煤系地層覆蓋下鋁土礦采礦方法研究

黃 丹，陳 何，王 昌，張 升

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.山西華興鋁業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

山西、河南所屬華北地層查明鋁土礦儲(chǔ)量約占全國(guó)的50%[1]，其中60%～70%為煤系地層覆蓋下鋁土礦(簡(jiǎn)稱“煤下鋁”)資源，且煤下鋁資源勘探潛力巨大。隨著國(guó)內(nèi)位于淺地表的鋁土礦儲(chǔ)量消耗殆盡，地下鋁土礦特別是煤下鋁開(kāi)采成為鋁資源開(kāi)發(fā)的必然選擇和發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。煤下鋁開(kāi)采需要在開(kāi)發(fā)鋁土礦資源時(shí)，控制鋁土礦開(kāi)采引起的覆巖移動(dòng)，保證上覆煤層的完整性，同時(shí)克服鋁土礦直接頂板松軟、不穩(wěn)固，地壓管理困難等難題。本文以山西某煤下鋁礦區(qū)為例，開(kāi)展了煤下鋁采礦方法應(yīng)用研究。

1 煤下鋁開(kāi)采技術(shù)條件

沉積型鋁土礦賦存于石炭系中統(tǒng)本溪組中下部，主要分布在煤田及煤層以下，為單層緩傾斜薄至中厚礦體。鋁土礦上覆巖層層位穩(wěn)定，鋁土礦受奧陶系股侵蝕面不整合接觸影響，礦體厚度在局部地段仍有較大變化。

山西某礦區(qū)礦體自東向西傾斜，南北走向，鋁土礦為一水硬鋁石四級(jí)礦石(Al2O3>62%，Al/Si≥5)，礦石質(zhì)量中等。礦體平均厚2.84 m，平均傾角12°～15°，采區(qū)范圍內(nèi)埋深150～350 m，礦層頂板黏土巖，底板鐵質(zhì)黏土巖、山西式鐵礦，黏土巖軟弱破碎、遇水泥化，礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。鋁土礦頂板與上覆13#煤層間距為28.24～51.82 m，平均間距41.84 m，圖1為煤下鋁賦存情況示意圖。煤鋁間巖層巖性與煤層間巖層巖性基本一致，主要為泥巖、砂巖、中砂巖、砂質(zhì)泥巖等互層。

圖1 山西煤鋁共生資源賦存情況Fig.1 The occurrence of coal and aluminum symbiotic resources in Shanxi

2 煤下鋁采礦方法初選

房柱法普遍適用于近水平或緩傾斜礦體的開(kāi)采[4]，當(dāng)前地下鋁土礦開(kāi)采以房柱法為主[5-6]。礦體直接頂板極不穩(wěn)固，留設(shè)了大量點(diǎn)柱、間柱及護(hù)頂?shù)V控制地壓活動(dòng)，資源回采率低。煤下鋁采礦方法的研究以實(shí)現(xiàn)上覆煤層保護(hù)性開(kāi)采和兼顧解決地下鋁土礦開(kāi)采技術(shù)問(wèn)題為目標(biāo)，保證煤下鋁開(kāi)采后上覆13#煤層不發(fā)生錯(cuò)斷或彎扭，同時(shí)提高采礦回采率和安全性，控制采礦成本。根據(jù)采礦工藝、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地壓處理方式、采掘設(shè)備甚至采場(chǎng)內(nèi)礦石回采順序，房柱法可以靈活地、創(chuàng)新性地形成多種采礦方案，是解決緩傾斜礦體開(kāi)采難題的有效手段[7]。根據(jù)煤層覆蓋下鋁土礦開(kāi)采的技術(shù)需求，從房柱法的角度分析：

1)礦體回采高度小，直接頂板極易冒頂，預(yù)切頂工藝不便于實(shí)施，為保障回采作業(yè)安全及降低貧化率，需留礦護(hù)頂。

2)控制鋁土礦開(kāi)采后，礦體上覆層狀巖層破碎帶與裂隙帶的范圍，是優(yōu)化提升房柱法適應(yīng)煤下鋁開(kāi)采的難點(diǎn)與關(guān)鍵。

3)為了使礦塊回采率達(dá)到75%，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)布置應(yīng)與采場(chǎng)回采順序、地壓控制技術(shù)結(jié)合，減少礦柱留設(shè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全回采。

4)緩傾斜薄礦體不具備采用爆力運(yùn)搬采礦的條件；單層薄礦體底板主要為鐵質(zhì)黏土巖，巖性較差，不滿足布置底盤(pán)漏斗的條件；直接頂板整體松軟破碎，對(duì)電耙硐室的布置和設(shè)備的安裝非常不利，結(jié)合礦山設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求，綜合考慮現(xiàn)有開(kāi)拓系統(tǒng)，底盤(pán)漏斗法、電耙留礦法及電耙出礦方式不宜采用，同時(shí)礦體較緩所以確定無(wú)軌運(yùn)搬作為出礦方式。

綜上，提出強(qiáng)制放頂誘導(dǎo)切頂協(xié)同充填覆巖移動(dòng)控制技術(shù)，初選如下三種房柱法采礦方案：1)沿傾向掘進(jìn)式條帶回采房柱法。2)小礦房、寬礦柱分步退采回收礦柱房柱法。3)小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法。

3 煤下鋁協(xié)同充填覆巖控制技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)上覆煤層保護(hù)性開(kāi)采，在煤下鋁采礦方法的研究中提出強(qiáng)制崩落誘導(dǎo)切頂協(xié)同充填覆巖控制技術(shù)(見(jiàn)圖2)。該技術(shù)主要包含以下工藝：

圖2 協(xié)同充填覆巖移動(dòng)控制技術(shù)方案Fig.2 The co-filling technology of controlling overlying strata movement

1)強(qiáng)制放頂?；夭勺鳂I(yè)后強(qiáng)制崩落點(diǎn)柱和破壞頂板護(hù)頂?shù)V完整性，使頂板礦巖及時(shí)冒落，頂板冒落的散體充填空區(qū)，使地應(yīng)力集中釋放，避免周期來(lái)壓。

2)誘導(dǎo)切頂。優(yōu)先進(jìn)行強(qiáng)制放頂?shù)膮^(qū)域，其上覆巖層先發(fā)生移動(dòng)，由于層狀巖層的連續(xù)性，局部先發(fā)生垮落和沉降的巖層，會(huì)直接引起其周?chē)鷰r層的卸壓，宏觀上形成懸頂作用。未進(jìn)行開(kāi)采的礦體上覆巖層與已開(kāi)采區(qū)域的頂板巖層連成一片，不利于已開(kāi)采區(qū)域巖層的整體垮落和下沉。誘導(dǎo)切頂通過(guò)爆破作用在采場(chǎng)頂板巖層內(nèi)沿傾向形成弱面、裂隙區(qū)，削弱頂板巖層在該范圍內(nèi)的層間結(jié)合強(qiáng)度，減小先開(kāi)采切頂區(qū)域上部巖層沉降過(guò)程中受相鄰未切頂或回采區(qū)域上覆巖層的橫向拉應(yīng)力作用[8]，最大限度減小相鄰礦塊由回采時(shí)序不同造成頂板巖層垮落及下沉的不均勻性，使已開(kāi)采切頂區(qū)域上覆巖層沉降更加均勻。

3)協(xié)同充填。由于上覆煤層距離鋁土礦約41 m，按照覆巖移動(dòng)規(guī)律，采高>3.28 m時(shí)會(huì)影響煤層的完整性，所以當(dāng)鋁土礦局部采高大于3.28 m時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)充充填[9]，使采高縮小至3.28 m以內(nèi)，控制覆巖移動(dòng)范圍。

4 煤下鋁采礦方法比選

4.1 沿傾向掘進(jìn)式條帶回采房柱法

方案1。沿傾向條帶式回采，全斷面崩礦，多條帶可平行作業(yè)；沿礦塊內(nèi)回采方向，條帶回采結(jié)束隨即充填與切頂處理空區(qū)。在底板間柱上開(kāi)口通達(dá)礦塊內(nèi)部，控制掘進(jìn)起坡角度，與礦體平均傾角一致，使采掘設(shè)備在采場(chǎng)內(nèi)可靈活行走。點(diǎn)柱尺寸2 m×2 m，采切比42.23 m3/kt。如圖3所示。

圖3 沿傾向掘進(jìn)式條帶回采房柱法Fig.3 The strip tunneling room and pillar method along the ore tendency1—階段平巷; 2—盤(pán)區(qū)上山; 3—頂板崩落; 4—盤(pán)區(qū)間柱; 5—誘導(dǎo)切頂; 6—回采條帶;7—點(diǎn)柱; 8—液壓支柱; 9—上覆煤層; 10—補(bǔ)充充填; 11—放頂炮孔；12—護(hù)頂?shù)V層; 13—通風(fēng)聯(lián)道

4.2 小礦房、寬礦柱分步退采回收礦柱房柱法

方案2。沿傾向條帶式回采，劃分小礦房、寬礦柱，一步驟回采掘進(jìn)式回采礦柱，通達(dá)上部中段；二步驟退采寬礦柱，使其形成3 m×6 m大點(diǎn)柱，此回采過(guò)程中頂板跨度不超過(guò)3 m，局部軟弱破碎頂板簡(jiǎn)單支護(hù)即可保證作業(yè)安全；三步驟沿小礦房上山回采，將大礦柱回采為2 m×3 m點(diǎn)柱。由于采取了小礦房、寬礦柱和分步回采的方案，大部分回采時(shí)間頂板暴露面積小，在最后形成點(diǎn)柱后隨即處理空區(qū)，相對(duì)方案1采空區(qū)處理更為及時(shí)。礦塊內(nèi)多條帶平行作業(yè)，互不影響，采切比24.31 m3/kt。如圖4所示。

4.3 小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法

方案3。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與方案2基本一致，吸收了方案3優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，為強(qiáng)化采場(chǎng)作業(yè)安全，進(jìn)行充填分區(qū)，通過(guò)充填將作業(yè)空間隔離；改變了寬礦柱的退采工藝，一個(gè)小礦房上山可以在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)寬礦柱安全回采。由于采取了小礦房、寬礦柱、分步回采、充填分區(qū)的方案，采場(chǎng)回采時(shí)間頂板暴露面積和空區(qū)聯(lián)通率較方案2更小，在最后形成點(diǎn)柱后隨即處理空區(qū)。如圖5所示。

圖4 小礦房、寬礦柱分步退采回收礦柱房柱法Fig.4 The sub-step retreat mining room and pillar method with small rooms and large pillars1—階段平巷;2—盤(pán)區(qū)上山;3—頂板崩落;4—盤(pán)區(qū)間柱; 5—誘導(dǎo)切頂; 6—寬礦柱; 7—點(diǎn)柱; 8—液壓支柱； 9—上覆煤層; 10—補(bǔ)充充填;11—放頂炮孔；12—護(hù)頂?shù)V層;13—通風(fēng)聯(lián)道;14—小礦房

以上采礦方法均為房柱法，礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)靈活，可根據(jù)礦體厚度、回采區(qū)域上覆巖層地質(zhì)條件、頂?shù)装宸€(wěn)固程度調(diào)整采場(chǎng)尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)和協(xié)同充填方案的相關(guān)指標(biāo)。三種方案盤(pán)區(qū)布置、回采方式相近，采場(chǎng)最后形成規(guī)則點(diǎn)柱且隨即強(qiáng)制崩落，所以三種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比并無(wú)明顯優(yōu)劣。采礦方法比選側(cè)重于安全性、生產(chǎn)效率等方面。

4.4 采礦方法優(yōu)選

方案1采用全斷面掘進(jìn)式回采，生產(chǎn)作業(yè)及設(shè)備人員均暴露在較大跨度的采空區(qū)下作業(yè)，相對(duì)后三種方案安全性明顯不足。方案2分三步驟退采作業(yè)，縮短空區(qū)的暴露時(shí)間，盡可能避免發(fā)生條帶還未回采結(jié)束，已回采區(qū)域發(fā)生冒落或塌方的情況。方案3較方案2利用膠結(jié)充填形成了連續(xù)的隔離假柱，縮短了頂板暴露時(shí)間和聯(lián)通面積，多工作面平行作業(yè)、雙向退采更加安全，同時(shí)充填體對(duì)隔離與封閉相鄰煤層瓦斯等有害氣體提供技術(shù)措施。綜上，煤下鋁開(kāi)采優(yōu)選小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法。

圖5 小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法Fig.5 The partition filling room and pillar method with small rooms and large pillars1—階段平巷;2—盤(pán)區(qū)上山;3—頂板崩落;4—盤(pán)區(qū)間柱；5—誘導(dǎo)切頂;6—寬礦柱; 7—點(diǎn)柱; 8—覆煤層;9—補(bǔ)充充填；10—放頂炮孔;11—護(hù)頂?shù)V層;12—通風(fēng)聯(lián)道;13—小礦房(上山)；14—采場(chǎng)封閉；15—充填體膈離

5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

在礦區(qū)內(nèi)選擇試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)(見(jiàn)圖6、圖7)并對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力及頂板位移監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)礦塊綜合回采率78%，采場(chǎng)生產(chǎn)能力310～320 t/d，采礦車(chē)間直接成本約75.0元/t。采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)巖體應(yīng)力變化趨于平緩，無(wú)較大應(yīng)力集中情況發(fā)生；頂板下沉變形受切頂作業(yè)影響顯著，且覆巖位移和孔隙率隨巖移范圍擴(kuò)展而變小。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)在30 d內(nèi)距離頂板10～15 m范圍內(nèi)，覆巖下沉量約55～60 mm，由覆巖移動(dòng)規(guī)律分析隨巖移發(fā)展距鋁土礦40 m時(shí)巖層近似整體下沉。

6 結(jié)論

1)本文通過(guò)分析煤下鋁開(kāi)采技術(shù)條件和面臨的技術(shù)問(wèn)題，提出了強(qiáng)制放頂誘導(dǎo)切頂協(xié)同充填的覆巖移動(dòng)控制技術(shù)，經(jīng)過(guò)采礦方法初選、優(yōu)選，確定了小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法。

2)該采礦方法是實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層保護(hù)性開(kāi)采和實(shí)施覆巖移動(dòng)層位控制的依托，以放頂為技術(shù)手段之一的巖移控制技術(shù)將點(diǎn)柱不作為永久礦柱支撐頂板，放寬了采空區(qū)穩(wěn)定性對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和礦柱留設(shè)的制約，將采礦方法研究聚焦在采礦作業(yè)過(guò)程的地壓控制，從而得以實(shí)施小礦房、寬礦柱分步退采的方案。在采礦過(guò)程中最大程度地限制采空區(qū)暴露時(shí)間和連片采空區(qū)的形成，從礦塊開(kāi)采伊始就將采空區(qū)治理與殘礦回收的相關(guān)技術(shù)融入房柱法采礦過(guò)程，并有針對(duì)性地應(yīng)用充填隔離與封閉的措施解決可能存在的瓦斯、周期來(lái)壓等問(wèn)題，綜合實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)地壓管理、巖移層位控制、回采率提高和針對(duì)性煤下安全防控。

圖6 采場(chǎng)點(diǎn)柱留設(shè)Fig.6 Pointed pillars after mining

圖7 放頂后的采場(chǎng)進(jìn)路口Fig.7 Stope entrance after roof caving