一种免拉槽分段充填采矿法及系统

本发明属于免拉槽分段充填采矿，尤其涉及一种免拉槽分段充填采矿法及系统。

背景技术：

1、充填采矿法是指落矿、运搬等回采作业结束后，用充填料充填采空区的采矿方法。充填的目的是支护采空区顶板及两帮岩石，并为继续进行上面分层回采提供立足的底板。它适用于矿石和围岩不稳固，不允许有较大暴露面的矿床；地表需要保护的矿床；稀有贵金属或高品位的矿床；有自燃性的硫化矿床；赋存条件复杂的矿床等。某铜矿开采技术条件复杂，矿石主要为块状铜矿石，整体性较好，岩性较为坚硬，上盘围岩主要是凝灰岩，岩性较差，下盘围岩主要为玄武岩，局部再现凝灰岩。区内褶皱、断裂构造发育，矿体受地质构造控制，节理、裂隙极其发育，造成矿石极其破碎。由褶皱、构造活动产生的构造裂隙密集带、层间破碎带形成的散体结构和破碎结构岩组是影响矿体围岩稳定性的主要因素，属工程地质条件极差的岩体；然而，现有免拉槽分段充填采矿法对免拉槽分段充填采矿的承载层受力分析不准确。

2、现有技术存在的技术问题：

3、1.拉槽需求问题：传统的分段充填采矿方法通常需要拉槽以形成独立的采矿单元，这一过程不仅增加了作业复杂性，也消耗了更多的时间和资源。

4、2.充填效率问题：在没有有效的充填管理和控制系统的情况下，充填效率低下，难以保充填体的质量和稳定性，影响了后续的采矿作业和矿区安全。

5、3.回采与充填的协调问题：传统系统中，回采与充填操作的协调性不足，导致作业中断，影响整体采矿效率。

6、4.实时监控和评估问题：缺乏有效的监控与评估手段，难以实时获取矿体的回采情况和充填体的稳定性，影响了决策的及时性和准确性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种免拉槽分段充填采矿法及系统。

2、本发明是这样实现的，本系统提供了一种免拉槽分段充填采矿系统，包括如下模块：

3、探测与分析模块，配置有探测装置和分析算法，用于实时获取并分析目标采矿区的地质体构造、岩石性质、地形地貌和矿化脉体等信息，并基于所述信息分析充填体的充填高度及承载层受力情况；

4、分段矿房及分条矿块划分模块，具备划分功能，用于将采矿区域划分为多个矿房和矿块，并进行采准、切割工程布置，以优化矿产资源的开采效率；

5、回采与充填作业模块，配置有回采控制系统和充填管理系统，用于指导分条矿块的回采和充填作业，其中回采作业包括挤压槽爆破以形成切割槽，利用挤压爆破形成的补偿空间进行正常爆破回采；

6、循环作业模块，具备循环控制逻辑，用于在完成一分条矿块的回采与充填后，自动转入下一分条矿块的回采与充填循环作业，确保整个采矿过程的连续性和高效性；

7、显示模块，与主控模块电连接，用于显示探测与分析结果、矿房矿块划分情况、回采与充填进度和循环作业状态，提供直观的操作界面与实时监控。

8、其中，所述探测与分析模块进一步配置有功率计算功能，用于根据实时探测数据计算分析所需的处理能力，并优化充填采矿过程中的能耗；所述回采与充填作业模块采用挤压槽爆破技术，确保在无需拉槽的情况下实现高效率的矿石回采与空间充填。

9、本发明还提供了一种免拉槽分段充填采矿系统，该系统包括：

10、探测与分析模块，用于对目标采矿区地质体的构造、岩石性质、地形地貌、矿化脉体等进行探测，确定矿产的位置、规模和品位等信息；同时，该模块还负责分析充填采矿中充填体的充填高度，以及免拉槽分段充填采矿的承载层受力；

11、分段矿房及分条矿块划分模块，用于对矿房和矿块进行划分，并进行采准、切割工程布置；

12、回采与充填作业模块，首分条矿块的回采、充填作业在此模块进行，同时相邻矿块的回采时进行挤压槽爆破形成切割槽，并利用挤压爆破形成的补偿空间进行正常爆破回采作业；

13、循环作业模块，待第二分条矿回采完毕后，进入下一个相邻分条矿块，重复进行挤压槽爆破形成切割槽、回采的循环过程。

14、本系统作为免拉槽分段充填采矿法的辅助系统，专门用于分析和管理充填体的充填高度，该系统包括：

15、收缩率与膨胀系数计算模块，用于计算强度免拉槽分段充填体固结过程中的收缩率和膨胀免拉槽分段充填体固结过程中的膨胀系数；

16、充填高度分析模块，基于建立的免拉槽分段充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程，对免拉槽分段充填体进行临界状态分析，得到膨胀免拉槽分段充填体和强度免拉槽分段充填体的充填高度；

17、数据管理与优化模块，负责收集、存储和分析上述计算结果，为充填高度的调整和优化提供决策支持。

18、本系统提供了一种专门用于制造改性镁渣基免拉槽分段充填体的系统，该系统包括：

19、镁渣处理模块，用于对皮江法炼镁产生的镁渣进行活性保持和稳定性保持处理；

20、混合胶凝模块，将处理后的镁渣与工业固废材料混合胶凝，所述工业固废材料包括采矿废渣、冶金废渣、燃料废渣、化工废渣和建筑废材中的一种或多种，且至少一种能够消除改性镁渣中不安定组分；

21、成型与固化模块，将混合胶凝后的材料成型为免拉槽分段充填体，并进行固化处理；

22、质量检测与评估模块，负责对制造出的改性镁渣基免拉槽分段充填体进行质量检测和性能评估，确保其满足免拉槽分段充填采矿的需求。

23、本发明还提供了一种免拉槽分段充填采矿法包括：

24、步骤一，对目标采矿区地质体的构造、岩石性质、地形地貌、矿化脉体等进行探测，确定矿产的位置、规模和品位等信息；

25、步骤二，分段矿房及分条矿块划分，采准、切割工程布置，拉槽爆破，首分条矿块的回采、充填作业，对充填采矿中充填体的充填高度进行分析；对免拉槽分段充填采矿的承载层受力进行分析；

26、步骤三，相邻矿块的回采时进行挤压槽爆破形成切割槽；利用挤压爆破形成的补偿空间，进行正常爆破回采作业，待第二分条矿回采完毕后，进入下一个相邻分条矿块，挤压槽爆破形成切割槽、回采、循环上述相邻矿块的回采过程。

27、进一步，所述对充填采矿中充填体的充填高度进行分析方法如下：

28、(1)计算强度免拉槽分段充填体固结过程中的收缩率；计算膨胀免拉槽分段充填体固结过程中的膨胀系数；

29、(2)建立免拉槽分段充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程；对免拉槽分段充填体进行临界状态分析，得到膨胀免拉槽分段充填体和强度免拉槽分段充填体的充填高度。

30、进一步，所述强度免拉槽分段充填体为改性镁渣基免拉槽分段充填体。

31、进一步，所述改性镁渣基免拉槽分段充填体通过将改性镁渣与工业固废材料混合胶凝制成，所述改性镁渣为对皮江法炼镁产生的镁渣进行活性保持和稳定性保持处理后的镁渣，所述工业固废材料包括采矿废渣、冶金废渣、燃料废渣、化工废渣和建筑废材中的一种或多种，且至少一种能够消除改性镁渣中不安定组分。

32、进一步，所述改性镁渣基免拉槽分段充填体的收缩率计算公式为：

33、

34、其中，rc为改性镁渣基免拉槽分段充填体的收缩率，x为改性镁渣基免拉槽分段充填体的竖向收缩量，h为免拉槽分段充填体的总高度。

35、进一步，所述膨胀免拉槽分段充填体为原镁渣基免拉槽分段充填体。

36、进一步，所述原镁渣基免拉槽分段充填体通过将原镁渣与工业固废材料混合胶凝制成，所述原镁渣为皮江法炼镁产生的镁渣。

37、进一步，所述原镁渣基免拉槽分段充填体的膨胀系数计算公式为：

38、

39、其中，re为原镁渣基免拉槽分段充填体的膨胀系数，y为原镁渣基免拉槽分段充填体的竖向膨胀量，h为免拉槽分段充填体的总高度。

40、进一步，所述对免拉槽分段充填采矿的承载层受力进行分析方法如下：

41、1)建立免拉槽分段充填采矿承载层力学模型；通过建立的力学模型，计算免拉槽分段充填采矿承载层的最大受力点处各应力分量；通过最大受力点处各应力分量，计算免拉槽分段充填采矿承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；

42、2)计算免拉槽分段充填采矿承载层在自身容重作用时，载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力；计算免拉槽分段充填采矿承载层在自身容重作用和免拉槽分段充填采矿承载层上表面承受均布荷载时，免拉槽分段充填采矿承载层最大受力点处的上下表面最大弯矩应力。

43、进一步，所述免拉槽分段充填采矿承载层力学模型为弹性力学简支梁力学模型；

44、免拉槽分段充填采矿承载层的最大受力点处各应力分量表述为：

45、

46、其中，σx为免拉槽分段充填采矿承载层的最大受力点处应力在x方向的分量，σy为免拉槽分段充填采矿承载层的最大受力点处应力在y方向的分量，τxy为免拉槽分段充填采矿承载层的最大受力点处的剪应力分量，为应力函数，a、b、c为待定系数，f为假设系数，f2(x)为x的任意形式的函数。

47、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

48、第一、本发明通过对充填采矿中充填体的充填高度进行分析方法计算强度充填体固结过程中的收缩率和膨胀充填体固结过程中的膨胀系数，以及建立充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程，对充填体的物理性能进行全面分析；同时，通过对免拉槽分段充填采矿的承载层受力进行分析方法基于弹性力学，结合简支梁力学模型，综合考虑承载层(人工假顶、胶结充填体)自身力学特征、进路开挖非胶结充填体力学作用、承载层自身容重与所受均布荷载时等多因素的影响，建立下向分层进路式充填采矿开挖后承载层力学模型，分析各因素对需求强度的影响，对免拉槽分段充填采矿的承载层受力分析更加准确。

49、第二，本发明通过对充填采矿中充填体的充填高度进行分析方法计算强度充填体固结过程中的收缩率和膨胀充填体固结过程中的膨胀系数，以及建立充填体的平衡方程、变形协调方程和物理方程，对充填体的物理性能进行全面分析；同时，通过对免拉槽分段充填采矿的承载层受力进行分析方法基于弹性力学，结合简支梁力学模型，综合考虑承载层(人工假顶(同上)、胶结充填体)自身力学特征、进路开挖非胶结充填体力学作用、承载层自身容重与所受均布荷载时等多因素的影响，建立下向分层进路式充填采矿开挖后承载层力学模型，分析各因素对需求强度的影响，对免拉槽分段充填采矿的承载层受力分析更加准确。

50、第三，本发明提供的采矿方法的技术进步性在于：

51、减少工程量：免去了传统采矿方法中必要的拉槽环节，减少了工程量。

52、提高矿石回收率：通过分段充填采矿法可以更有效地控制矿石的回收，减少资源浪费。

53、环境友好：利用工业固废作为充填材料，减少了废物处理问题，实现资源的再利用，降低了采矿对环境的影响。

54、增强矿山稳定性：通过充填体的支撑作用，增强了开采区的稳定性，减少了地表塌陷的风险。

55、提高作业效率：通过挤压槽爆破和充填体的合理布置，提高了采矿作业的效率和安全性。

56、这些技术特点表明，免拉槽分段充填采矿法是一种有益于经济效益提升、安全生产和环境保护的采矿技术。

57、第四，本发明得到的技术效果：

58、1.提高充填效率和安全性：通过免拉槽分段充填采矿系统，简化了作业流程，减少了拉槽需求，提高了充填效率，同时确保了充填体的稳定性，增强了矿区的安全性。

59、2.优化作业流程：分段矿房及分条矿块的精确划分，以及回采与充填作业的有效协调，确保了作业的连续性，减少了中断时间，提高了整体作业效率。

60、3.增强实时监控与评估能力：探测与分析模块的引入，为实时监控矿体状态和充填效果提供了技术支持，增强了对采矿作业的实时评估和决策能力。

61、4.提升资源回收率：通过有效的分段回采和精确的充填作业，提高了矿石的回收率，减少了资源浪费，同时保护了矿区环境。

62、本发明通过技术创新，解决了传统采矿方法中存在的多项技术问题，提高了采矿效率和安全性，增强了资源回收能力和环境保护效果，具有显著的实用价值和推广前景。