1.作品名称

织网固矿——薄矿体锚网协同全采充填新技术（新型下向进路分层无分段巷道填充采矿方法）

2.开发研究背景

我国作为矿产资源大国，拥有丰富的资源总量、齐全的品种以及广泛的分布。然而，在与其他国家的矿产资源比较中，我们面临着一些挑战，例如大型矿床较少、矿体埋藏较深以及薄矿脉比例较高。黄金作为一种贵金属，不仅具有货币属性和避险功能，而且在国家外汇储备和经济安全中扮演着至关重要的角色。稳定的黄金供应对于国家而言，意味着能够自主掌握一定数量的黄金资源，减少对外依赖，在面对外部经济冲击时拥有更多的缓冲空间，从而维护国家的金融稳定和经济安全。尽管如此，我国金矿开采面临着矿床品位低、矿体埋藏深以及薄矿脉比例高等问题。特别是薄矿脉的开采，长期以来一直存在劳动强度大、安全隐患突出等问题。在开采过程中，不稳定的围岩容易导致上下盘围岩垮塌和矿体冒落，这不仅中断了采矿生产，还对工人的生命安全构成了巨大威胁。此外，回采过程中矿石中混杂废石的情况也增加了矿石的贫化率，加之回采工序的复杂性和对施工质量的严格要求，进一步增加了操作者的负担。这些因素导致许多采场在开采中途被迫放弃，造成了大量矿产资源的损失。

在现有技术中，倾斜薄矿体的开采通常采用下向进路分层无分段巷道充填采矿法。该方法主要依赖于间柱的长锚杆来形成矿房内充填假顶的嵌固梁式结构，以维持矿房各分层充填假顶的稳定性。然而，这种方法存在一个显著的缺陷：间柱内的矿体无法回收，导致矿石损失率较高。

为了解决这一问题，我们提出了一种创新的采矿方法，即无需留设间柱的新型下向进路分层无分段巷道充填采矿法。该方法通过将预应力长锚杆打入上下盘围岩，并利用钢筋将长锚杆连接起来形成钢筋网。这种锚杆和钢筋网的协同承载作用，不仅确保了充填假顶的稳定性，而且能够回收间柱内的矿体资源，从而显著提高了经济效益。通过这种新型采矿方法的应用，我们可以有效克服薄矿脉开采中的困难，提高资源的利用率，减少安全风险，并为国家的矿产资源开发和经济安全提供更加坚实的支撑

3.理念与方案

本项目提出了一种新型下向进路分层无分段巷道填充采矿方法。该技术主要适用于矿体倾角大于60°，矿体厚度小于5m，开采矿体围岩极不稳固，但价值又很高的矿体。采用下向进路分层无分段巷道充填采矿方法回采矿房，开采完矿房的一个分层后立即进行人工平场，在垂直矿体的走向对上、下盘围岩施工预应力长锚杆，通过锚杆进行支护，将靠近底板的锚杆外露端通过钢筋焊接固定，然后铺设碎矿垫层和隔离层，把钢筋网的纵筋悬挂在上一分层预留的钢筋钩上，其下端与本分层底部水平钢筋焊接，最后对采空区进行差别充填，待充填体稳定后继续开采下分层，重复上述操作直至完成全部分层开采。此方法做到了最大限度的回收矿体资源，确保充填假顶的稳定性，实现破碎围岩极倾斜薄矿体开采过程的安全与高效，提高了经济效益。

4.详细技术方案和实施效果

4.1采准布置

  本项目模型矿体倾角为80°平均厚度为3米，采场长度为40m，沿走向布置；采场宽度即为矿体厚度，矿体进行分层开采时共分为10层。在矿房下盘围岩布置矿石溜井、溜井联络道、人行通风天井、采场主运输巷、切割平巷，人行通风天井布置在距离矿体中央下盘接触带2m处，在下盘中央靠近矿体处掘进矿石溜井与溜井联络道。

4.2回采

采用下向进路分层无分段巷道充填采矿方法回采矿体时，先将矿体分为若干层，接着对每一层矿体进行回采时。回采时，先从人工通风天井处开挖切割平巷，直至矿体处停止，再利用逐段爆破的方式对矿体进行由中央向两翼的方式回采，接着利用电耙将爆破后的碎矿耙入溜井内，矿石通过溜井进入采场主运输巷，最后通过采场主运输巷内的运输装置完成出矿。回采过程主要包含穿孔爆破以及矿石运搬两个过程。

4.2.1穿孔爆破

炮眼布置：一般常用的炮眼布置有以下三种：①单排眼，一般用于薄矿层或矿质软、节理发育的矿层。②双排眼，其布置形式有对眼、三花眼和三角眼等，一般适用于采高较小的中厚矿层。矿质中硬时可用对眼，煤质软时可用三花眼，煤层上部煤质软或顶板破碎时可用三角眼。③三排眼，亦称五花眼，用于矿质坚硬或采高较大的中厚矿层。本矿体采用单排眼，分别在矿体上布置掏槽孔，辅助孔，周边孔，然后在空里面安装炸药,进行爆破。

爆破过程，通过引线将炮孔内的炸药同时引爆，由于药卷直径比孔径小得多，药卷爆炸产生的深孔压力经过空气间隙的缓冲后显著降低，已不足以在周围孔壁上产生粉碎区，而只沿光面孔的连线方向形成少数裂隙，在需要崩落的一侧岩石中产生破碎作用，孔与孔间的裂隙贯通形成平整的破裂面。采矿爆破的主要作用是为了在采矿工程中广泛采用炸药爆破。使煤岩产生破坏、松动、震动、压缩或抛掷等现象。在这个短暂的时间中，炸药包在岩石中爆炸，爆轰作用形成的应力波，由药包中心即爆炸中心向周围传播，形成压碎圈和破裂圈，达到炸药爆炸的结果。采用潜孔分段爆破的形式，双向进行回采，每次爆破掘进距离为2-3m，通过分段多次爆破实现对整个分层的矿体的破坏。

4.2.2矿石运搬

对第一个矿段进行爆破后，矿体破裂成碎矿，此时利用电耙将碎矿耙入溜井内完成这一段的矿石回采过程。对于该层剩余矿体，采用由中央向两翼的方式对本分层矿体进行爆破开采，同样通过电耙将碎矿耙入溜井内完成开采。当本分层矿体即将回采结束时，爆破后的矿石不再耙出。而是用其进行人工平场，形成一层厚度为20cm碎矿垫层，在碎矿垫层上铺设塑料薄膜，为该分层人工假顶的充填做好准备。由于回采工作自上而下进行，碎矿垫层可以在进行下一分层矿段的爆破时起到缓冲作用，降低爆破对人工假顶所产生的影响，避免对人工假顶造成破坏。在下一矿层爆破时，碎矿垫层也会随爆破一同落下，然后同下一层碎矿一同耙出，避免了矿体资源的浪费。塑料薄膜隔离了碎矿垫层于充填料，防止充填过程中，充填料混入碎矿垫层内导致碎矿垫层凝结，不利于在下层开采过程中掉落，导致矿产损失。回采时由人行通风天井向矿体掘进切割平巷，在切割平巷内布置回采进路。

   4.3地压管理

对于爆破完的一个矿段，耙出碎矿后，立即进行支护。先往上下盘围岩内打入预应力长锚杆，接着安装垫片，最后用螺母上紧。完成对一个矿段的支护后，接着对下一个矿段进行回采，直至两侧各剩余一个矿段时，最后一个矿段的碎矿不在耙出，直接用于人工平场。对于完成人工平场的采空区，进行分层充填，用一定比例的充填料先充填采空区的一半形成承载层，接着用另一比例的充填料充填剩余的采空区形成充填层。完成对采空区的充填后，用一定比例的充填料将联络巷道和切割巷道进行充填完成分层的充填工作。重复上述过程直至所有矿体充填完毕。

4.3.1支护

对分层开采后的空矿段采用锚杆支护方式进行支护，沿垂直矿体走向对上盘围岩和下盘围岩施工预应力长锚杆，接着安装垫片并用螺母上紧。在安装预应力长锚杆过程中依靠安装机械主动施加的作用于巷道围岩上的预应力体现了锚杆支护的主动性，对巷道的支护效果起着决定性作用。预应力长锚杆支护的效果主要体现在三方面：

(1)  促使围岩的弹性模量提升，强化围岩极限强度，促使围岩本身的力学特性发生改变，避免围岩在发生屈服以后出现严重变形。

(2)  促使围岩的结构产生变化，结构面的强度更大。锚杆本身会让围岩受到轴向力及切向力的影响，从而使围岩自身的轴向承载力增加，其抗剪承载力也因此增加。围岩的结构面在抗剪承载力的作用下避免发生较大滑移，保证围岩的完整程度。

(3)  使围岩受到一定压力，促使围岩的应力状态发生改变，围岩的支承压力在受拉区域内与拉应力相互抵消，而在受剪区域，锚杆能在摩擦力的影响下提升抗剪承载力。

预应力长锚杆作用到围岩中，能改善围岩的裂隙情况及变形情况，使围岩在锚固区域范围内保持完整性，减少围岩在锚固区所受到的作用力。在锚杆支护的情况下，锚固区围岩刚度增强，极限承载力也有显著提升。预应力在施加到锚杆以后，锚杆具备较为明显的支护效果，尤其是在煤矿实际施工阶段，每根锚杆都会被施加较大的预应力，此时锚杆会在托板等构件的辅助下将预应力扩散到围岩中，而构件也将对锚杆起到保护作用。

本项目模型中，对上盘围岩、下盘围岩沿着垂直矿体走向施工一定间排距的预应力长锚杆，并通过注浆使锚杆与围岩紧密粘结。在安装过程中需对围岩施加预应力，以使围岩处于受压状态而非受拉状态，进而提高围岩稳定性。分别沿上盘围岩、下盘围岩铺设金属网，利用锚-网的方式进行支护。将靠近底板的一排预应力长锚杆外露端通过钢筋焊接固定，在底板预留0.1-0.3m的碎矿垫层，碎矿垫层覆盖在靠近底板钢筋上，水平钢筋埋设在碎矿垫层中。然后在碎矿垫层上铺设塑料薄膜作为隔离层。

通过钢筋焊接固定全部的预应力长锚杆，形成水平的钢筋网，再利用纵筋把钢筋网悬挂在上一分层预留的钢筋钩上，并将钢筋钩下端与本分层底部水平钢筋焊接固定，加强上下层充填体之间的联系。其中钢筋网包括横筋和纵筋，横筋和纵筋共同形成经纬状的钢筋网。同一分层内的充填体之间还可以通过锚杆连接加强充填假顶整体的联系。纵筋悬挂在上分层的最下一排水平钢筋之上，并将其下端与本分层底部水平钢筋焊接牢固，使采空区内的钢筋呈经纬状布置形式，以协助充填体不至于发生较大的挠曲和下沉，确保充填体始终处于稳定状态。

4.3.2充填

在矿房开采后的采空区支护完成后用水泥挡板将联络巷道、切割平巷与采空层连接处挡住以便于对采空层进行充填。下向进路采场是在上一分层进路人工假顶的保护下进行作业的,人工假顶的稳定性十分重要｡下向进路分层无分段充填采矿法采用差别充填,上部为充填层,下部为承载层｡

根据弹塑性理论以及综合采场安全指标，确定承载层厚度为采空区的高度一半。通过充填料浆配比试验最终确定承载层充填料水泥∶粉煤灰∶尾砂∶碎石为1∶0.5∶4∶6,充填层充填料水泥∶粉煤灰∶黄土∶尾砂∶碎石为1∶0.5∶6∶10∶12,并在充填体中加入3.5%的早强剂,使得充填体在7d后的单轴抗压强度为28d的77%,提高了工作效率｡充填过程中，先利用水泥挡板对采空区进行密封。接着在人工天井和切割平巷内布置充填管道，然后利用水泥∶粉煤灰∶尾砂∶碎石为1∶0.5∶4∶6的充填料对采空区进行充填，充填至采空区的一半高度时，停止充填，充填体凝固后形成承载层。最后承载层在进行14h的养护后，利用水泥∶粉煤灰∶黄土∶尾砂∶碎石为1∶0.5∶6∶10∶12的充填料对剩余采空区进行多次充填，直至整个采空区被完全充填时停止充填，并往充填体内加入3.5％的早强剂，充填体凝固后形成充填层。

矿房充填完毕后用水泥挡板将联络巷道、切割平巷密封，利用水泥：粉煤灰：黄土：尾砂：碎石为1：0.5：6：10：12的充填料对联络巷道进行一次充填，整个联络巷道和切割平巷内充满充填料时停止充填，并并往充填体内加入3.5％的早强剂，充填体凝固后完成对整个分层的充填工作。等到充填体完全凝固后开始进行下一层的回采工作与低压管理工作，直至所有的矿体被开采完成为止。

5.回采工艺技术优势

(1)针对下向进路分层无分段巷道充填采矿方法中无法回采间柱的弊端,对原有采矿方法进行了设计优化,提出了以“无需留设间柱并确保充填假顶稳定性”为核心的回采工艺。

(2)该方法在采用单一下向进路方式回采矿体时,借助于上下盘围岩内的超长锚杆以及采空区内的经纬状钢筋网来维持充填假顶的稳定性,相比于原有下向进路分层无分段巷道充填采矿法采用“嵌固梁”式充填体结构而言,该方法无需留设间柱,降低了矿石损失率,同时由于对上下盘围岩进行了有效支护,降低了矿石的贫化率。在尽可能多地回采矿体资源的同时,确保充填假顶始终处于稳定状态,实现了破碎围岩倾斜薄矿体开采过程的安全与高效生产。

(3)以沂南金矿金场分矿地下矿山为工程背景,综合考虑多回采矿石效益、回采成本、充填成本、支护成本等多方面因素,分析发现,当采用优化后的下向进路分层无分段巷道充填采矿法后,每个采场可以多获得收益715.9万元,极大地提升了矿山效益

6.作品创新点        

(1)  将“锚杆-钢筋-上下盘围岩-充填假顶”作为一个整体，通过锚杆和钢筋网协同维持充填假顶的稳定性，实现安全开采，提高经济效益，降低矿石损失。

(2)  回采过程中，通过将长锚杆打入上下盘围岩内，实现对采空区的支护，无需预留间柱，这避免了由于预留间柱导致的矿产资源损失，提高了矿产资源的出矿量。

(3)  铺设隔离层防止充填浆液渗入到碎矿垫层使其胶结，并对采空区进行差别充填，根据不同承载作用选择不同比例的填充料，在保证人工假顶承载能力不变的前提下，降低充填成本。

7.应用与社会影响

无需留设间柱的新型下向进路分层无分段巷道充填采矿法适用于矿体倾角大于60°，矿体厚度小于5m，开采矿体围岩极不稳固，但价值又很高的矿体。本方法的显著优势在于回采过程中无需预留间柱，这不仅显著降低了施工的复杂性，而且为极倾斜薄矿体的开采提供了极大的便利。通过将预应力长锚杆深入上、下盘围岩，去除了对间柱支撑的依赖。这一创新使得间柱内的矿产资源得以充分利用，实现矿石资源的最大化回收，极大地提升了经济效益。在充填策略上，采用差别充填方式，首先构建承载层，随后形成充填体。这种分阶段的充填方法不仅有效降低了充填成本，而且与钢筋网的结合使用，共同确保了人工假顶的安全与稳定。通过这种创新的充填技术，我们能够在维持采矿安全的同时，优化资源的开采效率。无需留设间柱的新型下向进路分层无分段巷道充填采矿法，以其创新的技术和高效的开采策略，为极不稳定围岩中的高价值薄矿体提供了一种切实可行的解决方案，为采矿业的可持续发展做出了重要贡献。

8.学术论文及专利

基于本项目主要核心技术，项目组已申请国内发明专利6项,实用新型专利3项。在国内外高水平刊物上发表论文7篇。获得高等学校优秀科研成果奖1项，绿色矿山科学技术奖1项。