[发明专利]一种“三下”矿体开采的关键层构造方法及其应用

说明书

本发明提供一种“三下”矿体开采的关键层构造方法及其应用，通过在矿体上部构造关键层，实现“三下矿体”的安全回采，将关键层理论、薄板理论、管棚工艺三者相结合，形成了构造关键层工艺，为三下矿体的高效开采提供了条件。依据本发明提供的方法构造关键层具有高刚度、高弹性模量、高强度的特征，很好的限制了地表的位移沉降，起到很好的保护作用。本发明形成了构造关键层下的VCR开采方法，实现了三下矿体的高效回采。

技术领域

本发明涉及一种矿体开采方法，具体涉及一种“三下”矿体开采的关键层构造方法及其应用；属于金属矿山地下开采领域。

背景技术

近年来随着浅层矿产资源的枯竭，“三下”矿体的回收逐渐受到矿山企业者们的重视。三下开采是指对位于地表水体、建筑物和铁路(公路)下的矿床的开采。各地有很多金属矿床埋藏在“三下”，在开采这类矿床时，要根据矿床的赋存条件，采取相应的回采工艺技术；使地下回采工作对地面建筑物、铁(公)路干线的变形控制在允许范围以内，同时防止地表水涌入井下造成水患。由于地面建筑物、铁(公)路干线以及地表水体存在特殊保护的要求，“三下”矿体开采过程中往往需要留设极为厚大保护矿柱或者隔水矿柱，造成很大一部分资源的浪费。“三下”开采对于回采工艺要求较高，现今的矿山多采用进路式充填这类小断面小扰动的采矿方法进行矿体的回收，即使是在矿岩稳固性较好的情况下，空场暴露面积也不敢设置过大。总而言之，现今的“三下”开采方法要不顶柱留设过厚，要不生产能力较小，工序复杂，对于厚大且矿岩稳固性较好的矿体无法发挥矿岩优势，实现大范围高效开采。

“三下”矿体的回采主要受制于对建筑物和铁路(公路)和地表水体的保护，但根据钱鸣高院士等提出的“关键层理论”可知，矿体回采过程中对地表沉降起着主要作用是岩层中的“关键层”，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动，同时地表水涌入采场也取决于“关键层”的隔水性能，只有“关键层”的隔水性能具有足够的隔水能力水体下回采才能顺利进行。根据上述分析可以发现，“三下”矿体的回收均取决于“关键层”承载能力和隔水性能，当“关键层”岩石强度不够或者隔水性能较差时就需要通过增大厚度来改善性能，这也是现今“三下”开采中顶板矿柱厚度较大的原因，但岩层性能的提升也可通过改造“关键层”的岩石强度和隔水能力来实现，但这类的发明和研究尚未被发现。针对以上两个问题，本发明旨在实现强保护层条件下的“三下”矿体的高效回收。

现有的三下开采技术方案多采用进路式充填法这种小段面开采方法，这类开采方法虽然产生的扰动小，但工序繁琐，效率较低，尤其是在矿岩条件较好的情况下无法发挥岩石承载能力的优势。顶板加固是三下开采常用的技术手段，但现有三下开采所采用的岩体加固方法多为注浆、锚杆等小刚度小范围加固方法，对于岩体的性能改善较小，不能形成主动承载结构，对于地表移动遏制效果有限。所以限制硬岩条件三下开采效率提高的主要因素在于上部岩体的承载能力，合理强化岩体是三下开采技术突破的关键所在。

发明内容

针对现有技术中针对三下开采技术存在的问题，本发明是通过对矿体上部岩体进行高性能强化，使其成为高刚度关键承载层，实现“三下矿体”的安全回采，具体目的是：1、依据一定力学原理和岩体强化工艺，建立采场上部关键岩体的强化工艺和设计方法；2、形成一套与再造关键层相适应的“三下”开采方法。

根据本发明提供的第一种实施方案，提供一种“三下”矿体开采的关键层构造方法。

一种“三下”矿体开采的关键层构造方法，该构造方法包括以下步骤：

(1)根据矿体内矿块的位置确定拟构造关键层的位置；

(2)根据矿体开采的施工条件和注浆渗透半径情况，确定关键层的厚度；

(3)关键层由管棚和注浆加固区组成，管棚由钢管构建；根据矿块的特征、关键层的厚度、施工情况，依据关键层的最大拉应力小于关键层的等效抗拉强度原理，确定关键层内的钢管数量，关键层内的钢管数量满足下式(I)：