只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法

摘要

本发明公开了一种只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法：先采一步骤矿房采场，后采二步骤矿柱采场，矿房采场采用胶结充填，矿柱采场采用非胶结或胶结充填；一步骤回采充填体下的矿房采场，直接回采至充填体底面，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿柱采场的矿岩，顶部为充填体，出矿完成后进行胶结充填；二步骤回采充填体下的矿柱采场，不揭露充填体底面，其下留设一定高度的矿岩不回采。按上述方式回采完充填体下的阶段矿体后，没有留设完整原岩水平矿柱，而只形成矿量较少的齿形矿柱，降低了阶段间原岩水平矿柱矿量，提高了正常开采单元中资源的一次性高效回采率，进而增加了矿山企业开采的经济收益。

权利要求

1.一种只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于，包括步骤：

(1)将充填体下的阶段矿体间隔划分为两步采场，先采一步骤矿房采场，后采二步骤矿柱采场，矿房采场采用胶结充填，矿柱采场采用非胶结或胶结充填；

(2)一步骤回采充填体下的矿房采场，直接回采至充填体底面，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿柱采场的矿岩，顶部为充填体，出矿完成后进行胶结充填；

(3)二步骤回采充填体下的矿柱采场，不揭露充填体底面，其下留设一定高度的矿岩不回采，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿房采场的胶结充填体，顶部为矿岩，出矿完成后进行非胶结或胶结充填；

(4)按上述方式回采完充填体下的阶段矿体后，没有留设完整原岩水平矿柱，而只形成矿量较少的齿形矿柱，该齿形矿柱在正常大规模开采完成之后，再以残矿方式予以回采；

(5)上阶段充填体底部需有一定厚度的强度满足要求的胶结充填层；

(6)上述一步骤矿房采场和二步骤矿柱采场选用阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法、上向分层或上向进路充填法回采。

2.根据权利要求1所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述步骤(1)的两步采场中：如果垂直于矿体走向布置采场，采场长度为矿体厚度20～120m，采场宽度为10～30m；

如果沿着矿体走向布置采场，采场长度为20～120m，采场宽度为矿体厚度6～30m，采场高度为30～150m。

3.根据权利要求2所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对于特别厚大的矿体，将矿体先划分为若干个盘区，在每个盘区内，沿着盘区走向或垂直于盘区走向进行采场划分，采场长度为60～120m，采场宽度为10～30m，采场高度为30～150m。

4.根据权利要求1所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述步骤(4)中，最终形成的齿形矿柱高度为3～20m。

5.根据权利要求4所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在沿着采场宽度方向的竖向横截面，最终形成的齿形矿柱形状包括矩形或底面为内凹圆拱形、内凹多边形的齿形矿柱。

6.根据权利要求5所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述内凹多边形为内凹三角形、内凹四边形或内凹六边形。

7.根据权利要求1所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述步骤(5)中，上阶段充填体底部的胶结充填层的单轴抗压强度不低于1.2MPa，且该层的厚度不低于5m。

8.根据权利要求1所述的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其特征在于：所述步骤(2)中，一步骤回采充填体下的矿房采场时，不揭露充填体底面，在矿房采场顶部留设必要厚度的矿壁，该矿壁的厚度不能大于相邻齿形矿柱厚度。

说明书

只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地下矿山开采技术，尤其涉及一种只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，主要适用于地下金属非金属矿的安全经济高效开采。

背景技术

[0002] 随着对矿山安全和环保意识的不断提高以及对矿产资源回收率的日益重视，充填采矿法近年来获得了巨大发展和广泛应用。而在地下矿山充填开采前，需根据其开采技术条件，进行采矿方案、采充顺序、地压控制和技术经济等方面的合理规划设计，尤其是上下相邻阶段之间充填采矿作业的隔离、过渡与衔接，直接影响充填采矿生产作业的安全性和经济性。

[0003] 在地下矿山的充填开采中，充分发挥采空区充填对安全改善地压、提高资源回收率、增加矿山经济收益等方面的优势，同时解决充填体相对原岩较软弱、充填体揭露稳定性难控制等方面的劣势问题，是实现安全经济高效充填采矿的关键。

[0004] 应用充填法的地下矿山中，采场回采后需及时充填采空区，为开采周边采场提供必要条件。当上部阶段矿体基本采充完成后，须提前准备上阶段充填体下部紧邻阶段矿体的开采工程，进而面临在充填体底下采矿的问题。

[0005] 现有技术一：

[0006] 为了隔离上阶段的“相对软弱”充填体，是在阶段之间留设一定厚度的完整原岩水平矿柱，形成阶段之间“相对刚性”的“框架结构”，降低上阶段充填体在下阶段采矿时引起的下向揭露垮塌风险，并要求该完整原岩水平矿柱能够刚性支撑上下盘围岩的采动闭合变形。

[0007] 其中，阶段间原岩水平矿柱的布置模式示意图如图1所示，该方案是目前充填法地下矿山在充填体底下采矿时的主要技术方案。阶段间原岩水平矿柱可由上阶段采场底柱和下阶段采场顶柱共同构成，如图1中(a)；也可专门留设阶段间的原岩水平隔离矿柱，如图1中(b)。阶段间留设原岩水平矿柱的资源量一般是在矿体开采末期，作为残矿资源进行回收。

[0008] 上述现有技术一预留阶段间原岩水平矿柱的开采方式，存在如下问题：

[0009] (1)从开采安全性角度

[0010] ①留设阶段间原岩水平矿柱后，下部阶段一步骤矿房采场开采完成并充填时，由于充填体的固结沉缩特性，充填体难以实现与上部原岩水平矿柱的刚性接顶，导致二步骤矿柱采场开采后，矿房采场充填体两侧矿柱采场的采空区在原岩水平矿柱下表面是贯通的，进而引起阶段间原岩水平矿柱的大面积悬顶，产生破断垮塌的风险高，威胁二步骤矿柱采场开采时的安全性；

[0011] ②上阶段采场回采完毕后，原岩应力向四周转移，阶段间原岩矿柱应力增加，伴随其下阶段各个采场的开采，阶段间原岩矿柱承受的应力荷载进一步增加，而原岩矿柱上下阶段的采场充填体是相对软介质，上下盘围岩闭合作用产生的移动变形主要施加在阶段间原岩矿柱上，造成其应力高度集中，可能引起地压灾害活动剧烈，触发地压灾害的安全风险高；

[0012] ③阶段间留设原岩水平矿柱的资源量后期作为残矿资源回收时，其应力高、破损程度大，后期通达进入该阶段水平矿柱进行残矿资源回采时，人员及设备安全风险高。

[0013] (2)从开采经济性角度

[0014] ①为刚性支撑上下阶段采场开采引起的围岩闭合变形，阶段水平矿柱需留设足够高度才能发挥有效的控制地压作用，过薄的水平矿柱难以实现地压控制功能，但矿山企业是先期投资建设井下开采工程，留设足够高度的水平矿柱占据的资源量大，且回收滞后，压控严重，相当于占用大量投资成本，企业收益滞后；

[0015] ②阶段间水平矿柱一般只能在矿体开采末期作为残矿回收，由于其后期开采技术条件恶化，存在回收技术、回收安全性等不确定问题，其回收率一般很低，也可能无法回收，造成矿产资源的大量永久损失，严重影响矿山企业的投资收益。

[0016] (3)从开采高效性角度

[0017] ①为有效发挥地压控制作用，需要留设足够高度的阶段间原岩水平矿柱，造成阶段间水平矿柱的大量压矿资源不能在正常采场中高效回采，进而降低了可大直径深孔高效采矿的矿量比例，等同于降低了该阶段矿体采场的开采效率；

[0018] ②阶段间原岩水平矿柱后期回收困难，通常只能选用劳动生产率较低的残矿回采工艺，而且，后期回收时往往已经远离大规模开采矿段区域，采矿作业线拉长，人员设备通达、出矿运搬等能力受限，矿山安全生产的管理复杂，开采效率低下。

发明内容

[0019] 本发明的目的是提供一种只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法。

[0020] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0021] 本发明的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，包括步骤：

[0022] (1)将充填体下的阶段矿体间隔划分为两步采场，先采一步骤矿房采场，后采二步骤矿柱采场，矿房采场采用胶结充填，矿柱采场采用非胶结或胶结充填；

[0023] (2)一步骤回采充填体下的矿房采场，直接回采至充填体底面，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿柱采场的矿岩，顶部为充填体，出矿完成后进行胶结充填；

[0024] (3)二步骤回采充填体下的矿柱采场，不揭露充填体底面，其下留设一定高度的矿岩不回采，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿房采场的胶结充填体，顶部为矿岩，出矿完成后进行非胶结或胶结充填；

[0025] (4)按上述方式回采完充填体下的阶段矿体后，没有留设完整原岩水平矿柱，而只形成矿量较少的齿形矿柱，该齿形矿柱在正常大规模开采完成之后，再以残矿方式予以回采；

[0026] (5)上阶段充填体底部需有一定厚度的强度满足要求的胶结充填层；

[0027] (6)上述一步骤矿房采场和二步骤矿柱采场选用阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法、上向分层或上向进路充填法回采。

[0028] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，实现了只留少量齿形矿柱的充填体底下采矿，降低了阶段间原岩水平矿柱矿量，提高了正常开采单元中资源的一次性高效回采率，进而增加了矿山企业开采的经济收益。

附图说明

[0029] 图1为现有技术中充填体下留设原岩水平矿柱的采矿方案示意图(垂直于矿体走向布置采场时，沿矿体走向的纵剖面图)，图中：(a)留设阶段顶柱和底柱；(b)整体留设原岩水平隔离矿柱；

[0030] 图2为本发明实施例中，充填体下留设齿形矿柱的采矿方案示意图(垂直于矿体走向布置采场时，沿矿体走向的纵剖面图)，图中：(a)矩形齿柱；(b)内凹圆弧行齿柱；(c)内凹半圆形齿柱；(d)内凹三角形齿柱；

[0031] 图3为本发明实施例中，某铁矿主矿体采充现状及沿矿体走向典型区域的纵剖面图；

[0032] 图4为本发明实施例中，某铁矿充填体下采矿的齿形矿柱布置方法及采充方案图，图中：(a)爆破回采一步骤矿房采场；(b)胶结充填一步骤矿房采空区；(c)爆破回采二步骤矿柱采场；(d)非胶结或胶结充填二步骤矿柱采空区。

具体实施方式

[0033] 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

[0034] 本发明的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，其较佳的具体实施方式如图2所示：

[0035] 包括步骤：

[0036] (1)将充填体下的阶段矿体间隔划分为两步采场，先采一步骤矿房采场，后采二步骤矿柱采场，矿房采场采用胶结充填，矿柱采场采用非胶结或胶结充填；

[0037] (2)一步骤回采充填体下的矿房采场，直接回采至充填体底面，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿柱采场的矿岩，顶部为充填体，出矿完成后进行胶结充填；

[0038] (3)二步骤回采充填体下的矿柱采场，不揭露充填体底面，其下留设一定高度的矿岩不回采，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿房采场的胶结充填体，顶部为矿岩，出矿完成后进行非胶结或胶结充填；

[0039] (4)按上述方式回采完充填体下的阶段矿体后，没有留设完整原岩水平矿柱，而只形成矿量较少的齿形矿柱，该齿形矿柱在正常大规模开采完成之后，再以残矿方式予以回采；

[0040] (5)上阶段充填体底部需有一定厚度的强度满足要求的胶结充填层；

[0041] (6)上述一步骤矿房采场和二步骤矿柱采场选用阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法、上向分层或上向进路充填法回采。

[0042] 所述步骤(1)的两步采场中：

[0043] 如果垂直于矿体走向布置采场，采场长度为矿体厚度20～120m，采场宽度为10～30m；

[0044] 如果沿着矿体走向布置采场，采场长度为20～120m，采场宽度为矿体厚度6～30m，采场高度为30～150m。

[0045] 所述步骤(1)中，对于特别厚大的矿体，将矿体先划分为若干个盘区，在每个盘区内，沿着盘区走向或垂直于盘区走向进行采场划分，采场长度为60～120m，采场宽度为10～30m，采场高度为30～150m。

[0046] 所述步骤(4)中，最终形成的齿形矿柱高度为3～20m。

[0047] 所述步骤(4)中，在沿着采场宽度方向的竖向横截面，最终形成的齿形矿柱形状包括矩形或底面为内凹圆拱形、内凹多边形等形状的齿形矿柱。内凹多边形包括内凹三角形、内凹四边形或内凹六边形，甚至更多的边均是本发明的保护范围。

[0048] 所述步骤(5)中，上阶段胶结充填体底层的单轴抗压强度不低于1.2MPa，且该层的厚度不低于5m。

[0049] 所述步骤(2)中，一步骤回采充填体下的矿房采场时，可不揭露充填体底面，在矿房采场顶部留设必要厚度的矿壁，该矿壁的厚度不能大于相邻齿形矿柱厚度。

[0050] 具体实施中：

[0051] 一步骤回采充填体下的矿房采场，直接回采至充填体底面，如图2中房①和房②。采场回采结束后，空区两侧为相邻矿柱采场的矿岩，顶部为充填体。出矿完成后进行胶结充填。矿房采场回采时需遵循“隔三采一或隔一采一”的回采顺序，先采房①，采后充填房①，然后再采房②。

[0052] 二步骤回采充填体下的矿柱采场，不揭露充填体底面，其下留设一定高度的矿岩不回采，如图2中柱③和柱④。采场回采结束后，空区两侧为相邻矿房采场的胶结充填体，顶部为矿岩。出矿完成后进行非胶结或胶结充填。矿柱采场回采时需遵循“隔三采一或隔一采一”的回采顺序，先采房③，采后充填房③，然后再采房④。

[0053] 步骤(4)中，最终形成的齿形矿柱高度一般为3～20m，但其具体取值，应根据实际采矿方法、采场尺寸、矿岩条件等情况，考虑每个矿柱采场齿形矿柱自重及其两侧矿房采场胶结充填体的夹持作用力等因素，经理论计算确定。在沿着采场宽度方向的竖向横截面，最终形成的齿形矿柱形状不仅限于矩形，也可以根据采场回采工艺，采成底面为内凹圆拱形、内凹多边形等形状的齿形矿柱，可降低每条齿形矿柱的自重，并提高矿石回收率。内凹多边形包括内凹三角形、内凹四边形或内凹六边形，甚至更多的边均是本发明的保护范围。

[0054] 步骤(5)中，上阶段胶结充填体底层的单轴抗压强度一般不低于1.2MPa，且该层的厚度一般不低于5m，但具体底层胶结充填体的强度和厚度取值，应根据实际采矿方法、采场尺寸、矿岩条件等情况，经理论计算确定。而且实际开采之前，须事先探测评估该胶结充填体底层的强度和厚度是否满足设计要求。

[0055] 步骤(2)中，一步骤回采充填体下的矿房采场时，也可以不揭露充填体底面，在矿房采场顶部留设必要厚度的矿壁，尤其是在该矿房采场跨度较大，上部胶结充填体底层的强度较弱、厚度较薄时，其必要性更大。但该矿壁的厚度一般不能大于相邻齿形矿柱厚度。

[0056] 本发明的只留齿形矿柱的充填体底下采矿方法，主要解决以下技术问题：

[0057] (1)错开充填体下部阶段矿房和矿柱采场的开采高度，解决一步骤矿房采场充填体难接顶导致二步骤矿柱采场空区悬顶贯通带来的顶板安全问题；

[0058] (2)合理设计采充时序，实现原岩水平矿柱逐步卸压，降低原岩水平矿柱的应力集中程度，解决留设完整原岩水平矿柱应力集中引发的地压风险问题；

[0059] (3)充分发挥胶结充填层与齿形原岩矿柱组合体的地压控制作用，解决地下矿山正常开采单元的安全高效回采问题；

[0060] (4)充填体下采矿时，不留/少留阶段间的原岩水平矿柱，提高资源回采率。

[0061] 具体实施例：

[0062] 某大型地下铁矿山年产约300万吨铁矿石，矿石铁品位多在27～38％，全铁含量最高为44.5％。主矿体厚大，厚度约40～160m，矿体倾斜至急倾斜，倾角约60～80°。主矿体矿岩和顶底板主要是片麻岩和斜长角闪岩，岩体裂隙不发育，岩体质量分级为中等，岩体较完整，工程地质条件中等，水文地质条件中等。

[0063] 矿山主矿体设计采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，垂直于矿体走向布置采场，采场长度为矿体厚度，约40～160m，采场宽度为16～18m，采场高度为阶段高度，为45～60m。

[0064] 矿山主矿体目前主要设计了四个开采中段(-170～-230m、-230～-290m、-290～-350m、-350～-395m中段)。其中，-170～-230m中段是矿山首采中段，目前该首采中段所有采场已经基本采充完成；-230～-290m中段矿岩作为水平隔离矿柱，整体留设未采；-290～-
350m中段和-350～-395m中段的一步骤矿房采场已经基本开采完毕，正在进行采空区充填工作。该矿山主矿体的采充现状及沿矿体走向典型区域的纵剖面图如图3。

[0065] 该矿山主矿体的开采模式，在地下矿山普遍存在：矿山建设初期，先开采并充填见矿后的第一中段矿岩，利用首采中段的开采周期和回笼资金，投资建设深部各个阶段的开拓采准工作，并适度回采深部建设完成后的一步骤矿房采场。而为了隔离首采中段充填体与深部采场的采矿作业，整体留设充填体下的阶段矿岩不采，隔离其上部和下部阶段的采矿活动。但是，该开采模式在矿山生命周期某一时刻都势必将面临首采中段充填体下如何采矿的问题。

[0066] 利用本发明方法，示例矿山在充填体下采矿的齿形矿柱布置方法及采充方案图如图4所示，具体包括如下步骤与要求：

[0067] (1)不留设-170～-230m中段与-230～-290m中段之间的完整原岩水平矿柱。如需留设该阶段间的完整原岩水平矿柱，其留设高度须大于30m，以此才能满足厚大主矿体-230～-290m中段采场开采过程的稳定性。

[0068] (2)-230～-290m中段沿用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，间隔布置一步骤矿房采场和二步骤矿柱采场，采场尺寸为长度40～160m、宽度18m、高度45～60m。

[0069] (3)在-240～-245m水平布置-230～-290m中段的凿岩水平。

[0070] (4)首先在-230～-290m中段一步骤矿房采场的-240～-245m凿岩水平向下钻凿大直径垂直深孔(孔径165mm，孔深45～50m)至-290m水平的切割拉底层，同时在此凿岩水平向上钻凿中深孔(孔径60mm，孔深10～20m)至-230m充填体底面水平。

[0071] (5)以矿房采场底部切割拉底层为起始自由面，分3次向下崩矿。在最后一次大直径深孔下向崩矿时，将凿岩水平上部中深孔和下部大直径深孔一并控制爆破，先爆大直径深孔，后爆上部中深孔。中深孔爆破时，以靠近采场上盘预先开凿的切割槽为自由面，侧向崩矿。矿体厚大处，采场长度大，大直径深孔与中深孔控制爆破时，采用自上盘至下盘的分步后退式崩矿，统一在-290m出矿水平出矿。

[0072] (6)矿房采场出矿完成后，胶结充填至-230m水平，胶结充填体强度根据采场长度(矿体厚度)针对性选取，-230～-290m一步骤矿房采场胶结充填体强度取值范围为0.8～1.5MPa(胶结充填体侧向揭露面的长度40～160m、宽度18m、高度45m)。

[0073] (7)相邻矿房采场胶结充填体养护龄期达28天后，开采相邻的二步骤矿柱采场。针对-230～-290m中段二步骤矿柱采场，在-240～-245m凿岩水平向下钻凿大直径垂直深孔(孔径165mm，孔深45～50m)至-290m水平的切割拉底层，分3次向下崩矿，在-290m出矿水平出矿。矿柱采场顶部至-230m水平的矿岩留设不采。

[0074] (8)矿柱采场出矿完成后，非胶结或胶结充填采空区，充填至-240～-245m凿岩水平即可。

[0075] (9)须对-170～-230m中段采场充填体进行原位取芯探测，测试取芯充填体试样力学强度，统计分析原位充填体强度的离散性分布特征。要求-170～-230m中段采场底部的胶结充填体高度不低于5m，其单轴抗压强度不低于1.2MPa。

[0076] 本发明技术方案对充填体下采矿时具有如下有益效果：

[0077] (1)实现了只留少量齿形矿柱的充填体底下采矿，降低了阶段间原岩水平矿柱矿量，提高了正常开采单元中资源的一次性高效回采率，进而增加了矿山企业开采的经济收益；

[0078] (2)合理错开了矿房和矿柱采场的开采高度，解决了一步骤矿房采场充填体难接顶导致二步骤矿柱采场空区悬顶贯通带来的顶板安全问题；

[0079] (3)设计了合理的采充时序，实现了原岩水平矿柱逐步卸压，降低了原岩水平矿柱的应力集中程度，有效缓解了留设完整原岩水平矿柱应力集中引发的地压风险；

[0080] (4)充分发挥了胶结充填层与齿形原岩矿柱组合体的地压控制作用，为地下矿山正常开采单元的高效回采提供了安全地压环境保障；

[0081] (5)大幅减少了未来水平矿柱的残矿回采量，提高了矿山开采的安全性和综合效率。

[0082] 本发明的技术关键点包括：

[0083] 将充填体下的阶段矿体间隔划分为两步骤采场，先采一步骤矿房采场，后采二步骤矿柱采场，矿房采场采用胶结充填，矿柱采场采用非胶结或胶结充填。一步骤回采充填体下的矿房采场，直接回采至充填体底面，采场回采结束后，空区两侧为相邻矿柱采场矿岩，顶部为充填体，出矿完成后进行胶结充填。二步骤回采充填体下的矿柱采场，不揭露充填体底面，而是留设3～20m高的矿岩不回采，矿柱采场回采结束后，空区两侧为矿房采场胶结充填体，顶部为矿岩，出矿完成后进行非胶结或胶结充填。按上述方式回采完充填体下的阶段矿体后，没有留设完整原岩水平矿柱，而只形成矿量较少的齿形矿柱。齿形矿柱形状不仅限于矩形，也可为底面为内凹圆拱形、内凹多边形等形状的齿形矿柱。内凹多边形包括内凹三角形、内凹四边形或内凹六边形，甚至更多的边均是本发明的保护范围。上阶段采场充填体的底部需有一定厚度的强度满足要求的胶结充填层，要求该层厚度不低于5m，其单轴抗压强度不低于1.2MPa。上述一步骤矿房采场和二步骤矿柱采场可选用阶段空场嗣后充填法、分段空场嗣后充填法、上向分层或上向进路充填法等采矿方法回采。

[0084] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。