巨厚钾盐矿床竖向深槽底卸式开采方法与流程

本发明巨厚钾盐矿床竖向深槽底卸式开采方法，属于盐类矿床开采技术领域，主要应用于厚度30m以上特厚钾盐及类似条件盐类矿床的井工开采。

背景技术：

世界钾资源丰富，90%以上为海相盐类沉积矿床，少部分为含钾卤水，大约95%的钾盐被利用生产钾肥。钾盐矿床主要有钾石盐矿和光卤石矿，用钾石盐矿生产钾肥产生的尾矿为kcl产品3～5倍的氯化钠固体，用光卤石矿生产钾肥产生的尾矿为kcl产品2～3倍的氯化钠固体和4～8倍的氯化镁溶液，一直以来，尾矿氯化钠固体和氯化镁溶液能否实现有效回填是关系到生态环保、制约钾盐矿可持续稳定开采的关键技术问题。分析目前固体钾盐矿床的开采技术发展水平，世界上各主要钾盐矿开采国家普遍采用全断面采钾机、连采机、综掘机等机械化开采设备，巷道布置多采用房式开采(留设条带状保护矿柱)或房柱式开采(留设网格状保护矿柱)的布置方式，少数矿井将尾矿氯化钠固体和氯化镁溶液部分回填至采空区。由于采空区为近水平空间结构的特征，回填的尾矿难以有效接顶，采空区充填率大多维持在80%以下，充填体不能起到顶板支护的作用，主要依靠留设的条带状或网格状矿柱控制采空区围岩。因此，目前的固体钾盐矿床开采方法均属于固体矿床水平房柱式开采采空区部分回填的技术范畴，解决了厚度30m以下钾盐矿床的高效开采问题，但尾矿回填依然严重制约着矿井的可持续稳定开采，当其应用于厚度大于30m的巨厚钾盐矿床开采时，缺点更为突出，需采用沿矿层厚度方向进行分层、逐层间隔开采的巷道布置方式，主要存在以下方面的问题：(1)采掘设备、运输设备及各配套生产系统需多次进行搬家倒面作业，搬家倒面成本加大；(2)运输系统多次转载搭接，生产系统复杂，运输效率降低，运输成本加大，同时制约矿石生产能力；(3)采矿设备水平落矿的方式，在提高采矿能力的同时需保障设备自身工作的稳定性，采矿设备的重量和功率增大，目前每台采矿设备的重量已增大到90～135t左右、功率已增大到515～795kw左右；(4)采空区近水平空间结构的特征，为提高充填率，需构筑充填设施逐段进行尾矿回填，充填工艺系统复杂、充填难度大、充填成本高；(5)沿矿层厚度进行多次分层，充填率难以保障，顶板及上覆地层控制难度增大，安全隐患增多，安全可靠程度降低；(6)充填体难以有效接顶，需要留设大量的保护矿柱控制采空区围岩，资源回收率降低，约在20%～30%左右；(7)尾矿氯化钠固体和氯化镁溶液不能全部回填至采空区，带来生态环保问题，制约矿井可持续稳定开采。综上所述，固体矿床水平房柱式开采采空区部分回填的开采方法，主要存在采掘工作面搬家倒面次数多、搬家倒面成本高，运输系统复杂、效率低、运输成本高，设备重量和功率大、投资高、能耗大、落矿成本高，充填工艺系统复杂、充填成本高，围岩控制难度大、矿井安全可靠程度低，保护矿柱留设多、资源回收率低，尾矿不能全部回填、生态环保问题突出等技术缺陷，难以实现厚度30m以上巨厚钾盐矿床的安全、高效、生态环保、可持续稳定开采。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种巨厚钾盐矿床竖向深槽底卸式开采方法，通过改变水平落矿为竖向落矿、减少矿床分层次数、自溜连续运输矿石和低成本回填尾矿，减少设备重量、功率和能耗、降低落矿成本，减少采掘工作面搬家倒面次数多、降低搬家倒面成本，简化运输系统、提高运输效率、降低运输成本，简化充填工艺系统、降低充填成本，低成本全部回填尾矿、解决尾矿堆积生态环保问题，安全前提下尽可能的回收保护矿柱、减少保护矿柱留设、提高资源回收率，有效控制采空区围岩、提高矿井安全可靠程度，开创性的实现厚度30m以上巨厚钾盐矿床的安全、高效、生态环保、可持续稳定开采。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：巨厚钾盐矿床竖向深槽底卸式开采方法，按照下述步骤进行：

第一步，根据厚度30m以上巨厚钾盐矿床的厚度、埋深、形态和地层等赋存条件，对矿体及围岩的力学结构进行分析计算，合理确定工作面开采块段的长度、宽度、厚度，分层厚度，深槽长度、宽度、高度、夹层厚度和保护矿柱宽度等开采技术参数，布置巷道进行矿石开采；

第二步，按长度500～2000m、宽度70～200m、厚度为矿体厚度，划分工作面开采块段，沿矿层上部顶板布置上水平顺槽巷道，沿矿层下部底板布置下水平顺槽巷道，上下水平顺槽巷道通过联络巷道相联；

第三步，在工作面上、下水平顺槽巷道内，按照6～12m的深槽宽度、8～15m的保护矿柱宽度，分别布置上、下水平开采巷道，在上水平开采巷道内采用反井钻机或联络巷道钻机按照20～50m的间距预先施工直径为0.8～1.4m的溜矿孔贯穿上水平开采巷道和下水平开采巷道；

第四步，按照20～50m的分层厚度进行分层，与上、下水平顺槽巷道上下重叠、沿每一分层分别布置分层顺槽巷道，分层顺槽巷道根据开采顺序、自下而上依次施工，且通过联络巷与上、下水平顺槽巷道相联；

第五步，在每一分层顺槽巷道内，按照500～2000m的长度、6～12m的宽度、15～40m的高度布置开采深槽，首先在深槽上部采用掘进机形成4m高度的开采巷道，并沿顶板敷设充填管路，之后采用竖向采矿机进行竖向、深槽、底卸式开采，采落的矿石由推矿机推送至溜矿孔、自溜连续运输至下水平开采顺槽内的胶带输送机；

第六步，竖向采矿机开采深槽的过程中，每开采2m左右的深度，构建溜矿设施，以弥补采空的溜矿孔，贯通上下部溜矿孔，为上一分层的开采服务；竖向采矿机开采至预定的深度，留设5～10m的夹层厚度，由联络巷道进入下一开采深槽进行开采；

第七步，在每一分层开采巷道内，依次顺序开采完各深槽后，根据尾矿处理、环境保护和采空区围岩控制的要求，进行采空区充填，进行采空区充填时，根据采矿充填衔接关系、采空区力学结构特征和尾矿回填料浆特性，合理确定充填工艺，通过各充填管路阀门的配合、充填设施的构筑，实现深槽采空区的立体式、有序化、全体积充填；

第八步，分层充填完毕后，布置上一分层进行开采、充填，工作面开采块段各分层的深槽整体开采、充填稳定之后，采用竖向柱状开采方法对深槽之间的部分保护矿柱进行回收；部分保护矿柱回收完毕之后，对采空的采柱空间进行立体式、有序化、全体积充填；

第九步，如此循环，实现厚度30m以上巨厚钾盐矿床的安全高效开采、尾矿低成本回填、生态环境保护和矿井可持续稳定开采。

所述第八步中，深槽间保护矿柱的回收顺序为：在保护矿柱上方施工上水平回收巷道，在保护矿柱下方施工下水平回收巷道；在上水平回收巷道内，采用竖向立式采矿掘进机或反井钻井开采回收柱形采柱，回收采落的矿石自溜连续运输至下水平回收巷道内的胶带输送机。

采用竖向立式采矿掘进机回收时，按照11～17m的间距、布置直径为8～12m的回收采柱，每个回收的采柱预先采用反井钻机或联络巷道钻机施工直径为0.8～1.4m的溜矿孔贯穿上水平回收巷道和下水平回收巷道。

采用反井钻井回收时，按照6～11m的间距、布置直径为3.5～6m的回收采柱。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明解决了厚度30m以上巨厚钾盐矿床的安全、高效、生态环保和可持续稳定开采，并为类似条件盐类矿床的安全高效开采提供了有力的技术支持。

2、本发明改变水平落矿为竖向落矿，可充分借助采矿设备自身重量实现矿石破碎和保障设备自身工作稳定，改变了水平落矿需要通过增加采矿设备重量和功率以实现矿石破碎和保障设备自身工作稳定的方式，减少了设备重量、功率和能耗，降低了落矿成本。

3、本发明采用竖向深槽的巷道布置方式，减少了矿床分层次数和采掘工作面搬家倒面的次数，降低了搬家倒面成本。

4、本发明采用溜矿孔自溜连续运输矿石，简化了运输系统，提高了运输效率，降低了运输成本；综合落矿成本、运输成本及搬家倒面成本，采矿成本可减少20%左右。

5、本发明采用竖向深槽的采空区空间特征，有利于提高采空区充填率、实现采空区全体积充填，简化了充填工艺系统，减低了充填成本；有利于低成本回填全部尾矿，解决尾矿堆积生态环保问题，实现矿井可持续稳定开采。

6、本发明利用矿柱与充填体相互耦合的作用，有效控制采空区围岩，提高矿井安全可靠程度，并利用竖向柱状开采方法回收深槽之间的部分保护矿柱，减少保护矿柱留设，提高资源回收率，资源回收率可提高10%左右。

7、本发明是厚度30m以上巨厚钾盐矿床开采方法的开创性革新。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明工作面开采块段开采布置平面图。

图2为图1中a-a截面的剖面图。

图3为本发明竖向深槽底卸式开采示意图。

图4为本发明深槽间保护矿柱部分回收平面图。

图5为图4中b-b截面的剖面图。

图6为本发明开采后采空区全体积充填示意图。

图中：a为工作面开采块段的长度或深槽长度，b为工作面开采块段的宽度，c为工作面开采块段的厚度，d为分层厚度，e为深槽宽度，f为深槽高度，g为夹层厚度，h为保护矿柱宽度，1为上水平顺槽巷道，2为下水平顺槽巷道，3为上水平开采巷道，4为下水平开采巷道，5为溜矿孔，6为分层顺槽巷道，7为分层开采巷道，8为正在开采的深槽，9为已采空的深槽，10为采空并充填的深槽，11为自溜连续运输的矿石，12为下水平开采顺槽内的胶带输送机，13为开采过后构建的溜矿设施，14为上水平回收巷道，15为下水平回收巷道，16为深槽间正在回收的采柱，17为深槽间已回收的采柱，18为回收并充填的采柱，19为残留矿体。

具体实施方式

如图1～图6所示，本发明巨厚钾盐矿床竖向深槽底卸式开采方法，按照下述步骤进行：

第一步，根据厚度30m以上巨厚钾盐矿床的厚度、埋深、形态、地层等赋存条件，对矿体及围岩的力学结构进行分析计算，合理确定工作面开采块段的长度、宽度、厚度，分层厚度，深槽长度、宽度、高度、夹层厚度和保护矿柱宽度等开采技术参数，布置巷道进行矿石开采。

第二步，按长度500～2000m、宽度70～200m、厚度为矿体厚度，划分工作面开采块段，沿矿层上部顶板布置上水平顺槽巷道，沿矿层下部底板布置下水平顺槽巷道，上下水平顺槽巷道通过联络巷道相联。

第三步，在工作面上、下水平顺槽巷道内，按照6～12m的深槽宽度、8～15m的保护矿柱宽度，分别布置上、下水平开采巷道，在上水平开采巷道内采用反井钻机或联络巷道钻机按照20～50m的间距预先施工直径为0.8～1.4m的溜矿孔贯穿上水平开采巷道和下水平开采巷道。

第四步，按照20～50m的分层厚度进行分层，与上、下水平顺槽巷道上下重叠、沿每一分层分别布置分层顺槽巷道，分层顺槽巷道根据开采顺序、自下而上依次施工，且通过联络巷与上、下水平顺槽巷道相联。

第五步，在每一分层顺槽巷道内，按照500～2000m的长度、6～12m的宽度、15～40m的高度布置开采深槽，首先在深槽上部采用掘进机形成4m高度的开采巷道，并沿顶板敷设充填管路，之后采用竖向采矿机进行竖向、深槽、底卸式开采，采落的矿石由推矿机推送至溜矿孔、自溜连续运输至下水平开采顺槽内的胶带输送机。

第六步，竖向采矿机开采深槽的过程中，每开采2m左右的深度，构建溜矿设施，以弥补采空的溜矿孔，贯通上下部溜矿孔，为上一分层的开采服务；竖向采矿机开采至预定的深度，留设5～10m的夹层厚度，由联络巷道进入下一开采深槽进行开采。

第七步，在每一分层开采巷道内，依次顺序开采完各深槽后，根据尾矿处理、环境保护和采空区围岩控制的要求，进行采空区充填。进行采空区充填时，根据采矿充填衔接关系、采空区力学结构特征和尾矿回填料浆特性，合理确定充填工艺，通过各充填管路阀门的配合、充填设施的构筑，实现深槽采空区的立体式、有序化、全体积充填。

第八步，分层充填完毕后，布置上一分层进行开采、充填，工作面开采块段各分层的深槽整体开采、充填稳定之后，采用竖向柱状开采方法(专利号为201611217933.1的特厚钾盐矿床竖向综合机械化开采方法)对深槽之间的部分保护矿柱进行回收。深槽间保护矿柱的回收顺序为：在保护矿柱上方施工上水平回收巷道，在保护矿柱下方施工下水平回收巷道；在上水平回收巷道内，采用竖向立式采矿掘进机或反井钻井开采回收柱形采柱，采用竖向立式采矿掘进机回收时，按照11～17m的间距、布置直径为8～12m的回收采柱，每个回收的采柱预先采用反井钻机或联络巷道钻机施工直径为0.8～1.4m的溜矿孔贯穿上水平回收巷道和下水平回收巷道，采用反井钻井回收时，按照6～11m的间距、布置直径为3.5～6m的回收采柱；回收采落的矿石自溜连续运输至下水平回收巷道内的胶带输送机；采柱回收完毕之后，对采空的采柱空间进行立体式、有序化、全体积充填。

第九步，如此循环，实现厚度30m以上巨厚钾盐矿床的安全高效开采、尾矿低成本回填、生态环境保护和矿井可持续稳定开采。

本发明巨厚钾盐矿床采用水平分层自下而上的上行开采顺序，在实际开采过程中，该发明同样适用于巨厚钾盐矿床水平分层自上而下的下行开采顺序。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，且均处于本发明创造权利要求的保护范围之中。