：第二填料＝1:5-10的填料(30)，第一填料水灰比0 .4:1，第二填料水灰比0.5:1。
9.根据权利要求5所述的一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，其特征在于：所述浅孔***落矿作业中形成分割矿房的矿柱截面为L形/倒T形结构。
10.根据权利要求5所述的一种用于缓倾斜中厚矿体房柱法回采矿柱的留存方法，其特征在于：矿房回填过程中，对注浆压力进行监测与调控，以及对开采区进行地压监测，整个监测和调控过程由5G通信网络完成传输数据和/或控制指令发送。
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