权利要求

1.基于上部探矿巷协同利用的近采空区中厚盲矿体开采方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 精准探测与边界控制：利用预先掘进于盲矿体上部或上盘围岩中的探矿巷作为探测作业平台，施工加密的探测钻孔群，并结合孔内探测技术，准确界定邻近采空区的边界以及盲矿体的空间形态;

S2. 主动隔离屏障构筑：基于步骤S1获得的边界数据，从探矿巷内，朝向采空区与盲矿体之间的关键隔离区域施工注浆钻孔，通过注浆钻孔高压注入浆液，形成一道连续的注浆帷幕体，以主动隔离采空区与后续的采矿作业区;

S3. 矿体分区：根据步骤S1获得的盲矿体的空间形态、步骤S2构筑的注浆帷幕体的位置，结合岩体力学参数与应力分布，将所述盲矿体在三维空间内划分为邻近注浆帷幕体的应力缓冲区(Ⅰ区)、位于矿体中部的应力核心区(Ⅱ区)以及位于矿体侧翼的应力稳定区(Ⅲ区);

S4. 顶板覆岩主动预加固：利用探矿巷作为施工平台，向下施工由锚杆和锚索组成的岩层加固体系，对所述盲矿体上方的覆岩进行主动预加固;

S5. 分步回采与嗣后充填：基于步骤S3的矿体分区，按照先同步回采应力缓冲区(Ⅰ区)和应力稳定区(Ⅲ区)、后回采应力核心区(Ⅱ区)的顺序进行;每一分区的回采均采用中深孔落矿法，并在该分区回采结束后，利用布置于探矿巷中的充填钻孔向采空区输送充填浆体进行嗣后充填。

2.根据权利要求1所述的开采方法，其特征在于，在步骤S1中，所述探测钻孔群的布置间距为10-15米，所述孔内探测技术包括钻孔摄像、钻孔雷达中的一种或两种组合。

3.根据权利要求1所述的开采方法，其特征在于，在步骤S2中，所述注浆钻孔呈梅花形或矩形布置至少两排，浆液材料为水泥基浆液，其水灰比范围为0.6:1~1:1。

4. 根据权利要求1所述的开采方法，其特征在于，在步骤S3中，所述应力缓冲区(Ⅰ区)的宽度L依据公式 L = (0.2~0.35)× W 确定，其中W为所述盲矿体的水平宽度;所述应力核心区(Ⅱ区)为最大主应力超过原岩应力1.5倍以上的区域;所述应力稳定区(Ⅲ区)为剩余矿体部分。

5.根据权利要求1所述的开采方法，其特征在于，在步骤S4中，所述岩层加固体系包括通过所述探矿巷施工的长预应力注浆锚索和中空注浆锚杆，以形成覆盖所述盲矿体顶板围岩的立体支护网络。

6. 根据权利要求1所述的开采方法，其特征在于，在步骤S5中，回采应力缓冲区(Ⅰ区)和应力稳定区(Ⅲ区)时，通过控制中深孔孔底位置，在采场上部形成类拱形顶柱;对应力缓冲区(Ⅰ区)和应力稳定区(Ⅲ区)的采空区采用高强度充填体进行充填，待其强度达标后，再回采应力核心区(Ⅱ区)，并对应力核心区(Ⅱ区)区的采空区采用低强度充填体进行充填;所述高强度充填体的28天单轴抗压强度不低于2.5Mpa，90天终极单轴抗压强度不低于3.5Mpa。

7.根据权利要求6所述的开采方法，其特征在于，回采应力核心区(Ⅱ区)时，其切割槽的形成与应力缓冲区(Ⅰ区)顶柱的回收同步进行;和在应力核心区(Ⅱ区)的最终回采循环中，同步完成对应力稳定区(Ⅲ区)顶柱的回收。

8.根据权利要求1所述的开采方法，其特征在于，在步骤S5中，采用上向平行扇形中深孔进行微差爆破落矿，炮孔排间距为1.2m~1.4m，孔距为1.0m～1.5m，孔径为65mm~70mm，崩矿步距小于5m，毫秒延迟时间为25~100ms。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于矿山地下开采技术领域，特别涉及一种针对与现有采空区相邻、地质条件复杂、开采风险高的中厚盲矿体的安全高效综合开采方法。

背景技术

[0002]矿产资源是国民经济的重要基石。随着浅部易采资源的逐渐枯竭，从复杂地质环境中回收残留矿体和历史遗留的盲矿体已成为重要的资源接替方式。然而，这些盲矿体往往紧邻边界与内部状态均不明确的老采空区，构成典型的“近采空区盲矿体”开采难题。

[0003]此类近采空区盲矿体开采的三大难点：其一，存在应力场扰动，采空区导致围岩应力重新分布，其周边形成的高应力会传递至盲矿体，使其处于高静载应力状态;其二，隐蔽致灾因素多，围岩自稳能力差，在采动应力叠加下易诱发岩爆、突水等灾害;其三，开采扰动风险高，直接开采易打破原有应力平衡，引发采空区与新建设采场之间的岩层连锁失稳。

[0004]传统开采方法需要从地表或安全区域重新掘进大量专用巷道用于探测、治理和回采，工程投资巨大、建设周期长、成本高。且传统方法是被动适应采空区影响，或仅对目标矿体进行局部支护，未能从根本上阻断来自采空区的应力传递路径，导致回采风险极高，甚至因安全问题而被迫放弃资源开采。

发明内容

[0005]本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种通过系统性多阶段地利用单一的上部探矿巷工程，从精准探测资源与灾害源、主动隔离老采空区、应力分区到分步回采、全流程安全可控的基于上部探矿巷协同利用的近采空区中厚盲矿体开采方法。

[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于上部探矿巷协同利用的近采空区中厚盲矿体开采方法，包括以下步骤：

S1. 精准探测与边界控制：利用预先掘进于盲矿体上部或上盘围岩中的探矿巷作为探测作业平台，施工加密的探测钻孔群，并结合孔内探测技术，准确界定邻近采空区的边界以及盲矿体的空间形态;具体地利用最接近目标区域的上部探矿巷布置升级加密钻孔探测工程，采用ZYJ-1000/200架柱式液压回转钻机向盲矿体和邻近采空区方向从该巷道内以最优的空间角度施工放射状、网格化的探测钻孔群，在钻孔中集成应用钻孔摄像或钻孔雷达现代孔内探测技术，圈定采空区的实际边界、顶板冒落高度、裂隙发育的范围;同时，识别盲矿体的精确形态，包括其顶板、底板和四周的侧伏边界，为后期隔离工程和回采方案提供数据支撑。

[0007]S2. 主动隔离屏障构筑：基于步骤S1获得的边界数据，从探矿巷内，朝向采空区与盲矿体之间的关键隔离区域施工注浆钻孔，通过注浆钻孔高压注入浆液，具体包括：沿上部探矿巷道轴线方向，布置双排多个帷幕钻孔，钻孔间距为800~1200mm，钻孔方向朝向采空区一侧倾斜10°~20°。采用层次化注浆，先注入低粘度浆液渗透封堵微小裂隙，再注入高粘度浆液形成骨架，最后进行高压劈裂注浆，使浆脉相互连接，形成具有高抗剪和抗压强度的结石体形成一道连续的注浆帷幕体，以主动隔离采空区与后续的采矿作业区;降低采空区安全隐患的影响，提高岩柱的整体强度，有效阻隔采空区应力向采矿作业区的直接传递作用。

[0008]S3. 矿体分区：根据步骤S1获得的盲矿体的空间形态、步骤S2构筑的注浆帷幕体的位置，结合岩体力学参数与应力分布，将所述盲矿体在三维空间内划分为邻近注浆帷幕体的应力缓冲区Ⅰ区、位于矿体中部的应力核心区Ⅱ区以及位于矿体侧翼的应力稳定区Ⅲ区;

S4. 顶板覆岩主动预加固：利用探矿巷作为施工平台，向下施工由锚杆和锚索组成的岩层加固体系，对所述盲矿体上方的覆岩进行主动预加固;

S5. 分步回采与嗣后充填：基于步骤S3的矿体分区，按照先同步回采应力缓冲区Ⅰ区和稳定区Ⅲ区、后回采应力核心区Ⅱ区的顺序进行;每一分区的回采均采用中深孔落矿法，并在该分区回采结束后，利用布置于探矿巷中的充填钻孔向采空区输送充填浆体进行嗣后充填，具体包括在该分区内掘进采准巷道、施工中深孔、爆破落矿、出矿，并在该分区回采结束后，用充填体对形成的采空区进行嗣后充填为现有技术。具体可以以5m~8m为分段高度掘进分段凿岩巷道，在矿体下盘围岩内沿矿体走向布置断面规格为2.2m×2.4m的装矿平巷，自脉外装矿平巷，沿矿体下盘掘进断面为2.2m×2.4m的装矿进路，直至贯通集矿堑沟，于矿体底部掘进拉底巷道，并通过所述装矿进路实现装矿平巷与拉底巷道的连通;主要采准切割工程包括分段运输巷、分段凿岩巷、斜坡道、切割巷、出矿进路、采场联络道，应力缓冲区Ⅰ区和应力稳定区Ⅲ区的采场的充填钻孔沿采场顶部上盘线与顶柱边界布置，以优化充填料浆的流动路径，应力核心区Ⅱ区采场的充填钻孔布置在Ⅱ区采场的中间位置。

[0009]进一步地，本发明所述探测钻孔群的布置间距为10~15米，所述孔内探测技术包括钻孔摄像、钻孔雷达中的一种或两种组合。

[0010]进一步地，本发明所述注浆钻孔呈梅花形或矩形分布至少两排，浆液材料为水泥基浆液，其水灰比范围为0.6:1~1:1。

[0011]进一步地，本发明所述应力缓冲区Ⅰ区的宽度L依据公式 L = (0.2~0.35)× W 确定，其中W为所述盲矿体的水平宽度;所述应力核心区Ⅱ区为最大主应力超过原岩应力1.5倍以上的区域;所述应力稳定区Ⅲ区为剩余矿体部分。

[0012]进一步地，本发明所述岩层加固体系包括通过所述探矿巷施工的长预应力注浆锚索和中空注浆锚杆，以形成覆盖所述盲矿体顶板围岩的立体支护网络。

[0013]进一步地，本发明在回采应力缓冲区Ⅰ区和应力稳定区Ⅲ区时，通过控制中深孔孔底位置，在采场上部形成类拱形顶柱;对应力缓冲区Ⅰ区和应力稳定区Ⅲ区的采空区采用高强度充填体进行充填，待其强度达标后，再回采核心区Ⅱ区，并对核心区Ⅱ区的采空区采用低强度充填体进行充填;所述高强度充填体的28天单轴抗压强度不低于2.5Mpa，90天终极单轴抗压强度不低于3.5 Mpa。

[0014]进一步地，本发明在回采核心区Ⅱ区时，其切割槽的形成与应力缓冲区Ⅰ区顶柱的回收同步进行;和在应力核心区Ⅱ区的最终回采循环中，同步完成对稳定区Ⅲ区顶柱的回收。

[0015]进一步地，本发明采用上向平行扇形中深孔进行微差爆破落矿，炮孔排间距为1.2m~1.4m，孔距为1.0m～1.5m，孔径为65mm~70mm，崩矿步距小于5m，毫秒延迟时间为25~100ms。

[0016]与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1、本发明利用单一的上部探矿巷工程，从精准探测资源与灾害源、主动隔离老采空区、应力分区到分步回采、全流程安全可控，实现了从源头防灾到过程可控的全周期安全管理。

[0017]2、本发明通过主动构筑注浆帷幕和主动加固覆岩，阻隔了采空区的有害应力传递，提升了采矿系统的安全性。

[0018]3、本发明充分利用已有探矿巷，减少了新增专用工程巷道的掘进量，缩短了建设周期，降低了生产成本。

[0019]4、本发明通过优化的采场结构与回采顺序，将传统方法中视为必要牺牲的保安矿柱转变为安全、可控的可采资源，降低了矿石的贫化与损失。

附图说明

[0020]图1为本发明对近采空区中厚盲矿体的精准探测与边界控制示意图。

[0021]图2是本发明图4中的A-A方向的矿体回采结构示意图;

图3是图2中 B-B方向的矿体回采结构示意图;

图4是图2中C-C方向的矿体回采结构示意图;

图5是本发明厚盲矿体中Ⅰ区、Ⅲ区采场回采完毕后充填示意图;

图6是本发明厚盲矿体中Ⅱ区采场矿体回采结构示意图。

[0022]1- 采空区;2- 盲矿体;3- 上盘探矿巷;4-勘探钻孔;5-应力缓冲区(Ⅰ区);6-应力核心区(Ⅱ区);7-应力稳定区(Ⅲ区);8-注浆帷幕体;9-注浆钻孔;10-注浆长锚索;11-注浆锚杆;12-间柱;13-崩落矿石;14-切割槽;15-顶柱;16-分段凿岩巷道;17-分段运输巷;18-出矿平巷;19-装矿进路;20-扇形中深孔;21-充填钻孔;22-充填体;23-采场联络道。

具体实施方式

[0023]为了使本发明更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

[0024]以某地下金属矿山为例，该矿山-300m中段存在一倾角约55°、水平厚度16米的中厚盲矿体2，前期已进行初步地质勘查，于矿体上盘岩层中布置了所述上盘探矿巷3，该矿体侧翼为采用空场法开采形成的、边界不清的复杂老采空区1，内部存在大量垮落岩石和裂隙水，经初步探测存在涌水风险，若采用传统的开采方法风险极高。

[0025]采用本发明方法进行开采，具体步骤如下：

如图1所示，S1. 采空区1和盲矿体2的精准探测与边界控制：利用-300m中段已有的，位于矿体上盘的上盘探矿巷3作为探测平台，沿上盘探矿巷每隔15米设置一个探测钻窝，使用坑道钻机施工放射状勘探钻孔4，钻孔深度以穿透老采空区和完全控制盲矿体边界为准，采用钻孔摄像技术确认老采空区的实际边界、顶板冒落形态和部分充填情况;采用钻孔雷达技术精确圈定盲矿体的顶底板界线，并探测出采空区底板下方一条延伸至盲矿体上方宽度约2~5米的导水裂隙带;

S2. 主动隔离屏障构筑：基于步骤S1探明的导水裂隙带位置，在采空区1与盲矿体2之间的关键隔离区域构筑一道注浆帷幕体。本实施例在上盘探矿巷3内，对应裂隙带位置，布置两排(排距2.0m)呈梅花形分布的注浆钻孔9，孔距3.0m，选用水灰比为0.8:1的水泥浆液，采用分段下行式注浆，初始压力1~2MPa，随后根据吸浆量以每分钟0.1~0.15MPa的速率缓慢升压，当压力升至5.5 MPa且吸浆量持续小于5 L/min时，稳压注浆10分钟后结束该孔，形成一道厚度不小于4.0m的致密注浆帷幕体8，以主动隔离采空区与后续的采矿作业区。经检验，堵水率达到92%以上。

[0026]S3. 矿体分区：根据步骤S1获得的盲矿体的空间形态、步骤S2构筑的注浆帷幕体的位置，结合岩体力学参数与应力分布，将所述盲矿体在三维空间内划分为邻近注浆帷幕体的宽度为8米的应力缓冲区Ⅰ区5、位于矿体中部的宽度为12米的应力核心区Ⅱ区6以及位于矿体侧翼距离采空区最远的宽度为6米的应力稳定区Ⅲ区7;

S4. 盲矿体顶板覆岩主动预加固：利用探矿巷作为施工平台，向下施工由锚杆和锚索组成的岩层加固体系，对所述盲矿体上方的覆岩进行主动预加固，特别是在回采的Ⅱ区高应力核心区前，由于其顶板暴露面积最大，风险最高，必须对覆岩进行主动加固。

[0027]本实施例利用上盘探矿巷3作为施工平台，向下施工预应力长注浆锚索10(长度20m，间距2.0m×2.0m，呈矩形排列)确保锚固端深入稳定岩层不少于5米，单根锚索预应力为200kN，采用低松弛钢绞线，注浆时采用水泥浆液，水灰比0.8~1，注浆压力4~6Mpa;使用专用锚索钻机施工，同时在长锚索间辅以长度5米的注浆锚杆11对浅部破碎岩体进行补强，注浆时采用水泥浆液/普通硅酸盐水泥，水灰比0.5~0.8，注浆压力3~4MPa，形成由锚杆和锚索构成立体支护网络，对覆岩进行主动预加固。

[0028]S5. 分步回采与嗣后充填：基于步骤S3的矿体分区，按照先同步回采Ⅰ区和Ⅲ区、后回采Ⅱ区的顺序进行;

如图2~4所示，首先在Ⅰ区、Ⅲ区底部掘进出矿平巷18并施工凿岩硐室，在Ⅰ区矿块留设间柱12，以该间柱为界沿矿体走向方向划分出不同的回采矿房，以8m为分段高度掘进分段凿岩巷道16，在矿体下盘围岩内沿矿体走向布置断面规格为2.2m×2.4m的装矿进路19直至贯通集矿堑沟;布置采场联络道23联通分段凿岩巷与分段运输巷17，于矿体底部掘进拉底巷道，并通过装矿进路实现装矿平巷与拉底巷道的连通;使用凿岩台车或YGZ-90型钻机/ZYJ-1000/200架柱式液压回转钻机在分段凿岩巷道内按后退方式逐排钻凿上向平行扇形中深孔20，排距为1.2mm，孔距为1.5m，孔径为70mm，崩矿步距小于5m，所述分段微差爆破的毫秒延迟时间为25~100ms。

[0029]Ⅰ区、Ⅲ区采场开采上分段超前下分段2个崩矿步距回采，Ⅰ区最上一个分段的中深孔孔底以顶柱15边界所在位置为顶点，沿采场走向长度、钻孔排距及孔底的设计高差线逐排降低，Ⅲ区最上一个分段的中深孔孔底以切割槽所在位置沿孔底设计高差线逐排升高至采场顶部上盘线与顶柱边界，Ⅰ区、Ⅲ区回采爆破的同时在上部形成类拱形顶柱。

[0030]Ⅰ区、Ⅲ区出矿完毕后，立即在上盘探矿巷3内，使用钻机施工3个直径为200mm的充填钻孔21，钻孔终端位于Ⅰ区、Ⅲ区采场的顶板最高点。

[0031]充填：采用浓度为70%~75%的尾砂胶结充填，充填料浆通过地表充填站制备，经主充填管输送至-300m中段，再通过支管引入上盘探矿巷，最后经充填钻孔21自流进入Ⅰ区、Ⅲ区采场空区，充填体22的28天设计单轴抗压强度为2MPa。

[0032]Ⅰ区、Ⅲ区充填体强度达到设计指标后回采Ⅱ区，Ⅱ区的切割槽形成作业与Ⅰ区顶柱的回收同步进行;同样地，在Ⅱ区自身的最终回采循环中，亦同步完成对Ⅲ区顶柱的回收;上述顶柱回收作业均采用小步距、交替式的顺序回采，采用浅孔凿岩、控制爆破的方式。

[0033]Ⅱ区采场开采上分段超前下分段3个崩矿步距回采，各分区采场均以上分段超前下分段呈阶梯后退式回采，崩落矿石13借自重落入采场底部，通过出矿平巷由铲运机运出。Ⅱ区采场回采完成后采用低强度充填体对采空区进行充填。

[0034]上述实施方式仅为示例，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的实施方式或对部分技术特征进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

说明书附图(6)