一种地采矿山快捷低成本人工假顶构筑方法

摘要

本发明公开了一种地采矿山快捷低成本人工假顶构筑方法，是针对矿岩极端破碎开采条件，使用下向胶结充填采矿法，预先构筑人工假顶形成安全保护层的情况；依据矿山实际，结合斜拉承载原理、板块理论等，得到锚索、锚杆及钢筋混凝土集成的高强度板块结构，为继续开采提供安全经济的人工假顶结构。与传统的人工假顶构筑方法相比，本发明具有科学合理、承载能力大、构筑成本低、使用安全可靠、施工工艺快捷、高效等显著优点。

说明书

技术领域

本发明属于采矿技术领域，涉及一种地采矿山快捷低成本人工假 顶构筑方法，应用于矿山下向充填采矿法初始分层的制作与极破碎矿 体的护顶层构筑，通过构筑人工假顶防护结构，实现对矿体的安全高 效回采。

技术背景

在地下矿山工程中，人工假顶是使用工程复合材料构筑成的人工 顶板防护结构，用于承受上部破碎矿岩或充填体荷载，从而保证人工 假顶下部作业人员的安全。在使用人工再造环境法、下向分段充填法 以及崩落法等方法对矿岩破碎矿体进行开采过程中，均需构筑人工假 顶防护式结构。在国内外人工假顶构筑方法中，多参考类似工程或经 验进行构筑，由于地下条件复杂且不稳定地质因素难以把握，往往构 筑强度不尽合理，不符合矿山实际要求，或者构筑成本过高。

如CN102587915A公开的“人工假顶下诱导崩落采矿法”，是在 采场顶板直接安装1～2层钢管桩并添加钢筋网后注浆进行人工假顶 构筑，其中钢管桩安装工艺复杂，钢材消耗量大，人工假顶造价偏高， 且人工假顶构筑方法与配筋等均参考设计手册，构筑科学性与合理性 较差，难以达到合理承载要求及低成本构筑目标。又如CN10230507 4A公开的“一种带钢混结构人工假顶的平底结构有底柱分段崩落 法”，其中人工假顶由底部底层型钢支托和上层的菱形钢筋网和混凝 土浇灌层组成，底层型钢与上层钢筋网进行焊接，工艺复杂，且其下 部的型钢承载强度缺乏理论分析，承载强度不尽合理，且型钢成本较 高，构筑成本相对较高。在下向进路充填法或下向分层充填法人工假 顶构筑中，由于空区高度不大，承载强度要求较小，按经验法进行构 筑也相对容易实现。但在下向分段充填法人工假顶构筑中，由于空区 高度增加，人工假顶需在高荷载下保持稳定可靠，相关工程经验与理 论分析缺乏，传统方法不尽合理。

发明内容

本发明的目的是针对国内外地下矿山人工假顶构筑过程复杂、承 载强度不符合实际要求以及构筑成本较高、时间长等技术问题，提供 了一种承载强度合理、低成本且施工工艺快捷、高效的人工假顶构筑 方法。

本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种地采矿山的快捷低成本人工假顶构筑方法，是针对矿岩极端 破碎的开采条件，使用下向胶结充填采矿法，预先构筑人工假顶形成 安全保护层的情况；依据矿山实际，结合斜拉承载原理、弹性力学理 论等，得到锚索、锚杆及钢筋混凝土集成的高强度板块结构，为继续 开采提供安全经济的人工假顶结构；包括如下步骤：

（1）借助弹性力学理论，提供人工假顶合理承载强度与相关参 数；

（2）对破碎矿岩采用锚网快速支护，在巷道底板预留碎矿垫层 并铺盖隔水薄膜，在巷道二侧及顶板进行锚索、锚杆施工，铺设一定 长度、端部有弯钩状的钢筋，用吊筋将锚索、锚杆连结一起；

（3）靠下盘一侧外露的锚索同时与上盘横主筋绞接，形成斜拉 承载；

（4）钢筋铺设好后，再铺设一层金属网；

（5）一次性浇注混凝土，形成由锚索、锚杆悬吊的内置钢筋、 金属网的厚度为500mm～1000mm的钢混人工假顶结构。

所述人工假顶承载强度是通过理论分析与推导所得，并通过锚 索、锚杆悬吊，内置钢筋与金属网，使用吊筋连接于一体，浇灌混凝 土构筑而成。分析与推导所得承载强度为人工假顶的合理承载强度。

所述人工假顶中混凝土强度等级为C20～C25，人工假顶经济厚度 为500～1000mm。该人工假顶经济厚度是经数学解析方法推导所得。

所述巷道底板预留厚度为100～200mm的碎矿垫层，减弱下分段 炮孔爆破震动对人工假顶的影响，并铺盖隔水薄膜防止混凝土浆液渗 透至碎矿中胶结碎矿，利于碎矿回收。

所述锚索、锚杆均与横主筋连接，则锚索与锚杆间距根据配筋设 计定为0.2～0.4m，锚索、锚杆施工位置距巷道底板分别为1～1.5m与 0.3～0.6m；根据上下盘围岩条件，上盘锚索长4～6m，下盘锚索深入 围岩段3～4m，锚索外露段长度大于巷道宽度，以便与上盘横主筋绞 接。

所述钢筋网由横主筋和纵筋组成，钢筋网距碎矿垫层5～10cm高 度，确保钢筋网被混凝土包裹；所述的吊筋将钢筋网与锚索、锚杆连 接于一体；铺设金属网代替辅筋，提高人工假顶整体强度；人工假顶 厚度超过0.5m，则在第一层钢筋网上部10cm处再铺设一层钢筋网； 所述的下盘外露段锚索与上盘横主筋绞接，形成斜拉承载，防止上盘 一侧人工假顶失稳。

所述人工假顶现场一次性浇筑混凝土完毕，并达到经济厚度值， 完成人工假顶构筑施工，或使用井下混凝土输送泵进行浇筑作业，提 高人工假顶构筑效率。

本发明创新核心体现在：①采用悬吊与斜拉承载方式，吊筋悬挂 并锚固于锚索、锚杆之上，使用钢混复合材料构筑人工假顶，适用于 各种采矿法中人工假顶的构筑，应用广泛且快捷高效。②根据弹性力 学理论，分析不同条件下人工假顶承载强度，适用性强，并使用数学 解析方法，得出人工假顶造价最低时的配筋设计与厚度值，达到承载 要求，并降低构筑成本。

本发明的有益效果：与传统的人工假顶构筑方法相比，本发明具 有科学合理、承载能力大、构筑成本低、使用安全可靠、施工工艺快 捷、高效等显著优点。

本发明针对矿山复杂环境下人工假顶构筑，提出了一种快捷低成 本人工假顶构筑方法。借助弹性力学理论，推导出人工假顶合理承载 强度，结合斜拉承载原理与矿山实际，通过锚索、锚杆悬吊，内置钢 筋与金属网，使用吊筋连接一体，一次性浇灌混凝土构筑成人工假顶， 并通过斜拉承载方式确保人工假顶可靠稳定，因此该工艺具备承载安 全可靠且科学合理的特点。

本发明由数学解析方法，推导出造价最低时的配筋设计与经济厚 度，按以上分析结论进行人工假顶构筑，达到造价最省目标；所用设 备与材料在矿山应用普遍，不需引进其他设备和材料，同样降低人工 假顶构筑成本。

采用本发明所述方法进行人工假顶构筑，构筑工艺简单，各工序 独立，不影响其他工程施工；所需设备与材料在矿山应用普遍，作业 人员对相关构筑工序熟练，操作效率高，应用广泛；在人工假顶构筑 中，使用矿山金属网代替辅筋，同样达到了提高人工假顶整体强度效 果，并且构筑效率提高。

附图说明

图1为本发明人工假顶构筑结构示意图；

图2为图1中D部分的放大图；

图3为图1的B—B剖面图；

图4为图1的C—C剖面图；

图5为锚索与吊筋及吊筋与横筋连接示意图；

图6为锚杆与横筋连接示意图；

图中：1—上盘锚杆，2—上盘锚索，3—锚盘，4—金属网，5— 下盘锚索，6—下盘锚杆，7—下盘吊筋悬吊，8—斜拉锚索，9—内置 金属网，10—混凝土，11—横主筋，12—纵筋，13—碎矿垫层，14 —上盘吊筋悬吊，15—上盘围岩，16—弯钩连接，17—锚盘锚固， 18—横主筋弯钩，19—破碎矿体，20—矿体顶板线，21—矿体底板线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作支撑和进一步解释，但以 下所述不构成对本发明权利要求的限制。

某沙坝矿两翼存在走向长500m急倾斜破碎矿体，厚度4～8m， 属于中厚矿体。由于矿体破碎，回采安全性差，为此构筑人工假顶防 护机构，在其护顶下对矿体进行下向高分段回采。下面采用本发明方 法构筑人工假顶。

①用沙坝矿S4盘区S3#试验矿房1100分段脉内凿岩巷道平均宽 4m，长18m，上部矿体破碎，下分段高度20m，在脉内凿岩巷道进 行人工假顶防护结构构筑施工，保护下分段作业人员安全回采矿体。

②通过理论分析和数学解析方法，确定1100分段人工假顶配筋 设计，选用C25混凝土强度，人工假顶经济厚度值为0.5m。

③预留碎矿垫层及铺设隔水薄膜。在巷道底板预留10～20cm厚 碎矿垫层后平场，铺盖一层塑料隔水薄膜于碎矿垫层上。

④锚索与锚杆施工。根据上下盘围岩条件与巷道宽度限制，上盘 锚索为4.5m，下盘锚索为8.5m，其中下盘锚索外露段长度为4.5m， 以便与上盘横主筋连接；标记锚索、锚杆位置，锚索与锚杆间距为0. 25m，锚索与锚杆距巷道底板距离分别为1.5m与0.5m；锚杆施工时 应下向倾斜10°～20°，并套装锚盘，在推进锚杆时外露10cm左右， 以方便将吊筋挂到锚杆上。

⑤钢筋加工、连接与铺设。将钢筋加工成一定长度，所用横主筋 直径20mm，纵筋与吊筋直径均为16mm，将吊筋和横主筋两端加工 成弯钩状，在现场对弯钩进行拉拔试验，确定弯钩承载能力；吊筋逐 一挂接到锚索与锚杆上，使用锚盘锚固，之后铺设横主筋与纵筋，其 中横主筋与吊筋连接，绑扎牢固，钢筋网距碎矿垫层高度5～10cm左 右，确保钢筋网被混凝土包裹，从而锚索、锚杆通过吊筋与钢筋网连 接于一体；将下盘外露段锚索与上盘横主筋铰接，形成斜拉承载，确 保人工假顶安全可靠。

⑥金属网铺设与混凝土浇筑。钢筋网绑扎完后，在之上铺设一层 金属网，并绑扎牢固，代替辅筋，提高人工假顶整体强度，金属网规 格为2m×2m，网度为100mm×100mm；完成以上工序后，现场一次 性浇筑混凝土完毕，并且达到经济厚度0.5m，人工假顶构筑完成。

按照以上步骤得到的人工假顶构筑正面图如图1所示，弯钩连接 和锚盘锚固连接图（图1中的D部分放大图）如图2所示，图1的B —B剖面图如图3所示，图1的C—C剖面图如图4所示，锚索与吊 筋及吊筋与横筋连接示意图如图5所示，锚杆与横筋连接示意图如图 6所示。如图1～图6所示，本发明构建的人工假顶结构包括上盘锚杆 1，上盘锚索2，锚盘3，金属网4，下盘锚索5，下盘锚杆6，下盘 吊筋悬吊7，斜拉锚索8，内置金属网9，混凝土10，横主筋11，纵 筋12，碎矿垫层13，上盘吊筋悬吊14，上盘围岩15，弯钩连接16， 锚盘锚固17，横主筋弯钩18。图中的19表示破碎矿体，20表示矿 体顶板线，21表示矿体底板线。该人工假顶承载强度是通过理论分 析与推导人工假顶的合理承载强度所得，并通过锚索、锚杆悬吊，内 置钢筋与金属网4，使用吊筋连接于一体，浇灌混凝土10构筑而成。 人工假顶中混凝土10强度等级为C20～C25，经数学解析方法推导得 到人工假顶经济厚度为500～1000mm。巷道底板预留厚度为100～200 mm的碎矿垫层13，减弱下分段炮孔爆破震动对人工假顶的影响，并 铺盖隔水薄膜防止混凝土10浆液渗透至碎矿中胶结碎矿，利于碎矿 回收。锚索、锚杆均与横主筋11连接，则锚索与锚杆间距根据配筋 设计定为0.2～0.4m，锚索、锚杆施工位置距巷道底板分别为1～1.5m 与0.3～0.6m；根据上下盘围岩条件，上盘锚索2长4～6m，下盘锚索 5深入围岩段3～4m，锚索外露段长度大于巷道宽度，以便与上盘横 主筋11绞接。钢筋网由横主筋11和纵筋12组成，钢筋网距碎矿垫 层135～10cm高度，确保钢筋网被混凝土10包裹；所述的吊筋将钢 筋网与锚索、锚杆连接于一体；铺设金属网4代替辅筋，提高人工假 顶整体强度；人工假顶厚度超过0.5m，则在第一层钢筋网上部10cm 处再铺设一层钢筋网；所述的下盘外露段锚索与上盘横主筋11绞接， 形成斜拉承载，防止上盘一侧人工假顶失稳。该人工假顶现场一次性 浇筑混凝土10完毕，并达到经济厚度值，完成人工假顶构筑施工， 或使用井下混凝土10输送泵进行浇筑作业，提高人工假顶构筑效率。

在构筑完成并养护28天后，人工假顶防护结构具备承载能力， 在人工假顶保护下，开始安全高效回采下分段矿体，通过矿体回采试 验，人工假顶承载能力得到验证，矿山经济效益得到大幅提高。以上 实施结果表明使用本发明构筑人工假顶防护结构具备承载强度高、安 全可靠、成本低且构筑工艺快捷高效等优点。