專(zhuān)利名稱(chēng)：一種處理采空區(qū)的誘導(dǎo)冒落法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬礦床地下采礦的技術(shù)領(lǐng)域，即提出了一種利用誘導(dǎo)冒落技術(shù)處理采空區(qū)的新方法。
背景技術(shù)：
在金屬礦床地下開(kāi)采的過(guò)程中，處理采空區(qū)的方法通常可分為崩落法、充填法和封閉法三大類(lèi)。在地表允許崩落的條件下，厚大盲礦體多采用崩落圍巖的方法處理采空區(qū)。隨著深部盲礦體的開(kāi)采，采空區(qū)距地表深度增大，此時(shí)用崩落法處理采空區(qū)，多為崩落20米厚的頂板圍巖形成散體墊層，用以緩沖采空區(qū)頂板圍巖的冒落沖擊。當(dāng)采空區(qū)已經(jīng)形成、崩落頂板圍巖難度大或者費(fèi)用大而不便實(shí)施時(shí)，多用封堵通口和留礦柱隔離與封閉采空區(qū)，以防止采空區(qū)冒落氣浪沖擊。這些傳統(tǒng)的處理采空區(qū)的方法中，崩落圍巖處理采空區(qū)需要花費(fèi)大筆崩巖費(fèi)用，而且常常有崩落的巖石隨崩落礦石被大量放出，空區(qū)依然存在，而且隨著回采工作面向深部推進(jìn)，采空區(qū)體積越來(lái)越大，對(duì)生產(chǎn)安全的威脅也越來(lái)越大。而用封閉法隔離采空區(qū)，在某些條件下，往往要損失大量的礦柱礦量。所以上述傳統(tǒng)的處理采空區(qū)的方法都會(huì)要付出高昂的代價(jià)，而且處理時(shí)往往還會(huì)影響到生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在地表允許崩落的條件下，尋求一種促使采空區(qū)自然冒落、且冒落過(guò)程對(duì)井下生產(chǎn)無(wú)任何危害的方法，要求該方法既可降低采空區(qū)處理成本，又可改善井下生產(chǎn)的安全條件。
本發(fā)明提出了一種處理采空區(qū)的誘導(dǎo)冒落法，它包括爆破崩落和用散體封堵通口的措施，其特征在于不開(kāi)天窗井、不對(duì)采空區(qū)頂板實(shí)施爆破，而是通過(guò)擴(kuò)展采空區(qū)的有效暴露面積誘導(dǎo)采空區(qū)自然冒落，并同時(shí)崩落采空區(qū)內(nèi)部的支撐物，使頂板圍巖的初始冒落呈零星冒落形式。
通過(guò)研究采空區(qū)頂部巖體的冒落規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采空區(qū)規(guī)模較大、埋深較大、頂板結(jié)構(gòu)面無(wú)大的破壞而內(nèi)部無(wú)礦柱支持時(shí)，采空區(qū)頂板的冒落過(guò)程屬于拱形冒落。此時(shí)其重力場(chǎng)可分解為垂直壓力(q)和水平應(yīng)力(T)兩個(gè)分量。當(dāng)T增大到一定程度時(shí)，臨空面巖體橫向變形派生出拉應(yīng)力，在此拉應(yīng)力與巖塊重力的共同作用下，頂板表層巖石裂縫擴(kuò)張、貫通、最終失去約束而籍重力掉落，引起冒落發(fā)生T的表達(dá)式為T(mén)=ql22h---(1)]]>式中q為垂直壓力，q＝γH，γ為上覆巖層的容重；H為空區(qū)頂板埋深，h為空區(qū)高度，l為空區(qū)的半跨度?？梢?jiàn)空區(qū)跨度越大，T隨空區(qū)跨度增大的速率就越大。引起頂板圍巖破壞的臨界空區(qū)跨度為lc=2hTcγH---(2)]]>式中TC為空區(qū)頂板巖體的極限抗壓強(qiáng)度。
如將寬度不小于2l的采空區(qū)對(duì)應(yīng)的橢圓面積稱(chēng)為采空區(qū)的等價(jià)圓面積，則當(dāng)?shù)葍r(jià)圓面積等于臨界冒落面積時(shí)，采空區(qū)頂板圍巖便會(huì)開(kāi)始發(fā)生冒落；而當(dāng)?shù)葍r(jià)圓面積超過(guò)臨界持續(xù)冒落面積時(shí)，采空區(qū)頂板圍巖便會(huì)發(fā)生持續(xù)冒落。采空區(qū)的臨界冒落面積為Sc=π2hTcγH---(3)]]>研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)的初始冒落形式與頂板有無(wú)變形能的積蓄條件有關(guān)。在一個(gè)達(dá)到冒落面積的采空區(qū)里，如果沒(méi)有礦柱支撐，空區(qū)頂板受拉變形，當(dāng)表層巖塊之間的聯(lián)系不足以克服自身重力時(shí)，塊體便會(huì)脫離母巖自然掉落，從而呈現(xiàn)出單塊斷續(xù)掉落的零星冒落形式。而當(dāng)有礦柱支撐時(shí)，頂板圍巖的變形與冒落過(guò)程受阻，但礦柱的支撐強(qiáng)度又不足以限制頂板圍巖微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而使得不能釋放的變形能積蓄起來(lái)，一旦失去礦柱的支撐，所積蓄的變形能使礦柱上方的微裂紋迅速貫通，從而有可能發(fā)生大規(guī)模冒落。由此可見(jiàn)，為確保采空區(qū)在初始冒落階段按零星冒落形式自然冒落，必須消除采空區(qū)內(nèi)的礦柱，及時(shí)釋放頂板圍巖的變形能。
對(duì)于冒落氣浪危害的控制也是處理采空區(qū)時(shí)必須考慮的一個(gè)極為重要的問(wèn)題。
采空區(qū)頂板巖石與空氣的總體積，在冒落的前后可認(rèn)為不發(fā)生變化，如果在冒落過(guò)程中沒(méi)有外部的氣體補(bǔ)給，則氣浪向外沖擊時(shí)，內(nèi)部由于氣體質(zhì)量的減小而變?yōu)樨?fù)壓，氣浪向外沖擊的范圍越大，內(nèi)部的負(fù)壓就越高，這一負(fù)壓會(huì)使氣浪的能量很快消耗掉，從而使冒落的影響范圍受到限制。如果在冒落過(guò)程中有外部氣體補(bǔ)給而不形成內(nèi)部負(fù)壓，則氣浪的沖擊能量主要靠沿途的阻力消耗，此時(shí)氣浪影響的范圍和危害的強(qiáng)度要比前者大得多。
由此可見(jiàn)，目前廣泛采用的在深部采空區(qū)上方打“天窗井”的方法是事與愿違的，它不僅起不到“排泄”冒落氣浪的作用，而且有可能將無(wú)外界大氣補(bǔ)給的冒落過(guò)程惡化為有外界補(bǔ)給的冒落過(guò)程，人為地增大冒落氣浪的危害力度。為此，本發(fā)明的一項(xiàng)措施便是取消采空區(qū)處理中的開(kāi)“天窗井”。
對(duì)于大采空區(qū)而言，由于空區(qū)橫斷面積(S)遠(yuǎn)大于冒落塊體面積(A)，此時(shí)塊體下落的誘導(dǎo)氣流速度Vmax為Vmax=CgAH2(S-A)L---(4)]]>式中C為空氣阻力系數(shù)(C≈4.5)；g重力加速度，H為采空區(qū)高度，L為空區(qū)邊壁長(zhǎng)度。通常其數(shù)值較小，一般達(dá)不到對(duì)人體造成傷害的程度(Vmax＜12米/秒)，通常，在遠(yuǎn)離塊體落地點(diǎn)部位，離開(kāi)冒落塊體邊緣5米，即可安全作業(yè)。
在塊體落地點(diǎn)附近，沖擊氣浪由下落巖塊擾動(dòng)空氣以及在落地時(shí)沖擊空氣構(gòu)成，此時(shí)計(jì)算式為v=ab2gHh[1.5(a+b)-ab]+ηVmax---(5)]]>式中a，b，h分別為塊體的長(zhǎng)、寬、高；η為氣流轉(zhuǎn)向系數(shù)，可取η＝0.7～0.8；其他符號(hào)意義同式(4)。
采用本發(fā)明的方法處理采空區(qū)，其效果是(1)使采空區(qū)的冒落形式與冒落進(jìn)程得到有效控制，保證了礦山生產(chǎn)安全；(2)開(kāi)辟了礦石生產(chǎn)工作面，可大量回收采空區(qū)的殘礦；(3)由于將采空區(qū)積壓的礦量轉(zhuǎn)化為可利用資源，使礦山主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到明顯提高。綜合以上幾點(diǎn)不難看出一旦本發(fā)明的方法在采礦工業(yè)上得到推廣應(yīng)用，將可望取得良好的安全效果和重大的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為安徽省某礦山采空區(qū)縱剖面圖；圖2為上述采空區(qū)63m分段回采范圍及采空區(qū)對(duì)應(yīng)的等價(jià)圓示意圖；圖3為上述采空區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算的等價(jià)圓面積示意圖；圖4為上述采空區(qū)進(jìn)入持續(xù)冒落階段時(shí)推測(cè)的等價(jià)圖面積示意圖；
圖5為河北省某礦山南區(qū)采空區(qū)縱剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的補(bǔ)充和說(shuō)明。
實(shí)施例1安徽省某礦山用誘導(dǎo)冒落法處理73m采空區(qū)該采空區(qū)高約40m，總面積約4300m2，其剖面位置如圖1所示。其中63m分段回采范圍及采空區(qū)形狀如圖2所示，其采空區(qū)對(duì)應(yīng)的等價(jià)圓面積示于圖3中。按本發(fā)明的方法所確定的處理原則是(1)擴(kuò)展采空區(qū)頂板的有效暴露面積；(2)防止采空區(qū)頂板積蓄變形能。
具體實(shí)施辦法是從采空區(qū)上部63m分段按式(3)計(jì)算出等價(jià)圓面積，再實(shí)施擴(kuò)展采空區(qū)的等價(jià)圓面積(如圖2所示)，誘導(dǎo)頂板圍巖自然崩落。而擴(kuò)展等價(jià)圓面積的辦法是回采A區(qū)邊角礦量，在63m分段掘進(jìn)進(jìn)路回采，預(yù)計(jì)回采后的等價(jià)圓面積不大于4780m2，如圖3所示；(2)崩落B區(qū)的棱角邊柱，這在43m分段回采上盤(pán)側(cè)進(jìn)路時(shí)實(shí)施。在上述兩項(xiàng)措施的實(shí)際操作過(guò)程中，如圖4所示，當(dāng)?shù)葍r(jià)圓面積擴(kuò)展至2870m2時(shí)，采空區(qū)頂部便發(fā)生顯著冒落；而當(dāng)?shù)葍r(jià)圓面積擴(kuò)展到約3600m2時(shí)，采空區(qū)頂板便發(fā)生持續(xù)冒落。
該礦山在實(shí)施本發(fā)明的方法后，使采空區(qū)的冒落形式與冒落進(jìn)程得到有效控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)無(wú)任何影響的安全冒落，并徹底消除了73m采空區(qū)安全隱患，將采空區(qū)積壓的礦量迅速轉(zhuǎn)化為可利用資源，在確保安全的前提下，采出空區(qū)邊緣殘礦4.8萬(wàn)噸，放出空區(qū)殘礦4.18萬(wàn)噸。此外，原不宜開(kāi)采的8.2萬(wàn)噸已經(jīng)報(bào)銷(xiāo)的殘礦可以得到正常回采。由于空區(qū)殘礦的回采，提高了礦石生產(chǎn)能力并顯著提高了礦山主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
實(shí)施例2河北省某礦山南區(qū)誘導(dǎo)冒落法處理采空區(qū)該礦體如圖5所示，其走向長(zhǎng)1500m，寬500～1000m，最大厚度60m，埋深150～300m。120m中段回采范圍23.72萬(wàn)m2，過(guò)去主要用有底柱崩落法、房柱法與小礦點(diǎn)不規(guī)則采礦方法開(kāi)采，形成了為數(shù)眾多、大小不一的采空區(qū)。
實(shí)施本發(fā)明的方法處理采空區(qū)，取消了在較大空區(qū)上方開(kāi)鑿“天窗井”的工程，依據(jù)礦體厚度和開(kāi)采狀況，對(duì)采空區(qū)冒透地表的部位，進(jìn)行了預(yù)測(cè)與圈定。共預(yù)測(cè)出六個(gè)坍陷區(qū)，在其周?chē)O(shè)置了警示牌，以防止地表過(guò)往行人與車(chē)輛進(jìn)入坍陷區(qū)發(fā)生安全事故。
統(tǒng)計(jì)得出，南區(qū)頂板圍巖的臨界冒落面積不超過(guò)1000m2，以零星冒落為主，最大冒落塊的體積3.6×3.0×2.0m3；局部發(fā)生的批量冒落中，冒落范圍不超過(guò)24×10m2。按式(5)計(jì)算得出零星冒落中，離開(kāi)冒落塊體邊緣2.0m時(shí)，即可不受冒落氣浪的傷害；批量冒落中，離開(kāi)冒落堆體邊緣10m時(shí)，受冒落氣浪的沖擊力度已在安全范圍之內(nèi)。因此實(shí)際施工時(shí)規(guī)定，在有塊體掉落可能的部位，作業(yè)人員離開(kāi)可能冒落點(diǎn)5m以上，在有可能發(fā)生批量冒落的部位，作業(yè)人員離開(kāi)可能冒落點(diǎn)邊緣12m。
按安全距離要求，對(duì)120m中段殘礦進(jìn)行較為系統(tǒng)地回收，擴(kuò)展采空區(qū)的有效暴露面積，使其大于按式(3)所計(jì)算的采空區(qū)的臨界冒落面積。由于采用了靈活多樣的回收方法，安全地回收殘礦738248噸。此后地表所圈定的六個(gè)坍陷區(qū)都如期發(fā)生了大冒落。冒落時(shí)，井下作業(yè)人員未感知冒落過(guò)程的發(fā)生，只是地表200m以外的臨時(shí)住戶聽(tīng)到了響聲并感到了大地的震動(dòng)。事實(shí)上，該采空區(qū)的整個(gè)冒落過(guò)程都是在井下作業(yè)人員不知不覺(jué)之中完成的。
我國(guó)礦巖中等穩(wěn)固的緩傾斜礦體為數(shù)眾多，過(guò)去用礦柱支撐求穩(wěn)法處理采空區(qū)時(shí)，總是越采地壓越大，當(dāng)一定數(shù)量的小礦柱再不能支撐行將冒落的頂板巖體時(shí)，大范圍巖體突然冒落，地壓災(zāi)害隨之發(fā)生。而采用本發(fā)明的誘導(dǎo)崩落法處理采空區(qū)，既可實(shí)現(xiàn)邊緣大面積連續(xù)回采，又不會(huì)導(dǎo)致任何地壓活動(dòng)事故，使采礦生產(chǎn)能夠順利地在低成本、高效率的條件下進(jìn)行。
故本發(fā)明的方法對(duì)采礦工業(yè)來(lái)說(shuō)具有較大的推廣價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種處理采空區(qū)的誘導(dǎo)冒落法，它包括爆破崩落和用散體封堵通口的措施，其特征在于不開(kāi)天窗井、不對(duì)采空區(qū)頂板實(shí)施爆破，而是通過(guò)擴(kuò)展采空區(qū)周邊的有效暴露面積誘導(dǎo)采空區(qū)自然冒落，并同時(shí)崩落采空區(qū)內(nèi)部的支撐物，使頂板圍巖的初始冒落呈零星冒落形式。
2.按權(quán)利要求1所述的處理采空區(qū)的誘導(dǎo)冒落法，其特征在于所說(shuō)的擴(kuò)展采空區(qū)周邊的有效暴露面積(S)應(yīng)使其大于臨界冒落面積(Sc)S>Sc=π2hTcγH]]>式中h為采空區(qū)高度，H為空區(qū)頂板埋深，γ為上覆巖層的容重；TC為空區(qū)頂板巖體的極限抗壓強(qiáng)度。
3.按權(quán)利要求1所述的處理采空區(qū)的誘導(dǎo)冒落法，其特征在于所說(shuō)的擴(kuò)展采空區(qū)周邊的有效暴露面積的方法是回采邊緣礦體，減弱礦石隔離層對(duì)采空區(qū)邊壁的支撐。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種處理采空區(qū)的誘導(dǎo)冒落法，它包括爆破崩落和用散體封堵通口的措施，其特征在于不開(kāi)“天窗”井、不對(duì)采空區(qū)頂板實(shí)施爆破，而是通過(guò)擴(kuò)展采空區(qū)周邊的有效暴露面積誘導(dǎo)采空區(qū)自然冒落，并同時(shí)崩落采空區(qū)內(nèi)部的支撐物，使頂板圍巖的初始冒落呈零星冒落形式。所說(shuō)的擴(kuò)展采空區(qū)周邊的有效暴露面積(S)，應(yīng)使其大于采空區(qū)的臨界冒落面積(Sc)。其方法是回采邊緣礦體，減弱礦石隔離層對(duì)采空區(qū)邊壁的支撐。采用本發(fā)明的方法處理采空區(qū)，其效果是使采空區(qū)的冒落形式與冒落進(jìn)程得到有效控制，保證了礦山生產(chǎn)安全；并可回收采空區(qū)的殘礦；將采空區(qū)積壓的礦量轉(zhuǎn)化為可利用資源。
文檔編號(hào)E21C41/00GK1730904SQ20051004716
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者任鳳玉 申請(qǐng)人:東北大學(xué)