权利要求
1.一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：包括支护单元和填充单元，所述支护单元包括支护桩和加强框架，所述加强框架设置在支护桩的顶部并与所有支护桩连接;所述支护桩内部形成有两个独立的灌注腔室，所述加强框架内形成有三个独立的运料腔室，三个运料腔室之二分别与两个灌注腔室连通;所述填充单元包括有填充压力传感器所述填充压力传感器设置在支护桩的中部。
2.根据权利要求1所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：所述支护桩内部空心，所述支护桩的内部中间竖直设置有隔片，两个隔片形成了两个灌注腔室，两个灌注腔室包括填料灌注腔室和隔料灌注腔室;所述填料灌注腔室的底部设置有第一填料灌注口，所述隔料灌注腔室的底部设置有隔料灌注口，所述隔料灌注口位于支护桩的中部。
3.根据权利要求2所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：所述支护桩的侧面设置有可向下翻动至水平的安装条，所述安装条的长度小于20cm，所述填充压力传感器设置在安装条上，当安装条处于水平状态时，填充压力传感器位于安装条的上侧。
4.根据权利要求3所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：所述支护桩的底部设置有支撑底座，所述支撑底座上形成有若干支架，所述支架与支护桩底部的边沿均匀连接。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：所述填料灌注腔室的中部设置有第二填料灌注口，第二填料灌注口的高度高于隔料灌注口，所述第二填料灌注口上设置有压力出口阀。
6.根据权利要求1所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：所述加强框架包括主框架，所述运料腔室设置在主框架中，所述运料腔室包括有填料运料腔室、隔料运料腔室和加固料运料腔室，所述加固料运料腔室的顶部开设有加固料灌注口。
7.根据权利要求6所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：所述填料运料腔室和隔料运料腔室均设置有简易压力阀，两者通过简易压力阀与填料灌注腔室和隔料灌注腔室连通。
8.根据权利要求1所述的一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，其特征在于：临时支护方法包括以下步骤：
S1，安装支护桩和加强框架;
S2，支模板，向加强框架的加固料运料腔室中泵送加固料，等待加固料凝结后拆除模板;
填充方法包括以下步骤：
S1，将井下所有安装条展开，使填充压力传感器朝上;
S2，向填料运料腔室中泵送填充料，直到所有填充压力传感器监测到压力变化到预设值;
S3，停止泵送填充料，向隔料运料腔室泵送隔离料;
S4，停止泵送隔离料，继续向填料运料腔室泵送填充料，直到填充完成。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及
采矿设备领域，具体公开了一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统。
背景技术
[0002]随着金属矿井开采深度不断增加(部分矿井已达1500-2000米)，传统支护与
充填技术在高地压、高温及强腐蚀环境下暴露出显著缺陷：现有支护技术以锚杆、U型钢支架及混凝土衬砌为主，但深井中支护失效率高达15%-20%，且传统金属支架依赖人工调节卡缆，无法动态匹配围岩变形，搭接部位易松动导致二次垮塌风险;充填技术虽通过膏体或胶结材料(尾砂占比超80%)减少地表沉降(降幅达80%-90%)，但膏体离析(粗颗粒下沉率超50%)、管道堵塞(故障率约15%)及设备空间适应性差(狭窄巷道通过率低)等问题仍制约技术效能，同时现有技术缺乏实时监测与反馈机制，支护参数调整滞后于围岩形变(误差>20%)，充填密度控制精度不足，且维护成本高昂(管道清洗需停机作业，单部件更换耗时超30分钟)。
[0003]申请号CN201910747035.4的中国专利公开了一种用于金属矿井下间柱充填法回采的支护装置及支护方法。支护装置包括横钢梁、通过短螺栓分别连接于横钢梁的左右两端下方的两节竖长钢梁、通过短螺栓分别连接于两节竖长钢梁下部内侧面的两节竖短钢梁及连接于横钢梁与两个竖长钢梁之间的两个斜钢梁。支护方法包括准备支护材料，及将准备好的支护材料运送至采场，进行搭接的步骤。本发明可实现采空区顶板快速有效支护，大大提高了间柱回采作业的安全性与效率，具有广阔的应用前景。本发明具有拆装方便、支护效果好、施工效率高、长度可调、矿体厚度适应性强的优点，可满足金属矿山井下尾砂充填体间遗留矿柱上向充填法安全回收要求。
[0004]上述专利阐明了在金属矿开采过程中，采空区需要临时支护的问题，其采用钢梁结构来支护采空区效果较好，但是其并未解决填充过程中填充层大颗粒沉降、填充层强度不够的问题。
发明内容
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，以解决填充料下沉率过高的技术问题。
[0006]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，包括支护单元和填充单元，所述支护单元包括支护桩和加强框架，所述加强框架设置在支护桩的顶部并与所有支护桩连接;所述支护桩内部形成有两个独立的灌注腔室，所述加强框架内形成有三个独立的运料腔室，三个运料腔室之二分别与两个灌注腔室连通;所述填充单元包括有填充压力传感器，所述填充压力传感器设置在支护桩的中部。
[0007]本方案中的支护单元主要用于支护采空区，避免采空区在开采过程中或者填充过程中出现垮塌的情况。填充单元设置了两个灌注腔室和三个运料腔室，其中一个灌注腔室用于灌注填充料，另一个灌注腔室用于灌注隔离料，当填充料灌注到一定高度后，转而灌注隔离料，隔离料的灌注高度在3-6cm左右，隔离料的密度大于填充料，隔离料灌注完成后再继续灌注填充料。在此过程中，虽然隔离料的密度高容易沉降，但是隔离料的厚度足够，还是能够形成完整的隔料层。填充工作完成后，整个填充层包括下方的填充层、中部的隔料层和上方的填充层，将原本的一个填充层隔离为两个填充层。一个填充层的劣势在于：填充层内出现沉降后，填充层底部密度高、上部密度低，密度低的部分高度较高，导致填充层的承载性能不满足要求;两个填充层的优势在于：即使填充料出现沉降现象，由于填充层的高度降低，所有填充层中低密度的部分也相对较少，保证了填充层的强度。本方案中，还有一个运料腔室的作用是运输加固料，用于加固采空区的顶部。本方案中，在采矿作业中，将支护桩作为临时支护结构，在填充作业中将支护桩作为灌注的管道，填充完成后支护桩埋在填充层内无需取出，减少了填充作业搭设管道的工作难度，提高了工作效率。
[0008]可选地，所述支护桩内部空心，所述支护桩的内部中间竖直设置有隔片，两个隔片形成了两个灌注腔室，两个灌注腔室包括填料灌注腔室和隔料灌注腔室;所述填料灌注腔室的底部设置有第一填料灌注口，所述隔料灌注腔室的底部设置有隔料灌注口，所述隔料灌注口位于支护桩的中部。
[0009]本方案中，隔片将支护桩隔离出填料灌注腔室和隔料灌注腔室，填料灌注腔室的空间大于隔料灌注腔室，两个灌注腔室的灌注口都位于底部，向填料灌注腔室灌注填充料时，填充料从井下采空区的地面上向上灌注。本方案的灌注方式与现有技术不同，现有技术是从上向下灌注，填充料中的大颗粒结构逐渐向下沉降，而本方案中是从下向上灌注，新灌注的填充料能够从下方扰动已灌注完成的填充料，避免大颗粒结构沉降，同时还能够在一定程度上将底部的大颗粒结构向上运输。
[0010]可选地，所述支护桩的侧面设置有可向下翻动至水平的安装条，所述安装条的长度小于20cm，所述填充压力传感器设置在安装条上，当安装条处于水平状态时，填充压力传感器位于安装条的上侧。安装条可以将填充压力传感器设置在采空区的中部且朝上，目的是为了检测采空区内的填充高度，当填充高度达到填充压力传感器的位置后，填充压力传感器监测到压力变化，此时即可停止填充，转而向隔料灌注腔室中灌注隔料。
[0011]可选地，所述支护桩的底部设置有支撑底座，所述支撑底座上形成有若干支架，所述支架与支护桩底部的边沿均匀连接。本方案中，使得填料灌注口的空间变得更大，便于向采空区内灌注填充料。
[0012]可选地，所述填料灌注腔室的中部设置有第二填料灌注口，第二填料灌注口的高度高于隔料灌注口，所述第二填料灌注口上设置有压力出口阀。当隔料灌注完成后，继续向填料灌注腔室内灌注填充料，此时因为采空区的下部填充完成，所以填料会从采空区的中部开始填充，直到整个采空区填充完成。
[0013]可选地，所述加强框架包括主框架，所述运料腔室设置在主框架中，所述运料腔室包括有填料运料腔室、隔料运料腔室和加固料运料腔室，所述加固料运料腔室的顶部开设有加固料灌注口。本方案中，加固料运料腔室能够运输井下的加固料，用于加固井下顶壁的强度。
[0014]可选地，所述填料运料腔室和隔料运料腔室均设置有简易压力阀，两者通过简易压力阀与填料灌注腔室和隔料灌注腔室连通。本方案中，通过简易压力阀可以平衡运料腔室内的压力，使运料时，填料/隔料能够均匀灌入到每个支护桩内。
[0015]一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，临时支护方法包括以下步骤：
S1，安装支护桩和加强框架;
S2，支模板，向加强框架的加固料运料腔室中泵送加固料，等待加固料凝结后拆除模板;
填充方法包括以下步骤：
S1，将井下所有安装条展开，使填充压力传感器朝上;
S2，向填料运料腔室中泵送填充料，直到所有填充压力传感器监测到压力变化到预设值;
S3，停止泵送填充料，向隔料运料腔室泵送隔离料;
S4，停止泵送隔离料，继续向填料运料腔室泵送填充料，直到填充完成。
[0016]本方案的工作原理及有益效果在于：
1、本方案中将支护桩和加强框架作为采空区的临时支护结构，在开采金属矿时起到较好的支护作用，在开采完成后将支护桩和加强框架作为采空区填充时的运输管道，用于运输填充料和隔料，使填充工作中管道搭设的工序省略，一定程度上提高了填充效率。
[0017]2、本方案中通过支护桩的方式来填充与现有技术有明显不同，不同之处在于本方案中通过支护桩从采空区的底部开始填充，底部向上填充的优势在于新的填充料会将已经灌注的填充料向上挤压运输，同时在底部进行流体扰动，减少大颗粒结构沉降的问题。本方案中在填充了一定高度后在填充层上灌注一层隔料，然后再继续填充，隔料使得填充层分为上下两层，两层填充层也可以缓解大颗粒结构沉降的问题。由于本方案中采用了底部填充方式和双层填充层的方式，所以填充料的整体密度和粘性整体降低，需调整填充料配比。
[0018]3、本方案中通过填充压力传感器来判断下层填充层的填充高度问题。
附图说明
[0019]图1为实施例的结构示意图;
图2为支护单元和填充单元的结构示意图;
图3为支护桩的内部结构示意图;
图4为填充层的结构示意图。
[0020]附图中标记如下：支护桩1、隔料灌注口2、支架3、支撑底座4、安装条5、主框架6、加固料灌注口7、填料运输腔室8、隔料运输腔室9、加固料运输腔室10、隔板11、填料灌注腔室12、隔料灌注腔室13、第一填料灌注口15、第二填料灌注口16、填充压力传感器17、隔片18、弹簧片19、阀板20、填充层21、隔料层22。
具体实施方式
[0021]下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例
一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，如图1-图4所示，包括支护单元和填充单元。
[0022]支护单元包括支护桩和加强框架。支护桩内部中空，且其内部竖直设置有隔片，隔片的下端延伸到支护桩的中部。两个隔片形成了两个灌注腔室，分别是填料灌注腔室和隔料灌注腔室，其中填料灌注腔室的空间大于隔料灌注腔室。填料灌注腔室的底部设置有第一填料灌注口，填料灌注腔室的中部设置有第二填料灌注口，第二填料灌注口上设置有压力出口阀。压力出口阀的结构属于十分常见的现有技术，不再赘述，也不在图中绘出。隔料灌注腔室的底部设置有隔料灌注口，隔料灌注口位于支护桩的中部，隔料灌注口的高度低于第二填料灌注口。支护桩的底部设置有支撑底座，支撑底座上形成有若干支架，支架与支护桩底部的边沿均匀连接。支护桩的侧面转动铰接设置有可向下翻动至水平的安装条，安装条的长度小于20cm，填充压力传感器设置在安装条上，当安装条处于水平状态时，填充压力传感器位于安装条的上侧，此时填充压力传感器的位置低于隔料灌注口。
[0023]本实施例中，隔料的整体密度大于填充料。
[0024]加强框架设置在支护桩的顶部并与所有支护桩连接。加强框架包括有主框架和加强网，加强网可以采用铁链式网也可以采用钢筋网，铁链网灵活性性高、安装方便但是基本无加固效果，钢筋网安装难但是加固效果好，且后续注浆加固时加固层的强度也更好。主框架呈长方体状，主框架内部中空且一体成型有T字形的隔板，隔板将主框架分成三个独立的运料腔室，分别为左下方的填料运料腔室、右下方的隔料运料腔室和上方的加固料运料腔室。填料运料腔室与填料灌注腔室连通，隔料运料腔室与隔料灌注腔室连通。加固料运料腔室的顶部开设有加固料灌注口。填料运料腔室和隔料运料腔室均设置有简易压力阀，两者通过简易压力阀与填料灌注腔室和隔料灌注腔室连通。简易压力阀的结构包括阀板和弹簧片，弹簧片固定设置在支护桩的填料灌注腔室/隔料灌注腔室的内壁上，阀板再与弹簧片焊接，阀板的形状呈半圆形，阀板和弹簧片的尺寸无需与腔室吻合，比腔室略小即可，因填充料的组分大部分大部分粒径较大，阀板与腔室之间的微小缝隙不足以让大量的填充料落下。
[0025]填充单元包括有填充压力传感器和填料管道，填充压力传感器设置在支护桩的中部。
[0026]一种矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统，临时支护方法包括以下步骤：
S1，安装支护桩和加强框架;
S2，支模板，向加强框架的加固料运料腔室中泵送加固料，等待加固料凝结后拆除模板;
填充方法包括以下步骤：
S1，将井下所有安装条展开，使填充压力传感器朝上;
S2，支模板，向填料运料腔室中泵送填充料，直到所有填充压力传感器监测到压力变化到预设值;此时采空区的下部填满填充料并形成填充层，该填充层的高度不小于采空区高度的一半;
S3，停止泵送填充料，向隔料运料腔室泵送隔离料;隔离料从隔料灌注口中流出并在下方的填充层上形成一层隔离层，隔离层的厚度小于10cm，一般在5-6cm左右;为了判断隔离层的灌注高度，也可以采用压力传感器的方法;
S4，停止泵送隔离料，继续向填料运料腔室泵送填充料，直到填充完成，填充是否完成主要依靠对填充料泵送压力监测来实现。
[0027]本实施例的填充过程中，无需等待下层的填充层凝固，隔料层填充完成后直接可以继续填充，因为本实施例中的隔料层有足够的厚度用来隔离上下两个填充层，以降低填充层中大颗粒结构沉降过多造成的影响。
[0028]以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。
说明书附图(4)
声明：
“矿山井下间柱回采的支护和充填一体化系统” 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：北方有色网
来源：中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司, 西藏华泰龙矿业开发有限公司
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