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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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?qǐng)鏊煤蟪涮罘ɑ夭晒に囍?，按照采?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)劃分一步驟、二步驟采場(chǎng)，先按照一定的回采順序進(jìn)行一步驟采場(chǎng)回采，回采完畢后進(jìn)行膠結(jié)充填，形成充填體，然后進(jìn)行相鄰二步驟采場(chǎng)的回采。二步驟采場(chǎng)回采過程中，依靠充填體支撐頂板，控制地壓，其強(qiáng)度必須要滿足技術(shù)要求，確?；夭傻陌踩３涮铙w的強(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(dá)到一定強(qiáng)度，最后進(jìn)行礦柱的回采。由于分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê头恐ㄔ诓蓤?chǎng)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(shí)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(qiáng)度條件下，能夠同時(shí)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，包括如下步驟：

(1)按照采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸，將礦塊劃分為一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)，先采一步驟采場(chǎng)，后采二步驟采場(chǎng)，采場(chǎng)落礦為扇形中深孔崩礦。

(2)一步驟采場(chǎng)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。充填過程中，同時(shí)利用凍結(jié)設(shè)備和凍結(jié)管道對(duì)充填料中的水分進(jìn)行凍結(jié)，形成人工凍結(jié)充填體。

(4)一步驟采場(chǎng)區(qū)域凍結(jié)充填后，對(duì)相鄰的二步驟采場(chǎng)進(jìn)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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(shí)進(jìn)行。

進(jìn)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(qiáng)充填體管路的強(qiáng)度，能夠在爆破開采作業(yè)下持續(xù)制冷。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，一步驟采場(chǎng)進(jìn)行充填的同時(shí)，進(jìn)行充填料中的水分冷凍，一次性形成凍結(jié)充填體。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中，采空區(qū)充填時(shí)，采用人工凍結(jié)法將充填料中的水分進(jìn)行凍結(jié)，因此充填擋墻無需考慮泌水。

進(jìn)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(jìn)行凍結(jié)后，水分凍結(jié)成冰產(chǎn)生約9％的體積膨脹，實(shí)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(chǎng)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(qiáng)度，并可根據(jù)人工凍結(jié)充填體所需的強(qiáng)度，進(jìn)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(qiáng)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(chǎng)的尺寸和人工凍結(jié)充填體的強(qiáng)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(jì)；在采空區(qū)上方的穿脈巷道依次進(jìn)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(qiáng)度監(jiān)測(cè)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(jiān)硬的人工凍結(jié)充填體，達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的充填體強(qiáng)度，并實(shí)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(qiáng)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(diǎn)。

附圖說明

圖1是人工凍結(jié)充填體的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種人工凍結(jié)充填體的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，沿礦體走向?qū)⒌V塊劃分為一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)，采場(chǎng)高度即為階段高度，如圖1所示。

在開采之前，由采場(chǎng)尺寸和圍巖力學(xué)性質(zhì)確定人工凍結(jié)充填體10的強(qiáng)度，然后對(duì)一步驟采場(chǎng)進(jìn)行回采，采用扇形中深孔側(cè)向崩礦，如圖3所示。在采場(chǎng)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(duì)采場(chǎng)中的未采礦體8進(jìn)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(yùn)輸巷道4運(yùn)出。

一步驟采場(chǎng)回采完畢后，在采場(chǎng)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(shí)，根據(jù)人工凍結(jié)體10所需強(qiáng)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的合理經(jīng)濟(jì)。在一步驟采場(chǎng)區(qū)域上方的上部穿脈巷道1內(nèi)依次進(jìn)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(qiáng)度監(jiān)測(cè)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(jìn)行循環(huán)，與充填料進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)充填料的凍結(jié)。

人工凍結(jié)充填體10形成后，對(duì)相鄰的二步驟采場(chǎng)進(jìn)行回采，回采方式與一步驟采場(chǎng)相同。

當(dāng)?shù)V體開采期間，需要加強(qiáng)并保持對(duì)人工凍結(jié)充填體10的監(jiān)測(cè)。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(shí)施例僅僅是清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)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(dòng)。這里也無需也無法對(duì)所有的實(shí)施例予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。

技術(shù)特征：

1.一種人工凍結(jié)充填體的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，其特征是：包括以下步驟：

(1)按照采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸，將礦塊劃分為一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)，先回采一步驟采場(chǎng)，后回采二步驟采場(chǎng)，采場(chǎng)落礦為扇形深孔側(cè)向崩礦；

(2)一步驟采場(chǎng)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，充填過程中，同時(shí)利用人工凍結(jié)法對(duì)充填料中的水分進(jìn)行凍結(jié)，形成人工凍結(jié)充填體；

(4)一步驟采場(chǎng)區(qū)域充填體凍結(jié)后，對(duì)相鄰的二步驟采場(chǎng)進(jìn)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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(shí)進(jìn)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(chǎng)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，其特征是：所述步驟(2)中，一步驟采場(chǎng)進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，同步進(jìn)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，其特征是：所述步驟(2)中，采空區(qū)充填時(shí)，采用人工凍結(jié)法將充填體中的水分進(jìn)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(shí)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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(chǎng)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(qiáng)度，并可根據(jù)人工凍結(jié)充填體所需的強(qiáng)度，進(jìn)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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(qiáng)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，其特征是：所述步驟(3)中，首先根據(jù)采場(chǎng)的尺寸和人工凍結(jié)充填體的強(qiáng)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(jì)；在采空區(qū)上方的穿脈巷道中依次進(jìn)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(qiáng)度監(jiān)測(cè)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，包括以下步驟：將礦塊按采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸劃分為一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)，先回采一步驟采場(chǎng)后回采二步驟采場(chǎng)，采場(chǎng)落礦為扇形中深孔側(cè)向崩礦；一步驟采場(chǎng)回采完畢后，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填，同時(shí)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(hù)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)充填體接頂；對(duì)二步驟采場(chǎng)進(jìn)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(duì)人工凍結(jié)充填體進(jìn)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(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：李杰林;楊承業(yè);周科平

受保護(hù)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