專利名稱：崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度的定量化確定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種地下礦山開采的覆蓋巖層厚度的確定方法，尤其是涉及崩落采礦法中的覆蓋巖層厚度的定量化確定方法，可廣泛應用于崩落采礦法開采礦山留設合理覆蓋巖層厚度的確定。
背景技術：
目前我國地下鐵礦山采用崩落法開采的約占60%以上，崩落法采礦的基本特征是在覆蓋巖層下放出礦體，因此覆蓋巖層是崩落法開采最基礎最關鍵的要素，覆蓋層不僅是礦石損失、貧化控制的關鍵，也是回采過程安全的重要保障。覆蓋層留設過厚，則會增加強制崩落巖石工程的費用；留設太薄，則既不利于安全，又不利于貧化損失控制。因此，確定合理的覆蓋層厚度對提高礦石回收率、降低回采貧化率、確保礦山生產安全均具有重要的意義。但是，現有覆蓋層厚度的確定方法一方面缺乏充分的科學依據，另一方面缺乏工程適應性和針對性，這給礦山日常生產帶來了極大的困難。主要表現在以下兩點(1)覆蓋層厚度留設廣泛采用的工程類比法，沒有考慮回采工藝、采場參數、回采指標、礦巖性質等因素的影響，按照工程實踐總結所得一般覆蓋層厚度為20m的留設依據， 顯然不能滿足高分段安全生產的要求。(2)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定有底柱分段崩落法和階段崩落法回采的采場頂部應有厚度不小于崩落層高度的覆蓋巖層，無底柱分段崩落法覆蓋層厚度應達到分段高度的2倍左右。該規(guī)定顯然缺乏充分、科學的依據。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對現有技術存在的上述問題，提供一種充分結合采礦工藝、 針對性強、科學合理的崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度的定量化確定方法，該方法可以可定量精確計算出覆蓋層厚度。為實現本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度的定量化確定方法通過以下技術方案實現(1)基于采礦工藝要求的最低覆蓋層厚度的確定總結崩落礦巖移動特性、礦石損失貧化途徑及規(guī)律，發(fā)現在一個分段放礦條件下， 能夠蓋住礦石脊部殘留、能夠形成擠壓爆破條件、能夠保持礦巖界面連續(xù)性和完整性的最小覆蓋層厚度為一個包括脊部損失高度在內的分段高度。但每次出礦結束前總有一定量的廢石混入，因此當按一個分段高度留設覆蓋巖層時，第一個分段出礦結束后已經有部分礦石不能被廢石覆蓋住，此時礦石就有可能移動至廢石上面。為確保每個分段回采中和回采結束后礦石都能被覆蓋巖層覆蓋住，因此推導出滿足采礦工藝要求的最低覆蓋層厚度為tt l-r%式中，H-覆蓋層厚度(m) ；h-分段高度(m) ；N-分層數，(個)；r-廢石混入率(％ ) ；k-礦石回采率(％ )；yr, Yft-分別為礦、巖石比重(t/m3)；從上式可見，廢石混入率越低，需要覆蓋層的厚度越小，這也充分證明了無底柱崩落采礦中，低貧化放礦的重要意義。(2)基于削弱頂板冒落引發(fā)巷道內風速和風壓的覆蓋層厚度的確定頂板大規(guī)模瞬冒落過程中在冒落體上部或下部產生正壓和負壓后，引發(fā)的高速氣浪對井巷或空區(qū)內作業(yè)的人員、設施和設備等造成巨大傷害或破壞。以活塞式(最大沖擊條件下)崩落模型，模擬得到了巷道內的風速和風壓與覆蓋層厚度的關系曲線，擬合關系曲線可見①氣浪通過覆蓋覆蓋層后，其壓力衰減明顯，覆蓋層愈厚，壓力愈低，隨著覆蓋層的加厚，衰減速度變小。巷道內壓力與覆蓋層厚度可按指數關系擬合為P = f (h) =0. 45e_0-3h式中P-巷道內壓力，(Mpa) ；h_覆蓋墊層厚度，(m)。②當覆蓋層厚度大于4. 85m時(礦山實際生產中，覆蓋層厚度至少要大于一個分段高度)，巷道內風速與覆蓋層厚度關系基本呈線性反比關系，因此工程現場巷道內風速與覆蓋層厚度按線性反比函數關系擬合為ν = -0. 885h+17. 25式中v-巷道內風速，(m/s) ；h-覆蓋墊層厚度，(m)。綜合①、②，得出基于削弱頂板冒落引發(fā)巷道內風速和風壓的覆蓋層厚度。(3)基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度的確定通過相似模擬試驗得出①崩落重量與沖擊力基本呈指數關系；②覆蓋層厚度與沖擊力基本呈線性反比關系；③崩落高度與沖擊力基本呈線性正比關系。通過數值模擬得到的沖擊力在覆蓋層內傳遞過程、沖擊過程能量變化及沖擊力時程曲線可見，覆蓋巖層對崩落巖石的沖擊力有明顯的緩沖作用，整個沖擊過程中總能量基本處于守恒狀態(tài)，內能和動能之間有一個相互轉化的過程，動能在計算過程中轉化為材料的內能。綜合相似模擬和數值模擬結果，可得出松散覆蓋巖層對頂板巖體的冒落沖擊力具有很強的緩沖和消散作用，只要分段高度大于10m，則一個分段高度的覆蓋層厚度可將巖體冒落沖擊力消散至很小，此時傳遞到覆蓋層下面巖體內的沖擊力與巖體抗壓強度相比可以忽略，因此一個分段高度(分段高度不小于IOm)的覆蓋層厚度完全可以滿足巖體崩落沖擊力對回采巷道安全的要求。即基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度最終確定為分段高度> 10m，基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度按一個分段高度的覆蓋層厚度。(4)最終定量化確定崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度綜合以上三方面，合理的覆蓋層厚度應為上述三種方法確定的最大值。本發(fā)明崩落法覆蓋層合理厚度定量化確定方法具有以下優(yōu)點
①從回采工藝和回采安全方面分析了覆蓋層的合理厚度，針對具體礦山礦體賦存條件及開采工藝的差異，可定量化確定合理的覆蓋層厚度。②本發(fā)明覆蓋層合理厚度確定將覆蓋層的移動特性、崩落法回采工藝、覆蓋層對回采指標影響及覆蓋層的形成方式聯系在一起，完善了崩落法回采技術和工藝。使覆蓋層在滿足回采工藝及安全要求的同時，可最大限度地減少形成覆蓋層的費用。


圖1是頂板巖體大規(guī)模冒落后引發(fā)巷道內風壓與覆蓋層厚度關系曲線。圖2是頂板巖體大規(guī)模冒落后引發(fā)巷道內風速與覆蓋層厚度關系曲線。圖3是頂板巖體大規(guī)模冒落后巖體崩落重量與沖擊力函數曲線。圖4是頂板巖體大規(guī)模冒落后覆蓋層厚度與沖擊力曲線。圖5是頂板巖體大規(guī)模冒落后沖擊力在覆蓋層內傳遞過程云圖。圖6頂板巖體大規(guī)模冒落后沖擊過程能量變化曲線圖。
具體實施例方式為進一步描述本發(fā)明，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明崩落法開采覆蓋巖層合理厚度的定量化確定方法做進一步說明。本實施例中覆蓋巖層厚度確定及留設方法在馬鋼集團姑山礦業(yè)有限公司進行了現場工業(yè)試驗。姑山礦業(yè)公司和睦山鐵礦采用無底柱分段崩落法開采，分段高度為10m，礦石回采率為75%，廢石混入率為10%，礦、巖比重分別為3. 5t/m3和2. 8t/m3。實際生產中采用強制崩落的方式留設覆蓋層厚度約20m。按本發(fā)明覆蓋層合理厚度的確定方法，滿足采礦工藝要求的覆蓋層厚度即可滿足回采安全要求，計算如下①滿足采礦工藝要求的覆蓋層厚度
“f.0/γ
H +-—-^-kVo) h=14.2m。
tt 1-^·% r廢②按基于削弱頂板冒落引發(fā)巷道內風速和風壓的覆蓋層厚度滿足回采巷道內氣浪風速小于12m/s的覆蓋巖層厚度為6m ；滿足回采巷道內氣浪風壓小于0. 003Mpa的覆蓋層厚度為16m。③按基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度滿足巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度為10m。因此，按本發(fā)明確定的合理覆蓋層厚度為16m，據此姑山礦業(yè)和睦山鐵礦節(jié)省補充覆蓋層強制崩落費用約859萬元，降低礦石貧化率約2. 9%。
權利要求
1. 一種崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度的定量化確定方法，其特征在于通過以下技術方案確定(1)基于采礦工藝要求的最低覆蓋層厚度的確定滿足采礦工藝要求的最低覆蓋層厚度為ι - r% γ飯式中，H-覆蓋層厚度(m) ；h-分段高度(m) ；N-分層數，(個)； r-廢石混入率(％ ) ；k-礦石回采率(％ )； Y礦、Y廢-分別為礦、巖石比重(t/m3)；(2)基于削弱頂板冒落引發(fā)巷道內風速和風壓的覆蓋層厚度的確定①巷道內壓力與覆蓋層厚度可按指數關系擬合為 P = f(h) = 0. 45e"03h式中P-巷道內壓力，(Mpa) ；h-覆蓋墊層厚度，(m)；②工程現場巷道內風速與覆蓋層厚度按線性反比函數關系擬合為 ν = -0. 885h+17. 25式中v-巷道內風速，(m/s) ；h-覆蓋墊層厚度，(m)；綜合①、②，得出基于削弱頂板冒落引發(fā)巷道內風速和風壓的覆蓋層厚度；(3)基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度的確定分段高度> 10m，基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度按一個分段高度的覆蓋層厚度；(4)最終定量化確定崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度綜合以上三方面，合理的覆蓋層厚度為上述三種方法確定的最大值。
全文摘要
本發(fā)明公開了崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度的定量化確定方法，它通過以下三個方面確定(1)基于采礦工藝要求的覆蓋層厚度；(2)基于削弱頂板冒落引發(fā)巷道內風速和風壓的覆蓋層厚度；(3)基于巖體崩落對回采巷道安全的覆蓋層厚度；(4)最終定量化確定崩落采礦法覆蓋巖層合理厚度為上述三種方法確定的最大值。本發(fā)明將覆蓋層的合理厚度與采場參數、回采工藝、回采指標、礦巖性質、覆蓋巖層移動特性及覆蓋層的形成方式進行了有機結合和綜合考慮，得出了覆蓋層合理厚度的定量化計算方式，使覆蓋層的留設更加科學，更加符合工程現場生產條件和要求，為崩落法開采貧損控制及安全保障提供了科學依據?？蓮V泛應用與崩落法開采的礦山。
文檔編號E21C41/16GK102383801SQ20111015933
公開日2012年3月21日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權日2011年6月7日
發(fā)明者孫國權, 王運敏, 胡杏保 申請人:中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司