一种置换粘土层重塑矿柱力学环境的方法

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，具体涉及一种置换粘土层重塑矿柱力学环境的方法。

背景技术

房柱采矿法是在一定条件下，矿块或采区内矿房和矿柱交替布置，回采矿房时留连续的或间断的规则矿柱，以维护顶板岩石。适用于开采矿岩稳固的倾角小于30°的水平或缓倾斜矿体，具有结构和回采工艺简单，采准切割工作量小，生产能力高，通风条件好，采矿成本低等优点，是当前最有效、应用最广泛的采矿方法之一。

但是随着开采深度的不断增加，开采环境也变得错综复杂，在赋存地质条件中往往存在粘土层等低强度地质环境，使得自然矿柱不能保留，从而影响了开采进度和安全高效生产，因此，如何提升矿柱的力学性能对保证顶板及上覆岩层的稳定性以及矿井的安全生产起着至关重要的作用。

发明内容

本发明克服了上述地质环境强度低不利条件的影响，提供一种置换粘土层重塑矿柱力学环境的方法，通过置换矿柱粘土层来重塑了矿柱力学环境，提高了矿柱的强度，保证了顶板及上覆岩层的稳定性。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种置换粘土层重塑矿柱力学环境的方法，具体步骤如下：

S1、针对一种含粘土层的矿柱，所述矿柱包括贫矿层、粘土层、富矿层，通过房柱采矿法系统对采场进行布置，沿矿体走向或倾向划分矿块，根据所述矿块布置矿房和矿柱，将所述矿柱划分为若干个区段，所述矿房的长度取决于运搬设备的有效运距；

S2、沿所述矿体走向掘进运输巷道，沿所述矿体倾向掘进安装采矿设备和辅助设备，并掘进切割上山与上水平中段巷道使之贯通形成通风系统，并将采下的矿石运走；

S3、将充填物料运至地表储料仓，所述充填物料包括骨料、沙料、水泥，井下建设移动式混凝土搅拌站，且在所述矿房回采过程中，预留所述矿柱，并使用采掘设备对所述矿柱的中间粘土层进行分步上山掘进，同时将所述充填物料定量配比，搅拌制备成混合加固体后，通过混凝土输送泵输送至采场，再对被掘进的所述粘土层进行条带式的人工矿柱填充，待充填的人工加固层凝固后对所述矿房进行分层开采，采矿顺序依次为先粘土，再富矿，后贫矿进行；

S4、掘进出的所述粘土层运送至旁边空采区，对所述空采区形成新支护，同时所述人工加固层经过凝固后，所述矿柱力学环境重塑，并在开采整个过程中保留连续的所述矿柱。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

1、重塑矿体矿柱粘土层力学环境行为的房柱开采方法，可有效解决在采矿过程中粘土层强度不够，自然矿柱不能保留的问题，提高矿柱对顶板和上覆岩层的支撑力，同时还可以回采矿柱，既保证矿井的高效安全开采，同时经济成本较低，操作方法简单快速。

2、掘进出的粘土层通过运搬设备运送至旁边空采区，对所述空采区形成稳定的新支护，既节省了填充成本，同时也实现了无废处理废石。

附图说明

图1为本发明提供的矿柱粘土层置换的方法示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实施例提供了一种置换粘土层重塑矿柱力学环境的方法，包括：贫矿层1、粘土层2、富矿层3、人工加固层4，包括以下步骤：

S1、针对一种含粘土层的矿柱，所述矿柱包括贫矿层、粘土层、富矿层，通过房柱采矿法系统对采场进行布置，沿矿体走向或倾向划分矿块，根据所述矿块布置矿房和矿柱，将所述矿柱划分为若干个区段，所述矿房的长度取决于运搬设备的有效运距；

S2、沿所述矿体走向掘进运输巷道，沿所述矿体倾向掘进安装采矿设备和辅助设备，并掘进切割上山与上水平中段巷道使之贯通形成通风系统，并将采下的矿石运走；

S3、将充填物料运至地表储料仓，所述充填物料包括骨料、沙料、水泥，井下建设移动式混凝土搅拌站，且在所述矿房回采过程中，预留所述矿柱，并使用采掘设备对所述矿柱的中间粘土层进行分步上山掘进，同时将所述充填物料定量配比，搅拌制备成混合加固体后，通过混凝土输送泵输送至采场，再对被掘进的所述粘土层进行条带式的人工矿柱填充，待充填的人工加固层凝固后对所述矿房进行分层开采，采矿顺序依次为先粘土，再富矿，后贫矿进行；

S4、掘进出的所述粘土层运送至旁边空采区，对所述空采区形成新支护，同时所述人工加固层经过凝固后，所述矿柱力学环境重塑，并在开采整个过程中保留连续的所述矿柱。

所述充填物料包括骨料、沙料、水泥，这里需要解释的是，所述骨料指的是粗骨料，包括碎石、卵石等大粒径材料，所述沙料指的是细料，包括泥沙、河沙等小颗粒材料；井下建设移动式混凝土搅拌站，需要说明的是，所述移动式混凝土搅拌站是沿着连续所述矿柱置换所述粘土层的方向移动建设，边掘进边进行填充，所述矿柱力学环境重塑，指的是所述矿柱的力学强度得到改变，足够支撑所在区域的顶板。采矿顺序依次为先粘土，再富矿，后贫矿进行，需要说明的是，这样既可以保证富矿进行充分开采，又能降低粘土层对磷矿石的贫化率，还能保证根据顶板的实际情况进行挑顶。

优选的，所述人工加固层经所述充填物料混合搅拌快速注入所述被掘进的粘土层后形成，且与所述贫矿层、富矿层组成一个整体，所述人工加固层4置换所述粘土层2时从上山上部往下注入填充，对所述粘土层2的置换过程动作迅速，所述辅助设备一边快速清理出所述粘土层，一边快速填充所述人工加固层4，所述人工加固层4需提前配置好；所述人工加固层4需要根据现场环境确定，包括所述碎石与所述稀混凝土砂浆的强度，以及所述人工加固层4与所述矿柱上下矿层的粘结情况。

优选的，实施例中，所述矿柱为所述矿体的一部分，为保证人员安全及所述采场的稳定性而设置，所述矿柱可以由贫矿层1、粘土层2、富矿层3组成，也可以由富矿层3、粘土层2、富矿层3构成，所述粘土层2力学性能较差，需要解释的是，所述粘土层2可以是软弱岩层，就是自身岩性较差，难以保证整个采区地稳定性；当所述矿柱三部分为贫矿层1、粘土层2、富矿层3时，先对所述粘土层2进行置换，然后根据现场情况需要再对所述贫矿层1进行砌顶和锚杆支护，等支护稳定后，再对所述贫矿层1进行爆破，再进行所述贫矿层1回采，最后用所述运搬设备进行运输出矿，待上部所述贫矿层1回采结束后再对所述富矿层3进行打孔爆破开采，直至回采完成；当所述矿柱为富矿层3、粘土层2、富矿层3时，或者最上层为稳定的贫矿层1时，对所述矿柱进行回采则可以直接打孔爆破；

优选的，所述矿柱的粘土层2置换的要点在于，所述重塑力学环境过程仅置换所述粘土层2，并能对所述贫矿层1和所述富矿层3进行回采出矿，所述粘土层2厚度为2-3m，所述矿柱底部采用平底底部结构，在对所述粘土层分步上山掘进时采用掘进机直接掘进并运送。

优选的，掘进机在上山掘进过程中可以直接对其他连续所述矿柱进行掘进，也就是说，所述采区的所述矿柱中部可以相互连通，可以便于同时开采下部所述富矿层，也便于物料的运输。

特别的，对所述矿房和所述矿柱进行回采工作时，所述矿体厚度小于2.5m，可以一次采全厚，所述矿体厚度在2.5-3m之间，可以一次采全厚，也可以分层开采，所述矿体厚度大于3m，可以分层开采。

优选的，所述采掘设备包括掘进机和铲车，所述运搬设备包括电耙，使用所述电耙运搬时，所述矿房的长度一般为40-60m，所述矿房的宽度一般根据所述矿体的厚度和顶板的稳固性确定，一般为8-20m，矿柱直径为3-7m，间距为5-8m。

优选的，根据情况需要对所述矿柱进行支护，所述人工加固层4养护期短，一般为1-2个月，对所述矿柱支护包括顶板支护、锚杆支护或锚杆锚喷支护。

本实施例中，先对采场布置，沿矿体走向或倾向划分矿块，再所述矿块布置矿房和矿柱，再沿所述矿体走向掘进运输巷道，每隔一段距离设置采矿设备室，并掘进切割上山与上水平中段巷道使之贯通形成通风系统，以及搬运矿石；然后对矿房进行回采方法，一般沿所述矿房走向从一侧向另一侧进行推进或从矿房向两侧推进，采用房柱采矿法开采，为了提高开采效率，可同时对多个所述矿房进行开采；最后矿房力学环境重塑以及回采矿柱，在回采过程中预留了矿柱，矿柱由贫矿层1、粘土层2、富矿层3组成，用采掘设备对中间粘土层2进行上山掘进一次，并对掘进的被掘进的粘土层进行支护，再用人工加固层4对被掘进的粘土层进行填充，待人工加固层4凝固后对剩余的粘土层2进行上山下山回采填充，循环此过程直至完成粘土层2与人工加固层4的置换，掘进出的粘土层3运送至旁边空采区，对空采区形成新的稳定支护，既节省了填充成本，也实现了粘土的无废处理，同时人工加固层4经过时间凝固，矿柱的力学性能随之发生改变，形成了强度高的支护，避免了矿房因粘土强度不够而导致支护差的问题，并在开采整个过程中保留经过力学环境重塑的连续矿柱；等待人工加固层4稳定后对富矿层3进行爆破出矿，最后等下部富矿层3回采结束后再对上部贫矿层3进行爆破开采，直至回采完成。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

四川马边某磷矿，矿体倾斜约为7°，矿体和围岩稳定性较好，平均厚度在3.5m，设计采用房柱采矿法，但是原生矿柱损失率达到20％以上，结构特点为层状与薄层状，中间夹着软弱的结构面层状结构，层厚为3m，需对矿柱做进一步力学重塑才能保证采区正常开采。

具体步骤为：

S1、沿矿体走向或倾向划分矿块，矿体尺寸长*宽为65m×118m，分成2个矿块，每个矿块共布置8个矿房，并预留4m×4m矿柱，间距为8m，所述矿柱尺寸及划分一般按照所受平均应力情况，公式如下：

式中，γ—岩体容重；z—埋藏深度,m；w

该磷矿的矿房跨度选择10m、矿柱间距为8m。

S2、沿所述矿体走向掘进运输巷道，沿所述矿体倾向掘进安装采矿设备掘进机和辅助设备，并掘进切割上山与上水平中段巷道使之贯通形成通风系统，并将采下的矿石运走；

S3、考虑人工加固层置换粘土层后人工矿柱强度的情况，根据如下公式进行计算：

式中,S

结合该磷矿，所述矿柱宽高比小于5，故置换后矿柱强度计算为：

S

式中，S

因为该项目矿柱设计为连续矿柱，根据上述公式计算后得出置换后连续所述矿柱抗压强度为10.5MPa，现场选用C20混凝土，先将充填物料运至地表储料仓，所述充填物料包括骨料、沙料、水泥、粉煤灰、添加剂，需要解释的是，这里的添加剂指改善混凝土性能的材料；优选的，现场配比为水泥：砂：碎石：粉煤灰＝7：16：24：1，添加剂用量为总用量的1％，可根据现场施工情况进行修正。井下建设移动式混凝土搅拌站，移动式混凝土搅拌站跟随所述矿柱掘进方向进行移动，且在所述矿房回采过程中，预留所述矿柱，并使用采掘设备对所述矿柱的中间粘土层进行分步上山掘进，同时将所述充填物料按着上述定量配比，搅拌制备成混合加固体后，通过混凝土输送泵输送至矿柱旁，再对被掘进的所述粘土层进行条带式的人工矿柱填充，需要说明的是，条带式是指掘进机的宽度，往返行走的多条路线为条带式，铲车一边快速清理出所述粘土层，混凝土输送泵一边快速填充所述人工加固层；所述人工加固层置换所述粘土层时从上山上部往下注入填充，采用分步浇筑，每次浇筑1.5m，并且同时6个矿柱同时进行浇筑，日浇筑量为66m

S4、掘进出的所述粘土层运送至旁边空采区，对所述空采区形成新支护，同时所述人工加固层经过凝固后，所述矿柱力学环境重塑，置换后的强度增加，并在开采整个过程中保留连续的所述矿柱；所述重塑力学环境过程仅置换所述粘土层，不改变贫矿和富矿的矿层。

根据现场情况需要对被掘进的粘土层进行支护，底部采用平底结构，先对矿柱进行切底，并采用锚杆支护，设置三角区，锚杆按三角区域进行布置，在浇筑到距离顶板的时候，再进行顶板锚杆安装，继续浇筑填充物料，浇筑完成后再进行养护。

本发明为一种置换粘土层重塑矿柱力学环境的方法，可有效解决在采矿过程中因粘土层强度不够，而对矿房支护不稳定，从而自然矿柱不能保留的问题，通过置换粘土层提高了矿柱对顶板和上覆岩层的支撑力，同时还可以回采矿柱，既保证矿井的高效安全开采，同时经济成本较低，操作方法简单快速；并且掘进出的粘土层还可以运送至旁边空采区，对所述空采区形成稳定的新支护，既节省了填充成本，同时也实现了无废处理废石。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。