一种充填采空区预留巷道装置及其施工工艺

1.本发明涉及采矿领域，特别是一种充填采空区预留巷道装置及其施工工艺。


背景技术：

2.尾砂胶结充填采空区是目前金属矿山广泛使用的一种采矿技术。由于目前需要回采充填体内高品位残留矿体等二次资源，或为应对井下复杂多变的施工条件，开掘通风、运输、救援、安全通道等，有需求在尾砂胶结充填体内布置巷道，并维护其稳定性，保障巷道的正常使用。
3.针对尾砂胶结充填巷道成巷施工技术，国内外目前采用的施工技术分为两种：一种是掘进采用爆破方法，支护采用锚、网、喷技术，部分地压复杂地段采用工字钢+锚网喷联合支护方法。该技术有如下问题：（1）尾砂胶结充填体人工矿柱内的巷道爆破对胶结矿柱产生振动破坏，影响人工矿柱的稳定性和完整性，从而造成人工胶结矿柱充填体破坏性混入二步骤开采的矿石中，造成严重的贫化。（2）充填体巷道爆破施工会破坏巷道的围岩，特别在地压复杂的区域，充填体巷道支护困难，支护成本和使用的维护成本大幅提高。(3) 如何提高采准巷道成巷速度、缓解采掘接替紧张是每个矿井所必需面临的问题，而目前的充填体巷道施工技术无法解决这一问题。
4.另一种是采用巷道掘进机在胶结充填体内开挖巷道，支护采用锚、网、喷技术。该技术由于掘进机在井下工作面布置困难，掘进机掘进效率非常低下，现在矿山很少采用。
5.煤矿有采用充填法开采的沿空留巷的技术比较成熟，但煤矿的沿空留巷是通过利用巷旁墙体保留巷道，巷旁墙体用充填墙体直接支撑顶板。该方法完全无法应用于金属矿的采空区充填留巷，主要在于：（1）巷道只有一面墙是充填体，顶和另一面墙无法用充填体；（2）巷道必须人在采空区边缘施工。
6.现有尾砂胶结充填成巷技术存在的不足：（1）充填体人工矿柱掘进巷道采用爆破，对人工矿柱会产生二次破坏，使原本稳定的应力进行重分布，部分围岩会产生应力集中现象，对矿柱和采空区产生一定影响。（2）充填体矿柱本身强度不高，处于地下深处，周围地质环境复杂，对充填体矿柱成巷过程中，无法确保巷道处于稳定的安全状态，必须采用严格的支护技术，施工难度大，成本高昂。（3）尾砂胶结充填成巷技术是在矿柱内部重新掘进一条巷道与充填前开挖的巷道相通，中间有着充填、爆破掘进等过程，时间长，对采矿效率有所影响。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的是提供一种施工简单，减少工程量，降低采空区充填成本的充填采空区预留巷道装置及其施工工艺。
8.本发明采用以下方案实现：一种充填采空区预留巷道装置，包括位于采空区两侧的矿柱，两侧矿柱上设有若干高度一一对应的矿柱内巷道，两侧矿柱上高度对应的两矿柱内巷道之间架设有充气气垫，充气气垫将采空区内部空间分隔成多个用以填充尾砂胶结的
填充区域。
9.进一步的，所述充气气垫四周通过铁丝连接有若干位于矿柱内巷道内的配重块，充气气垫还通过进气管与位于矿柱内巷道中的鼓风机连接，所述充气气垫上设有压力传感器。
10.进一步的，所述充气气垫由外层气垫纤维布和内层气垫纤维布构成，内层气垫纤维布内部分成若干2~3米长并相互密封隔离的充气室，内层气垫纤维布上开设有与各个充气室对应的通气孔，通气孔处设置有气阀。
11.进一步的，所述矿柱内巷道的巷道口处设有封闭挡板。
12.一种充填采空区预留巷道施工工艺，包括以下步骤：（1）充填采空区预留巷道的设计及布置；（2）气垫材料选取；（3）充气气垫安装检查及充气施工：根据充填区域和预留巷道区域的设计位置，将还未进行充气的充气气垫平铺于预留巷道所处的位置，并用铁丝连接好配重块，铁丝另一端固定在充气气垫上预留的孔位中，将进气管布置于充填区域以外与鼓风机连接；鼓风机开启进行充气，气垫经鼓风机充气快速膨胀形成与预留巷道形状一致的空间占位体，充气气垫将采空区内部空间分隔成多个充填区域；（4）检查和采场封闭：检查充气后的充气气垫；在矿柱内巷道的巷道口位置构筑封闭挡板，采空区内的充填区域已处于一个封闭状态；（5）按由下往上的顺序对各个充填区域填充尾砂胶结，充填施工过程中进行压力监测并根据监测的压力调整充气垫压力；（6）填充完毕后，充填体进行正常养护，当充填体强度达到设计强度时，拆除封闭挡板和拆除气垫，拆除过程中，充气气垫每次只能拆除2-3米即内层气垫纤维布一个充气室的长度便进行巷道支护施工。
13.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可以减少大量的挡墙封闭工程量，能够实现地下工程和空间的再利用，降低采空区充填成本，减少掘进工程量和爆破成本，降低二步资源的开采难度，显著提高矿山经济效益，原理科学、严谨，但施工工艺简单。
14.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
15.图1是本发明实施例构造示意图；图2是本发明实施例中充气气垫侧视图；图3是本发明实施例中充气气垫俯视图；图4是本发明实施例中充气气垫断面图；图中标号说明：1-充气气垫、2-配重块石、3-铁丝、4-鼓风机、5-进气管、6-气垫缝线、7-矿柱内巷道、8-填充区域。
具体实施方式
16.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
17.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
18.如图1~4所示，一种充填采空区预留巷道装置，包括位于采空区两侧的矿柱，两侧矿柱上设有若干高度一一对应的矿柱内巷道，两侧矿柱上高度对应的两矿柱内巷道之间架设有充气气垫，充气气垫与预留巷道的断面尺寸（预留巷道长度和断面根据采矿需求设计）一致，充气气垫将采空区内部空间分隔成多个用以填充尾砂胶结的填充区域，气垫经鼓风机充气快速膨胀形成与预留巷道形状一致的空间占位体，在填充区域填充尾砂胶结后，拆除充气气垫便形成预留巷道，填充过程中由下往上填充，下层填充区域内的填充体可以对上方的气垫起到支撑作用；本发明可以减少大量的挡墙封闭工程量，能够实现地下工程和空间的再利用，降低采空区充填成本，减少掘进工程量和爆破成本，降低二步资源的开采难度，显著提高矿山经济效益，原理科学、严谨，但施工工艺简单。
19.在本实施例中，所述充气气垫四周通过铁丝连接有若干位于矿柱内巷道内的配重块，充气气垫还通过进气管与位于矿柱内巷道中的鼓风机连接，所述充气气垫上设有压力传感器；鼓风机选择风量15000m
³
/h，风扇直径54cm
×
8片，重量≤41kg，安置于充填区域以外，与气垫的进气管相连，连接口做致密处理，当开始充填时，鼓风机保持充填过程中一直处于充气状态，给气垫提供各向的应力；充气的气体是比空气密度大的气体，如二氧化碳气体，从而保证气垫不漂移。
20.配重块共四个，分别连接于气垫四个角，每个重量30kg左右，用铁丝绑扎在气垫的四周预留的孔位，选择充填料凝结成的固体块石作为配重块来稳定气垫，使气垫处于固定位置，不受充填过程的影响而使位置发生偏移。
21.在本实施例中，所述充气气垫由外层气垫纤维布和内层气垫纤维布构成，内层气垫纤维布内部分成若干2~3米长并相互密封隔离的充气室，内层气垫纤维布上开设有与各个充气室对应的通气孔，通气孔处设置有气阀；充气气垫采用高强度纤维布制作，然后用鼓风机进行充气，这个进管道的材质选择与气垫同样的材质，并且与整个气垫做致密处理，避免气体泄漏，保证气体将气垫充满，使气垫膨胀为长方体，气垫的材质为具有阻燃性能的高强纤维布制成, 具有耐酸腐蚀,耐磨,耐老化,折叠方便,使用寿命长等特点。
22.在本实施例中，所述矿柱内巷道的巷道口处设有封闭挡板。
23.一种充填采空区预留巷道施工工艺，包括以下步骤：（1）充填采空区预留巷道的设计及布置，根据采矿设计确定预留巷道规格、形状及在采空区预留位置，巷道预留位置顶板没有冒落，底板相对平整，不直接位于充填井口；（2）气垫材料选取，根据巷道设计的参数要求，包括断面尺寸、形状、设计位置和设计强度等加工合适规格尺寸的气垫、鼓风机、配重块，气垫的面料选用特制的帆布，其由坚韧的乙烯基纤维做内层，外涂防火阻燃剂打磨组合制成，其抗拉撕裂强度高，具有阻燃、防火、防火、防腐蚀、耐磨损、耐老化、耐油、耐寒、耐热等性能，可随意折叠，并多次使用；根据预留巷道的设计位置，巷道长度和断面尺寸、设计形状对气垫进行加工，将高强度的纤维布裁剪，按巷道尺寸进行缝制成型，并提前在气垫四周预留进气管和连接配重块石的孔位，气垫表面存在菱形走线，加工后要进行充气测试，确保材料密闭不漏气，在使用前将其折叠静置，避免利器对其割裂产生破坏；（3）充气气垫安装检查及充气施工：根据充填区域和预留巷道区域的设计位置，将还未进行充气的充气气垫平铺于预留巷道所处的位置，并用铁丝连接好配重块，铁丝另一端固定在充气气垫上预留
的孔位中，将进气管布置于充填区域以外与鼓风机连接；确保气垫与之前设置的预留空间位置对齐无误，鼓风机开启进行充气，气垫经鼓风机充气快速膨胀形成与预留巷道形状一致的空间占位体，充气气垫将采空区内部空间分隔成多个充填区域；（4）检查和采场封闭：检查充气后的充气气垫，首先检查气垫充气后是否仍然完好，然后检查气垫在配重块石稳定下是否符合预留巷道的位置要求；在矿柱内巷道的巷道口位置构筑封闭挡板，采空区内的充填区域已处于一个封闭状态；（5）按由下往上的顺序对各个待充填区域填充尾砂胶结，充填施工过程中进行压力监测并根据监测的压力调整充气垫压力；（6）填充完毕后，充填体进行正常养护，当充填体强度达到设计强度时，拆除封闭挡板和拆除气垫，拆除过程中，充气气垫每次只能拆除2-3米即内层气垫纤维布一个充气室的长度便进行巷道支护施工，如充填体强度达到设计要求可以锚喷支护，如充填体没有达到设计强度，采用架棚或注浆支护等。
24.本发明主要用于尾砂胶结充填体内预留巷道施工，既能实现地下工程和空间的再利用，又能降低采空区充填成本，减少掘进工程量和开采成本，降低二步资源的开采难度，显著提高矿山经济效益；该工艺采用的装置加工方便、使用的气垫材料都是平时很常见的材料，技术环保经济、可重复使用；虽然技术原理深奥、严谨且复杂，但预留空间施工工艺简单，施工人员不需要任何专门培训或爆破之外的技能，本发明能显著降低矿山采矿成本，提供效率，降低工作量，且施工安全。
25.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
26.本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
27.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
28.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
29.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。