專利名稱：海底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于采礦技術領域，涉及一種海底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦
法。該方法主要適用于近海距陸地較近、且生產(chǎn)能力大、高效率的厚大金屬礦床開采，同時 也適應于水體或河流、湖泊下厚大金屬礦床的開采。
背景技術：
海底(?；?金屬資源是陸地金屬資源的接替。隨著陸地金屬資源的開采殆 盡，大量的海底資源面臨開發(fā)。在所有?；惖V產(chǎn)資源中，以厚大金屬類礦床的開采難度最 大。厚大礦體儲量大，延深長，人員設備在海底同一垂直位置停留與作業(yè)時間長，形成的采 空區(qū)體積大，受巖石自重及海水壓力的影響，采空區(qū)頂板巖層的變形、開裂等都可能導致海 水滲透井下，引起井毀人亡的重大礦難。?；惤饘俚V床不同于?；惷旱V開采，煤礦厚度 薄，用長壁式開采，在海底某一位置開采和停留的時間短，放頂處理后不易引起海基巖層的 開裂，海底表層海水滲透地點與井下人員與設備作用位置存在嚴重滯后，作業(yè)的安全性高 于海底厚大金屬礦開采。 常規(guī)的水下厚大金屬礦采礦方法，采用下行式開采方式，一方面在水下留足夠厚 大的頂?shù)字?，資源損失嚴重；另一方面，采礦形成的大體積采空區(qū)，可能引起巖層開裂或頂 板不均勻沉降，破壞預留的頂板，使大量海水沿裂隙進入井下形成管涌，導致突水事故，造 成井毀人亡的重大安全事故。國內(nèi)外海底厚大金屬礦床開采缺乏安全可靠的采礦方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對海底(水體)下開采這一特殊環(huán)境，提出一種海 底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦法，克服現(xiàn)有海底礦產(chǎn)開采方法所具有的安全性 低、資源損失浪費嚴重、生產(chǎn)效率低、回采時間長；機械化程度低、勞動強度大等缺點。
本發(fā)明的技術解決方案如下 —種海底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦法，其特征在于 在礦體與海底之間預留安全隔離層；所述的安全隔離層的厚度為40-60m ; 在垂高方向上從中腰將礦體分為上下二部分；所述中腰位置距海底海泥的垂高為
100 150m ;從礦體中腰位置開始回采，其上部采用上行式開采，下部采用下行式開采；所
述的上行式開采采用留規(guī)則點柱的脈外無軌采準上向分層膠結(jié)充填法；所述的下行式開采
采用脈外無軌采準普通分層充填采礦法，采場用充填料填實采空區(qū)。 在上行式開采過程中，采用漸變點柱上向分層尾砂膠結(jié)充填采礦法，單個點柱尺 寸上下一致，但在不同垂高位置，礦柱大小不同，越靠近海底，規(guī)則礦石點柱的尺寸增大；規(guī) 則礦石點柱的尺寸范圍為3mX3m 5mX5m ; 在下行式開采過程中，隨著開采深度的增加，逐漸將礦石點柱減少直到取消礦 石點柱，并發(fā)展成為分礦房、礦柱回采的分層充填采礦法，礦石點柱取消后，在垂直走向 將礦體分為礦房礦柱，先采礦房后采礦柱；礦房用尾砂膠結(jié)充填并接頂，充填體強度1 1. 50Mpa ;礦柱用尾砂充填并接頂。 上行式開采過程中，采用分段開采，劃分回采單元；借助脈外無軌采準系統(tǒng)中的分 段平巷向上開采至安全隔離層，分段平巷的分段高10m ;所有采空區(qū)用尾砂、膠結(jié)劑充填接 頂。 有益效果
①開采安全性高 本發(fā)明圍繞海底厚大金屬礦床開采，基于提出的海底低沉降安全開采方法，從1) 漸變式點柱+連續(xù)條柱+安全隔離層復合礦柱系統(tǒng)；2)采空區(qū)充填料密實接頂?shù)确矫娌?取措施，通過布置合理點柱支撐上盤圍巖，用充填料密實接頂控制頂板巖層下沉，確保了低 沉降安全開采海下資源。海底開采巖層位移監(jiān)測結(jié)果表明，安全隔層的巖層最大位移僅
2. 2mm，巖層變形量極小，海底開采提出的措施與方法是有效可行的。
②資源損失小 針對海下開采特定環(huán)境，在確保安全的前提下，使護頂?shù)V柱、條柱及安全隔離層厚 度最為安全、經(jīng)濟、合理，避免了礦柱及安全隔離層厚度太大，采礦試驗表明，-200以上資 源海下開采貧化率6. 5%，損失率85. 76% ;-200以下資源開采取消點柱，資源回收率達到 92.7%，貧化率6.9%，該指標達到甚至超過陸地開采技術水平。
③機械化程度高、勞動強度低 生產(chǎn)中采用無軌采準系統(tǒng)，配備鑿巖臺車、鏟運機及坑內(nèi)電動卡車等先進采礦設 備，不僅機械化程度高，而且節(jié)省了勞力，降低了工人勞動強度。
④效率高、生產(chǎn)能力大，回采時間短 生產(chǎn)中采用了從中腰開始的雙向回采方法，增加了同時回采的工作面?zhèn)€數(shù)；特別 是-200m以上礦體采用上向行式開采方式，完全顛覆了礦塊以中段作為回采單元的概念， 借助無軌開采機械化的靈活性及其機動方便的特點，以分段作為回采單元，不僅有利于護 頂?shù)V柱和安全隔離層的設置，而且采礦效率高，試驗結(jié)果顯示盤區(qū)生產(chǎn)能力403t/d，最大達 到806t/d，實現(xiàn)了礦塊強采強出，縮短了回采作業(yè)時間，提高了作業(yè)的安全性。


圖1為本發(fā)明采礦方法結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的B-B剖面圖
圖3為圖1的C-C剖面圖
圖4為圖1的D-D剖面圖 圖中l(wèi)-海水2-海泥3-隔水層4-安全隔離層5-條柱6_礦體7_點柱8_充 填體9-I步礦房10-11步礦房11-溜礦井12-充填井13-回風平巷14-分段巷道 15-溜井聯(lián)絡巷16-階段運輸巷道17-分層聯(lián)絡道
具體實施例方式
本發(fā)明采礦方法的技術方案如下 ①根據(jù)海下開采數(shù)值計算分析，在礦體垂高方向上將礦體分為上下二部分，即 從-180 -220m(平均-200m)位置最先開始回采。(上部海水及海泥50m、礦體及安全隔離層厚度150m) ②-200m以上礦體，上行式開采，采用脈外無軌采準點柱式上向分層充填采礦法， 其技術要點是在礦體外布置斜坡道、分段出礦巷和采場聯(lián)絡巷用于人行、出礦和通風，分 段高度10m 12m，分層回采高度3. 0 4. 0m，采場內(nèi)留規(guī)則點柱支撐采場頂板，分層回 采完畢進行充填。對于-200m以下礦體，采用下行式開采，具體采用普通上向分層充填采 礦法，該方法特征是礦體采用脈外無軌采準系統(tǒng)，斜坡道將脈外分段平巷聯(lián)通，分段高 10m 12m，每分段分三層回采，分層高度3. Om 4. Om。采場內(nèi)采用鑿巖臺車打眼，鏟運機 直接裝礦至坑內(nèi)卡車，坑內(nèi)電動卡車裝礦至主要溜井，豎井提升至地表。
③-200m以上礦段以走向長80 120m為一個回采單元，每個單元留5m垂直走向 連續(xù)條柱。點柱在-200m水平的尺寸為3mX3m，網(wǎng)度10mX 10m，且越靠近海面，在網(wǎng)度不 變的情況下點柱的尺寸向上逐漸增加到5mX5m ;采場分層充填，當回采到安全隔離層位置 時，最后一層要求充填接頂，通過采用分次充填、分區(qū)充填、充填濾水器預脫水、泵送充填等 措施實現(xiàn)采空區(qū)密實充填接頂；采用尾砂膠結(jié)料充填，充填體強度lMpa以上。
④為防止海水滲透，確保海底開采安全，除合理選擇采礦方法、回采順序和強化充 填工藝、控制回采速度外，在礦體與海水及海泥間，留有點柱+頂柱+條柱的護頂?shù)V柱系統(tǒng)， 其尺寸大小(點柱、條柱+隔離層厚度)取40m 60m?？刂祈敯逑鲁?，防止海床隔水層出 現(xiàn)不均勻沉降。 ⑤-200m以下礦體用下行式普通充填采礦法與上部礦體同時回采。依據(jù)頂板巖層 的位移與變形觀測，逐漸將礦石點柱(3mX3m)取消并發(fā)展成為分礦房、礦柱回采的分層充 填采礦法即礦石點柱和分礦房、礦柱回采的分層充填采礦法相結(jié)合的方法。取消點柱后， 垂直走向?qū)⒌V體分為礦房礦柱，先采礦房后采礦柱，礦房寬12m，礦柱寬10m。礦房用尾砂膠 結(jié)充填并接頂，充填體強度不低于1Mpa ;礦柱用尾砂充填并接頂。 ⑥用瑞典LUT地應力測量法對區(qū)域應力場進行測定；在采空區(qū)上方(礦體上盤) 圍巖中安裝3 5點位移計，對頂板巖層變形進行長期觀測。在礦柱及其相鄰采場充填體 內(nèi)埋設壓力計，觀測其受力狀況。通過上述監(jiān)測，了解海下開采的安全性，對采礦方法參數(shù) 及采場回采強度、順序、護頂系統(tǒng)進行相應調(diào)整；作為本發(fā)明的進一步改進，本發(fā)明用分區(qū) 充填(將采場分為兩個或三個區(qū)域分別進行接頂充填)、分次充填(第一次充滿采空區(qū)后， 待充填體脫水沉降后，再次充滿采空區(qū)，如此反復二至三次實現(xiàn)充填接頂)、泵送強制充填 (用砂漿泵將高濃度的充填料漿壓入采空區(qū)，強制接頂)等方法對采空區(qū)進行密實充填接 頂。 以下將結(jié)合圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明
實施例1 : 三山島金礦新立礦區(qū)是我國第一個從事大陸架濱海礦床地下開采的硬巖礦山，其 目前開采的礦體大部分位于海水以下。l號礦體為礦床內(nèi)主礦體，礦體總體走向62。，傾向 南東，傾角33 67° ，平均46° ，由北向南傾角有逐漸變陡趨勢。礦體厚20 30m。礦體 單工程品位1. 52 12. 53g/t，平均3. 26g/t。三山島金礦新立礦區(qū)海底礦床采用中腰雙向
式充填采礦法。(1)具體實施方案 ①在圖1中，在10m深的海水下，有30 50m海泥，海泥沉積物中賦存著厚度1 2m的隔水層，下部為礦體，礦體傾角35 45° ，礦體厚度20 30m。為保證安全、科學、經(jīng)
濟、高效、低損失回采海下資源，防止海水滲漏，確保海底開采安全，回采從礦體中腰位置開
始，即將礦體在-200m位置分為上下二部分，-200m以上用點柱式上向分層充填采礦法開
采，-200m以下用普通上向分層充填采礦法開采，上下部礦體同時回采。 ②礦山采用豎井+斜坡道的開拓方式。為配合無軌機械化采礦，在礦體下盤布置
脈外無軌采準系統(tǒng)，垂高每10m設置一條脈外分段平巷，分段平巷由斜坡道聯(lián)結(jié)。通過分層
聯(lián)絡道與采場相通，通過下盤溜井及聯(lián)絡道形成溜井出礦系統(tǒng)。 ③-200m以上礦體，沿走向劃分回采單元，以分層高作為向上推進的步距。采場 長100m，分段高10m，分段內(nèi)礦塊分三層回采，分層高3. 3m，采場之間用5m連續(xù)條柱隔開。 從-200m位置開始，用點柱式分層充填采礦法回采，采一層、充一層，直至預留的海泥下50m 安全隔離層位置止(即預留50m安全隔離層)。采場內(nèi)布置的點柱規(guī)格為3mX3m，網(wǎng)度 10mX 10m，越靠近海面，采場點柱網(wǎng)度不變，但點柱尺寸逐漸增加到5mX 5m。采場內(nèi)鑿巖、爆
破、出礦、支護交錯進行。隨著回采的進行，在靠近海底位置，形成以點柱、條柱、頂柱+密實 充填體構(gòu)成的海底開采安全支護系統(tǒng)。 ④-200m以下礦體，依頂板巖石穩(wěn)固情況與巖層實際變形觀測結(jié)果，逐漸取消點 柱(3mX3m)，將點柱式分層充填采礦法變更為分礦房、礦柱回采的分層充填采礦法，即垂直 走向?qū)⒌V塊劃分為礦房、礦柱，礦房寬12m，礦柱寬10m，長為礦體厚度，中段高40 50m，先 采礦房后采礦柱。多采場組成盤區(qū)，盤區(qū)內(nèi)鑿巖、爆破、出礦、支護平行進行。用液壓鑿巖臺 車打眼，鏟運機配合坑內(nèi)卡車出礦。 ⑤-200m以上礦體采至安全隔離層位置時，采空區(qū)用分次充填、分區(qū)充填、充填濾 水器預脫水、泵送充填等措施，使采空區(qū)的充填接頂率達到90%以上，實現(xiàn)采空區(qū)密實充 填，有效阻止巖層變形和不均勻下沉。充填料采用尾砂膠結(jié)料充填，充填體強度1Mpa以 上。-200m以下礦體礦房用尾砂膠結(jié)充填并接頂，充填體強度不低于1Mpa ;礦柱用尾砂充填 并接頂。
如附圖1 4所示，首先掘進階段運輸巷道16 ，然后掘進斜坡道，在斜坡道沿礦 體走向按10m垂高掘進分段巷道14，再后掘進下盤出礦溜井11。在分段巷道中垂直礦體 走向掘進分層聯(lián)絡道17直到礦體下盤邊界。在分段巷道與出礦溜井之間掘進溜井聯(lián)絡巷 15?；夭勺鳂I(yè)中，在回采工作面，用Altlas-Copco公司生產(chǎn)的單臂液壓鑿巖臺車打水平眼， 孔深2. 8m，排距1. Om，間距1. 6m，人工裝藥，毫秒微差非電導爆雷管起爆。T0R0-3. 5M3鏟運 機將礦石直接鏟運至下盤集中溜井，電動卡車裝礦至地表或豎井側(cè)主溜井，然后提升至地 表。每分層回采完后進行采空區(qū)充填，充填前，先構(gòu)筑充填隔離墻，然后架設充填管，當充填 準備工作完成后再進行充填。 ⑦為保證海底開采安全，除靠近海底位置的支撐礦柱與安全隔離層不能人為破壞 外，在礦體上盤、礦柱及充填體內(nèi)埋設了多種力學、位移測試裝置，從而對施工現(xiàn)場進行長 期觀測；此外，對海底開采作業(yè)進行規(guī)范化，制定海底開采安全應急預案，確保海底開采安 全、經(jīng)濟、科學和合理。
權利要求
一種海底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦法，其特征在于在礦體與海底之間預留安全隔離層；所述的安全隔離層的厚度為40-60m；在垂高方向上從中腰將礦體分為上下二部分；所述中腰位置距海底海泥的垂高為100～150m；從礦體中腰位置開始回采，其上部采用上行式開采，下部采用下行式開采；所述的上行式開采采用留規(guī)則點柱的脈外無軌采準上向分層膠結(jié)充填法；所述的下行式開采采用脈外無軌采準普通分層充填采礦法，采場用充填料填實采空區(qū)。
2. 根據(jù)權利要求l所述的海底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦法，其特征在于上行式開采過程中，采用漸變點柱上向分層尾砂膠結(jié)充填采礦法，單個點柱尺寸上下一致，但在不同垂高位置，礦柱大小不同，越靠近海底，規(guī)則礦石點柱的尺寸增大；規(guī)則礦石點柱的尺寸范圍為3mX3m 5mX5m ;在下行式開采過程中，隨著開采深度的增加，逐漸將礦石點柱減少直到取消礦石點柱，并發(fā)展成為分礦房、礦柱回采的分層充填采礦法，礦石點柱取消后，在垂直走向?qū)⒌V體分為礦房礦柱，先采礦房后采礦柱；礦房用尾砂膠結(jié)充填并接頂，充填體強度1 1. 50Mpa ;礦柱用尾砂充填并接頂。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的海底厚大金屬礦床中腰雙向低沉降開采方法，其特征在于上行式開采過程中，采用分段開采，劃分回采單元；借助脈外無軌采準系統(tǒng)中的分段平巷向上開采至安全隔離層，分段平巷的分段高10m ;所有采空區(qū)用尾砂、膠結(jié)劑充填接頂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海底厚大金屬礦護頂下中腰雙向式充填采礦法，其特征在于在礦體與海底之間預留安全隔離層；在垂高方向上從中腰將礦體分為上下二部分；所述中腰位置距海底海泥的垂高為100～150m；從礦體中腰位置開始回采，其上部采用上行式開采，下部采用下行式開采；所述的上行式開采采用留規(guī)則點柱的脈外無軌采準上向分層膠結(jié)充填法；所述的下行式開采采用脈外無軌采準普通分層充填采礦法，采場用充填料填實采空區(qū)。本發(fā)明具有開采安全性高，資源損失小，機械化程度高，勞動強度低，生產(chǎn)能力大，回采時間短，開采沉降低等顯著特點。
文檔編號E21C50/00GK101761340SQ20091022666
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權日2009年12月18日
發(fā)明者修國林, 劉志祥, 劉軟, 李夕兵, 栗紅玉, 畢海濤, 王成, 王樹海, 趙國彥 申請人:中南大學