CN114636358B - 一种精确控制采空区边界的******和***方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确控制采空区边界的******和***方法，包括在充填体下采场的矿体内布置的若干上向炮孔，在炮孔底部设置消能装置；所述消能装置包括凹型消能装置和凸型消能装置，所述凹型消能装置设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶角两侧的炮孔内，所述凹型消能装置朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凹槽，所述凹槽具有将***应力波反射后相向叠加的内侧面，所述凸型消能装置设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶面和侧面的其他炮孔内，所述凸型消能装置朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凸起，所述凸起具有将***应力波反射后向外周发散的外侧面。本发明具有工艺简单、可操作性强、减少炮孔孔底及充填体损伤、增强***回采效率的优势。

Description

一种精确控制采空区边界的******和***方法

技术领域

本发明涉及一种精确控制采空区边界的******和***方法，属于矿山***技术领域。

背景技术

地下矿山开采中，通常采用中深孔或深孔***嗣后充填采矿法以提高回采效率。为保障回采安全，通常在上下采场间留设底柱矿体，待上下采场回采、充填完毕后再回采底柱矿体。底柱矿体回采时处于上部采场充填体下，底柱采场的扇形中深孔孔底***距离充填体比较近，矿体与充填体之间的交界面相当于一个自由面，造成***能量直接地对充填体造成损伤掉落，一方面造成贫化，降低了出矿品位，另一方面造成大片充填体裸露，形成安全隐患。

目前各大矿山的常规做法主要有两种：

一种是与充填体和底柱矿体之间留一定厚度的柔性保护层，通过柔性保护层材料对***冲击波的缓冲以保护充填体，但是柔性保护层的厚度不容易确认，若保护层厚度太大则容易形成大块和挂顶矿，造成安全隐患，若保护层厚度太小，则容易对充填体造成破坏；

另一种是使用不耦合装药结构，从距离充填体2～3m左右的位置开始装药，相邻炮孔错开装药，使用毫秒延期***逐孔起爆，此种方法在一定程度上确实能够减少充填体掉落，但是在爆堆中依然能发现不少充填体，可见此种方法仍不能完全解决问题。理论上每个炮孔需要留设的抵抗线是各不相同的，在施工中很难把握，经常导致爆后大块率的产生以及残留根底。

在矿山***中，由于现有技术的局限，对***能量无法有效控制，导致***效果不佳，增加了不少生产成本和安全隐患。如何控制***能量对充填体的损伤破坏、降低充填体下采场***后的安全隐患，是一个当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有充填体下采场上向中深孔***过程中不能控制***能量准确剥离矿体和充填体的问题，提供一种精确控制采空区边界的******和***方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种精确控制采空区边界的******，包括在充填体下采场的矿体内布置的若干上向炮孔，所述炮孔底部延伸至下采场的矿体边界，所述炮孔内部固定装填***，在炮孔底部设置消能装置；

所述消能装置包括凹型消能装置和凸型消能装置，所述凹型消能装置设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶角两侧的炮孔内，所述凹型消能装置朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凹槽，所述凹槽具有将***应力波反射后相向叠加的内侧面，所述凸型消能装置设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶面和侧面的其他炮孔内，所述凸型消能装置朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凸起，所述凸起具有将***应力波反射后向外周发散的外侧面。

在本发明的一种精确控制采空区边界的******中，进一步的，所述消能装置为钢纤维混凝土浇筑的消能块，所述消能块横截面与炮孔横截面相匹配。钢纤维混凝土利用矿山废弃钢材制备钢纤维，并将其掺入到混凝土中，形成钢纤维混凝土，大幅度提高了效能装置的材料波阻抗和抗压强度，在一定程度上起到削减***应力波的作用。

在本发明的一种精确控制采空区边界的******中，进一步的，所述消能装置通过定位装置固定在炮孔底部，所述定位装置包括套箍和撑杆，所述套箍固定套装在消能块外周，其上沿消能块周向均匀设置若干撑杆，所述撑杆一端与套箍连接，另一自由端朝向炮孔内部填装***的一侧，且具有向外侧摆动撑开的弹性趋势，所述撑杆的自由端通过该弹性趋势与炮孔内壁相抵接触。

在本发明的一种精确控制采空区边界的******中，进一步的，所述凸型消能装置的凸起为外凸型圆锥体，锥体顶部为弧面，曲率半径为锥体最大直径的三分之一。

在本发明的一种精确控制采空区边界的******中，进一步的，所述炮孔为垂直炮孔，炮孔内设置的凸型消能装置外凸型圆锥体中线与炮孔中线重合；

所述炮孔为倾斜炮孔，炮孔内设置的凸型消能装置外凸型圆锥体中线向矿体边界的垂直方向偏斜设置。

在本发明的一种精确控制采空区边界的******中，进一步的，所述凹型消能装置的凹槽为内凹型圆锥槽，锥槽底部为弧面，曲率半径为锥槽最大外径的三分之一。

本发明还公开了一种精确控制采空区边界的******和***方法，包括如下步骤：

步骤一，在充填体下采场钻凿成排扇形上向中深孔，炮孔底部距离充填体留保护层0.3～0.5m左右，同一段面的扇形炮孔形成拱形；

步骤二，往炮孔底部固定安消能装置；

步骤三，往炮孔内安装***，再安装起爆药，填入炮孔塞；

步骤四，起爆***。

本发明的上述***方法在步骤一中，为探明回采矿体厚度，间隔施工部分炮孔打穿矿体至充填体，打穿至充填体的炮孔底部在装入消能装置时，在消能装置底部设置隔离座。

在本发明的上述***方法中，进一步的，所述隔离座采用0.5-1.0m的PVC管，管壁外径不超过消能装置外径，通过胶粘固定在消能装置底部。PVC管放置在炮孔最底部将消能装置和充填体隔开，管身长度根据探矿孔穿透充填体的深度变化，其作用是在******爆轰波与孔底充填体之间形成一个空气缓冲层，使得***冲击波传至孔底时大幅衰减，减小炮孔底部的***损伤，起到保护充填体的作用。

在本发明的上述***方法中，进一步的，所述消能装置外径为炮孔内径的0.8～0.9倍，在炮孔内部安装消能装置时，在消能装置外周包裹一层气泡袋填塞消能装置和炮孔内壁之间的间隙，防止***通过间隙走到孔底。

本发明实质是一种基于孔底消能装置的充填体下采场上向中深孔控制***效果的方案，采用的消能装置根据炮孔在回采矿体区域的不同位置选择不同，对于炮孔底部延伸位于矿体顶角两侧的炮孔，内部填装的消能装置采用内凹锥槽，******后，***应力波在消能装置的锥形面上相向反射，相邻炮孔的消能装置锥槽之间形成应力波叠加，进而使矿体顶角位置在***成型后的空场形成拱形顶板，增强顶板的承压能力，保证了采空区的稳定性；对于炮孔底部延伸位于矿体顶面和侧面的炮孔，内部填装的消能装置采用外凸锥体，******后，***应力波在消能装置的锥形面上反射沿矿体顶面和侧面延伸，矿体顶面和侧面的***面精准沿矿体和充填体之间铺开，使得矿体顶面和侧面***后表面平整。

本发明进一步针对呈扇形排布的上向中深炮孔大部分相对矿体顶面或侧面的倾斜的情况，对于倾斜炮孔内的凸型消能装置，将其外凸圆锥体设置成向矿体边界垂直方向偏斜设置的斜锥，使得经消能装置外凸圆锥体侧面反射的***应力波精准沿矿体边界发散，进一步保证了***后采空区边界准确性，降低***能量对矿体边界外充填区的破坏。

本发明的***方案在矿体回采中具有如下有益效果：

(1)本发明在炮孔底部设置消能装置，利用消能装置引导***能量往邻近炮孔方向传输，减少往充填体方向的能量传递，减少***能量对充填体的损伤破坏，降低了因为***后充填体掺入矿石导致的贫化；

(2)本发明根据不同矿***置的炮孔调整不同类型的消能装置，***后的采空区精准沿矿体边界形成带拱形的贯通面，保障空场稳定性，矿体崩落完全，提高了开采率，减少***后的矿石残留，保障出矿安全。

综上所述，本发明提供的上述***方案不论是矿房开采还是间柱回采，均能提高***面平整度、保护邻近充填体，实现精确控制采空区边界，同时可以有效降低爆后大块的产生，具有工艺简单、可操作性强、减少炮孔孔底及充填体损伤、增强***回采效率的优势。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中采用本发明的矿房开采上向中深炮孔打孔示意图。

图2为实施例中的矿房开采***后形成的采空区示意图。

图3为实施例中设置凸型消能结构的炮孔装填示意图。

图4为实施例中设置凹型消能结构的炮孔装填示意图。

图5为实施例中的凸型消能结构示意图。

图6为实施例中的凹型消能结构示意图。

图7为实施例中的定位装置结构示意图。

图8为实施例中凸型消能结构在***过程中的应力波反射示意图。

图9为实施例中设有隔离座的消能结构炮孔装填示意图。

图10为实施例中凹型消能结构在***过程中的应力波反射示意图。

图中标号：101-充填体，102-矿体，103-采空区，2-炮孔，21-炮孔塞，22-***，31-凸型消能装置，32-凹型消能装置，4-定位装置，41-套箍，42-撑杆，5-隔离座。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，矿房开采区矿体顶部已完成回填形成充填体101，需要对充填体101下方采场的矿体102进行开采，图示为本发明在矿房开采过程中采用***方式一种具体实施方案。

具体如图1所示，本实施例在充填体101下采场的矿体102内布置的若干上向炮孔，同一断面内采用扇形炮孔排布，结合参见图3和图4，炮孔2底部延伸至下采场的矿体102边界，炮孔内部均固定装填***22并通过炮孔塞21封堵，在炮孔2底部设置消能装置，消减******波对充填体的破坏。

按照炮孔底部位置相对矿体边界位置的不同，本实施例将同一断面内扇形炮孔分为两类，第一类为炮孔底部最靠近矿体顶角两侧的炮孔，第二类为炮孔管底部延伸在矿体顶面和地面的其他炮孔。对应上述两类炮孔，其内部设置的消能装置也分为两种，分别为凹型消能装置32和凸型消能装置31，其中，凹型消能装置32设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶角两侧的炮孔内，凹型消能装置32朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凹槽，该凹槽具有将***应力波反射后相向叠加的内侧面，将***应力波相向叠加最后形成顶部拱形的采空区边界，凸型消能装置31设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶面和侧面的其他炮孔内，凸型消能装置31朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凸起，凸起具有将***应力波反射后向外周发散的外侧面，将***应力波在矿体顶面和侧面形成平整的采空区边界，提供采空区边界平整性，***后的采空区边界如图2所示。

具体的，实施例中的凹型消能装置32还是凸型消能装置31均为钢纤维混凝土浇筑的消能块，消能块包括一个圆柱体主体，主体的横截面与炮孔横截面相匹配，钢纤维混凝土利用矿山废弃钢材制备钢纤维，并将其掺入到混凝土中，形成钢纤维混凝土，大幅度提高了效能装置的材料波阻抗和抗压强度。消能装置的外径L1为炮孔内径的0.8-0.9倍，使得消能装置能够顺利从炮孔打孔处滑动装入到炮孔底部。

本实施例中的消能装置通过定位装置4固定在炮孔底部，如图5中所示，定位装置4包括套箍41和撑杆42，套箍41起到连接消能装置和撑杆的作用，套箍41固定套装在消能块外周，套箍外侧部等间距均匀设置有若干用于撑杆插接的插槽，撑杆42为具有一定弹性的金属杆，撑杆42一端通过插扣插装在套箍41的插槽中，另一自由端朝向炮孔内部填装***的一侧，所有撑杆自由端自由张开状态下所形成的圆周轨迹大于炮孔内径，将消能装置连同定位装置一起塞入炮孔中，在炮孔内壁的限位下，撑杆41向内摆动至与炮孔内壁相抵接触。炮孔均为上向中深炮孔，撑杆41具有向外侧摆动撑开的弹性趋势，在消能装置自身的重力作用和撑杆自身弹性的作用下，将撑杆41的自由端与炮孔内壁压紧起到单向支撑固定作用，消能装置和定位装置可以继续向炮孔底部移动，但是撑杆41限制消能装置沿炮孔向下回退，最终将消能装置移动定位到炮孔底部。

如图6中所示，凸型消能装置31在圆柱体主体一端设置的凸起为外凸型圆锥体，该外凸型圆锥体与消能装置主体一体浇筑成型，外凸型圆锥体的锥面即为凸型消能装置31将***应力波反射后向外周发散的外侧面，圆柱主体高度H1为外凸型圆锥体高度H2的2.5倍，锥体顶部为弧面，曲率半径为锥体最大直径的三分之一。

如图7中所示，凹型消能装置32在圆柱体主体一端设置的凹槽为内凹型圆锥槽，该内凹型圆锥槽在圆柱主体一端浇筑成型，内凹型圆锥槽的锥面即为凹型消能装置32将***应力波反射后相向叠加内侧面，圆柱主体高度H1为内凹型圆锥槽深度H3的2.5倍，内凹型圆锥槽的底部为弧面，曲率半径为圆锥槽最大直径的三分之一。

结合参见图8和图9，凸型消能装置31外凸型圆锥面将炮孔中***起爆后的***应力波向四周反射，由***产生的冲击波传播路径将如图8所示，沿采场矿体边界发散形成平面的***效果，准确控制采场矿体***后的采空区边界；凹型消能装置32内凹型圆锥槽则将炮孔中***起爆产生的***应力波相向反射，***效果在炮孔底部所在的矿体顶角位置叠加作用，由***产生的冲击波传播路径将如图9所示，在矿体顶角位置形成弧形过渡的拱形顶板，提高了采空区顶板的支撑强度，保证了顶部充填体的整体稳定性。

进一步的，考虑到本实施例中在采场矿体下方向上钻凿扇形上向炮孔，对应矿体顶面边界和侧面边界的炮孔根据倾斜角度的不同又分为两类：

一类是炮孔垂直于矿体顶面边界或侧面边界的垂直炮孔，这类炮孔的倾角θ为0°、90°或180°，炮孔内部设置的凸型消能装置外凸型圆锥体为正圆锥体，其圆锥体中线与消能装置主体中线以及炮孔中线重合，如图6中所示，圆锥体母线两侧夹角ɑ＝β＝45°，炮孔内部***应力波通过其圆锥面沿水平面或竖直面反射。

另一类炮孔均是不垂直于矿体顶面边界或侧面边界的倾斜炮孔，如果采用与垂直炮孔内部相同结构的凸型消能装置，会导致***应力波反射的角度也发生偏斜，不利于形成标准采场的边界，并且容易造成矿体崩落不完全或者崩落充填体。本实施例将倾斜炮孔内部设置的凸型消能装置外凸型圆锥体设置为斜圆锥体，在装入凸型消能装置时，保证其圆锥体中线向矿体边界的垂直方向偏斜设置，以修正倾斜炮孔内部***应力波的反射角度。

要达到倾斜炮孔的最佳***效果，其内部设置的凸型消能装置外凸型圆锥体的中线倾斜角度要与炮孔相对矿体顶面边界或侧面边界的倾斜角度相一致，本实施例针对日常扇形上向中深炮孔的钻凿经验，选取了如下倾斜炮孔内部凸型消能装置外凸型圆锥体中线倾斜角度方案，再次参见图6，当炮孔的倾斜角度θ为锐角时，一侧母线最大倾角ɑ为另一侧母线最大倾角β的两倍，当炮孔的倾斜角度θ为钝角时，反过来设置，即一侧母线最大倾角ɑ为另一侧母线最大倾角β的二分之一。

本实施例的消能装置根据是炮孔否打穿矿体采用不同的安装方式：第一类不打穿矿体的炮孔，消能装置直接装入炮孔底部，对于打穿矿体到充填体的探孔，则要在消能装置的底部设置隔离座5，如图10所示。隔离座5放置在炮孔最底部将消能装置和充填体隔开，其作用是在******爆轰波与孔底充填体之间形成一个空气缓冲层，使得***冲击波传至孔底时大幅衰减，减小炮孔底部的***损伤，起到保护充填体的作用。

以下详细说明本实施例中的具体***方法步骤：

步骤一，进入采场底部的凿岩硐室时，先进行“敲帮问顶”，确保作业环境安全。根据炮孔设计，对布孔精度检查合格后进行钻孔作业，在充填体下采场钻凿成排扇形中深孔，炮孔距离充填体留保护层0.3～0.5m左右，同一段面的扇形炮孔形成拱形，为探明回采实体厚度，每隔一定范围施工部分炮孔打穿顶部充填体；钻孔结束后，测量钻孔的实际角度和孔深，依据测量结果进一步优化炮孔装药结构，具体的炮孔钻凿方案、装药结构以及装药量通过本领域经验公式计算获得，本实施例在此不做赘述。

步骤二，通过安装工具往炮孔底部送入消能装置。

消能装置采用钢纤维混凝土制备，钢纤维应制备成长度约15mm～45mm、直径约0.70mm～1.50mm的波浪剪切型钢纤维。每立方混凝土的钢纤维用量约为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宜在250～300kg之间，水泥强度等级不低于42.5级；骨料粒径不大于25mm；水胶比约为0.44～0.47。

若是炮孔是打穿至充填体的探矿孔，需要在消能装置底部设置隔离座，如10所示，隔离座采用PVC管，管壁外径不超过消能装置外径，通过胶粘固定在消能装置底部，PVC管的长度根据炮孔倾斜角度、孔底与充填体之间的距离，截取合适尺寸，一般选取0.5m～1.0m为最佳。

安装消能装置的过程如下：将消能装置用定位装置的套箍绑定，再在套箍上***四根金属撑杆，若该炮孔是打穿至充填体的探矿孔，则消能装置底部粘接固定PVC管作为隔离座。消能装置外径为炮孔内径的0.8～0.9倍，在炮孔内部安装消能装置时，在消能装置外周包裹一层气泡袋填塞消能装置和炮孔内壁之间的间隙，防止***通过间隙走到孔底。借助炮孔辅助安装工具，将消能装置送入孔底，通过定位装置固定卡死。

步骤三，往炮孔内安装***，再安装起爆药，填入炮孔塞。

准备好一个炮孔需要的全部***，根据每一个炮孔内实际需要的药量，通过工具一次性送入孔底，装完之后用炮孔塞堵上炮孔。

步骤四，起爆***。

在***完成后，观察***面平整度，检查爆堆中充填体含量。

以上之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明的实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可以根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式做出其他的实施方式，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种精确控制采空区边界的******，其特征在于：包括在充填体下采场的矿体内布置的若干上向炮孔，同一断面内采用扇形炮孔排布；所述炮孔底部延伸至下采场的矿体边界，所述炮孔内部固定装填***，在炮孔底部设置消能装置；

所述消能装置包括凹型消能装置和凸型消能装置，所述凹型消能装置设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶角两侧的炮孔内，所述凹型消能装置朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凹槽，所述凹槽具有将***应力波反射后相向叠加的内侧面，所述凸型消能装置设置在炮孔底部靠近下采场矿体顶面和侧面的其他炮孔内，所述凸型消能装置朝向炮孔内部装填***的一侧设置成凸起，所述凸起具有将***应力波反射后向外周发散的外侧面；

所述凸型消能装置的凸起为外凸型圆锥体，锥体顶部为弧面，曲率半径为锥体最大直径的三分之一；所述炮孔为垂直炮孔，炮孔内设置的凸型消能装置外凸型圆锥体中线与炮孔中线重合；所述炮孔为倾斜炮孔，炮孔内设置的凸型消能装置外凸型圆锥体中线向矿体边界的垂直方向偏斜设置；

所述凹型消能装置的凹槽为内凹型圆锥槽，锥槽底部为弧面，曲率半径为锥槽最大外径的三分之一。

2.根据权利要求1所述的一种精确控制采空区边界的******，所述消能装置为钢纤维混凝土浇筑的消能块，所述消能块横截面与炮孔横截面相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种精确控制采空区边界的******，所述消能装置通过定位装置固定在炮孔底部，所述定位装置包括套箍和撑杆，所述套箍固定套装在消能块外周，其上沿消能块周向均匀设置若干撑杆，所述撑杆一端与套箍连接，另一自由端朝向炮孔内部填装***的一侧，且具有向外侧摆动撑开的弹性趋势，所述撑杆的自由端通过该弹性趋势与炮孔内壁相抵接触。

4.一种采用权利要求1-3中任一所述******的***方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，在充填体下采场钻凿成排扇形上向中深孔，炮孔底部距离充填体留保护层0.3～0.5m，同一段面的扇形炮孔形成拱形；

步骤二，往炮孔底部固定安装消能装置；

步骤三，往炮孔内安装***，再安装起爆药，填入炮孔塞；

步骤四，起爆***。

5.根据权利要求4所述的***方法，在步骤一中，为探明回采矿体厚度，间隔施工部分炮孔打穿矿体至充填体，打穿至充填体的炮孔底部在装入消能装置时，在消能装置底部设置隔离座。

6.根据权利要求5所述的***方法，所述隔离座采用0.5-1.0m的PVC管，管壁外径不超过消能装置外径，通过胶粘固定在消能装置底部。

7.根据权利要求4所述的***方法，所述消能装置外径为炮孔内径的0.8～0.9倍，在炮孔内部安装消能装置时，在消能装置外周包裹一层气泡袋填塞消能装置和炮孔内壁之间的间隙。

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