本发明涉及地下矿山
采矿技术领域，具体涉及一种人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法
背景技术：
充填采矿法作为地下矿山三大采矿方法之一，已得到了广泛的应用。传统的分段空场嗣后充填法回采工艺中，按照采场结构参数划分一步骤、二步骤采场，先按照一定的回采顺序进行一步骤采场回采，回采完毕后进行胶结充填，形成充填体，然后进行相邻二步骤采场的回采。二步骤采场回采过程中，依靠充填体支撑顶板，控制地压，其强度必须要满足技术要求，确保回采的安全。充填体的强度主要取决于胶凝材料(水泥)的用量和充填料配比，因此在保证充填体强度的基础上，如何解决充填过程中排水及凝固过程中接顶等问题，是矿山面临的一个重要难题。
已公开的成果《预先冻结充填体回采房间矿柱》(王继源.预先冻结充填体回采房间矿柱[j].有色矿山，1979(6):19-21.)中提出在房柱法开采中采用废石料充填采空区，并在废石料中洒水，然后通过水平预埋冻结管道，冻结废石料中的水分使充填体达到一定强度，最后进行矿柱的回采。由于分段空场嗣后充填法和房柱法在采场结构参数、尾砂胶结充填工艺和废石充填工艺等方面存在巨大差异，因此该公开成果无法应用于尾砂胶结充填采矿法的矿体开采，也没有解决凝固过程中接顶等问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是在不降低充填体强度条件下，能够同时解决充填过程中排水及凝固过程中接顶问题，保证安全高效开采的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，包括如下步骤：
(1)按照采场结构尺寸，将矿块划分为一步骤采场和二步骤采场，先采一步骤采场，后采二步骤采场，采场落矿为扇形中深孔崩矿。
(2)一步骤采场回采完毕后，制备尾砂胶结充填料，并架设充填管道和冻结管道，安装和调试冻结制冷设备。
(3)尾砂胶结充填料通过充填管道对采空区进行充填。充填过程中，同时利用冻结设备和冻结管道对充填料中的水分进行冻结，形成人工冻结充填体。
(4)一步骤采场区域冻结充填后，对相邻的二步骤采场进行回采；矿体回采完毕后，拆除制冷设备和管道。
所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法适用于寒冷地区采用尾砂胶结充填法回采的矿体开采。
所述步骤(2)中，架设充填管道和冻结管道，以及安装和调试冻结制冷设备工作同时进行。
进一步优选的，所述步骤(2)中架设冻结管路，在采空区上方的上部穿脉巷道中垂直向下布置冻结管路，并加强充填体管路的强度，能够在爆破开采作业下持续制冷。
进一步优选的，所述步骤(3)中，一步骤采场进行充填的同时，进行充填料中的水分冷冻，一次性形成冻结充填体。
进一步优选的，所述步骤(3)中，采空区充填时，采用人工冻结法将充填料中的水分进行冻结，因此充填挡墙无需考虑泌水。
进一步优选的，所述步骤(3)中，采用人工冻结法将充填料中的水分进行冻结后，水分冻结成冰产生约9％的体积膨胀，实现充填体接顶。
所述步骤(3)中的人工冻结充填体，应根据采场的结构尺寸和围岩稳定性来确定人工冻结充填体的强度，并可根据人工冻结充填体所需的强度，进一步确定冻结范围。
所述步骤(3)中的充填料至少包括废石、尾砂、水和水泥；充填配比应根据人工冻结充填体的强度来决定。
所述步骤(3)中冻结充填体所采用的制冷工质为氨，辅助制冷工质为寒冷地区的天然冷源，冷媒剂采用盐溶液。
所述步骤(3)中，首先根据采场的尺寸和人工冻结充填体的强度要求确定人工冻结充填体的冻结范围，确定冷冻管道布置设计；在采空区上方的穿脉巷道依次进行如下操作：铺设充填管路、布置冷冻管路、冻结设备的安装与调试、安装人工冻结充填体的温度与强度监测设备、输送充填料、将充填料中的水分冻结，最终形成人工冻结充填体。
本发明的有益效果如下：利用人工冻结法将充填料中的水分冻结，形成坚硬的人工冻结充填体，达到设计所要求的充填体强度，并实现充填接顶，无需使用大量胶凝材料(水泥)，充填过程中也无需排水；相比较于传统的胶结充填采矿法，在保证安全开采的前提下，本发明通过冻结充填体方式提高了充填体强度，保证了充填接顶，减少了充填水泥用量，降低了充填成本，具有作业安全、矿块生产能力大、水泥用量少、充填成本低的特点。
附图说明
图1是人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法设计主视图。
图2是沿图1中ⅱ-ⅱ线剖面图。
图3是沿图1中ⅲ-ⅲ线剖面图。
图中：1.上部穿脉巷道，2.凿岩出矿巷道，3.沿脉巷道，4.运输巷道，5.崩落矿石，6.切割天井，7.扇形中深孔，8.未采矿体，9.充填料，10.人工冻结充填体，11.冻结管，12.充填管，13.充填挡墙，14.制冷设备，15.供液管，16.切割槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，沿矿体走向将矿块划分为一步骤采场和二步骤采场，采场高度即为阶段高度，如图1所示。
在开采之前，由采场尺寸和围岩力学性质确定人工冻结充填体10的强度，然后对一步骤采场进行回采，采用扇形中深孔侧向崩矿，如图3所示。在采场的一端布置切割天井6，并形成切割槽16，然后在凿岩穿脉巷道2中钻凿扇形中深孔7，对采场中的未采矿体8进行侧向挤压崩落，崩落矿石5由底部出矿巷道出矿，并从中段运输巷道4运出。
一步骤采场回采完毕后，在采场下部的凿岩出矿巷道2中构筑充填挡墙13，充填挡墙13不需考虑泌水。同时，根据人工冻结体10所需强度确定充填料的配比，充填配比应在保证人工冻结充填体10的强度的基础上，尽可能的合理经济。在一步骤采场区域上方的上部穿脉巷道1内依次进行如下操作：铺设充填管路12、布置冷冻管路11、冻结设备14的安装与调试、安装人工冻结充填体的温度与强度监测设备、构筑充填挡墙13、泵送充填料9、将充填料9中的水分冻结，最终形成人工冻结充填体10，穿脉巷道1与沿脉巷道3连通。
冻结充填体所采用的制冷工质为氨，辅助制冷工质为寒冷地区的天然冷源，冷媒剂采用盐溶液。如图2所示，在制冷设备14中利用天然冷源和氨使盐溶液的温度降低至-25～-35摄氏度，并采用盐水泵使盐溶液在供液管15中进行循环，与充填料进行热交换，实现充填料的冻结。
人工冻结充填体10形成后，对相邻的二步骤采场进行回采，回采方式与一步骤采场相同。
当矿体开采期间，需要加强并保持对人工冻结充填体10的监测。矿体开采完毕后，拆除充填管11和冻结设备14，使人工冻结充填体自然解冻。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
技术特征：
1.一种人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：包括以下步骤：
(1)按照采场结构尺寸，将矿块划分为一步骤采场和二步骤采场，先回采一步骤采场，后回采二步骤采场，采场落矿为扇形深孔侧向崩矿；
(2)一步骤采场回采完毕后，制备尾砂胶结充填料，并架设充填管道和冻结管道，安装和调试冻结制冷设备；
(3)尾砂胶结充填料通过充填管路对采空区进行充填，充填过程中，同时利用人工冻结法对充填料中的水分进行冻结，形成人工冻结充填体；
(4)一步骤采场区域充填体冻结后，对相邻的二步骤采场进行回采；矿体回采完毕后，拆除制冷设备和管道。
2.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述采矿法适用于寒冷地区矿体回采。
3.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(2)中，架设充填管道和冻结管道同时进行，且冻结管道在采空区上方的穿脉巷道中垂直架设，能够在二步骤采场爆破开采作业下持续制冷。
4.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(2)中，一步骤采场进行充填作业时，同步进行充填料中水分的冻结，一次性形成冻结充填体。
5.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(2)中，采空区充填时，采用人工冻结法将充填体中的水分进行冻结，充填挡墙无需考虑泌水，且利用水分冻结成冰产生的体积膨胀，实现充填体接顶。
6.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(3)中的人工冻结充填体，应根据采场的结构尺寸和围岩稳定性来确定人工冻结充填体的强度，并可根据人工冻结充填体所需的强度，进一步确定冻结范围。
7.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(3)中的充填料配比应根据人工冻结充填体的强度来决定。
8.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(3)中冻结充填体所采用的制冷工质为氨，辅助制冷工质为寒冷地区的天然冷源，冷媒剂采用盐溶液。
9.根据权利要求1所述的人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，其特征是：所述步骤(3)中，首先根据采场的尺寸和人工冻结充填体的强度要求确定人工冻结充填体的冻结范围，确定冷冻管道布置设计；在采空区上方的穿脉巷道中依次进行如下操作：铺设充填管路、布置冷冻管路、冻结设备的安装与调试、安装人工冻结充填体的温度与强度监测设备、输送充填料、将充填料中的水分冻结，最终形成人工冻结充填体。
技术总结
本发明公开了一种人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法，包括以下步骤：将矿块按采场结构尺寸划分为一步骤采场和二步骤采场，先回采一步骤采场后回采二步骤采场，采场落矿为扇形中深孔侧向崩矿；一步骤采场回采完毕后，对采空区进行尾砂胶结充填，同时采用人工冻结法，利用寒冷地区天然冷源冻结充填料中的水分，形成满足支护强度的人工冻结充填体，并利用水结冰发生的体积膨胀，实现充填体接顶；对二步骤采场进行回采，矿体回采完毕后，拆除冻结设备和冻结管路，对人工冻结充填体进行自然解冻。本发明适用于寒冷地区采用尾砂胶结充填法回采的矿体开采，具有作业安全、充填水泥用量少、充填成本低的特点。
技术研发人员：李杰林;杨承业;周科平
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2019.10.22
技术公布日：2020.02.14
声明：
“人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中南大学
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2024年11月29日 ~ 12月01日 
