一种缓倾斜硬岩液压致裂综合机械化连续采矿方法与流程

本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种缓倾斜硬岩液压致裂综合机械化连续采矿方法。

背景技术：

非煤矿山缓倾斜硬岩矿体一般采用钻爆法开采，如房柱法、全面法等空场采矿法或分层充填采矿法，主要包括钻孔凿岩、装药、爆破、通风、出矿、充填等工序，采场结构尺寸较小，循环时间长，劳动强度大，生产能力低。

由于煤矿多为缓倾斜层状产出，煤矿综合机械化连续开采工艺为非煤矿山缓倾斜矿体高效采矿提供了新思路。综合机械化连续开采可通过采矿机、刮板输送机、转载机、液压支架等配套装备高效协同实现落矿、出矿、支护等工序连续作业，大幅提高生产效率，减少井巷工程量和工作人员。然而，对于非煤缓倾斜硬岩矿体，采矿机截割效率低，截齿磨损快，更换周期短，生产效率和成本均会大打折扣；同时，非煤矿床沉积产状较煤矿更为复杂，矿体底板起伏较大，导致综合机械化连续采矿工艺在非煤缓倾斜硬岩矿山难以适用。

现有专利如专利公告号cn105019904b公示的基于采矿机的缓倾斜薄矿脉机械化连续开采方法，专利公告号cn109339785b公示的一种缓倾斜中厚矿体多单元组合集约化采矿方法，专利公告号cn108104869a公示的一种缓倾斜中厚矿体的连续回采充填采矿法，专利公告号cn104141495b公示的一种缓倾斜中厚磷矿体的充填采矿方法，这些采矿方法虽然能适用于缓倾斜中厚矿体的开采，但其易造成矿石损失浪费，炸药爆破振动和烟尘污染较大，特别是在硬岩矿体连续开采中效率较低。

另，针对本发明提及的专业名词，本领域技术人员通常认定如下：

矿体走向：矿体层面与水平面交线的方向；

矿体倾斜方向：在矿体层面上与矿体走向垂直的方向；

缓倾斜硬岩：指矿体倾斜角度较缓≤30°，且矿体坚固性系数f＝5～10，厚度2～6m的环境。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种缓倾斜硬岩液压致裂综合机械化连续采矿方法，主要适用于矿体坚固性系数f＝5～10，厚度2～6m的缓倾斜沉积型矿床连续高效开采。

本发明的技术方案是：一种缓倾斜硬岩液压致裂综合机械化连续采矿方法包括：

1)确定矿块结构参数；

2)布置采切工程并形成采矿工作面；

3)在所述采矿工作面上布置致裂孔；

4)在所述致裂孔中使用液压致裂矿体；

5)采用综合机械化回采；

6)对采空区进行充填处理。

上述方案中，通过采用矿体液压致裂法，能对硬岩矿体致裂松动，并采用综合机械化回采，大幅降低采切工程量、劳动定员和通风能耗，提高连续开采效率。

优选的，步骤1)中，沿矿体倾斜方向划分矿块长度，沿矿体走向划分矿块宽度，矿体厚度为矿块厚度。

优选的，沿矿体倾斜方向100～150m划分矿块长度，沿矿体走向100～120m划分矿块宽度；矿体厚度≤2～3m时单层回采；矿体厚度＞2～3m时分层回采，先回采下分层，回采结束后充填采空区，充填体强度不低于1.0mpa。

优选的，步骤2)中，沿矿体走向在矿块上边界布置一条回风巷道；在矿块下边界布置一条运输巷道；通过切割上山和切割平巷将矿体划分若干回采单元：切割上山沿矿体倾斜方向布置，切割平巷沿矿体走向布置，所述切割平巷的两端与切割上山贯通，形成用于施工致裂孔及孔内加压致裂的所述采矿工作面；所述切割上山的两端与所述回风巷道和运输巷道贯通。

所述回风巷道可同时用于上部矿块的运输巷道；所述运输巷道可同时用于下部矿块的回风巷道。回风巷道和运输巷道的断面应满足采矿设备尺寸与通风速度要求。通过切割上山和切割平巷将矿体划分为若干矿块，能精准控制矿体的边界。

优选的，步骤3)中，在所述采矿工作面上沿矿体倾斜方向施工致裂孔，且根据矿体硬度确定致裂孔布置形式。

优选的，矿体硬度大时，在所述采矿工作面上布置两排致裂孔，呈“v”状布置，排距1.0～1.5m，孔距1.0～1.5m；矿体硬度小时，在所述采矿工作面的中央位置布置一排致裂孔，孔间距2～3m，孔深20～30m。

优选的，步骤3)中的所述致裂孔的施工通过上、下双向钻凿使每条致裂孔长度达到40～60m。钻孔直径根据选取的致裂棒确定，要求钻孔直径比致裂棒直径大10～20mm。

以最大程度提高致裂范围，有效破坏矿体稳定性，降低矿体强度。

优选的，步骤4)中，采用液压致裂棒对矿体进行致裂松动：每次相邻5～10个孔自外向内同时致裂。以保证相邻孔之间的矿体受到充分挤压，裂隙发展以致矿体破坏松动，降低矿体强度。

根据矿体抗压强度fr调节液压致裂棒工作压力p，p≥(1.2～1.5)fr。

沿矿体倾斜方向布置平行致裂钻孔，采用液压致裂棒对矿体协同致裂，能破坏硬岩力学结构，能降低硬岩强度。

优选的，步骤5)中，所述综合机械化回采方法即沿矿体倾斜方向布置所述采矿工作面，所述采矿工作面沿矿体走向方向推进。

沿矿体倾斜方向布置采矿机和刮板输送机，在运输巷道中布置转载机、破碎机和运输胶带。先用采矿机对松动矿体削割落矿，由刮板输送机和转载机接力运输至破碎机，将大块矿石破碎至块度小于300mm，再由运输胶带运至主溜井。当矿体顶板稳固性较好时，采矿工作面可不支护；当矿体顶板稳固性差时采矿工作面采用液压支架支护或锚网支护。

优选的，步骤6)中，所述采空区需要随采矿工作面向前推进而及时处理：当矿体顶板稳固性好时，可采用尾砂充填采空区，沿矿体倾斜方向构建充填挡墙，且锚杆加固；当矿体顶板稳固性差时，可通过自然放顶或人工强制放顶方法崩落顶板围岩，充填采空区。且填充管道由回风巷道进入采空区。

随着采矿工作面沿矿体走向方向推进，采空区需要及时处理，以保障采矿安全和控制上覆岩层移动。

与相关技术相比，本发明的有益效果为：

一、采用液压致裂方法对硬岩矿体致裂松动，破坏矿体稳固性，降低矿体强度，使其满足采矿机高效削割落矿，降低矿石损失率；

二、液压致裂棒属于静态致裂装置，无震动、无冲击、无噪音、无粉尘，工作效率高，操作简单方便，液压致裂强度可达120～160mpa；

三、采用综合机械化方法进行硬岩开采，大幅降低采切工程量、劳动定员和通风能耗，提高生产效率，实现“一矿一个工作面一套设备”的高效生产模式，采场综合生产能力达1500～2000t/d；

四、该采矿方法适用于所有缓倾斜硬岩矿体的连续高效开采。

附图说明

图1为本发明提供的采矿方法的示意图；

图2为本发明的致裂孔在采矿工作面上单排布置示意图；

图3为本发明的致裂孔在采矿工作面上双排“v”形布置示意图；

图4为本发明中的致裂棒的结构示意图。

附图中：1-运输巷道；2-回风巷道；3-采矿工作面；4-切割上山；5-切割平巷；6-采矿机；7-刮板输送机；8-转载机；9-破碎机；10-运输胶带；11-隔离挡墙；12-致裂孔；13-采空区；14-致裂棒；15-矿体；16-围岩；17-充填管道、141-油缸、142-活塞、143-油管。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

某矿山开采规模60万t/a，采用地下开采方式。矿体平均倾角21°，平均厚度2.4m，走向长度2000m，埋深500m。矿石类型主要为硅化砂岩和硅化灰岩，平均抗压强度72.05mpa，顶底板围岩主要为灰岩，平均抗压强度61.57mpa。原设计采用条带式空场嗣后充填法开采，沿矿体倾斜布置条带式采场，采场宽度10m，高度为矿体厚度，长度50m，采场内留3×3m点柱，点柱间距8m，采用手持式yt-28风动凿岩机浅孔凿岩，2jp-30型电耙出矿，采场综合生产能力60～80t/d，矿石损失率12％。由于原采矿方法采切工程量多，劳动强度大，作业效率低，生产能力小，需要25～30个采场同时生产才能满足产能要求。为解决以上问题，创造性地采用本发明技术方案，即一种缓倾斜硬岩液压致裂综合机械化连续采矿方法。首先通过切割上山4和切割平巷5将矿体划分为若干回采单元，精准控制矿体边界，沿矿体倾斜方向平行布置致裂钻孔12，采用液压致裂棒14对矿体协同致裂，破坏硬岩力学结构，降低硬岩强度，然后用采矿机6对松散矿体削割落矿，配合刮板输送机7、转载机8、破碎机9和输送胶带10运矿至中段主溜井，采空区通过顶板崩落或尾砂(胶结)充填进行处理，实现缓倾斜硬岩矿体的连续高效开采。具体包括以下步骤(如图1所示)：

s1、确定矿块结构参数。沿矿体倾斜方向120m划分矿块长度，沿矿体走向100m划分矿块宽度，矿块厚度为2.4m。

s2、布置采切工程形成采矿工作面。沿矿体走向在矿块上边界布置一条回风巷道2，该巷道可同时作为上部矿块的运输巷道；在矿块下边界布置一条运输巷道1，该巷道可同时作为下部矿块的回风巷道。沿矿体倾斜方向布置切割上山4，相邻切割上山间距100m，切割上山断面为2.0×2.0m，其两端与回风巷道2和运输巷道1贯通，作为人员、材料和设备进出通道。沿矿体走向布置切割平巷5，相邻切割平巷间距40～60m，切割平巷断面为2.0×2.0m，其两端与切割上山4贯通，用作施工致裂孔12及孔内加压致裂的采矿工作面。

s3、在所述采矿工作面上布置致裂孔。在切割平巷5和运输平巷1、回风平巷2内分别沿矿体倾斜方向在矿体截面中央位置布置一排致裂孔12。根据矿体硬度确定致裂孔布置形式。

矿体硬度较大时，可布置两排致裂孔，呈“v”状布置，排距1.0～1.5m，孔距1.0～1.5m(如图3所示，图中排距l2＝1.0～1.5m，孔距l3＝1.0～1.5m)。

矿体硬度相对较小时，可在矿体截面中央位置布置一排致裂孔，孔间距2～3m(如图2所示，图中排距l1＝2～3m，矿体厚度t≤3m)。在本实施例中，孔间距3m。孔深20m，通过上、下双向钻凿使每条致裂孔长度达到40。钻孔直径φ122mm，致裂棒14直径φ110mm。

s4、在所述致裂孔中使用液压致裂矿体。采用液压致裂棒14对矿体进行致裂松动。每次相邻8个孔自外向内同时致裂，保证相邻孔之间的矿体受到充分挤压，裂隙发展以致矿体破坏松动。致裂棒14动力源采用液压动力站，工作压力100mpa，液压动力站通过油管传输液压油至油腔，驱动多头千斤顶向外伸出与矿体接触，并逐渐将矿体挤裂破碎，降低矿体强度。

如图4所示，所述致裂棒14包括油缸141、排布于所述油缸141上的多个活塞142、以及向所述油缸141中注油的油管143及将油缸141中的油回流的回油管(未图示)。使用时，将致裂棒14插入致裂孔中，进油时，活塞142伸出，致使矿体破裂。

s5、采用综合机械化回采。沿矿体倾斜方向布置采矿工作面3，采矿工作面3沿矿体走向方向推进。沿矿体倾斜方向布置采矿机6和刮板输送机7，在中段运输巷道中1布置转载机8、破碎机9和运输胶带10。先用采矿机1对松动矿体削割落矿，截割深度600mm，沿采矿工作面往复式落矿。割落矿石由刮板输送机7和转载机8接力运输至破碎机9，将大块矿石破碎至块度小于300mm，再由运输胶带10运至矿体中段的主溜井。采矿工作面3局部采用锚网支护。

s6、对采空区进行充填处理。随着采矿工作面3沿矿体走向方向推进，沿矿体倾斜方向使用木板构建隔离挡墙11，采用锚杆加固。充填管道17从上部回风巷道2接入采空区13，采用尾砂按1：15灰砂比形成胶结充填体18，充填泌水汇入下部运输巷道1的水沟。

采用以上技术方案后，某矿采场生产能力可达到60万t/a，是原来条带式空场充填法采场生产能力的30倍，即全矿仅需一个采矿工作面即可满足产能要求。同时，矿石损失率≤2％，较原采矿方法降低了10％。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。