一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置及构筑方法技术领域
本发明属于采矿工程技术领域，特别是涉及一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置及构筑
方法。
背景技术
在非煤矿山采矿工程领域中，空场采矿法作为三大采矿方法之一，一直占据着重要地
位。空场法的主要特点，是将矿块划分为矿房和矿柱，回采矿房时所形成的采空区，利用矿
房四周留设的顶柱、底柱、间柱以及矿房中留设规则或不规则的点柱，用以支撑矿房回采后
形成的空场，维护其稳定性。
空场法留设的矿柱，通常在矿山生产末期进行统一回收，但回收率较低，损失贫化率
高，这样就造成了大量的浪费，不利于矿产资源的保护。尤其对于某些品位较高或价值较高
的矿石，留设大量的矿柱无法回收，对矿山开采企业来说也是较大的经济损失。因此越来越
多使用空场法回采的矿山，采用人工点柱代替矿石点柱的方法来提高资源回收利用率，提升
经济效益。
在空场法回采的矿块中，矿房内留设用于替代矿柱的人工点柱，通常采用掘进大块废石
与水泥砂浆砌筑而成，或者在采场内搭建模板用混凝土浇筑而成。与矿柱相比，人工点柱可
有效提高回采率和矿山经济效益，但在工程实际中，空场内构筑人工点柱的最大问题在于点
柱与矿房顶板不能有效接顶，使人工点柱对顶板的支撑作用不明显。
矿房顶板是矿体在炸药爆破作用下崩落矿石后形成的不平整面。在采场中构筑人工点
柱，无论是采用砌筑方式还是浇注方式，人工点柱顶部与矿房顶板之间总会存在一定高度
(大于20mm)的接顶空间，对于接顶空间，矿山现场常用的处理方式包括：一、不予处理，
任由矿房顶板逐渐变形垮落与人工点柱实现接顶；二、采用较小块度(100mm～200mm)的块
石铺设在接顶空间内用以减小接顶空间高度；三、楔入一定直径的圆木在接顶空间内，实现
人工点柱对矿房顶板的支撑；四、采用人工泼水泥砂浆的方式或者采用水泥砂浆喷射机将水
泥砂浆逐次充填至接顶空间内，水泥砂浆凝固后将人工点柱与采场顶板胶结为一体。上述前
两种接顶处理方式均属于完全被动接顶，顶板在变形过程中，与人工点柱接顶之前，容易发
生顶板冒落等危险；第三种圆木楔入接顶方式为柔性接顶，接顶效果差，圆木对顶板的有效
支撑力小，随着国家相关安全规程对井下木支护形式的禁止，采用楔入圆木进行接顶处理的
方式也将逐渐被淘汰；第四种接顶处理方式相比其他三种方式，接顶效果有明显提高，首先
可实现完全接顶，其次水泥砂浆凝固后强度较高；但该方式存在接顶施工工艺复杂、劳动强
度大等缺点，而且该方式仍属于被动支护接顶，接顶空间中的水泥砂浆只是将人工点柱与采
场顶板胶结在一起，其本身对采场顶板并没有产生主动的支撑力。
发明内容
本发明针对现有人工点柱接顶技术存在的问题，提供一种结构简单、造价低廉、使用便
捷、能够快速主动接顶、接顶效果好、支撑力大的人工点柱膨胀接顶装置及构筑方法。
本发明采用的技术方案为：
一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，用于地下采场中，所述地下采场具有采场底板和
采场顶板，采场底板上设有人工点柱基础，所述膨胀接顶装置安装在人工点柱基础和采场顶
板之间，包括上外套桶、内套筒和下外套桶，所述内套筒置于上外套桶和下外套桶内，所述
上外套桶具有桶底Ⅰ和桶壁Ⅰ，所述下外套桶具有桶底Ⅱ和桶壁Ⅱ，所述上外套桶套设在内
套筒的上方，内套筒的外壁与桶壁Ⅰ的内壁间隙配合，所述下外套桶套设在内套筒的下方，
内套筒的外壁与桶壁Ⅱ的内壁间隙配合，所述内套筒内由下至上依次设有碎石垫层和膨胀剂
药卷，并在膨胀剂药卷上充填砂石，所述桶底Ⅰ和桶底Ⅱ上均设有泄水排气孔。
所述的一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，所述上外套桶和下外套桶的高度之和与内
套筒的高度相匹配，所述上外套桶为钢质上外套桶，所述下外套桶为钢质下外套桶，所述内
套筒为钢质内套筒。
所述的一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，桶壁Ⅰ和桶壁Ⅱ上均设有把手。
所述的一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，所述人工点柱基础为在采场内从采场底板
至采场顶板方向，用块石砌筑或用混凝土浇筑的人工砌体。
所述的一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，所述碎石垫层中的碎石粒径为4.0-
6.0mm，碎石垫层的厚度为40-60mm。
所述的一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，所述膨胀剂药卷为粉末状膨胀剂灌装到直
径为30-50mm、具有透水性和韧性的纸筒中，所述纸筒的高度为150-250mm。
一种地下采场人工点柱膨胀接顶构筑方法，包括如下步骤：
1)在采场内部选定的位置上，构筑人工点柱基础；
2)将内套筒放入下外套桶中进行组合，组合后形成上部开口的桶状容器；
3)在内套筒中铺设碎石垫层，随后将膨胀剂药卷垂直整齐摆放于内套筒中的碎石垫层
上，
4)将砂石充填至内套筒中膨胀剂药卷之间的间隙中，充填过程中对内套筒外壁进行敲
击振捣，使砂石以较密实的状态充填到间隙中，随后向充满砂石的内套筒中注水，使内套筒
中的砂石随着水流向下沉降，充填间隙，直至砂石面不再沉降，与内套筒上沿水平对齐后停
止注水；
5)将上外套桶开口端朝下套在内套筒上，完成膨胀接顶装置的组合；
6)将组合好的膨胀接顶装置安放至人工点柱基础的顶部，膨胀接顶装置下部即外套桶
底部与人工点柱基础顶部相接触，膨胀接顶装置上部即上外套桶顶部与采场顶板保持平行，
并留设有一定接顶空间；
7)膨胀接顶装置中膨胀剂药卷与水发生水化反应体积膨胀，推动上外套桶沿轴向上
移，推动下外套桶沿轴向下移，使上外套桶的顶端与采场顶板相接触，实现了人工点柱与采
场顶板的接顶。
所述一种地下采场人工点柱膨胀接顶构筑方法，步骤3)所述膨胀剂药卷垂直整齐摆放
于内套筒中，膨胀剂药卷一端与碎石垫层的顶部接触，膨胀剂药卷另一端距离内套筒上沿
45-55mm，膨胀剂药卷竖直状态摆放。
所述一种地下采场人工点柱膨胀接顶构筑方法，步骤5)将上外套桶开口端朝下套在内
套筒上，完成膨胀接顶装置的组合，组合后的下外套桶和上外套桶开口端为对齐接触状态，
水平旋转上外套桶，使桶壁Ⅰ和桶壁Ⅱ上的把手对齐。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明与传统人工点柱接顶工艺相比，采用钢质材料制成结构简单的膨胀接顶装
置，利用膨胀剂与水发生水化反应体积成倍膨胀的特性，通过膨胀接顶装置对膨胀剂水化膨
胀产物的圆周方向的约束，使其仅在轴向方向产生体积膨胀，推动套筒与采场顶板接顶，实
现人工点柱与采场顶板的快速有效接顶，简化了接顶工艺的复杂程度，加快了接顶速度，增
强了人工点柱支撑的刚度，改善了对顶板的支撑效果，具有施工工艺简单、高效、质优等特
点。
2、本发明与传统接顶工艺相比，接顶装置整体为钢材制成，在井下使用没有燃烧引发
火灾的可能，符合国家对井下安全生产支护形式的相关要求。
3、本发明利用膨胀剂在圆周方向约束的有限空间内的体积膨胀推动接顶装置实现接
顶，膨胀剂水化后体积增量大，使得膨胀接顶装置具有较长的接顶行程。
4、本发明中膨胀接顶装置实现接顶后，膨胀剂水化物在接顶装置内产生载荷较大、持
续稳定的轴向力，能够有效实现对采场顶板的主动支撑作用；对于井下采场中稳定性较差的
局部顶板来说，主动支撑可对顶板产生一定的预支撑力，可有效的防止采场顶板进一步变
形，与单纯的被动支护相比，支护效果得到了极大的提高；
5、本发明接顶装置结构简单，加工精度要求不高，使用的膨胀剂用量小、价格低廉、
货源广泛，接顶成本低。
附图说明
图1为本发明的一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置的构筑示意图；
图2为图1所示上(下)外套桶的结构示意图；
图3为图2所示上(下)外套桶的仰视图；
图4为图1所示内套筒的结构示意图。
图中，1—采场顶板，2—接顶空间，3—上外套桶，4—内套筒，5—下外套桶，6—碎石
垫层，7—砂石，8—膨胀剂药卷，9—把手，10—人工点柱基础，11—采场底板，12—泄水
排气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置，用于地下采场内，地下采场具有采
场底板11和采场顶板1，采场底板上设置人工点柱基础10，工点柱基础10上设置膨胀接顶
装置，所述人工点柱基础10为井下掘进作业产生的较大块度(300mm～500mm)废石，与一定
灰砂比拌合均匀的水泥砂浆在采场内从采场底板向顶板方向砌筑的人工砌体，或者是在采场
内搭建模板，用混凝土浇注的人工砌体。人工点柱基础10顶部较为平整，与采场顶板1之
间为平行关系，并留设有一定的接顶空间2，用于放置膨胀接顶装置；人工点柱基础10经
养护后，具有一定的强度。
如图1-4所示膨胀接顶装置包括上外套桶3、内套筒4、下外套桶5；如图2所示上外套
桶3与下外套桶5为相同的结构和尺寸的桶形，均为一端开口、另一端带有泄水排气孔12
的钢板封闭而成。上外套桶具有桶底Ⅰ和桶壁Ⅰ，下外套桶具有桶底Ⅱ和桶壁Ⅱ，上外套桶
套设在内套筒的上方，内套筒的外壁与桶壁Ⅰ的内壁间隙配合，所述下外套桶套设在内套筒
的下方，内套筒的外壁与桶壁Ⅱ的内壁间隙配合，泄水排气孔12设置在桶底Ⅰ和桶底Ⅱ
上，上外套桶和下外套桶均为钢质。桶壁Ⅰ和桶壁Ⅱ上均焊接有便于搬运的把手9；内套筒
4为具有一定高度的无缝钢管，钢管两端开口，壁厚约6.0mm；所述上外套桶3与下外套桶
5的桶壁为具有一定厚度的无缝钢管，其内径大于内套筒4的外径1.0-2.0mm，与内套筒4
之间为间隙配合，间隙宽度为0.5-1.0mm；所述内套筒4内由下至上依次铺设碎石垫层6、
放置膨胀剂药卷8及充填砂石7，该砂石7可为河沙或尾砂；所述内套筒4高度与上下外套
筒组合后的高度一致。
所述泄水排气孔12均匀分布在桶底Ⅰ和桶底Ⅱ上，下外套桶5上的泄水排气孔12主要
用于注水后将膨胀接顶装置内部空间多余的水滤出，并在膨胀剂药卷中的膨胀剂与水开始反
应后，将反应过程中因放热产生的水蒸气排出，防止产生的高压水蒸气在膨胀接顶装置中聚
集产生喷射现象影响接顶效果；上外套桶3上的泄水排气孔12主要用于排出水蒸气；把手
9分别焊接在下外套桶5和上外套桶3的桶壁上，在将膨胀接顶装置放入人工点柱基础10
顶部与采场顶板1的接顶空间2中时，设置的把手9可以方便膨胀接顶装置的搬运；优选
地，碎石垫层6采用粒径5.0mm左右碎石铺设在内套筒4和下部外套筒5组成的内部空间
底部，铺设厚度50mm，起到滤水拦沙的作用，碎石之间的间隙也利于筒内水蒸气的排出；
所述膨胀剂药卷8为粉末状膨胀剂灌装到直径40mm、透水性能较好、韧性较好的纸筒中，
灌装过程中需将粉末状的膨胀剂敦实，灌装好后的纸筒两端封闭，形成长200mm、直径
40mm的膨胀剂药卷8；所述充填砂石7(河沙或尾砂)用于充填膨胀接顶装置内部空间
中，膨胀剂药卷8之间的间隙，提高膨胀剂的膨胀性能，增强膨胀接顶装置的主动接顶能
力，同时砂石7(河沙或尾砂)还起到存储水分的作用，当接顶装置内膨胀剂药卷8吸水量
不足时，可从充填的砂石7(河沙或尾砂)中吸取部分水分用于水化反应。优选地该膨胀接
顶装置的高度小于人工点柱基础到采场顶板距离(即接顶空间2的高度)30-50mm。
本实施例中，内套筒3采用内径为φ191mm、外径为φ203mm、壁厚为6.0mm、高为
300mm的无缝钢管；上外套桶3和下外套桶5均采用内径为φ205mm、外径为φ219mm、壁
厚为7.0mm、高为150mm的无缝钢管与平面尺寸为240mm×240mm，厚度10.0mm的钢板
焊接而成，钢板位于套筒内部的区域均匀分布有6个直径φ8.0mm的泄水排气孔12。
一种地下采场人工点柱膨胀接顶装置的构筑方法，包括以下步骤：
步骤一：在采场内部选定的位置，采用砌筑或浇注的方式构筑人工点柱基础10，人工
点柱基础10整体为长方体，底面为正方形，其高度由采场底板11与采场顶板1的高差减去
接顶空间2的高度来确定，人工点柱基础10在砌筑或浇注过程中，尽量使其顶面保持平
整；人工点柱基础10构筑好之后，进行3d以上的养护，使其具有一定强度；
步骤二：将内套筒4放入下外套桶5中进行组合，组合后形成底部封闭、上部开口的桶
状容器；
步骤三：在内套筒4中铺设粒径5.0mm左右的碎石垫层6，铺设厚度为50mm，随后将
膨胀剂药卷8依次垂直整齐摆放于内套筒4中，膨胀剂药卷8一端与铺设的碎石垫层6顶部
接触，膨胀剂药卷8另一端距离内套筒4上沿约50mm，所有药卷均为竖直状态摆放；
步骤四：将砂石7(河沙或尾砂)充填至内套筒4中膨胀剂药卷8之间的间隙中，充填
过程中对内套筒4外壁进行敲击振捣，使砂石7(河沙或尾砂)以较密实的状态充填到间隙
中，随后向充满砂石7(河沙或尾砂)的内套筒4中注水，内套筒4中的砂石7(河沙或尾
砂)随着水流向下沉降，更为密实的充填间隙，套筒内多余的水经下部外套筒底部5的泄水
排气孔12流出，注水过程中随着内套筒4中砂石7(河沙或尾砂)面的下降，继续加入砂
石7(河沙或尾砂)，最终至砂石7(河沙或尾砂)面不再沉降，与内套筒4上沿水平对齐后
停止注水，整个注水过程持续约3min；
步骤五：将上外套桶3开口端朝下套设在内套筒4上，完成膨胀接顶装置的组合，组合
后下外套桶5和上外套桶3开口端为对齐接触状态，水平旋转上外套桶3，使其桶身的把手
9与下外套桶5桶身的把手9对齐，方便搬运；
步骤六：将组合好的膨胀接顶装置安放至人工点柱基础10上较为平整的顶部，膨胀接
顶装置下外套桶5底部与人工点柱基础10顶部相接触，膨胀接顶装置上外套桶3顶部与采
场顶板1保持平行，并留设有一定接顶空间2；
步骤七：膨胀接顶装置中膨胀剂药卷内膨胀剂与水发生水化反应体积膨胀，由于受到内
套筒4在圆周方向的约束，其水化物在膨胀接顶装置内只能沿轴向方向膨胀，膨胀过程中推
动上外套桶3和下外套桶5沿内套筒4的轴向分别进行上向和下向方向移动，使上外套桶3
的桶底Ⅰ与采场顶板1相接触，实现了人工点柱与采场顶板1的接顶，接顶之后上外套桶3
受到采场顶板1的位移约束，无法继续沿轴向移动，此时膨胀剂在膨胀接顶装置内部水化产
生的体积膨胀，以轴向力的方式通过接膨胀顶装置传递至人工点柱基础10和采场顶板1，
对采场顶板1实现了有效的主动接顶支撑。