一种气垫式预留空间的进路式采矿装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种气垫式预留空间的进路式采矿装置及方法，属于矿山充填开采技术领域。该装置包括气垫、固定机构和辅助装备，气垫包括气囊、充放气阀、安全阀等，固定机构通过固定绳将气垫固定在矿体进路侧帮，辅助装备实现气垫的充气。该装置在使用过程中，充填进路前在靠近矿体的一侧每隔10m左右架设一组气垫，沿该进路轴向总长连续架设若干组气垫，之后对该进路实施充填。利用该装置及方法开采相邻采矿进路时，先回收气垫，并以气垫预留的空间作为爆破自由面，按照逐排侧向爆破的方式实施采矿爆破，可以大幅度提高爆破效率和采矿效率，大幅度降低炸药消耗，减少炮眼的布置，提高总采矿循环的总时间和产能，利于回采作业的安全。
【专利说明】
一种气垫式预留空间的进路式采矿装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及矿山充填开采技术领域，特别是指一种气垫式预留空间的进路式采矿装置及方法。
【背景技术】
[0002]进路充填采矿法是采用掘进巷道的方式回收矿体，采场回采完毕后对巷道进行接顶充填以控制周围矿岩。由于进路断面一般不大，顶板跨度小，可有效维护采场的稳定性，保证回采作业安全，且进路布置灵活，可用于回收不良矿岩条件下的复杂矿体，采矿贫化率低、回收率高。但因回采工作面较小，工艺复杂，劳动强度大，生产效率低，采场综合生产能力相对较小，该方法仅适用于矿岩极不稳固、矿石品位高、经济价值大的矿体。
[0003]自上世纪70年代以来，进路充填采矿技术在我国有色金属、黄金矿山获得广泛应用。按照回采顺序不同，进路充填法可分为下向进路充填法和上向进路充填法。其中下向进路充填法自上而下逐层开采，上分层的充填体作为下分层进路的人工顶板，人员及设备在充填体保护下作业。上向进路采矿法则自下往上逐层开采，下分层的充填体是本分层开采的进路底板。常用的回采进路断面形式有正方形、矩形等，回采工艺包括凿岩、装药、爆破、通风、出矿、支护(如果是上向进路采矿)，该进路回采结束后，架设充填管、砌筑充填挡墙，并实施充填。
[0004]以金川二矿区为例，采矿工艺阐述如下:从铅垂向来说:开采中段高100m，一个中段划分为5个分段，每个分段又分成5个分层。从水平方向来说，由于矿体沿走向长约800m，因此沿走向将矿体按每10m划分一个盘区，共8个盘区，一个盘区内又划分为若干采区，在采区内以进路方式进行采矿。进路一般长为60m，断面为宽X高= 5mX4m。采完一条进路后立即充填，采用隔一采一的回采模式，当回采完本层所有矿体后，再回采其下一分层的矿体。
[0005]以金川镍矿为例，进路式采矿工艺存在问题如下:(I)采矿工艺类似巷道掘进，只有一个自由面，爆破时受到周围岩体或充填体较大夹制力，每个工作面(20m2)要求的炮孔数目一般在50个以上，且炸药单耗高、爆破效率低、采矿效率低，目前的爆破进尺仅为2.2-2.5m，爆破效率约为80%左右，这是导致进路式采矿生产能力低的其中一个关键原因。(2)矿体和相邻充填进路充填体紧密接触，爆破会对充填体造成破坏，充填体混入矿石造成矿石贫化，综合效益差；(3)由于夹制力大而装填过多的炸药，导致爆破对充填体的破坏较大，显著影响了充填体的稳定性。(4)接触充填体的部分矿石有时不能被爆破下来，造成矿石损失。
【发明内容】
[0006]为了改进现行进路采矿工艺存在的缺点和不足，本发明提供一种气垫式预留空间的进路式采矿装置及方法。
[0007]本发明的技术方案是用固定绳将气垫预先固定在待充填的进路中(靠近待开采矿体一侧)，之后充填该进路。特别说明的是，该气垫式采矿方法可用于下向或上向进路胶结充填米矿法，只是下向进路米矿法的顶、底板分别为充填体及矿体，上向进路充填法则相反。在开采相邻进路时，前述预留于充填体中的气垫形成的空间可以作为该相邻进路矿体回米时的爆破自由空间，可极大的提尚爆破效率，并降低爆破成本。
[0008]该装置包括气垫、固定机构和辅助装备，气垫包括气囊、充放气阀、安全阀和卡扣，固定机构包括固定绳、卡球和膨胀螺丝，辅助装备包括空压机、连接管和蒙皮;每个气囊上设置一个充放气阀、一个安全阀和四个卡扣，气垫通过卡扣连接在固定绳上，卡球设置在固定绳上，固定绳通过膨胀螺丝固定在矿体进路侧帮，空压机通过连接管为气囊充气，蒙皮覆盖在气垫上。
[0009]其中，气囊为柔性不透气材料，能够满足充填料浆在整个充填过程中对其所产生的压力要求;气囊内部沿厚度暗设有拉筋或者由并排的气柱组成，可保证气垫在充气状态下，能保持设计的外形;气垫高度与进路高度近似，长度以方便安设、运输为主，厚度满足爆破自由空间的要求及便于施工即可。气垫上设置卡扣，便于将其连接于固定绳上;充放气阀可将空压机提供的高压风充入气囊，也可以将气囊内的空气排出；安全阀为单向阀，当气囊内压力超过设定值时，自动开启，直至压力降至设定值时自动闭合；固定绳上每隔一定距离，安装有卡球，该卡球的直径大于气囊卡扣孔直径，用于拖拽固定绳时，可以将气垫一起拖出，实现气垫的回收利用。
[0010]充放气阀由充气阀、止气带、止气塞、阀体组成，其作用是在充填前完成充气作业，在回收气囊时放出气囊内的空气。充气阀结构与自行车轮胎充气结构类似，充气时将空压机的充气端头卡在充气阀上，高压气体通过充气阀、阀体、止气带进入气囊，止气带是弹性橡胶材质，高压气体可以进入气囊，但气囊的气体无法自充气阀外泄;止气塞的作用是气囊中充气后，能够阻止气体的外泄，但由于止气塞与放气绳相连，当需要回收气垫时，拖拽放气绳，即可以将气囊中的气体排出；安全阀为单向阀，安全阀的作用是一旦注入的压力超过其极限承载压力时，该安全阀开始泄压，防止由于设备故障等各种事故导致囊状体的意外破损。蒙皮是防止充填的过程中，充填料浆涌入气垫之间，增加气垫的回收难度。
[0011]该装置采用气柱预先置于待充填采场内，然后对该采场进行充填，以预置材料在采场充填以后形成的预留空间，作为相邻采矿爆破时的爆破自由空间；涉及的具体方法如下:
[0012](— )架设气垫:当进路开采完毕，架设充填挡墙以前，在进路靠近待采矿体的顶、底板，每1m左右为一组气垫，一个以上的气垫为一组，每组气垫用单独的固定绳和放气绳，将单个气垫四角的卡扣固定于上、下两根固定绳上(每个气垫的高度与进路高度相似，宽度一般Im左右，厚度约0.2m);并将各个气垫的充放气阀与放气绳相连。再在气垫外面覆盖蒙皮，将气垫覆盖，之后对气囊充气，完成本组气垫安装。之后按照进路的长度，分别安装其他组的气垫并覆盖蒙皮，并砌筑充填挡墙和架设充填管，完成充填准备作业
[0013](二)充填进路:按常规充填工艺对进路实施充填；
[0014](三)回收气垫:待已充填的进路达到预期的充填体养护期限后，开采相邻的采矿进路，进路掘进爆破形成掘进工作面，揭露出相邻充填进路预埋的气垫，此时拖拽放气绳，则与放气绳相连的圆锥形止气塞被拔出，完成第一组气垫放气;之后拖拽固定于巷道顶、底帮的两根固定绳，此时固定绳挣脱用细扎丝固定于膨胀螺丝上的束缚，向拖拽方向移动，安装于固定绳上的卡球将拖动固定于其上的气垫，并将该组气垫成功回收。待掘进至距离第二组气囊的附近位置时，会露出第二组气囊的放气绳和固定绳，此时再按照上述步骤，即可以回收第二组固定绳、放气绳和气垫，并以此类推，完成所有气垫的回收；
[00?5](四)进路米矿:传统的进路米矿，一般在进路中心布置掏槽眼，但本方法进路爆破可充分利用气垫形成的自由面，按照侧向崩矿的方式布置炮孔，按雷管起爆顺序进行爆破米矿;
[0016](五)待该进路回采完毕后，再按照上述(一)至(四)的步骤进行其他进路的开采。
[0017]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0018]该方法不仅具有进路式胶结充填采矿法进路布置灵活、采矿回收率高、适用于复杂破碎贵金属矿体胶结充填采矿的优势，并且由于预留了良好的爆破自由空间，还克服了传统的进路式胶结充填采矿法凿岩工作量大、爆破及采矿效率低、生产能力小、综合成本高的弊病。其优点具体如下:
[0019](I)采用气囊作为相邻进路的预留爆破自由空间，可以大幅度提高爆破效率和采矿效率；(2)由于爆破自由空间大，爆破的夹制力减小，可以大幅度降低炸药消耗；(3)由于爆破自由空间大幅度提高，可以减少炮眼的布置，也有利于降低钎杆、钎头的消耗，缩短凿岩时间，并提高总采矿循环的总时间，提高了产能。(4)由于气囊的存在，将矿体和充填体隔离，并由于爆破对充填体的破坏少，可以减少充填体由于爆破混入矿石导致的采矿贫化；
(5)此外由于装药量的减少和减少了对充填体的破坏，还可以有效维护充填体的稳定性，有利于采场回采作业的安全。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的气垫式预留空间的进路式采矿装置采矿进路纵剖面气垫布置示意图；
[0021 ]图2为采矿进路纵剖面固定绳布置示意图；
[0022]图3为气垫机构主视图；
[0023]图4为气垫结构左视图；
[0024]图5为充放气阀结构示意图；
[0025]图6为采矿进路纵剖面充填前状态示意图；
[0026]图7为采矿进路纵剖面完成第一组气垫回收的状态示意图；
[0027]图8为气垫预留的采矿进路爆破自由面示意图；
[0028]图9为气垫式预留空间的采矿进路爆破顺序示意图。
[0029]其中:1-固定绳;2-充填体;3-矿体;4-气囊;5-充放气阀；6_安全阀；7_卡扣;8_充气阀；9-止气塞；I O-止气带；11-阀体；12-放气绳；13-蒙皮；14-充填挡墙；15-掘进工作面；16-自由面;17-炮孔;18-雷管起爆顺序。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0031]本发明针对现有的进路采矿工艺存在的缺点和不足，提供一种气垫式预留空间的进路式采矿装置及方法。
[0032]如图1和图2所示，该装置包括气垫、固定机构和辅助装备，如图3和图4所示，气垫包括气囊4、充放气阀5、安全阀6和卡扣7，固定机构包括固定绳1、卡球和膨胀螺丝，辅助装备包括空压机、连接管和蒙皮13;每个气囊4上设置一个充放气阀5、一个安全阀6和四个卡扣7，气垫通过卡扣7连接在固定绳I上，卡球设置在固定绳I上，固定绳I通过膨胀螺丝固定在矿体3进路侧帮，空压机通过连接管为气囊4充气，蒙皮13覆盖在气垫上。
[0033 ] 如图5所示，充放气阀5包括充气阀8、止气塞9、止气带1和阀体11，止气带1为弹性橡胶材质，止气塞9插入阀体11，止气塞9外侧连接放气绳12。
[0034]下面结合具体实施例予以说明。
[0035]实施过程中，气囊4材质为丁基橡胶或其他柔性不透气材料，厚度为5_左右，所能承受的压力大于0.12MPa，完全能够满足充填料浆在整个充填过程中对其所产生的压力要求;气囊4内部沿厚度暗设有拉筋，可保证气垫在充气状态下，能保持设计的外形;气垫高度与进路高度近似相同，长度以方便安设、运输为主，厚度约200mm。以金川二矿为例，进路规格(宽X高)为5m X 4m，则气垫高X长X厚为4m X 2m X 0.2m，采用单个气垫组成气垫幕的优势在于:单个气垫如果破损，不会导致整个进路其他气垫的失效;根据进路的不同长度，可以自由调节气垫的个数;悬挂气垫至固定绳1(直径可采用3_)上的装置为四个卡扣7，分别设置于气垫的四个角，待固定气垫的上、下两根固定绳I架设于进路侧帮时，将上述四个卡扣7分别卡在这两根固定绳I上即可；充放气阀5为塑料材质阀，其中充气阀8类似于自行车轮胎充气的机构，可将空压机及其管线和与之相连接的卡嘴与充气阀8相连实施充气，止气带10具有空气单向流动功能，充放气阀5上设计有一个圆锥形结构的止气塞9，止气塞9另一端连接到放气绳12上;此充放气阀5与气囊4之间采用螺旋连接方式，以利于维修;安全阀6为单向阀，当气囊4内压力超过0.12MPa时，自动开启，压力降至0.1 OMPa以下，自动闭合，采用常规安全阀的结构，它与气囊4之间采用螺旋连接方式；
[0036]气垫固定机构核心为两根靠近待开采矿体3—侧，置于巷道顶、底板附近，沿巷道轴向敷设的固定绳I，每根固定绳I的长度约12m左右，固定绳I上每隔0.5m，安装有卡球，该卡球的直径是卡扣7孔直径的3倍以上(用于拖拽固定绳I时，可以将气囊4一起拖出)，在巷道侧帮安装直径6-8mm的膨胀螺丝，用细扎丝将固定绳I与膨胀螺丝连接，要求绑扎固定绳I的牢固程度，能够承载悬挂于其上气垫的重量，在充填过程中气垫不至于被料浆冲至它处即可，同时固定绳I与膨胀螺丝之间的连接也不宜过紧，当需要回收气垫时，用力拖拽上下两根固定绳1，可以挣脱固定绳I与膨胀螺丝之间的扎丝束缚，将气垫拖出；空压机和连接管的规格应与充放气阀5、空压机相配套，空压机可采用C20(DLT0206)型的空压机;覆盖气垫的蒙皮13采用廉价塑料即可，其目的是防止充填的过程中，充填料浆涌入气垫之间，增加气垫的回收难度。
[0037]该装置使用的具体步骤为:
[0038](一)架设气垫:当进路开采完毕，架设充填挡墙以前，将每10个气垫分为一组，比如将长50m的进路分为5组，每组气垫用单独的固定绳I以及气垫的放气绳12，这样做的目的是为了随着掘进的推进，逐步回收气垫，也可以减少回收气垫的难度;待进路矿体3回采完毕，完成一般充填前的准备工作后(砌筑挡墙之前)，每隔1m左右，在进路靠近顶、底板的位置安装膨胀螺丝，将悬挂气垫的上、下两根固定绳I分别通过扎丝固定在膨胀螺丝上;将气垫四角的卡扣7分别卡在上、下固定绳I上，气垫之间相互不能有空隙；将每个气垫的止气塞9线连接至放气绳12上，并将其靠近进路入口的一端固定于悬挂气垫的固定绳I上;在气垫上敷设塑料蒙皮13;给每个气囊4充气，达到预定的0.1MPa时，停止充气。之后按照进路的长度，分别安装其他组的气垫并覆盖蒙皮13，并砌筑充填挡墙14和架设充填管，完成充填准备作业(见图6);
[0039](二)充填进路:气垫架设完毕后，架设充填挡墙14，按常规充填工艺对进路实施充填；
[0040](三)回收气垫:待已充填的进路达到预期的充填体2养护期限后，开采相邻的采矿进路，进路掘进爆破形成掘进工作面15，揭露出相邻充填进路预埋的气垫，此时拖拽放气绳12，则与放气绳12相连的圆锥形止气塞9被拔出，完成第一组气垫放气；之后拖拽固定于巷道顶、底帮的两根固定绳1，此时固定绳I挣脱用细扎丝固定于膨胀螺丝上的束缚，向拖拽方向移动，安装于固定绳I上的卡球将拖动固定于其上的气垫，并将该组气垫成功回收(见图7)。待掘进至距离第二组气垫3-5m的位置时，会露出第二组气垫的放气绳12和固定绳I，此时再按照上述步骤，即可以回收第二组固定绳1、放气绳12和气垫，并以此类推，完成所有气垫的回收；
[0041](四)进路米矿:传统的进路米矿，一般在进路中心布置掏槽眼，但本方法进路爆破可充分利用气垫形成的自由面16(见图8)(图7气垫预留的采矿进路爆破自由面示意图)，按照侧向崩矿的方式布置炮孔17，按图9所示的雷管起爆顺序18进行爆破采矿，采用3.5m的炮孔长度，可以达到95%以上的爆破效果。同时由于自由面较大，可以将目前每个工作面50个炮孔数降低为35个左右；
[0042](五)待该进路回采完毕后，再按照上述(一)至(四)的步骤进行其他进路的开采。
[0043]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种气垫式预留空间的进路式采矿装置，其特征在于:包括气垫、固定机构和辅助装备，气垫包括气囊(4)、充放气阀(5)、安全阀(6)和卡扣(7)，固定机构包括固定绳(I)、卡球和膨胀螺丝，辅助装备包括空压机、连接管和蒙皮(13);每个气囊(4)上设置一个充放气阀(5)、一个安全阀(6)和四个卡扣(7)，气垫通过卡扣(7)连接在固定绳(I)上，卡球设置在固定绳(I)上，固定绳(I)通过膨胀螺丝固定在矿体进路侧帮，空压机通过连接管为气囊(4)充气，蒙皮(13)覆盖在气垫上。2.根据权利要求1所述的气垫式预留空间的进路式采矿装置，其特征在于:所述气囊(4)为柔性不透气材料，气囊(4)内部沿厚度暗设拉筋或者由并排的气柱组成。3.根据权利要求1所述的气垫式预留空间的进路式采矿装置，其特征在于:所述充放气阀(5)包括充气阀(8)、止气塞(9)、止气带(1)和阀体(11)，止气带(10)为弹性橡胶材质，止气塞(9)插入阀体(11)，止气塞(9)外侧连接放气绳(12)。4.根据权利要求1所述的气垫式预留空间的进路式采矿装置，其特征在于:所述安全阀(6)为单向阀。5.根据权利要求1所述的气垫式预留空间的进路式采矿装置，其特征在于:所述卡球直径大于卡扣(7)直径。6.采用权利要求1所述的气垫式预留空间的进路式采矿装置进行充填采矿的方法，其特征在于:采用气垫预先置于待充填采场内，然后对该采场进行充填，以预置材料在采场充填以后形成的预留空间，作为相邻采矿爆破时的爆破自由空间；具体包括如下步骤: (一)架设气垫:一个以上的气垫为一组，每组气垫用单独的固定绳(I)和放气绳(12)，待进路矿体回采完毕，完成一般充填前的准备工作后，在进路靠近顶、底板的位置安装膨胀螺丝，将悬挂气垫的固定绳(I)分别通过扎丝固定在膨胀螺丝上，将气垫卡扣(7)分别卡在固定绳(I)上，将每个气垫的止气塞(9)连接至放气绳(12)，在气垫上敷设塑料蒙皮(13)，给每个气囊(4)充气； (二)充填进路:气垫架设完毕后，对进路实施充填； (三)回收气垫:开采相邻的采矿进路时，预埋的气垫暴露，此时拖拽放气绳(12)，则与放气绳(12)相连的圆锥形止气塞(9)被拔出，完成第一组气垫放气;之后拖拽固定绳(I)，拖动固定在固定绳(I)上的该组气垫回收;待依次掘进至距离每一组气垫3-5m的位置时，按如上步骤分别完成各组气垫的回收； (四)进路采矿:以气垫预留的空区作为自由面(16)，按照侧向崩矿的方式布置炮孔，实施凿岩、爆破、出矿作业； (五)待该进路回采完毕后，再按照(一)、(二)、(三)、(四)的步骤进行其他进路的开采。
【文档编号】E21C41/22GK106014415SQ201610533947
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】韩斌, 韩思愉, 于少峰, 常晓娜, 刘超, 郑禄璟, 常宝孟, 李涛, 赵金田, 范玉赟
【申请人】北京科技大学, 北京恩菲麦特矿冶技术服务有限公司