可掘性分级与能量场定向调控的破碎矿体非爆开采方法

本发明属于地下金属矿山采矿工程，具体涉及可掘性分级与能量场定向调控的破碎矿体非爆开采方法。

背景技术：

1、随着金属矿山开采深度不断向千米以下延伸，高地应力与破碎围岩的双重制约日益凸显。以铅锌矿、金矿为代表的复杂难采矿床，矿体多呈急倾斜薄至中厚状产出，围岩节理裂隙极度发育，岩体质量指标rqd值普遍偏低，自稳能力极差。在此类矿岩条件下，传统以凿岩爆破为核心的采矿方法面临着系统性困境。

2、首先，钻爆法产生的强烈震动波会不可逆地损伤本就破碎的围岩结构，极易诱发冒顶、片帮乃至采空区连锁失稳等动力灾害，作业安全性难以保障。其次，爆破作用范围难以精准控制，在矿脉厚度薄、产状变化大的矿体中极易造成超挖与欠挖，导致矿石贫化率与损失率居高不下。再者，现有充填法采矿工艺中，回采与充填之间存在较长的工序间隔，采空区暴露时间过长，破碎围岩在此期间持续发生松弛变形，地压累积效应显著。

3、近年来，非爆机械化开采技术逐渐成为行业研究热点，中国发明专利cn113803072b公开了一种基于智能掘进机的厚大矿体非爆采矿方法，其核心破岩方式依赖于截割头旋转切削；中国发明专利cn120466012a公开了一种硬岩矿山机械化采矿充填巷道及作业方法，通过设置采矿巷道和充填巷道保障平行连续作业。上述方法均在一定程度上实现了非爆开采，但存在以下本质性局限：

4、（1）破岩机理层面的局限。截割头旋转切削破岩的本质是利用截齿在矿岩表面施加剪切力实现逐层剥离。该机制对均质、中低硬度的煤系地层或软岩适应良好，但对于节理发育但岩石单轴抗压强度较高的硬岩金属矿体（普氏系数f≥6），截齿与坚硬矿岩之间的摩擦产生高热，截齿消耗量呈指数级上升，掘进效率急剧衰减。这是由截割破岩的力学原理本身决定的，无法通过简单地增大截割功率来解决。

5、（2）工序协同层面的局限。上述方法中，充填工序与回采工序之间仍存在显式的工序间隔，未能实现破岩-出矿-充填全链条的即时协同。在深部高应力环境下，即便是数小时的采空区暴露，也可能导致围岩发生不可逆的损伤演化，大幅增加了后期支护难度和成本。

6、（3）方法学层面的缺失。现有技术虽然提出了非爆开采的概念，但未能建立针对不同矿岩条件的破岩参数差异化设计方法。无论是截割式掘进还是冲击式掘进，如果仅作为设备层面的替代，而缺乏与之配套的破岩参数优选、工艺时序设计等方法层面的创新，则难以形成可推广的技术体系。

7、因此，针对深部软弱破碎硬岩矿体的特殊禀赋特征和现有非爆开采技术的上述三重局限，亟需开发一种在破岩机理、工序协同和方法体系三个层面均实现突破的非爆连续开采方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供可掘性分级与能量场定向调控的破碎矿体非爆开采方法，解决了以下三个核心技术问题：第一，如何针对不同冲击可掘性等级的矿岩差异化设计冲击破岩参数，实现从凭经验操作到按方法决策的转变；第二，如何在狭窄进路空间内实现冲击破岩速率与出矿转运能力的时序耦合匹配，消除工序等待时间；第三，如何通过充填体强度发展曲线与邻进路回采时序的协同设计，实现地压的主动管控而非被动支护。

2、为达到以上目的，本发明所采用的技术方案为：

3、可掘性分级与能量场定向调控的破碎矿体非爆开采方法，包括如下步骤：

4、s1，分级与参数差异化设计：对目标矿段开展矿岩冲击可掘性分级评价，采集矿岩单轴抗压强度、节理裂隙间距、rqd值、岩体完整性系数及结构面产状参数，依据冲击破碎比功w和可掘性指数kv将矿岩划分为ⅰ级易冲击破碎区、ⅱ级需辅助致裂区和ⅲ级难冲击破碎区三个等级；针对不同等级区域，差异化预设冲击频率、单次冲击功及单循环推进步距参数组合；将矿体按高度划分为中段、分段和分层，分层内沿矿体走向或垂直走向布置进路式采场；

5、s2，脉外采准工程布置：在矿体下盘布置斜坡道、分段联络平巷、分层联络道和溜井，在矿体上盘或中央布置兼作通风与充填通道的充填回风井；自分层联络道沿矿体走向布置若干条满足设备作业需求的进路；

6、s3，回采：采用集成高频液压冲击锤的硬岩冲击式掘进机，在s1确定的对应分级参数包络范围内，对工作面矿体实施定向低扰动破碎回采及出矿；

7、s4，充填：单条进路回采完毕后，撤出设备，立即在进路口架设充填挡墙，通过充填回风井下放充填料浆对进路实施即时充填；

8、s5，循环：当前分层所有进路回采充填完毕后，充填体顶面作为上一分层的人工假底作业平台，重复s3和s4，完成上一分层的回采，如此自下而上循环递进直至完成整个中段矿体的回采。

9、本技术的技术方案中，能够通过参数计算对目标矿段开展矿岩冲击可掘性分级评价，并针对不同冲击可掘性等级的矿岩差异化设计冲击破岩参数，实现从"凭经验操作"到"按方法决策"的转变，在狭窄进路空间内实现冲击破岩速率与出矿转运能力的时序耦合匹配，消除工序等待时间，通过充填体强度发展曲线与邻进路回采时序的协同设计，实现地压的主动管控而非被动支护。

10、作为本发明的进一步改进，每循环冲击破岩前，对工作面揭露的矿岩进行即时判别，根据实际矿岩条件与s1预设参数进行比对校核，动态调整冲击频率、冲击功及推进步距；在s1确定的对应分级参数包络范围内，按照"预裂掏槽—梯度扩帮—精整修边"三阶段冲击破岩工序对工作面矿体实施定向低扰动破碎，其中：预裂掏槽阶段在工作面中下部沿矿体最软弱结构面方向开辟自由面；梯度扩帮阶段以掏槽空间为自由面，自下而上、由内向外逐层剥离矿体；精整修边阶段沿设计开采边界进行轮廓修整；控制破碎后矿石平均块度≤300mm；在冲击破岩作业的同时，配置跟机转运系统与冲击式掘进机在进路内形成时序耦合的连续运搬作业线，冲击破岩速率与转运能力经预先匹配计算，实现破岩工序与出矿工序的无缝衔接；矿体内采用"隔一采一"的间隔回采顺序，不留点柱、间柱。

11、作为本发明的进一步改进，充填体配合比根据相邻待采进路的计划回采时间反算设计，使充填体强度发展曲线与邻进路回采时序实现协同匹配，在预定养护时间内形成具有预设承载能力的人工支撑体。

12、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，所述矿岩冲击可掘性分级评价体系中，以冲击破碎比功w和可掘性指数kv作为分级判据：其中w为落锤冲击试验实测的冲击破碎比功，单位j/cm³，kv=jf/(rqd×ki)，jf为节理频率、rqd为岩石质量指标，以小数计、ki为岩体完整性系数；w≤15、kv≥50为ⅰ级易冲击破碎区；15＜w≤30、15≤kv＜50为ⅱ级需辅助致裂区；w＞30、kv＜15为ⅲ级难冲击破碎区；ⅰ级区域采用标准冲击频率25～35hz、单次冲击功18000～22000j、单循环推进步距1.5～2.0m；ⅱ级区域在冲击前辅以少量预裂钻孔，冲击频率提升至30～45hz、单次冲击功22000～28000j、单循环推进步距1.0～1.5m；ⅲ级区域增设密集预裂钻孔，冲击频率40～45hz、单次冲击功26000～28000j，并降低单循环推进步距至0.5～1.0m。

13、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，中段高度50～80m，将中段划分为5～8个分段，分段高度8～12m，每个分段承担2～4个分层，分层高度3.0～4.0m；所述进路沿矿体走向布置时长度为40～100m，宽度为3.0～4.0m，高度与所在分层高度一致，步骤s2中，斜坡道断面不小于3.2m×2.8m，坡度≤15%；分层联络道坡度15%～20%。

14、作为本发明的进一步改进，三阶段定向冲击破岩的具体工艺参数为：预裂掏槽阶段，在距进路底板0.5～1.0m高度处沿矿体最发育节理方向布置掏槽线，冲击频率30～40hz，单次冲击功22000～28000j，掏槽深度为单循环推进步距的1.0～1.2倍；梯度扩帮阶段，以掏槽空间为初始自由面，冲击频率20～30hz，单次冲击功15000～20000j，自下而上分层剥离，单层剥离厚度0.3～0.5m，由内向外逐层推进至设计边界；精整修边阶段，冲击频率10～15hz，单次冲击功8000～12000j，沿设计开采边界线进行点位式轮廓修整；单循环推进步距1.0～2.0m。

15、作为本发明的进一步改进，破岩-运搬时序耦合通过以下方式实现：预先测定不同矿岩等级下冲击式掘进机的单位时间破岩量qb，配置额定载重与转运能力匹配的跟机自卸式运矿卡车，使单车循环时间tc满足tc ≤ lc/qb，其中lc为单车额定载重，确保冲击破岩工序与出矿工序之间不产生等待时间；跟机自卸式运矿卡车额定载重20～30t，在进路内形成"跟机接料-运输-卸矿-返回"的连续出矿作业模式，矿石经分层联络道、分段联络平巷运至卸矿硐室，卸入溜井。

16、作为本发明的进一步改进，所述"隔一采一"的间隔回采顺序具体为：在矿体厚度大于进路设计宽度的区段，先回采奇数编号进路并即时充填，利用先行充填的进路充填体作为人工间柱提供侧向支撑，待充填体养护达标后再回采其间偶数编号进路。

17、作为本发明的进一步改进，设相邻待采进路的计划回采开始时间为t0，进路充填完成时刻为t=0，则充填体在t0时刻的需求强度σreq满足σreq ≥ k·γh·a/s，其中k为围岩拱效应应力折减系数，γ为上覆岩层容重，h为采深，a为进路顶板承载面积，s为充填体支撑面积；根据σreq反算充填材料配合比和养护时间，使充填体达到σreq所需的养护时间tcure ≤ t0；充填料浆通过充填回风井和充填管路输送至进路内，采用1:12全尾砂胶结充填料进行第一阶段进路底部空区充填，然后采用1:6全尾砂胶结充填料做胶面充填，胶面厚度0.3～0.5m，养护时间24～72小时；回采过程中进行通风作业，新鲜风流通过斜坡道、分段联络道、分段联络平巷、分层联络道进入进路工作面，污风经充填回风井排出。

18、作为本发明的进一步改进，对于顶板围岩不稳固地段，采用撬毛台车或液压锤进行系统性撬顶处理，辅以锚杆台车进行锚网支护；与硬岩冲击式掘进机配套的变配电设施及通风设施设置在分层联络道或分段联络平巷内，不进入进路。

19、本发明与现有技术相比，其本质区别在于：本发明不是将液压冲击锤当作一个可替换的破岩工具来使用，而是从冲击破岩的力学机理出发，建立了与之配套的方法学体系。具体而言：

20、第一，建立了矿岩冲击可掘性分级评价体系。截割式掘进依赖于截齿对矿岩的剪切破坏，其破岩效率主要受矿岩单轴抗压强度控制；而冲击式破岩利用液压冲击锤产生的高频冲击应力波，通过局部应力集中实现矿岩的压溃式破坏，其破岩效率同时受矿岩强度、节理裂隙密度和结构面产状的综合影响。本发明基于冲击破碎的力学特性，建立了以冲击破碎比功w和可掘性指数kv为核心判据的分级评价体系，将矿岩划分为三个等级并差异化预设冲击参数组合，使冲击破岩从凭经验试凑提升为按方法决策。

21、第二，构建了三阶段定向冲击破岩工序。截割式掘进的破岩路径一般是连续切削式推进，而冲击式破岩利用的是应力波在矿岩中的传播与反射，自由面的存在对破岩效率有显著影响。本发明据此提出了预裂掏槽—梯度扩帮—精整修边三阶段工序：先在矿岩最软弱结构面方向冲击开辟人工自由面，再利用自由面的反射拉伸效应进行梯度扩帮，最后进行轮廓精修。该三阶段工序是基于冲击破岩力学原理的方法创新，而非简单的操作顺序安排。

22、第三，实现了破岩-运搬时序耦合匹配。截割式掘进的破岩速率相对稳定可预测，而冲击式破岩的速率随矿岩条件变化波动较大。本发明通过预先测定不同矿岩等级下冲击式掘进机的单位时间破岩量，匹配配置转运设备，建立破岩速率与转运能力的时序耦合模型，使单车循环时间与破岩速率满足动态匹配关系，从根本上消除工序等待时间。

23、第四，建立了充填体强度发展-回采时序协同设计方法。本发明不是简单地回采完毕后充填，而是将充填体强度发展曲线与相邻待采进路的计划回采时间进行关联设计：根据采深、上覆岩层容重和进路承载面积计算邻进路回采时刻充填体的需求强度，据此反算充填材料配合比和养护时间，实现充填体按需设计、按时达标的主动管控。

24、综上所述，本发明将冲击破岩从设备层面的简单替代提升为方法层面的系统创新，为深部破碎矿体的非爆机械化开采提供了完整的技术解决方案。