专利名称：一种挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法的制作方法
技术领域：
本发明属于地下采矿方法技术领域，尤其涉及一种挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法。
背景技术：
地下采矿方法包括采准、切割和回采三项基本工序，按地压维护的方式分为空场采矿法、充填法和崩落采矿法三大类，崩落采矿法的基本特征是用崩落围岩的方法充填采空区来控制和管理地压的，在世界范围内得到广泛的应用，崩落法中分段崩落法、阶段崩落法开采强度大、机械化程度高，在大中型地下矿山应用最广，分段崩落法是将矿体划分为若干阶段，再将阶段用回采巷道划分为若干分段，由上向下逐个分段进行回采，分段崩落法根据出矿方式有、无底部结构分为有底柱分段崩落法和无底柱分段崩落法，有底柱分段崩落法底部设有底部结构，主要在有色金属矿山使用；无底柱分段崩落法分段下部不设底部结构，不留任何矿柱，分段的凿岩、崩矿和出矿等工作均在回采巷道中进行，安全可靠，上下分段回采进路在空间上呈菱形交错布置，从回采巷道一端开始按一个较小的崩矿步距在覆盖岩层下进行爆破和放矿等回采工作，直到回采到另一端边界为止，在冶金矿山特别是铁矿山地下开采中，该采矿法占绝对优势。阶段崩落法的基本特征是回采高度等于阶段全高，阶段崩落法实际应用方案比较多，目前国内外没有无底柱阶段崩落法的方案，只有有底柱阶段崩落法方案，其中端部放矿的有底柱阶段崩落法有一定的优势，是在端部进行回采，一次回采阶段全高，在阶段底部布置底部结构进行出矿。无底柱分段崩落法和端部放矿的阶段崩落法都在覆盖岩层下进行端部放矿，刚开始放出的是纯矿石，很快地顶部废石降落，形成废石漏斗，废石提前混入并放出。放矿时放出矿石在原来崩落矿体里的形状(称作放出体的形状)，国内外公认椭球体理论，认为放出体形状为一椭球体，且在放矿过程中放出椭球体不断扩大，端部放矿时放出体的形状为半个前倾的偏椭球体。目前国内外广泛采用截止品位放矿，当放出矿石品位低于截止品位，即停止放矿，未放出的残留矿石一部分在下分段放出，另一部分则损失在地下，矿石的损失率和贫化率高是其最大的缺陷，一般贫化率为20-25%，高的达42. 9%，回采率一般为55-70%。覆盖岩层下端部放矿矿石损失贫化大一直是困扰采矿界的一大难题，为了减少贫化次数及每次贫化的程度，国内外有人提出矿石隔离层下放矿、无贫化放矿和低贫化放矿等方法。矿石隔离层放矿方法是在形成覆盖层时不采用废石作覆盖层，而采用矿石作覆盖层，这样能减少岩石的混入。然而，随着开采的延深，覆盖层不断下降，上部岩层不断剥落， 这些剥落岩石渐渐覆盖在原矿石覆盖层上。如果放矿管理不当，很容易将矿石隔离层放漏， 破坏矿石隔离层，因此，这种方法必须采用均勻(平面)放矿，以保证矿岩界面平面下降，对放矿管理工作要求过严，由于地下矿放矿过程是不可视的，因此，该方法不容易实现；另外， 由于采场矿石积压量大，积压了大量流动资金，该方法也难以采用。
无贫化放矿、低贫化放矿方法是介于矿石隔离层放矿和截止品位放矿之间的方法，无贫化放矿是在上部分段各个步距的放矿过程中，见到废石就停止放矿的一种工艺；低贫化放矿方式的基本特点与无贫化类似，是当矿岩界面正常到达出矿口水平，亦即放出矿石开始正常贫化(混入岩石)时，便停止放矿。无贫化放矿、低贫化放矿方法都是以数个分段作为矿石回采的考核单元，上部各分段的每个步距在出矿时有意识地适当残留部分矿石在采场内，在最后分段出矿时依据截止品位放矿要求进行出矿。从整体上来讲，低贫化放矿方法所获得的矿石回收指标比截止品位放矿方式要好，但不如无贫化放矿效果。虽然无贫化放矿、低贫化放矿方法都降低了矿石贫化，但是也面临着放矿管理工作要求严和矿石积压引起矿石产量降低的问题。放矿过程中形成的废石漏斗是造成矿石损失率和贫化率最直接的原因，然而国内外对废石漏斗的控制缺乏研究。如果能控制废石漏斗的形成，将从根本上解决覆盖岩下端部放矿类采矿方法的矿石损失贫化问题，极大地提高矿石回采率。
发明内容
本发明的目的是针对以上存在的问题，吸取了无底柱分段崩落法和阶段崩落法的优点，提出一种有效的阻止废石漏斗的形成、降低矿石贫化与损失、提高矿石回采率的挑檐式结构的无底柱阶段崩落法。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。本发明的一种挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法，包括将矿体划分为阶段，在阶段里再划分为分段，上下分段回采巷道呈菱形交错布置，凿岩、爆破与出矿都在回采巷道内完成，在回采巷道内采用预先集中凿岩方式布置上向扇形中深孔，在覆盖岩层下进行回退式回采，其特征在于以阶段为单位，阶段内各分段从回采巷道一端开始，先切割，再连续回采，同时上部覆盖岩层充满新采空区，当阶段内每个分段端部回采到同一个垂直位置，阶段各分段端壁整体呈垂直状态，然后阶段的最顶分段停止回采，以下各分段依次继续回采， 直到每个下分段都超过其上分段一个挑檐距离，完成端部挑檐结构的准备工作。以后的开采，阶段内各分段一直保持这种挑檐结构，回采高度等于阶段全高，阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距，再按“由上而下”的顺序依次在各分段回采巷道出矿， 直到回采完阶段各回采进路，再开始下阶段的回采。所述上向扇形中深孔，在上向扇形中深孔最底的炮孔下设置一排密集的预裂爆破孔，预裂爆破孔与水平间的夹角30-45°，长度为巷道壁到扇形中深孔爆破范围界线的距离，预裂爆破孔间距为0. 5-0. 8m，孔径与上向扇形中深孔相同。所述的挑檐距离D取值为h. ctan a彡D彡ξ B，其中h为巷道高，a崩落矿石自然休止角，ξ为矿石爆破膨胀系数，B为一次崩矿步距。所述阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距，其爆破包括两部分，第一部分为本次崩矿步距的扇形中深孔爆破，崩落崩矿步距上部的矿体，第二部分为后一崩矿步距的预裂爆破，两部分的爆破同次完成。与现有技术相比，本发明的具有如下优点
由于本发明在回采巷道工作面末端形成挑檐结构，除阶段最顶分段外其它回采巷道都在其正上方挑檐结构的遮掩下进行爆破与出矿，挑檐结构可以将崩落矿石与其上部覆盖岩石隔离开，放矿时有效地阻止废石漏斗的形成，从而减少了矿石贫化，放出体形态将放大，也大大地提高矿石回采率，有效地解决了损失贫化问题。
图1为端部挑檐结构的准备工作示意图。图2为图1阶段各分段端壁整体呈垂直状态位置的A-A剖面图。图3为图2完成端部挑檐结构准备后的状态图。图4为上向扇形中深孔与预裂爆破孔结构示意图。图5为图4的A-A剖面图。图6为保证挑檐结构能遮挡崩落矿体的挑檐距离的取值范围说明图。 图7为不能超过废石自然休止角到达位置的挑檐距离取值范围说明图。图8为传统方法放矿效果示意图。图9为本发明多进路情况下阶段第2分段放矿效果示意图。图10为本发明阶段第3分段及以下分段放矿效果示意图。图中
1为回采巷道，2为覆盖岩层，3为矿体，4为阶段各分段端壁整体呈垂直状态的位置，5 为矿体端部围岩，6为上向扇形中深孔，7为扇形中深孔爆破范围界线，8为预裂爆破孔，9为崩落矿石碎胀后到达的位置，10为崩落矿石在回采巷道自由堆落位置，11为传统放矿的废石漏斗，12为传统方法截止品位放出椭球体，13为崩落矿石，14为挑檐上部放出椭球体，15 为挑檐下部放出椭球体，δ为预裂爆破孔间距，β为预裂爆破孔与水平间的夹角，B为崩矿步距，D为挑檐距离，h为巷道高，a为崩落矿石自然休止角，L为预裂爆破孔长度。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式
。如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的一种挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法，包括将矿体划分为阶段，在阶段里再划分为分段，上下分段回采巷道1呈菱形交错布置，凿岩、爆破与出矿都在回采巷道1内完成，在回采巷道1内采用预先集中凿岩方式布置上向扇形中深孔6，在覆盖岩层2下进行回退式回采，其特征在于以阶段为单位，阶段内各分段从回采巷道1 一端开始，先切割，再连续回采，同时上部覆盖岩层2充满新采空区，当阶段内每个分段端部到达同一个垂直位置4时，阶段各分段端壁整体呈垂直状态，如图2所示，然后，阶段的最顶分段停止回采，以下各分段依次继续回采，直到每个下分段都超过其上分段一个挑檐距离D，完成端部挑檐结构的准备工作，如图3所示。以后的开采，阶段内各分段一直保持这种挑檐结构，回采高度等于阶段全高，阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距B，再按“由上而下”的顺序依次在各分段回采巷道1出矿，直到回采完阶段各回采进路，再开始下阶段的回采。图中3为矿体，5为矿体端部围岩。为了防止下分段爆破将上分段预先布置的炮孔破坏，影响其装药和爆破，本发明所述的上向扇形中深孔6，在上向扇形中深孔6最底部设置一排密集的预裂爆破孔8，预裂爆破孔8与水平间的夹角β为30-45°，预裂爆破孔8的长度L为巷道壁到扇形中深孔爆破范围界线7的距离，预裂爆破孔间距δ为0.5-0. 8m，孔径与上向扇形中深孔6相同，如图4、图5所示。本发明所述的挑檐距离D取值为h. ctan a彡D彡ξ B，其中h为巷道高，a 崩落矿石自然休止角，ξ为矿石爆破膨胀系数，B为一次崩矿步距。挑檐距离D通常取为 1. 5-3m,其取值范围1)其取值必须保证爆破后，崩落矿石在其上挑檐结构的遮挡之内，否则挑檐结构对下部放矿口的放矿不起保护作用，即D > ξ . B，如图6所示，9为崩落矿石碎胀后到达的位置，崩矿后挑檐结构端壁必须到达这个位置；2) D值不允许过大，如果超过崩落矿石按自然休止角在回采巷道自由堆落位置10时，就会在工作面出现一个空区，影响爆破装药，即D ctana，如图6、图7所示。本发明所述阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距，其爆破包括两部分，第一部分为本次崩矿步距B的扇形中深孔爆破，崩落崩矿步距上部的矿体，第二部分为后一崩矿步距的预裂爆破，两部分的爆破同次完成。下面通过图8和图9、图10的对比来进一步说明本发明的有益效果
1 )、图8示出了传统放矿方法很快形成废石漏斗11，废石提前混入，其放出椭球体12得不到发育，放出椭球体12长、短轴都小，放出矿石量少。2)、本发明阶段第1分段放矿口上部没有挑檐结构的遮掩，直接在覆盖岩层下放矿，效果与传统方法一样。3 )、图9示出了本发明阶段第2分段放矿效果，本发明放出椭球体为挑檐下部放出椭球体15和挑檐上部的放出椭球体14的组合体，挑檐下部放出椭球体15为本次爆破崩落矿石的放出体，由于正上方有挑檐结构的遮挡，阻止了放矿过程中废石漏斗的形成，挑檐下部放出椭球体15充分发育，长、短轴都大，本次新崩落矿石得到充分放出，残留小。挑檐上部的放出椭球体14主要是上分段放矿遗留下来的脊部残留矿石的放出体，在多进路情况下，脊部残留上部由于存在覆盖岩，放出椭球体14形态比挑檐下部放出椭球体15小；在单进路情况下，由于上部放矿口不正对下部放矿口，且有挑檐结构和上盘未爆破的围岩壁的遮掩，放矿椭球体14发育条件好，放出椭球体14形态比多进路长、短轴大些。4)、图10示出了本发明阶段第3分段及以下分段的放矿效果，本发明放出椭球体为挑檐下部放出椭球体15和挑檐上部的放出椭球体14的组合体，挑檐下部放出椭球体 15为本次爆破崩落矿石的放出体，由于正上方有挑檐结构的遮挡，阻止了放矿过程中废石漏斗的形成，挑檐下部放出椭球体15充分发育，长、短轴都大，本次新崩落矿石得到充分放出，残留小。挑檐上部的放出椭球体14主要是上分段放矿遗留下来的脊部残留矿石的放出体，在多进路情况下，由于正上方放矿口放矿后遗留下一个废石漏斗，放出椭球体14形态比挑檐下部放出椭球体15小；在单进路情况下，上部放矿口不正对下部放矿口，且有挑檐结构和上盘未爆破的围岩壁的遮掩，放矿椭球体14发育条件好，放出椭球体14形态比多进路长、短轴大些。总体上看，本发明放出椭球体形状与崩落矿石13形状相近，放出矿石量大，与传统方法相比能降低贫化率约10-15%，并提高回采率10-30%。因此本发明适用于中稳以上矿体的地下开采，工艺简单，生产能力大，成本低，且安全可靠、简单易行、效益好，可以取代目前的无底柱分段崩落采矿法。
权利要求
1.一种挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法，包括将矿体划分为阶段，在阶段里再划分为分段，上下分段回采巷道呈菱形交错布置，在回采巷道内完成凿岩、爆破与出矿，在回采巷道内采用预先集中凿岩方式布置上向扇形中深孔，在覆盖岩层下进行回退式回采，其特征在于以阶段为单位，阶段内各分段从回采巷道一端开始，先切割，再连续回采，同时上部覆盖岩层充满新采空区，当阶段内每个分段端部回采到同一个垂直位置，阶段各分段端壁整体呈垂直状态，然后阶段的最顶分段停止回采，以下各分段依次继续回采，直到每个下分段都超过其上分段一个挑檐距离D，完成端部挑檐结构的准备工作，以后的开采，阶段内各分段一直保持这种挑檐结构，回采高度等于阶段全高，阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距，再按“由上而下”的顺序依次在各分段回采巷道出矿，直到回采完阶段各回采进路，再开始下阶段的回采。
2.根据权利要求1挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法，其特征在于所述上向扇形中深孔，在上向扇形中深孔最底的炮孔下设置一排密集的预裂爆破孔，预裂爆破孔与水平间的夹角30-45°，长度为巷道壁到扇形中深空爆破范围界线的距离，预裂爆破孔间距为 0. 5-0. 8m，孔径与上向扇形中深孔相同。
3.根据权利要求1挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法，其特征在于所述挑檐距离D 取值为h. ctan a彡D彡ξ B其中h为巷道高，a崩落矿石自然休止角，ξ为矿石爆破膨胀系数，B为一次崩矿步距。
4.根据权利要求1挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法，其特征在于所述的阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距，其爆破包括两部分，第一部分为本次崩矿步距的扇形中深孔爆破，崩落崩矿步距上部的矿体，第二部分为后一崩矿步距的预裂爆破，两部分的爆破同次完成。
全文摘要
本发明涉及一种挑檐式结构的无底柱阶段崩落采矿法。包括将矿体划分为阶段，在阶段里再划分为分段，上下分段回采巷道呈菱形交错布置，在回采巷道内完成凿岩、爆破与出矿，其特征是以阶段为单位，完成端部挑檐结构后，阶段内各分段一直保持这种挑檐结构，回采高度等于阶段全高，阶段内各分段按“由上而下”的顺序依次爆破一个崩矿步距，再按“由上而下”的顺序依次在各分段回采巷道出矿，直到回采完阶段各回采进路，再开始下阶段的回采。其优点是挑檐结构可将崩落矿石与覆盖岩石隔开，放矿时有效地阻止废石漏斗的形成。
文档编号E21C41/16GK102261248SQ20111023206
公开日2011年11月30日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者陈晓青 申请人:辽宁科技大学