本發(fā)明涉及地下礦山
采礦技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法
背景技術(shù)：
充填采礦法作為地下礦山三大采礦方法之一，已得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的分段空場嗣后充填法回采工藝中，按照采場結(jié)構(gòu)參數(shù)劃分一步驟、二步驟采場，先按照一定的回采順序進行一步驟采場回采，回采完畢后進行膠結(jié)充填，形成充填體，然后進行相鄰二步驟采場的回采。二步驟采場回采過程中，依靠充填體支撐頂板，控制地壓，其強度必須要滿足技術(shù)要求，確?；夭傻陌踩?。充填體的強度主要取決于膠凝材料(水泥)的用量和充填料配比，因此在保證充填體強度的基礎(chǔ)上，如何解決充填過程中排水及凝固過程中接頂?shù)葐栴}，是礦山面臨的一個重要難題。
已公開的成果《預(yù)先凍結(jié)充填體回采房間礦柱》(王繼源.預(yù)先凍結(jié)充填體回采房間礦柱[j].有色礦山，1979(6):19-21.)中提出在房柱法開采中采用廢石料充填采空區(qū)，并在廢石料中灑水，然后通過水平預(yù)埋凍結(jié)管道，凍結(jié)廢石料中的水分使充填體達到一定強度，最后進行礦柱的回采。由于分段空場嗣后充填法和房柱法在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、尾砂膠結(jié)充填工藝和廢石充填工藝等方面存在巨大差異，因此該公開成果無法應(yīng)用于尾砂膠結(jié)充填采礦法的礦體開采，也沒有解決凝固過程中接頂?shù)葐栴}。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在不降低充填體強度條件下，能夠同時解決充填過程中排水及凝固過程中接頂問題，保證安全高效開采的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
一種人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，包括如下步驟：
(1)按照采場結(jié)構(gòu)尺寸，將礦塊劃分為一步驟采場和二步驟采場，先采一步驟采場，后采二步驟采場，采場落礦為扇形中深孔崩礦。
(2)一步驟采場回采完畢后，制備尾砂膠結(jié)充填料，并架設(shè)充填管道和凍結(jié)管道，安裝和調(diào)試凍結(jié)制冷設(shè)備。
(3)尾砂膠結(jié)充填料通過充填管道對采空區(qū)進行充填。充填過程中，同時利用凍結(jié)設(shè)備和凍結(jié)管道對充填料中的水分進行凍結(jié)，形成人工凍結(jié)充填體。
(4)一步驟采場區(qū)域凍結(jié)充填后，對相鄰的二步驟采場進行回采；礦體回采完畢后，拆除制冷設(shè)備和管道。
所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法適用于寒冷地區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填法回采的礦體開采。
所述步驟(2)中，架設(shè)充填管道和凍結(jié)管道，以及安裝和調(diào)試凍結(jié)制冷設(shè)備工作同時進行。
進一步優(yōu)選的，所述步驟(2)中架設(shè)凍結(jié)管路，在采空區(qū)上方的上部穿脈巷道中垂直向下布置凍結(jié)管路，并加強充填體管路的強度，能夠在爆破開采作業(yè)下持續(xù)制冷。
進一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，一步驟采場進行充填的同時，進行充填料中的水分冷凍，一次性形成凍結(jié)充填體。
進一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，采空區(qū)充填時，采用人工凍結(jié)法將充填料中的水分進行凍結(jié)，因此充填擋墻無需考慮泌水。
進一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，采用人工凍結(jié)法將充填料中的水分進行凍結(jié)后，水分凍結(jié)成冰產(chǎn)生約9％的體積膨脹，實現(xiàn)充填體接頂。
所述步驟(3)中的人工凍結(jié)充填體，應(yīng)根據(jù)采場的結(jié)構(gòu)尺寸和圍巖穩(wěn)定性來確定人工凍結(jié)充填體的強度，并可根據(jù)人工凍結(jié)充填體所需的強度，進一步確定凍結(jié)范圍。
所述步驟(3)中的充填料至少包括廢石、尾砂、水和水泥；充填配比應(yīng)根據(jù)人工凍結(jié)充填體的強度來決定。
所述步驟(3)中凍結(jié)充填體所采用的制冷工質(zhì)為氨，輔助制冷工質(zhì)為寒冷地區(qū)的天然冷源，冷媒劑采用鹽溶液。
所述步驟(3)中，首先根據(jù)采場的尺寸和人工凍結(jié)充填體的強度要求確定人工凍結(jié)充填體的凍結(jié)范圍，確定冷凍管道布置設(shè)計；在采空區(qū)上方的穿脈巷道依次進行如下操作：鋪設(shè)充填管路、布置冷凍管路、凍結(jié)設(shè)備的安裝與調(diào)試、安裝人工凍結(jié)充填體的溫度與強度監(jiān)測設(shè)備、輸送充填料、將充填料中的水分凍結(jié)，最終形成人工凍結(jié)充填體。
本發(fā)明的有益效果如下：利用人工凍結(jié)法將充填料中的水分凍結(jié)，形成堅硬的人工凍結(jié)充填體，達到設(shè)計所要求的充填體強度，并實現(xiàn)充填接頂，無需使用大量膠凝材料(水泥)，充填過程中也無需排水；相比較于傳統(tǒng)的膠結(jié)充填采礦法，在保證安全開采的前提下，本發(fā)明通過凍結(jié)充填體方式提高了充填體強度，保證了充填接頂，減少了充填水泥用量，降低了充填成本，具有作業(yè)安全、礦塊生產(chǎn)能力大、水泥用量少、充填成本低的特點。
附圖說明
圖1是人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法設(shè)計主視圖。
圖2是沿圖1中ⅱ-ⅱ線剖面圖。
圖3是沿圖1中ⅲ-ⅲ線剖面圖。
圖中：1.上部穿脈巷道，2.鑿巖出礦巷道，3.沿脈巷道，4.運輸巷道，5.崩落礦石，6.切割天井，7.扇形中深孔，8.未采礦體，9.充填料，10.人工凍結(jié)充填體，11.凍結(jié)管，12.充填管，13.充填擋墻，14.制冷設(shè)備，15.供液管，16.切割槽。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，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?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
一種人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，沿礦體走向?qū)⒌V塊劃分為一步驟采場和二步驟采場，采場高度即為階段高度，如圖1所示。
在開采之前，由采場尺寸和圍巖力學(xué)性質(zhì)確定人工凍結(jié)充填體10的強度，然后對一步驟采場進行回采，采用扇形中深孔側(cè)向崩礦，如圖3所示。在采場的一端布置切割天井6，并形成切割槽16，然后在鑿巖穿脈巷道2中鉆鑿扇形中深孔7，對采場中的未采礦體8進行側(cè)向擠壓崩落，崩落礦石5由底部出礦巷道出礦，并從中段運輸巷道4運出。
一步驟采場回采完畢后，在采場下部的鑿巖出礦巷道2中構(gòu)筑充填擋墻13，充填擋墻13不需考慮泌水。同時，根據(jù)人工凍結(jié)體10所需強度確定充填料的配比，充填配比應(yīng)在保證人工凍結(jié)充填體10的強度的基礎(chǔ)上，盡可能的合理經(jīng)濟。在一步驟采場區(qū)域上方的上部穿脈巷道1內(nèi)依次進行如下操作：鋪設(shè)充填管路12、布置冷凍管路11、凍結(jié)設(shè)備14的安裝與調(diào)試、安裝人工凍結(jié)充填體的溫度與強度監(jiān)測設(shè)備、構(gòu)筑充填擋墻13、泵送充填料9、將充填料9中的水分凍結(jié)，最終形成人工凍結(jié)充填體10，穿脈巷道1與沿脈巷道3連通。
凍結(jié)充填體所采用的制冷工質(zhì)為氨，輔助制冷工質(zhì)為寒冷地區(qū)的天然冷源，冷媒劑采用鹽溶液。如圖2所示，在制冷設(shè)備14中利用天然冷源和氨使鹽溶液的溫度降低至-25～-35攝氏度，并采用鹽水泵使鹽溶液在供液管15中進行循環(huán)，與充填料進行熱交換，實現(xiàn)充填料的凍結(jié)。
人工凍結(jié)充填體10形成后，對相鄰的二步驟采場進行回采，回采方式與一步驟采場相同。
當?shù)V體開采期間，需要加強并保持對人工凍結(jié)充填體10的監(jiān)測。礦體開采完畢后，拆除充填管11和凍結(jié)設(shè)備14，使人工凍結(jié)充填體自然解凍。
上述實施例僅僅是清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里也無需也無法對所有的實施例予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
技術(shù)特征：
1.一種人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：包括以下步驟：
(1)按照采場結(jié)構(gòu)尺寸，將礦塊劃分為一步驟采場和二步驟采場，先回采一步驟采場，后回采二步驟采場，采場落礦為扇形深孔側(cè)向崩礦；
(2)一步驟采場回采完畢后，制備尾砂膠結(jié)充填料，并架設(shè)充填管道和凍結(jié)管道，安裝和調(diào)試凍結(jié)制冷設(shè)備；
(3)尾砂膠結(jié)充填料通過充填管路對采空區(qū)進行充填，充填過程中，同時利用人工凍結(jié)法對充填料中的水分進行凍結(jié)，形成人工凍結(jié)充填體；
(4)一步驟采場區(qū)域充填體凍結(jié)后，對相鄰的二步驟采場進行回采；礦體回采完畢后，拆除制冷設(shè)備和管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述采礦法適用于寒冷地區(qū)礦體回采。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(2)中，架設(shè)充填管道和凍結(jié)管道同時進行，且凍結(jié)管道在采空區(qū)上方的穿脈巷道中垂直架設(shè)，能夠在二步驟采場爆破開采作業(yè)下持續(xù)制冷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(2)中，一步驟采場進行充填作業(yè)時，同步進行充填料中水分的凍結(jié)，一次性形成凍結(jié)充填體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(2)中，采空區(qū)充填時，采用人工凍結(jié)法將充填體中的水分進行凍結(jié)，充填擋墻無需考慮泌水，且利用水分凍結(jié)成冰產(chǎn)生的體積膨脹，實現(xiàn)充填體接頂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(3)中的人工凍結(jié)充填體，應(yīng)根據(jù)采場的結(jié)構(gòu)尺寸和圍巖穩(wěn)定性來確定人工凍結(jié)充填體的強度，并可根據(jù)人工凍結(jié)充填體所需的強度，進一步確定凍結(jié)范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(3)中的充填料配比應(yīng)根據(jù)人工凍結(jié)充填體的強度來決定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(3)中凍結(jié)充填體所采用的制冷工質(zhì)為氨，輔助制冷工質(zhì)為寒冷地區(qū)的天然冷源，冷媒劑采用鹽溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，其特征是：所述步驟(3)中，首先根據(jù)采場的尺寸和人工凍結(jié)充填體的強度要求確定人工凍結(jié)充填體的凍結(jié)范圍，確定冷凍管道布置設(shè)計；在采空區(qū)上方的穿脈巷道中依次進行如下操作：鋪設(shè)充填管路、布置冷凍管路、凍結(jié)設(shè)備的安裝與調(diào)試、安裝人工凍結(jié)充填體的溫度與強度監(jiān)測設(shè)備、輸送充填料、將充填料中的水分凍結(jié)，最終形成人工凍結(jié)充填體。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法，包括以下步驟：將礦塊按采場結(jié)構(gòu)尺寸劃分為一步驟采場和二步驟采場，先回采一步驟采場后回采二步驟采場，采場落礦為扇形中深孔側(cè)向崩礦；一步驟采場回采完畢后，對采空區(qū)進行尾砂膠結(jié)充填，同時采用人工凍結(jié)法，利用寒冷地區(qū)天然冷源凍結(jié)充填料中的水分，形成滿足支護強度的人工凍結(jié)充填體，并利用水結(jié)冰發(fā)生的體積膨脹，實現(xiàn)充填體接頂；對二步驟采場進行回采，礦體回采完畢后，拆除凍結(jié)設(shè)備和凍結(jié)管路，對人工凍結(jié)充填體進行自然解凍。本發(fā)明適用于寒冷地區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填法回采的礦體開采，具有作業(yè)安全、充填水泥用量少、充填成本低的特點。
技術(shù)研發(fā)人員：李杰林;楊承業(yè);周科平
受保護的技術(shù)使用者：中南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2019.10.22
技術(shù)公布日：2020.02.14
聲明：
“人工凍結(jié)充填體的分段空場嗣后充填采礦法的制作方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中南大學(xué)
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2024年10月25日 ~ 27日 
