一种上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护方法

本发明属于上向充填采矿，尤其涉及一种上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护方法。

背景技术：

1、上向水平分层充填法是国内外应用最广泛的充填采矿法之一，其特征是：将矿块划分为矿房、矿柱，先采矿房，后采矿柱。矿房自下而上分层(水平分层或倾斜分层)回采，每回采一个或若干个分层后，及时进行充填以维护上下盘围岩，并创造不断上采的作业条件；矿柱按合理的回采顺序用充填法或其他合适的方法开采。适用于开采围岩不稳固的高品位、稀缺、贵重矿石的矿体、地表不允许陷落、开采条件复杂，如水体、铁路干线、主要建筑物下面的矿体和有自燃火灾危险的矿体等。充填采矿法中上向充填采矿法应用很广泛，上向充填采矿法将矿房在垂直高度上划分分层，由下向上逐层回采。在矿房中布置充填天井，用来注入充填料，有时兼作提运设备、材料、通风和行人用。每采完一个分层，随即进行充填，并在充填体中顺路构筑放矿溜井和行人天井(兼作泄水井用)。回采过程包括凿岩、崩矿、出矿、架设行人天井和矿石溜井、建造隔墙、充填和铺盖胶结底板等。在每一分层充填体上部均铺盖强度较大的胶结底板，以减少出矿时矿石的贫化和损失并提高出矿效率；然而，现有上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护设计与施工相对独立或相互脱节，没有统筹考虑支护设计与施工全流程结合，这导致了支护设计阶段信息来源单一，难以验证设计合理性，而施工阶段产生的大量有用信息没有合理利用；施工工艺及工序会直接影响充填天井围岩应力重分布，而支护设计阶段往往没有结合施工过程信息，造成支护设计不合理及返工情况增加；同时，不能准确确定充填体强度和厚度。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

3、(1)现有上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护方法支护设计与施工相对独立或相互脱节，没有统筹考虑支护设计与施工全流程结合，这导致了支护设计阶段信息来源单一，难以验证设计合理性，而施工阶段产生的大量有用信息没有合理利用；施工工艺及工序会直接影响充填天井围岩应力重分布，而支护设计阶段往往没有结合施工过程信息，造成支护设计不合理及返工情况增加。

4、(2)不能准确确定充填体强度和厚度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护方法。

2、本发明是这样实现的，一种上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护方法包括：

3、步骤一：矿房设计与胶结充填体强度和厚度的确定

4、1.矿房设计：

5、设计矿房结构和支护方案，确保矿房在采矿过程和充填过程中的稳定性。这一设计不仅包括天井筒支护，而且涵盖整个矿房的支护结构，确保对矿房顶柱等关键部位的有效支护。

6、2.充填体强度和厚度模型构建：

7、基于矿房的结构和采矿条件，构建充填体强度和厚度模型，该模型应综合考虑矿石体质量、采矿深度、地质条件等因素，以预测充填体所需的强度和厚度。

8、3.胶结充填体参数确定：

9、根据构建的充填体强度和厚度模型，确定胶结充填体所需的具体强度和厚度，以满足矿房稳定性和支护强度的要求。

10、步骤二：充填过程和矿房顶柱支护

11、1.预留悬吊支柱：

12、在矿房最上分层回采时，预留四根悬吊支柱，这些支柱在出矿结束后用于与胶结充填体形成一体化支护结构。

13、2.胶结充填材料注满和凝结：

14、通过充填天井将胶结充填材料注满待充填空间，待胶结充填体凝结后，与四根悬吊支柱一体化，共同支撑矿房顶柱，增强顶柱的稳定性和承载力。

15、进一步优化的设计矿房支护方法

16、工程地质数据的计算：

17、详细计算和分析第j段充填天井筒及矿房的工程地质数据，这些数据应包括但不限于岩石的物理和化学性质、地下水情况、应力分布等，以科学制定矿房支护方案。

18、进一步，所述设计矿房支护方法如下：

19、(1)计算第j段充填天井筒的工程地质数据；j＝1，2，3，4，…，

20、当j＝1时，在计算中的优选次序依次为利用第j段充填天井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据，

21、当j≥2时，在计算中的优选次序依次为利用第j段充填天井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第j-1段充填天井筒的第二测量数据计算得到的工程地质数据、利用第一测量数据计算得到的工程地质数据，

22、所述第一测量数据为工程地质勘察中的测量数据，所述第二测量数据为施工过程中的测量数据，

23、所述第二测量数据包括第三测量数据、第四测量数据，所述第三测量数据为实际揭露围岩测量过程中的测量数据，所述第四测量数据为施工钻孔过程中的测量数据，所述工程地质数据包括岩性分类、岩层产状参数、岩体完整性参数、岩石强度参数、地下水状态参数；

24、(2)利用所述第j段充填天井筒的工程地质数据确定第j段充填天井筒的围岩分类；根据得到的第j段充填天井筒的围岩分类设计第j段充填天井筒的n个支护方案，其中n≥2；判断设计的第j段充填天井筒的各个支护方案的施工可行性，舍弃不可行的支护方案；

25、(3)设计得到第j段充填天井筒的各个可行支护方案的施工工艺工序；利用监控量测数据调整各个可行支护方案的施工工艺工序；判断各个可行支护方案的施工工艺工序的工期、成本是否符合工程要求，将符合工程要求的可行支护方案及其施工工艺工序输入到数据库中；令j＝j+1，跳转到第一步。

26、进一步，所述方法还包括：

27、计算各个可行支护方案的综合评价得分si＝q1％×ai+q2％×bi+q3％×ci，选取综合评价得分最高且工期、成本均符合要求的支护方案为最优支护方案，其中，si∈[0，100]，q1％、q2％、q3％分别为安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分在综合评价得分中的权值，ai、bi、ci分别为第i个可行支护方案的安全性评价得分、工期评价得分、成本评价得分。

28、进一步，所述利用第三测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据。

29、进一步，所述工程地质数据还包括爆破块度参数，所述第二测量数据还包括第五测量数据，所述第五测量数据为施工爆破过程中的测量数据，利用第五测量数据计算得到的工程地质数据在计算中的优选次序低于利用第三测量数据计算得到的工程地质数据，且其优选次序高于利用第四测量数据计算得到的工程地质数据的优选次序。

30、进一步，所述构建充填体强度和厚度模型方法如下：

31、1)矿房胶结充填体力学作用及稳定性影响因素分析，构建矿房胶结充填体力学模型：

32、2)矿房胶结充填体应力及位移分布状态分析，建立矿房胶结充填体强度和厚度模型：

33、根据矿房胶结充填体的力学模型，采用弹性力学理论布希涅斯克基本解答，分析满载无轨设备垂直荷载作用下矿房胶结充填体的垂直位移和垂直应力分布状态；采用弹性力学理论赛如提基本解答，分析满载无轨设备水平荷载作用下矿房胶结充填体的垂直应力和垂直位移状态；

34、根据应力叠加原理，分析得到满载无轨设备垂直荷载和水平荷载综合作用下，矿房胶结充填体垂直应力和垂直位移分布状态；

35、根据满载无轨设备荷载作用下矿房胶结充填体垂直应力分布状态，确定矿房胶结充填体最大垂直应力，以满足满载无轨设备正常运行为强度设计要求，考虑一定的安全系数，建立矿房胶结充填体抗压强度模型；

36、根据满载无轨设备荷载作用下矿房胶结充填体垂直位移分布状态，确定矿房胶结充填体最大垂直位移，根据矿房胶结充填体垂直位移、厚度、弹性模量、应力、应变之间的关系，以矿房胶结充填体发生最大形变仍处于弹性状态为前提条件，考虑一定的安全系数，建立矿房胶结充填体厚度模型；

37、进一步，所述矿房胶结充填体力学作用及稳定性影响因素如下：

38、上向水平分层充填采矿法采场结构特征为：无论采用何种形式对分层进行回采，采场顶板均为矿体，底板均为矿房胶结充填体；

39、矿房胶结充填体力学作用为：矿房胶结充填体作为继续上采的工作平台，需要满足满载无轨设备运行的条件，且在服务分层回采过程保证稳定及整体性；

40、矿房胶结充填体稳定性影响因素：矿房胶结充填体破坏的直接原因在于满载无轨设备运行时其荷载作用于矿房胶结充填体应力值大于设计强度，满载无轨设备运行时作用矿房胶结充填体的荷载分为垂直荷载和水平荷载。

41、进一步，所述矿房胶结充填体力学模型为：

42、满载无轨设备垂直荷载和水平荷载通过轮胎直接作用于矿房胶结充填体，两者之间为面接触，视矿房胶结充填体为半空间体，则矿房胶结充填体力学模型可分为半空间体在边界上受垂直均布荷载和半空间体在边界上受水平均布荷载，为简化分析可将力学模型简化为半空间体在边界上受垂直集中力和半空间体在边界上水平向集中力。

43、进一步，所述矿房胶结充填体力学作用及稳定性影响因素分析：

44、根据不同采场结构上向水平分层充填采矿法的典型工艺特征，分析矿房胶结充填体作为采场继续上采的工作平台的力学作用，以满足满载无轨设备正常运行的要求；分析矿房胶结充填体的强度需求以及稳定性影响因素。

45、进一步，所述构建矿房胶结充填体力学模型：

46、根据矿房胶结充填体力学作用，满载无轨设备运行时对矿房胶结充填体施加的荷载特征，构建矿房胶结充填体力学模型，建立垂直荷载力学模型和水平荷载力学模型。

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、本发明通过设计矿房支护方法统筹考虑了支护结构和施工过程之间的相互影响，整合了施工过程中大量有用信息作为支护设计参考，实现了超矿房支护设计和施工过程参数的信息一体化，提高了超矿房工程管理效率和水平，实现安全、经济、高效；同时，通过构建充填体强度和厚度模型方法可精确分析无轨设备满载条件下，矿房胶结充填体应力、位移分布状态，可为矿房胶结充填体抗压强度及厚度设计提供理论依据；以无轨设备满载条件下矿房胶结充填体最大垂直位移及最大垂直应力数值为基础参数，分析矿房胶结充填体质量对稳定性的影响，以矿房胶结充填体满足无轨设备运行的要求，考虑一定的安全系数，构建矿房胶结充填体抗压强度和厚度设计模型。

49、第二，本发明通过设计矿房支护方法统筹考虑了支护结构和施工过程之间的相互影响，整合了施工过程中大量有用信息作为支护设计参考，实现了超矿房支护设计和施工过程参数的信息一体化，提高了超矿房工程管理效率和水平，实现安全、经济、高效；同时，通过构建充填体强度和厚度模型方法可精确分析无轨设备满载条件下，矿房胶结充填体应力、位移分布状态，可为矿房胶结充填体抗压强度及厚度设计提供理论依据；以无轨设备满载条件下矿房胶结充填体最大垂直位移及最大垂直应力数值为基础参数，分析矿房胶结充填体质量对稳定性的影响，以矿房胶结充填体满足无轨设备运行的要求，考虑一定的安全系数，构建矿房胶结充填体抗压强度和厚度设计模型。

50、第三，本发明提出的上向充填采矿法矿房顶柱胶结支护方法相较于现有技术，体现了以下显著的技术进步：

51、1.提高矿房支护的针对性和有效性：通过将充填体强度和厚度模型引入矿房支护设计，该方法能够更准确地确定胶结充填体的强度和厚度，进而针对性地提高矿房顶柱的稳定性和安全性。这种方法根据具体的工程地质数据和矿房特性进行个性化设计，相较于传统的一刀切支护方案，具有更高的效率和适用性。

52、2.创新的支护结构设计：在最上层分层回采时预留四根悬吊支柱，并利用这些支柱与胶结充填体形成一体化的支护结构，这一设计创新有效地利用了充填材料与矿房结构的协同作用，显著增强了顶柱的承载能力和抗变形能力。这种一体化支护结构的应用，是传统方法中难以实现的技术进步。

53、3.优化的工程地质数据应用：通过计算充填天井筒所在段的工程地质数据，并基于这些数据设计天井筒支护方案，该方法能够确保充填天井在整个充填过程中的稳定性。这种基于实际地质情况的精确计算和设计，提高了支护结构的可靠性，减少了潜在的安全风险。

54、4.增强的矿房顶柱保护效果：通过精确控制胶结充填体的强度和厚度，以及通过预留悬吊支柱与胶结充填体形成的一体化支护结构，显著提升了矿房顶柱在采矿过程中的稳定性和安全性。这种方法有效地解决了上向充填采矿法中顶柱容易受损的问题，延长了矿房的使用寿命，减少了维修和重建的成本。

55、本发明提供的方法在提高矿房支护的针对性和有效性、创新的支护结构设计、优化的工程地质数据应用以及增强的矿房顶柱保护效果等方面体现了显著的技术进步，为上向充填采矿法中矿房顶柱的稳定性和安全性提供了全面且有效的解决方案。