急倾斜破碎厚大矿体采矿方法

技术领域

本发明涉及金属矿山采矿方法，具体地，涉及一种急倾斜破碎厚大矿体采矿方法。

背景技术

在金属矿产开采领域，急倾斜破碎厚大矿体是常见的矿体，其上盘围岩属于破碎且不稳固岩体、顶板也不稳固，回采安全性低，对于急倾斜破碎厚大矿体这种开采条件复杂的矿体一直是个难题。分段充填法具有生产能力大，贫化损失率低、安全性高的特点，相比进路充填法和上向水平分层充填采矿法的平巷掘进式开采，分段充填法可以利用中深孔采矿，工艺简单，分段充填法用于急倾斜破碎厚大矿体这种条件复杂的矿体开采是不错的选择。但需要对上盘破碎围岩和采场顶板进行支护加固才能保证回采安全，目前长锚索注浆支护是广泛使用的支护手段，常用于土木工程和矿业工程等领域，且支护效果明显，对于这种矿体的开采具有十分重要的意义。

因此，需要研究一种急倾斜破碎厚大矿体采矿方法及其系统，首先采用注浆长锚索技术对上盘破碎围岩及采场顶板进行预控顶支护，以提高上盘围岩和采场顶板的稳定性，保证矿岩的安全回采，提高采场的生产能力和生产效率。

现有技术CN110566255B公开了一种用于分段凿岩阶段矿房法上盘注浆长锚索设计及施工方法，研发了一种上盘注浆长锚索支护分段凿岩阶段矿房法。该方法在矿体上盘布置长锚索措施巷，通过长锚索措施巷向破碎带区域施工注浆长锚索，以维护矿体回采过程中上盘破碎带的稳定，主要是采用上向与下向注浆长锚索进行支护。然而，该方法需要在上盘围岩中施工多个措施巷，虽然对于上盘破碎带的稳定性具有作用，但新增的巷道掘进工程量大且掘进成本贵，且采场底部结构矿石回收率低，这也容易导致矿山经济效益的损失，而且锚索支护量较大，施工周期长和难度大，也会增加支护成本，在实际生产过程中，难以保证矿山的安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种急倾斜破碎厚大矿体采矿方法，能够在降低掘进工程量的同时保证采场的安全性，提高采场的生产能力和生产效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种急倾斜破碎厚大矿体采矿方法，包括以下步骤：

S1、将采场垂直矿体走向布置，对所述采场在高度上进行分段；

S2、布置预控顶小分段充填法采场的采准切割工程；

S3、对上盘破碎围岩和采场顶板进行支护加固；

S4、在靠近所述矿体上盘边界的脉外巷道中垂直所述矿体走向向上施工多排倾角与所述矿体倾角相同的脉外上向长锚索，在靠近所述矿体上盘边界的所述脉外巷道中垂直所述矿体走向竖直向下施工多排脉外下向长锚索，在凿岩巷道内垂直所述矿体走向竖直向上施工脉内上向长锚索；

S5、对预控顶小分段采场回采，回采完毕后进行充填作业。

具体地，所述脉内上向长锚索的安装网度为D，通过下述式子计算得出：

其中，a为所述凿岩巷道的宽度，r为所述矿体中所含矿岩的密度，R为锚索的破断力，m为安全系数，k为不均匀系数，f为普式系数。

优选地，在步骤S4中，施工3～4排所述脉外上向长锚索，施工3～4排所述脉外下向长锚索，其中，施工至少1排所述脉外上向长锚索在所述矿体内。

优选地，在所述矿体内的所述脉外上向长锚索距离所述矿体上盘边界至少0.5m。

可选地，在步骤S4中，长锚索支护施工包括如下步骤：

a、采用凿岩机施工锚索孔；

b、采用高压水冲洗所述锚索孔；

c、将排气管捆扎在钢绞线上，共同顶入所述锚索孔孔底，使所述钢绞线固定在所述锚索孔中心位置，将插好注浆管和所述排气管的堵孔塞安装在堵塞位置；

d、采用单缸活塞式灰浆泵进行注浆；

e、水泥浆初凝期结束后安装锚具。

具体地，在步骤S1中，所述采场长度为所述矿体厚度，所述采场宽度为8～10m，所述采场阶段高度为50～60m，所述采场分段高度为12～15m，在所述采场高度上分段数量为4～5个，预控顶分层高度为3～4m，小分段高度为8～9m。

可选地，在步骤S2中，布置所述凿岩巷道、分段平巷、溜井、穿脉运输巷、切割天井、切割横巷及所述脉外巷道，其中，所述脉外巷道间隔布置，所述脉外巷道对应的所述凿岩巷道向所述矿体边界掘进形成所述脉外巷道。

具体地，所述凿岩巷道、所述分段平巷、所述穿脉运输巷的净断面规格范围为3.0～4.0m×3.0m，所述切割天井的净断面规格为2.0m×2.0m，所述切割横巷的净断面规格为2.0m×3.0m，所述溜井的净断面规格为3.0m×3.0m，所述脉外巷道超出矿体边界的长度范围为3.0～4.0m，所述脉外巷道的净断面规格范围为3.0～4.0m×3.0m。

优选地，在步骤S5中，采用隔一采一方式回采，采用中深孔下向崩矿，每次爆破2～3排，相邻排的下向炮孔相互错开布置。

优选地，在步骤S5中，采场充填采用分期充填，根据采场区间及位置选用充填体的强度。

通过上述方案，本发明的有益效果如下：

本发明急倾斜破碎厚大矿体采矿方法采用预控顶小分段充填法开采，通过在靠近矿体上盘边界的脉外巷道中垂直矿体走向向上施工多排倾角与矿体倾角相同的脉外上向长锚索，在靠近矿体上盘边界的脉外巷道中垂直矿体走向数值向下施工多排脉外下向长锚索，以能够对上盘围岩进行支护加固，在保证上盘围岩稳定性的同时，不额外增加脉外支护巷和硐室，减少了掘进工程量，并在凿岩巷道内垂直矿体走向竖直向上施工脉内上向长锚索，以保证采场顶板的稳固，从而确保采场的生产能力和生产效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明急倾斜破碎厚大矿体采矿方法的一种具体实施例的流程框图；

图2是本发明急倾斜破碎厚大矿体采矿方法的一种具体实施例的原理示意图；

图3是图2中A-A处剖视图；

图4是图2中B-B处剖视图；

图5是图2中C-C处剖视图；

图6是脉内上向长锚索的一种具体实施方式的结构示意图；

图7是脉外上向长锚索的一种具体实施方式的结构示意图；

图8是脉内下向长锚索的一种具体实施方式的结构示意图；

图9是长锚索支护施工的一种具体实施方式的原理示意图；

图10是长锚索支护施工的一种具体实施方式的流程框图。

附图标记说明

1中段运输巷道 2分段平巷

3凿岩巷道 4溜井

5下向炮孔 6崩落矿石

7充填体 8穿脉运输巷

9脉外下向长锚索 10脉外上向长锚索

11脉内上向长锚索 12脉外巷道

13排气管 14水泥浆

15注浆管 16堵孔塞

17锚索孔 18钢绞线

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“形成”、“设有”、“设置”、“连接”等应做广义理解，例如，连接可以是直接连接，也可以是通过中间媒介进行间接的连接，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间连接件间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，在未作相应说明的情况下，采用的方位词“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；对于本发明的方位术语，应当结合实际安装状态进行理解。

本发明提供了一种急倾斜破碎厚大矿体采矿方法，参见图1-5，该方法主要包括以下步骤：

S1、将采场垂直矿体走向布置，对所述采场在高度上进行分段；

S2、布置预控顶小分段充填法采场的采准切割工程；

S3、对上盘破碎围岩和采场顶板进行支护加固；

S4、在靠近矿体上盘边界的脉外巷道12中垂直矿体走向向上施工多排倾角与矿体倾角相同的脉外上向长锚索10，在靠近矿体上盘边界的脉外巷道12中垂直矿体走向竖直向下施工多排脉外下向长锚索9，在凿岩巷道3内垂直矿体走向竖直向上施工脉内上向长锚索11；

S5、对预控顶小分段采场回采，回采完毕后进行充填作业。

本发明的采矿方法主要应用于急倾斜厚大矿体(矿体厚度范围为15～50m，矿体倾角大于55°)，采用预控顶小分段充填法进行开采，并在靠近矿体上盘边界的脉外巷道12内施工与矿体倾角相同的脉外上向长锚索10，即使得脉外上向长锚索10与矿体上盘边界相平行，对倾角较大的矿体的上盘破碎围岩的支护加固效果良好，且在能够对上盘破碎围岩进行支护加固的同时，使得脉外巷道12的长度较短，从而减少脉外巷道12的掘进量，且也无需在额外增加脉外支护巷和硐室，进一步减少掘进工程量，并在脉外巷道12内施工脉外下向长锚索9，进一步加固上盘破碎围岩，并在凿岩巷道内施工脉内上向长锚索11，对采场顶板进行加固，保证采场顶板的稳固，从而确保采场的生产能力和生产效率。

以下结合国内某金矿采场对本发明急倾斜破碎厚大矿体采矿方法的具体实施例进行说明：

国内某金矿采场的矿体平均厚度为40m，倾角为63～80°，以急倾斜厚大矿体为主，且采场赋存的矿体开采条件复杂，上盘破碎围岩碳质板岩为V级岩体，矿体为IV级岩体，下盘凝灰岩为IV级岩体，矿岩的稳固程度整体为不稳固，且采场整体矿岩节理发育，较为破碎，上盘围岩为V级碳质板岩，开采扰动容易造成局部坍塌，给安全生产带来挑战和困难。

在步骤S1中，采场垂直矿体走向布置，采场长度为矿体厚度，采场宽度为8～10m，采场阶段高度为50～60m，采场分段高度为12～15m，在采场高度上分4～5个分段进行凿岩及回采出矿，由6个采场组成一个盘区，预控顶分层高度为3～4m，小分段高度为8～9m，采场结构参数布置合理，以提高作业效率。

在步骤S2中，参见图2-5，布置凿岩巷道3、分段平巷2、溜井4、穿脉运输巷8、切割天井(图中未示出)、切割横巷(图中未示出)及脉外巷道12，完成采准切割工程的布置，解决回采单元的人行、通风、运输、充填等问题，以及形成必要的回采空间。其中，由于在脉外巷道12内同时施工脉外上向长锚索10和脉外下向长锚索9，能够对脉外巷道12的上方及下方的上盘围岩均能够进行支护，因此，优选情况下，脉外巷道12间隔布置，以进一步减少脉外巷道12的数量，减少挖掘工程量及耗材量，降低施工成本，且脉外巷道12由其对应的凿岩巷道3向矿体边界掘进形成，具体地，参见图4，自下而上分有4个小分段进行凿岩，通过在自下而上的第二个凿岩巷道3的端部以及第四个凿岩巷道3的端部分别布置有脉外巷道12，只通过两个脉外巷道12便能够完成对此处采场的上盘围岩的支护。

在采准切割工程的布置中，凿岩巷道3、分段平巷2、穿脉运输巷8的净断面规格范围为3.0～4.0m×3.0m，切割天井的净断面规格为2.0m×2.0m，切割横巷的净断面规格为2.0m×3.0m，溜井4的净断面规格为3.0m×3.0m，脉外巷道12超出矿体边界的长度范围为3.0～4.0m，脉外巷道12的净断面规格范围为3.0～4.0m×3.0m，需要说明的是，上述净断面规格范围为宽度×高度，且脉外巷道12的长度优选为3m。

由于预控顶小分段充填法回采高度达到8～9m，其安全性主要取决于预控顶分层顶板的支护质量和支护效果，需对上盘破碎围岩和采场顶板进行支护加固。具体地，需要确定锚索安装设计网度，其中脉内上向长锚索11的安装网度为D，通过下述式子计算得出：

其中，a为凿岩巷道3的宽度，r为矿体中所含矿岩的密度，R为锚索的破断力，m为安全系数，k为不均匀系数，f为普式系数。

在本发明急倾斜破碎厚大矿体采矿方法应用的国内某金矿采场中，采场长度为矿体平均厚度40m，采场宽度为10m，则凿岩巷道3的总长度为采场长度，其中凿岩巷道3的宽度为3～4m，取4m，则a＝4m；矿体中所含矿岩的密度r＝2.9t/m

需要说明的是，还需要对锚索的长度进行确定，使得巷道顶板长锚索的长度应大于顶板冒落最大高度，根据预控顶小分段高度(8～9m)，可知顶板不稳定岩层厚度为8～9m。基于悬吊理论，长锚索设计长度L通过下述式子计算得出：

L＝

其中，L

在通过长锚索对上盘破碎围岩和采场顶板进行加固支护时，参见图4，优选情况下，首先在靠近矿体上盘边界的脉外巷道12中垂直矿体走向向上施工3～4排倾角与矿体倾角相同的脉外上向长锚索10，且施工至少1排脉外上向长锚索10在矿体内部，保证矿体与上盘围岩能够锚固成一个整体。

进一步优选地，在矿体内的脉外上向长锚索10需距离矿体上盘边界至少0.5m，确保脉外上向长锚索10的支护强度。

其次，在靠近矿体上盘边界的脉外巷道12中垂直矿体走向竖直向下施工3～4排脉内下向长锚索9，优选情况下，参见图4，将脉外下向长锚索9穿过矿体，跟上盘围岩锚固在一起成为整体，确保对上盘破碎围岩的支护加固作用。其中，脉外上向长锚索10和脉内下向长锚索9的安装网度均为1.8×1.8m，锚索长度为12m。

在脉外巷道12内施工长锚索进行支护加固的同时，在凿岩巷道3内垂直矿体走向竖直向上施工脉内上向长锚索11，且凿岩巷道3内采用全长锚索支护，脉内上向长锚索11的安装网度为2.0×2.0m，锚索长度为12m。需要说明的是，根据凿岩巷道3掘进暴露顶板的岩石情况适当调整长锚索的网度，例如，在采场顶板矿岩不稳固的情况下，可适当将脉内上向长锚索11的安装网度缩小到1.8×1.8m，加强对上盘破碎围岩和采场顶板的支护加固效果。

参见图6-8，同一排的脉外上向长锚索10、脉外下向长锚索9和脉内上向长锚索11均扇形展开，根据施工巷道以及支护作用的不同，在脉外巷道12中施工的脉外上向长锚索10和脉内下向长锚索9一排均排布有5根长锚索，以对上盘围岩均有良好的支护加固效果；在凿岩巷道3中施工的脉内上向长锚索11一排排布有4根长锚索，确保对凿岩巷道3顶板的支护效果的同时，减少长锚索的使用，缩短了工程时间以及节约了施工成本。

另外，参见图9-10，在步骤S4中，长锚索支护施工包括如下步骤：

a、采用YGZ-90型凿岩机施工锚索孔17，具体地，钻孔直径为60～65mm，施工前现场放置中线，在侧墙上画好排线，按照设计图纸调整好角度进行施工，若在施工中遇到障碍物，例如锚杆，锚索孔17的钻孔位置可适当进行前后调整；

b、待锚索孔17施工完成后，在退钎杆前，采用高压水冲洗锚索孔17，冲去孔壁上的矿粉，以免堵孔，影响后续安装；

c、将排气管13捆扎在钢绞线18上，共同顶入锚索孔17孔底，使钢绞线18固定在锚索孔17中心位置，将插好注浆管15和排气管13的堵孔塞16安装在堵塞位置；其中，需要预先进行锚索制作，即对钢绞线18进行加工，优选情况下选用直径为17.8mm、抗拉强度为1860Mpa以及破断力为300KN的钢绞线18，按实际孔深将钢绞线18切割成段，且确保每段钢绞线18的长度为实际孔深加0.5m。另外，需要说明的是，排气管13通过黑胶布绑扎在距离钢绞线18上，每隔2m进行捆扎一次，排气管13的出气口距离钢绞线18顶端(靠近锚索孔17孔底一端)5-10cm，在钢绞线18送入锚索孔17内时，按照2m的间隔在钢绞线18上绑扎钢丝，形成十字支架，以能够将钢绞线18固定在锚索孔17的中心位置，即钢绞线18的中心轴线与锚索孔17的中心轴线重合，排气管13优选为Φ8mm的塑料管，注浆管15优选为28mm的塑料管。

d、采用ZKHB-3型单缸活塞式灰浆泵进行注浆，水灰质量比为(0.2-0.3)：1，其中向上向的锚索孔17进行注浆时采用前进式注浆，具体地，将注浆管15插入堵孔塞16约0.2m，靠注浆泵地压力使砂浆注入孔内，到排气管13出水后即停止注浆，上向锚索孔17的注浆压力为3MPa；

e、水泥浆14初凝期结束后安装锚具，一般注浆养护一天后即初凝期结束，锚具安装时，托板优选采用长宽厚为200mm×200mm×20mm的钢板，由张拉器将锁扣与托板和钢绞线18固定，张拉器的张拉力范围为60～80MPa。

做好凿岩巷道3内的顶板支护工作之后，对预控顶小分段采场回采，在步骤S5中，采用隔一采一方式回采，先进行孔网布置，在凿岩巷道3内，自端部(凿岩巷道3靠近脉外巷道12一端)开始，采用潜孔凿岩台车凿下向垂直中深孔，形成下向炮孔5，从而采用中深孔下向崩矿，其中，炮孔直径为ф76mm，炮孔排距范围为1.8～2.0m，孔底距范围为1.8～2.0m，相邻排的下向炮口5相互错开布置，以具有良好的爆破效果；采用分段爆破，每次爆破2～3排，下向炮孔5的深度为8～9m，采用孔内间隔装药，每层装药高度为1.5m，间隔0.6m再装下一层炸药，下向炮孔5的孔口堵塞高度为0.6m。

参见图4，爆破完成之后，在凿岩巷道3内形成崩落矿石6，从采场端部(切割天井侧)开始回采，采用后退式回采，分段采场内的崩落矿石6先由人工自主驾驶的铲运机从凿岩巷道3内将一部分矿石铲出，剩余的崩落矿石6，由遥控铲运机从凿岩巷道3内进入采场空区内铲出，运至溜井4，矿石通过穿脉运输巷8运送至中段运输巷道1，由自卸汽车将矿石拉出地表。

需要说明的是，要确保采场通风，新鲜风流从回采的分段的分段平巷2进入此分段的凿岩巷道3，在采场内冲刷工作面后，污风进入上一个分段的凿岩巷道3后排出到上分段的分段平巷2，经回风巷道，排出至地表。

在步骤S5中，采场充填采用分期充填，根据采场区间及位置选用充填体7的强度。具体地，在采场的不同区间，不同位置，其充填体7的强度与配比不同。在分段采场的底部和顶板采用高强度的充填体7，在采场中间可以适当降低充填体7的强度。在充填作业开始阶段，应严格控制一次料面的上升高度，以保证挡墙的稳定性。开始充填后，一次充填高度控制在1m以内，待充填体7凝固后方可继续充填。充填面超过充填挡墙最高点后，一次充填高度控制在2m，以充填体7表面不积水为原则。另外，需等充填体7达到一定强度后，方可进行相邻矿房的回采，以减少爆破对充填体7的振动破坏，不得在充填体7两侧同时进行矿块回采。

需要说明的是，首先充填前需要做好采场密闭工作，使整个采场与外界一切井巷隔开，以防止充填料的流失污染，其次，在隔墙上安装适当的滤水设施，放置采场积水，降低采场底部的压力。其中，充填挡墙优选采用砖砌或者钢结构。

另外，中段内回采顺序为从下往上逐个分段进行开采，每采完一个分段即进行充填作业，待充填结束后再进行下个分段回采，且上盘破碎围岩和采场顶板的长锚索支护至少要提前一个分段回采。

本发明急倾斜破碎厚大矿体采矿方法采用长锚索注浆预控顶支护技术，优化了支护参数，保证了采场的安全性，且可以在原有巷道的基础上，掘进新的短长度的脉外巷道12，不需要额外掘进沿矿体走向的脉外支护巷和硐室，不仅可以减少掘进工程量也可以保证采场的安全性，采用中深孔采矿，提高了采场的整体安全性和整个采场的综合生产能力，加快了生产效率，缩短了采场的作业循环时间，且采场布置更加灵活简便，现场组织管理简单，易于提高作业效率；采用预控顶小分段充填采矿法开采，也能够提高采场的整体回采率以及降低矿石损失率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。