一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置及方法

摘要

本发明涉及一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置，包括一个设于预构巷道内的预构主体（1），为一个水囊袋，预构主体（1）的端面尺寸与预构巷道的断面尺寸相同、长度小于预构巷道的长度；预构主体（1）的一端连有保护层（2），保护层（2）内设有剪切增稠流体（3）；预构主体（1）的底部设有注水口（1a）、顶部设有第一排气口（1b），保护层（2）的底部设有注液口（2a）、顶部设有第二排气口（2b）。本发明的优点是实现地下工程和空间的再利用，极大降低空区充填和掘进成本，减少掘进工程量和开采成本，降低二步资源的开采难度，显著提高矿山经济效益，同时还提高了充填安全性和稳定性，保证了良好的作业环境。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山井下充填技术领域，尤其是一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置及方法。

背景技术

地下开采的核心问题是作业空间问题，大规模开采前必须要形成开采空间，施工采切工程是为了创造回采空间，如何循环再利用地下空间，降低采切工程成本，关系到矿山安全、环保、高效、经济开采，是采矿科研人员急需解决的行业共性难题。

随着环保政策和采矿技术水平的发展，充填法采矿已经成为地下开采的主流。目前，国内采用充填法开采的矿山，主要以二步骤开采为主，二步资源开采时需要利用一步资源开采的工程与空间，常见的方法是：重新开挖充填体形成所需的空间与工程。但是，充填体内开挖工程主要存在成巷困难、效率低、成本高、对地下环境破坏大等问题，另外，为了能够在充填体内开挖巷道，要求对采空区进行高强度充填，充填成本也显著增加。如果能够实现地下工程和空间的再利用，将会极大降低空区充填成本，减少掘进工程量和开采成本，降低二步资源的开采难度，显著提高矿山经济效益。

然而，现今采用的地下空间循环利用技术大多利用钢拱架、袋装充填体等支护方式进行巷道预构，这些技术要么成本高昂，要么安全性及稳定性较差极易损坏，无法在井下正常应用，为地下空间循环利用的实现带来阻力。

发明内容

本发明目的就是为了解决现有充填法采矿成巷难、效率低、成本高、效果差和作业环境恶劣的问题，提供了一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置，能够实现地下工程和空间的再利用，极大降低空区充填和掘进成本，减少掘进工程量和开采成本，降低二步资源的开采难度，显著提高矿山经济效益，同时还提高了充填安全性和稳定性，保证了良好的作业环境。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置，包括一个设于预构巷道内的预构主体，预构主体为一个水囊袋，且其在饱满状态下两个端面形状由上部的三心拱和下部的矩形组成，预构主体的端面尺寸与预构巷道的断面尺寸相同，预构主体的长度小于预构巷道的长度，以用于为架设充填挡墙预留足够的作业空间；

预构主体的一端连有一面保护层，保护层内设有剪切增稠流体，以用于对预购主体暴露在空区的局部高风险区进行覆盖性的加强保护；

预构主体的底部设有一组注水口、顶部设有一组第一排气口，保护层的底部设有一组注液口、顶部设有一组第二排气口，以便于预构主体内水的注入和保护层内剪切增稠流体的注入。

进一步地，所述预构主体和保护层均采用韧性橡胶材料制成。

进一步地，所述端面的三心拱矢跨比为1/3。

本发明所用剪切增稠流体为指粒子分散于溶剂中所形成的悬浮液，流体粘度随着剪切速率的增大而增大，能有效抵抗外界高冲击载荷；这里提供一种通用的剪切增稠流体配方，将等量的淀粉和水进行充分搅拌形成剪切增稠流体。

为了进一步完成本发明的目的，还提供了一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的方法，所使用的装置包括预构主体，具体步骤如下，包括：

（1）预构主体的选定：在采场中选择出矿进路作为预构巷道，根据预构巷道位置、原巷道断面尺寸、断面形状和预购主体的布置形式确定预构主体的尺寸及断面形状；

（2）预构主体的检验：提前在地表对预构主体的质量进行检验，并按预构主体的额定压力进行充气试验，采用空压机对其进行充气，测量其是否有破损、漏气，充气时观察其内部气压数据、气压表变化和预构主体的气密性是否正常；充气结束后，关闭充气阀门，将预构主体在饱满状态下放置24h 后，再查看预构主体的气压表数据，查看气压变化情况；

（3）预构主体的放置：若静置24h后预构主体的气压变化小于 1%，方可将选用的预构主体利用矿山提升运输系统运送至预构巷道位置，进行井下试验；

（4）预构主体的安装：

a.第一，将与预构巷道相匹配的预构主体放入预构巷道内，打开第二排气口和注液口，连接水泵与注液口，向保护层与预构主体之间形成的空间内注入剪切增稠流体，待流体无法注入后，关闭水泵，封闭第二排气口和注液口；

b.第二，利用矿山运输设备将上述装置平铺在出矿进路内，并在装置的外表均匀涂抹脱模剂，由于装置的长度小于采空区长度，需将其带有保护层的一端靠近采空区；

c.第三，打开第一排气口和注水口，连接水泵与注水口，向预构主体内部注水，待水无法注入后，关闭水泵，封闭注水口与第一排气口；

（5）采空区充填：待上述操作完毕后，检查预构主体和保护层是否有漏水，随后封堵采空区各个出口，进行采空区充填，待充填至一定高度，且充填料浆凝固后，拆除采空区出口封堵墙；

（6）预构主体的拆除：打开第一排气口、注水口，将预构主体内的水排出；待水排尽后，将其从充填体内取出，所形成的空间即为预构巷道，随后打开第二排气口和注液口，将剪切增稠流体放出并回收再利用。

进一步地，所述步骤（2）中，充气压力为额定压力的1/6~1/3。

进一步地，所述步骤（3）中，需要检查预构主体的相关配件是否齐全及使用情况，还应对预构巷道进行清理，以用于避免巷道内的尖锐物体对预构主体造成损坏、保证预构主体的正常充填。

进一步地，所述步骤（6）中，剪切增稠流体流动性较差，必要时可利用气泵从第二排气口注入空气，将剪切增稠流体从注液口挤出。

与现有技术相比，本发明的优点具体在于：

（1）由预构主体和保护层共同构成剪切增稠流体充填体内预构巷道装置，并采用了剪切增稠流体和水充注进行保护，使装置能够承受较大的充填料浆冲击载荷和液体压强，一次充填高度可适当提高；

（2）利用剪切增稠流体的特性，即该类型流体的流体粘度随着剪切速率的增大而增大的现象，当受到高冲击载荷时其粘度瞬间变大；在不影响预构巷道装置安装的同时避免外部载荷，例如充填料浆冲击载荷、飞石、爆破冲击波等对装置产生的破坏，大大提高装置的适用范围；

（3）利用水具有不可压缩的特性，从而利用内部的水缓冲外部充填料浆所带来的压力，提高装置的所承受的压强极限，保障了装置的安全；

（4）本发明的装置能较好的适应地下环境，高效地实现充填体内巷道预构，减少充填体开挖量，更好地实现地下空间的循环再利用，极大促进了矿山降本增效，提高企业的经济效益。

附图说明

图1为本发明的剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置立体结构图；

图2为本发明的预构主体的端面结构图；

图3为本发明的装置在井下矿房矿柱中应用的出矿结构布置平面图；

图4为本发明的装置在井下矿房矿柱中应用的布置剖视图；

图5为本发明的装置在井下矿房矿柱中应用的立体剖面图；

图6为采空区中一种应用本发明的装置的现场应用示意图；

图7为巷道中一种应用本发明的装置的现场应用示意图。

具体实施方式

实施例1

为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置及方法进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1、图2和图3，一种剪切增稠流体充填体内预构巷道的装置，其特征在于：

包括一个设于预构巷道内的预构主体1，预构主体1为一个水囊袋，且其在饱满状态下两个端面11的形状由上部的三心拱11a和下部的矩形11b组成，端面11的三心拱11a矢跨比为1/3，预构主体1的端面尺寸与预构巷道的断面尺寸相同，预构主体1的长度小于预构巷道的长度，以用于为架设充填挡墙预留足够的作业空间；

预构主体1的一端连有一面保护层2，保护层2内设有剪切增稠流体3，以用于对预购主体暴露在空区的局部高风险区进行覆盖性的加强保护；

预构主体1的底部设有一个注水口1a、顶部设有一个第一排气口1b，保护层2的底部设有一个注液口2a、顶部设有一个第二排气口2b，以便于预构主体内水的注入和保护层内剪切增稠流体的注入；

所述预构主体1和保护层2均采用韧性橡胶材料制成。

本发明中，利用橡胶硫化技术或其他技术将保护层底部与在预构主体的侧面边缘位置黏贴，在预构主体和保护层之间形成2cm左右的空间，利用该空间储存剪切增稠流体；随后在其上相应位置安装注水口、第一排气口、注液口和第二排气口等管道接口。

本发明所用剪切增稠流体为指粒子分散于溶剂中所形成的悬浮液，流体粘度随着剪切速率的增大而增大，能有效抵抗外界高冲击载荷；这里提供一种通用的剪切增稠流体配方，将等量的淀粉和水进行充分搅拌形成剪切增稠流体。

本发明中，预构主体为有一定韧性的橡胶或其他材料构成的水囊，厚度为3mm，其断面形状为1/3三心拱，长度为10m，小于预留巷道长度，为架设充填挡墙预留足够的作业空间，断面尺寸为2.0×2.2m

保护层为与预构主体材质相同的橡胶皮构成，由于在巷道应用时装置只有一个侧面暴露在空区内，属于局部高风险区，需要对这个侧面都进行保护，因此保护层的断面形状为1/3三心拱，材料厚度为3mm，断面尺寸为2.02×2.22 m

参见图3~图7，本发明中，使用上述装置进行剪切增稠流体充填体内预构巷道的方法，具体步骤如下，其特征在于，包括：

（1）预构主体的选定：在采场中选择出矿进路作为预构巷道，长度20m，尺寸为2.0×2.2m

（2）预构主体的检验：提前在地表对预构主体的质量进行检验，并按预构主体的额定压力进行充气试验，采用空压机对其进行充气，测量其是否有破损、漏气，充气时观察其内部气压数据、气压表变化和预构主体的气密性是否正常，充气压力为额定压力的1/6~1/3；充气结束后，关闭充气阀门，将预构主体在饱满状态下放置24h 后，再查看预构主体的气压表数据，查看气压变化情况；

（3）预构主体的放置：若静置24h后预构主体的气压变化小于 1%，方可将选用的预构主体利用矿山提升运输系统运送至预构巷道位置，进行井下试验；

（4）预构主体的安装：

a.第一，将与预构巷道相匹配的预构主体放入预构巷道内，打开第二排气口和注液口，连接水泵与注液口，向保护层与预构主体之间形成的空间内注入剪切增稠流体，注入剪切增稠流体体积为0.1m³，待流体无法注入后，关闭水泵，封闭第二排气口和注液口；

b.第二，利用矿山运输设备将上述装置平铺在出矿进路内，并在装置的外表均匀涂抹脱模剂，由于装置的长度小于采空区长度，需将其带有保护层的一端靠近采空区，如图5所示，采空区为预构主体靠近出矿巷一侧的区域；

c.第三，打开第一排气口和注水口，连接水泵与注水口，向预构主体内部注水，注水体积约44m³，待水无法注入后，关闭水泵，封闭注水口与第一排气口；

（5）采空区充填：待上述操作完毕后，检查预构主体和保护层是否有漏水，随后封堵采空区各个出口，进行采空区充填，待充填至一定高度，且充填料浆凝固后，拆除采空区出口封堵墙；

（6）预构主体的拆除：打开第一排气口、注水口，将预构主体内的水排出；待水排尽后，将其从充填体内取出，所形成的空间即为预构巷道，随后打开第二排气口和注液口，将剪切增稠流体放出并回收再利用，由于剪切增稠流体流动性较差，必要时可利用气泵从第二排气口注入空气，将剪切增稠流体从注液口挤出。

进一步地，所述步骤（3）中，需要检查预构主体的相关配件是否齐全及使用情况，还应对预构巷道进行清理，以用于避免巷道内的尖锐物体对预构主体造成损坏、保证预构主体的正常充填。

本发明中，在放置预构主体之前，需要进行详细的检查：

一，检查工程载体相关附件是否齐全，能否正常使用，根据井下巷道情况采用麻布挂壁防护，或制作麻袋包裹工程载体，在地表完成准备工作；

二，井下待施工巷道准备做好井上下生产协调，在满足安全生产的条件下，对巷道进行清理，防止可能存在的尖锐的物件破坏工程载体，若无法清理的采用吸水膨胀袋挂壁洒水进行局部隔离防护，必要时采用喷射混凝土对巷道进行支护；

三，将井下工程载体安装相关材料与设备运输至预留巷道处，布置好用于固定工程载体的圆钢和膨胀螺栓，将矿山高压风与水通过管道接至预留巷道附近，并预留相应的接口；

四，预构主体使用罐笼下井，然后采用运输车辆将其搬运到待施工的巷道地段附近，利用人力搬运到安装点，运输途中需要加强防护，确保在运输途中不造成损坏，同时预构主体放入巷道时应平行放入， 避免卷曲，以免造成充气后折叠，以防止工程载体充气时局部受压过大，导致工程载体受力不均匀，瞬时增压局部造成爆裂。冬季应采取工程载体的防冻措施。

本发明中，在预构主体施工完毕后，还需要设置充填挡墙：

一，充填挡墙采用红砖240*115*53mm封闭，砖墙 1m 以下砌筑厚度 0.5m，其 1m以上砌筑厚度 0.37m，砌筑及抹面砂浆要求强度 M10，为保证脱水效果采用φ108mm 无缝钢管端头包裹滤布脱水；

二，封闭墙上的脱水管采用无缝钢管Φ108*700mm，其墙内端头要求钢管用土工布包裹起脱排水作用，最下部 1m 以下两根每根长 700mm，砌筑砖墙时按图示位置放置在墙体内，预构主体内部水位测试管从其中一个脱水管中伸出；

三，选厂产出的全尾矿浆浓度 20%，流量 906m

四，选厂全尾砂经输送泵加压后输送至充填站立式砂仓中絮凝沉降，充填前排出全尾砂料面上的澄清水，然后采用压气造浆，砂仓中全尾砂造浆均匀后，再由放砂管输送至搅拌桶，水泥仓顶设有仓顶收尘器和料位计，对料位进行监视，仓壁下部设有仓壁振打器，保证水泥下料稳定，目前，矿山充填用胶凝材料直接从矿山胶凝材料厂经管道吹入水泥仓，胶凝材料经双螺旋给料机和电子秤计量后输送。至搅拌桶，充填料浆制备采用立式搅拌桶+高速活化搅拌机两段连续搅拌，通过充填钻孔及井下输送管道自流输送至采场空区充填。充填系统配置的用于监测和控制充填运行参数的自动化检测及调节装置目前已大部分损坏，目前仅用于控制系统的开机和关机，以及水泥用量的控制。全尾砂浆的浓度和充填料浆的浓度均通过人工测量得到，全尾砂浆和充填料浆的流量通过电磁流量计测量。

本发明所能产生的有益效果如下：

（1）若按照矿山原有的充填体内开挖巷道方式，单个采场需开挖 5~6 条出矿进路，单个进路开挖长度按8m计算，充填体内开挖巷道成本为8677.6元/m，可粗略计算单个采场充填体开挖巷道的成本约为 34.7~41.7 万元；

（2）若采用本发明的充填体内预留巷道方式，可通过计算预估巷道预留综合成本，巷道预留综合成本由回填成本和预留巷道成本构成，具体如下表：

由上可知，预留巷道方案回填成本为现有方案的10%，按预构主体至少使用两次，可计算得到巷道预留综合成本为4530元/m，可粗略计算单个采场充填体内预留巷道的成本约为21.7万元，单个采场可节约成本20万元，成本节约40%以上。

另外，本发明的装置在一定程度上可以对其进行回收再利用，进一步的压缩了预留巷道成本。

使用本发明的装置前后，两种方案的经济指标对比如下表：

综上所述，根据统计结果比较，粗略估算传统的充填体内掘进巷道进尺为0.44m/天。若采用充填体内预留巷道方式，预留巷道需要花费时间为工程载体预置时间、工程载体取出时间和支护时间，其中工程载体现场安装时间约为3~4天，为充填之前预置，可通过调整充填顺序进行压缩，工程载体取出时间约为3~4天，巷道清理时间2~3天，支护时间约为15天，可大致计算得到充填体内预留巷道效率为 1.92m/天，施工周期压缩了近80天，施工效率提升约4倍。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。