煤與共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采理論與技術(shù)構(gòu)想

黃炳香，趙興龍，余 斌，賀桂成，岳中文，楊成祥，王長申，孟慶彬，楊玉貴， 劉江峰，馮秀娟，陳大勇，邢岳堃，朱衛(wèi)兵，段曉恒，鞠金峰

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2. 礦冶科技集團有限公司 礦山工程研究設(shè)計所，北京 100160；3.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；4. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；5.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819；6. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；7. 中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；8. 中核第四研究設(shè)計工程有限公司 鈾礦冶研究設(shè)計所，河北 石家莊 050021；9. 中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)研究中心，江蘇 徐州 221116)

共生礦產(chǎn)是指同一礦床或礦區(qū)內(nèi)，存在2種或2種以上有用組分(礦石、礦物、元素，下同)，分別達到工業(yè)品位，或雖未達到工業(yè)品位，但已達到邊界品位以上，經(jīng)論證后可以制定綜合工業(yè)指標的一組礦產(chǎn)。共生礦產(chǎn)分為同體共生礦產(chǎn)和異體共生礦產(chǎn)。伴生礦產(chǎn)是指在主礦產(chǎn)礦體中賦存的未達到工業(yè)品位但已達到綜合評價參考指標，或雖未達到綜合評價參考指標，但可在加工選冶過程中單獨出產(chǎn)品或可在主礦產(chǎn)的精礦及某一產(chǎn)品中富集且達到計價標準，通過開采主礦產(chǎn)可綜合回收利用的其他有用組分礦產(chǎn)。

資源安全是習(xí)近平總書記“總體國家安全觀”國家戰(zhàn)略的具體要求。我國煤系已探明共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)22種，占25種戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的88%，種類多、儲量豐富(圖1)、且部分礦產(chǎn)價值遠高于煤本身。

煤-鋁和煤-鈾是典型的煤系共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)(表1)，煤、鋁、鈾分別采用長壁、房柱和鉆井等典型開采方法，其典型礦區(qū)分別位于鄂爾多斯盆地和伊犁盆地。鋁土礦主要為沉積型，在煤系自上而下呈現(xiàn)“煤-鋁-鐵”賦存結(jié)構(gòu)。2019年我國煤系共伴生鋁土礦累計查明資源儲量約29.4億t，占全國鋁土礦總儲量的50%以上，主要集中分布在山西、河南、貴州。鄂爾多斯盆地呂梁地區(qū)的鋁土礦70%左右為煤鋁共生資源(圖2)，是我國典型的煤-鋁-鐵-鎵共生礦區(qū)；鋁土礦中含有鐵、鎵等戰(zhàn)略性金屬，隨鋁土礦一起采出。鈾礦是關(guān)乎國防安全和國家能源安全的稀有戰(zhàn)略資源。新疆伊犁盆地鈾礦區(qū)為我國典型的煤-鈾共生礦區(qū)，發(fā)現(xiàn)了中國第1個萬噸級可地浸砂巖型鈾礦床，鈾礦層上下均賦存有煤層(圖3)，且煤中共伴生鈾。

煤系共伴生礦產(chǎn)與煤層疊置，賦存狀態(tài)與開采方法差異大，各礦產(chǎn)開采的巖層活動、流體遷移等影響彼此正常開采(圖4)。目前，傳統(tǒng)煤礦僅開采煤炭，對煤系共伴生的其他礦產(chǎn)考慮較少或沒有考慮，導(dǎo)致資源浪費；另一方面，近些年國內(nèi)開始出現(xiàn)煤與煤系共伴生礦產(chǎn)開采的矛盾，如新疆伊犁盆地煤礦與鈾礦開采的矛盾，山西呂梁煤礦與鋁土礦開采的矛盾，協(xié)調(diào)開采迫在眉睫。

針對煤系同體共生礦產(chǎn)的開采，如煤中鍺、稀土、鈮等，同體共生礦產(chǎn)隨主礦產(chǎn)一起采出，主礦產(chǎn)與同體共生礦產(chǎn)基本不涉及協(xié)調(diào)開采的問題，只需考慮后續(xù)的礦物分離。而煤與異體共生礦產(chǎn)則需考慮協(xié)調(diào)開采的問題，因此，本文重點研究煤與異體共生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的理論與技術(shù)。

圖1 我國煤系共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)種類、分布及儲量(數(shù)據(jù)統(tǒng)計于文獻[5])Fig.1 Types，distribution and reserves of strategic metal minerals co-existed and associated with coal measures in China(Data statistics from References[5])

表1 典型煤系共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)Table 1 Typical strategic metal minerals co-existed and associated with coal measures

圖2 煤鋁礦產(chǎn)分布Fig.2 Distribution of coal and aluminum

1 煤與共伴生礦產(chǎn)開采研究現(xiàn)狀

國家高度重視煤與煤系共伴生礦產(chǎn)綜合開發(fā)問題，山西省成為國家惟一同意開展煤鋁共采試驗的省份。

1.1 采動巖層多相多場耦合作用與運動規(guī)律

目前的多場耦合理論主要集中在應(yīng)力、滲流、溫度、化學(xué)場之間的耦合機制方面，較少考慮宏微觀跨尺度孔隙結(jié)構(gòu)對不同場耦合機制的影響。從經(jīng)典的巖石孔隙滲流到考慮巖層擾動巖體破裂演化的裂隙滲流，關(guān)于單一礦種開采巖層應(yīng)力場、滲流場、變形場、裂隙場耦合機制的研究尚不完善。尚未涉及協(xié)調(diào)開采過程中不同礦種開采局部區(qū)域相態(tài)及耦合場的動態(tài)轉(zhuǎn)化，以及協(xié)調(diào)開采巖石-裂隙巖體-散體演變過程中流體達西非達西流態(tài)轉(zhuǎn)化的精確描述，且不能準確描述煤系多礦種協(xié)調(diào)開采隔水層破斷前后分區(qū)分時多場耦合機制。基于固體力學(xué)建立的砌體梁、關(guān)鍵層等礦壓理論為巖層運動和采場礦壓控制提供了科學(xué)依據(jù)，協(xié)調(diào)開采面臨的多相多場耦合下的巖層運動疊加影響規(guī)律研究較少涉及。

1.2 煤系共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采方法

國內(nèi)部分礦區(qū)已嘗試探索煤與煤系共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開發(fā)，如在鄂爾多斯盆地探索了煤下鋁的保護性開采，新疆伊犁盆地等開展了煤鈾疊置區(qū)開采相互影響的現(xiàn)場監(jiān)測與評價。中國礦業(yè)大學(xué)率先提出了煤與煤系共伴生礦產(chǎn)共采理論與技術(shù)框架，初步探討了煤系共伴生礦產(chǎn)共采的技術(shù)經(jīng)濟評價方法與資源共采規(guī)劃、協(xié)調(diào)開采方法及工藝等理論與技術(shù)問題，但仍需系統(tǒng)建立與礦產(chǎn)資源賦存特征相匹配的煤系共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采理論、方法及安全保障技術(shù)。

1.3 協(xié)調(diào)開采開拓延伸及其圍巖穩(wěn)定控制

開拓延伸設(shè)計原則由減少施工量與集中生產(chǎn)向完善生產(chǎn)系統(tǒng)及適應(yīng)新工藝技術(shù)發(fā)展，目前的開拓延伸方法針對單一礦種開采，未考慮多礦種差異性生產(chǎn)系統(tǒng)間的相互銜接及匹配。從傳統(tǒng)的手持風(fēng)鉆打孔、人工拌和炮泥封堵炮孔向機械化鉆孔、裝藥發(fā)展，從考慮爆炸應(yīng)力波與爆生氣體聯(lián)合作用發(fā)展到建立動態(tài)本構(gòu)模型與揭示爆生裂紋演化的階段。從經(jīng)典的彈塑性理論發(fā)展到采動巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)大變形理論，從傳統(tǒng)的U型鋼可縮性拱形支架和普遍采用的錨桿支護，發(fā)展到采動巷道圍巖支護-改性-卸壓協(xié)同控制技術(shù)。但目前尚未涉及異體共生多礦種協(xié)調(diào)開采疊加擾動影響下的開拓延伸、爆破施工及巷道支護問題。

1.4 協(xié)調(diào)開采水位調(diào)控與污染物遷移及控制

協(xié)調(diào)開采多次擾動導(dǎo)致隔水層突發(fā)局部高滲流突變，目前常采用采空區(qū)充填、限制采高、注漿加固等方式控制隔水層穩(wěn)定，傳統(tǒng)方法難以保障安全高效協(xié)調(diào)開采。煤炭開采不可避免引起地浸采場含礦含水層水位下降而影響甚至破壞鈾資源開采。已初步探討含水層注漿阻水、構(gòu)筑水力帷幕等水位控制技術(shù)方案，但因技術(shù)風(fēng)險和工程難度大，鮮有工程實踐報道。局部或單一水位調(diào)控措施難以解決煤鈾協(xié)調(diào)開采涉及區(qū)域水位調(diào)控問題。目前地浸采鈾地下水中污染物治理是技術(shù)難題，而煤鈾協(xié)調(diào)開采時采煤疏放水引起的含礦含水層中污染物的遷移機制與規(guī)律更復(fù)雜。鋁土礦開采Fe等重金屬污染物治理的納米零價鐵功能材料取得突破，但零價鐵容易發(fā)生團聚，在地下不能長久維持還原環(huán)境；原位微生物還原及礦化修復(fù)技術(shù)取得了進展，但還原及礦化產(chǎn)物不穩(wěn)定。

圖3 山西呂梁煤-鋁和新疆伊犁煤-鈾典型地層柱狀Fig.3 Typical stratigraphic histogram of aluminum in coal measures-in Lüliang Shanxi and uranium in coal measures in Yili Xinjiang

圖4 典型煤系共生礦產(chǎn)開采的共性問題Fig.4 Common problems in the mining of typical co-existed and associated minerals in coal-measure

1.5 存在的科學(xué)技術(shù)難題

煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采處于起步探索階段，面臨的主要科技問題有：

① 煤系共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采中隔水層破斷導(dǎo)致不同礦種開采間的多相多場耦合轉(zhuǎn)化機制；② 煤系疊置礦產(chǎn)開采的巖層活動疊加影響規(guī)律，協(xié)調(diào)開采方法和技術(shù)體系；③ 協(xié)調(diào)開采的開拓延伸方法及其圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)；④ 協(xié)調(diào)開采過程水位主動調(diào)控技術(shù)及污染物遷移規(guī)律與控制技術(shù)；⑤ 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的規(guī)劃方法，協(xié)調(diào)開發(fā)模式與標準。

因此，亟需開展協(xié)調(diào)開采理論與技術(shù)研究，解決我國煤系共伴生礦產(chǎn)安全高效開采難題。

2 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采理論與技術(shù)框架

圍繞煤系共伴生礦產(chǎn)開采的重大戰(zhàn)略需求，面向煤系全部共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)，聚焦典型代表性的煤系鋁土礦和鈾礦，保障研究成果的通用性。針對煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采面臨的科技難題，聚焦協(xié)調(diào)開采多相多場耦合與巖層活動疊加影響的核心共性科學(xué)問題，深入研究:① 協(xié)調(diào)開采以隔水層為界的三相多場耦合作用機制；② 協(xié)調(diào)開采引起的巖層骨架應(yīng)力、孔隙壓力和變形斷裂等疊加規(guī)律；③ 采動疊加孔隙-裂隙-散體結(jié)構(gòu)巖體的固-流-微生物-化學(xué)耦合模型。在突破關(guān)鍵科學(xué)問題基礎(chǔ)上，瞄準共伴生礦產(chǎn)賦存狀態(tài)與開采方法的差異，研究突破煤與共伴生礦產(chǎn)分區(qū)錯時協(xié)調(diào)開采技術(shù)、近距離異體共生礦產(chǎn)采動巷道減振高效爆破開挖技術(shù)、協(xié)調(diào)開采含礦含水層水位主動智能調(diào)控技術(shù)、地下水中污染物的微生物原位還原-礦化治理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建煤與共伴生礦產(chǎn)的全生命周期協(xié)調(diào)開采規(guī)劃理論，形成可推廣的協(xié)調(diào)開采模式與標準，并初步建立涵蓋全國煤系礦產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。最終形成通用性的協(xié)調(diào)開采理論與技術(shù)體系，保障各礦產(chǎn)開采活動不影響彼此正常開采。針對協(xié)調(diào)開采特點，以“多相多場耦合及巖層活動疊加―協(xié)調(diào)開采方法―開拓延伸―隔水層穩(wěn)定性及污染物遷移控制―工程示范”為主線，按照空間劃開、時序錯開、急需先上、綜合利用、合理避讓的原則，統(tǒng)籌資源的開采布局、時序、規(guī)模和結(jié)構(gòu)，融通關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與現(xiàn)場應(yīng)用示范，實現(xiàn)“基礎(chǔ)理論—方法—關(guān)鍵技術(shù)—材料—裝備—工程示范—標準”的全創(chuàng)新鏈研究?？傮w研究理論與技術(shù)框架如圖5所示。

12月4日，上海證券交易所官網(wǎng)公布了一份《西安高新控股有限公司關(guān)于修訂公司章程及董事長、董事、總經(jīng)理發(fā)生變動的公告》，披露了該公司高層變動的信息。

圖5 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采理論與技術(shù)研究框架Fig.5 Framework of theory and technology for coordinated mining of coal and its co-existed and associated minerals

3 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采關(guān)鍵科學(xué)問題

煤與共伴生礦產(chǎn)垂直疊置，協(xié)調(diào)開采的固液氣應(yīng)力、滲流、化學(xué)、采動裂隙場等耦合作用機制不明，巖層活動疊加影響規(guī)律不清?，F(xiàn)有理論不能準確描述煤系多礦種協(xié)調(diào)開采隔水層破斷前后分區(qū)分時多場耦合機制，如何精確表征協(xié)調(diào)開采采動巖體三相五場耦合演化過程是學(xué)術(shù)界與工程界普遍關(guān)注的重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題。針對協(xié)調(diào)開采多相多場耦合及巖層活動疊加特點，從以下3個方面開展研究：

(1)協(xié)調(diào)開采的固液氣應(yīng)力場、滲流場、化學(xué)場、微生物場、采動裂隙場耦合演化機制。不同礦種開采局部區(qū)域相態(tài)及耦合場種類不同，隔水層破斷導(dǎo)致煤系不同礦種開采間的多相多場耦合轉(zhuǎn)化。針對不同開采方式，研究溶浸鉆采應(yīng)力場-滲流場-化學(xué)場-微生物場耦合演化機制，及井工開采過程應(yīng)力場-滲流場-采動裂隙場耦合演化機制。研究隔水層破斷后的全區(qū)域相態(tài)及耦合場轉(zhuǎn)化機制，定量表征協(xié)調(diào)開采過程中巖層固液氣多場耦合演化過程，建立協(xié)調(diào)開采孔隙-裂隙-散體結(jié)構(gòu)巖體的三相五場耦合模型。根據(jù)“分區(qū)、分時段”原則，考慮不同礦種協(xié)調(diào)開采局部區(qū)域相態(tài)轉(zhuǎn)化、孔裂隙結(jié)構(gòu)多尺度表征及耦合場類自由組合，實現(xiàn)孔-裂隙-散體演變過程達西非達西流態(tài)轉(zhuǎn)化精確描述(圖6)。

(2)協(xié)調(diào)開采跨尺度多相多場耦合與巖層活動疊加建模。煤-鈾協(xié)調(diào)開采各礦種采動影響區(qū)域交叉重疊，巖層結(jié)構(gòu)破斷、移動與流體遷移多相多場演化過程相互影響，相互制約。傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)功能設(shè)計主要針對單一礦種開采及單一開采方法，難適用于協(xié)調(diào)開采研究。研發(fā)大型真三軸圍巖活動疊加多相多場工程模擬實驗系統(tǒng)(圖7)，具備4項主要功能：采用陣列式模型復(fù)雜邊界應(yīng)力加載，模擬巖層活動疊加；采用多相流體加載模塊，模擬多相多場耦合；采用鉆進開挖與機器人長壁開采模塊，實現(xiàn)礦產(chǎn)開采及開拓延伸等；采用變形及模型內(nèi)部流體多參量監(jiān)測，充足數(shù)據(jù)保障建模。攻克協(xié)調(diào)開采疊加影響區(qū)多相態(tài)、多場類耦合轉(zhuǎn)化難題。研究長壁采煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)鉆采巖層活動疊加與流體遷移規(guī)律，建立煤鈾協(xié)調(diào)開采巖層活動疊加與流體遷移影響評價方法。

圖6 協(xié)調(diào)開采多相多場耦合機制Fig.6 Multiphase and multifield coupling mechanism for coordinated mining

圖7 大型真三軸模型實驗系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及主要功能模塊的初步設(shè)計Fig.7 Preliminary design of main structure and main function modules of large scale true triaxial model experiment system

(3)全時全域多元信息動態(tài)融合表征與巖層活動及滲流失穩(wěn)準則。煤鋁礦產(chǎn)上行和下行開采時因礦種開采方式不同，巖層活動疊加影響易導(dǎo)致采空區(qū)遺留礦(煤)柱失穩(wěn)破壞，引發(fā)多相多場突變和采場強礦壓顯現(xiàn)。研究煤鋁協(xié)調(diào)開采礦體應(yīng)力—覆巖位移—孔隙壓力—采動裂隙—水氣運移時空演化規(guī)律，研發(fā)覆巖內(nèi)部巖移、孔隙壓力與采動裂隙的地面鉆孔全地層原位監(jiān)測成套裝備與技術(shù)，一孔測巖層運動、裂隙、孔隙壓力等多參量，構(gòu)建“地表、覆巖內(nèi)部巖移、采空區(qū)應(yīng)力”井上下全地層三位一體監(jiān)測系統(tǒng)(圖8(a))，多元信息融合表征協(xié)調(diào)開采巖層活動及滲流失穩(wěn)條件(圖8(b))。解決巖層活動立體多參量監(jiān)測、理論與實踐結(jié)合的難題。揭示煤鋁協(xié)調(diào)開采巖層移動疊加影響規(guī)律，建立煤鋁協(xié)調(diào)開采巖層活動疊加影響評價方法。

圖8 全時全域多元信息監(jiān)測與巖層活動及滲流失穩(wěn)準則Fig.8 All-time and all-area multi-information monitoring and rock formation activity and seepage destabilize criteria

4 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采關(guān)鍵技術(shù)

廣義的協(xié)調(diào)開采包括協(xié)調(diào)、協(xié)同和共采，其中，協(xié)調(diào)開采是避開不利因素，協(xié)同開采是利用巖層活動疊加作用，共采是共用生產(chǎn)系統(tǒng)。

4.1 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)、協(xié)同及共采的分區(qū)錯時協(xié)調(diào)開采技術(shù)

煤與共伴生礦產(chǎn)地質(zhì)賦存多變、開采條件復(fù)雜、對生態(tài)環(huán)境影響突出，亟需研究與礦床地質(zhì)賦存條件相適應(yīng)、與采場圍巖控制相協(xié)同的開采方法，構(gòu)建與共伴生礦產(chǎn)賦存環(huán)境相協(xié)調(diào)的充填采礦方法和巖層控制技術(shù)，形成煤與共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采成套方法。

基于巖層活動疊加影響規(guī)律，提出協(xié)調(diào)、協(xié)同及共用生產(chǎn)系統(tǒng)的分區(qū)錯時協(xié)調(diào)開采原理與方法(圖9)，根據(jù)各礦產(chǎn)的分布區(qū)域、開采布局、規(guī)模及開采影響等對礦產(chǎn)的開采范圍進行空間分區(qū)，合理避讓；根據(jù)礦產(chǎn)的戰(zhàn)略需求屬性、賦存特征、經(jīng)濟價值等對礦產(chǎn)的開采順序進行時序錯開，實現(xiàn)各礦產(chǎn)開采活動不影響彼此正常開采。

開采方法和關(guān)鍵工藝是實現(xiàn)煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的核心，研究煤-鋁共生礦產(chǎn)上行協(xié)調(diào)開采方法及下行協(xié)調(diào)開采方法，研發(fā)沉積硬巖型鋁土礦短壁高效開采技術(shù)與裝備，研究煤-鈾共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采方法。均勻沉降控制、保護性開采等為協(xié)調(diào)開采精細化、高采出率提供保障。煤與共伴生礦產(chǎn)開發(fā)方式是連接協(xié)調(diào)開采方法與現(xiàn)場工程示范的紐帶。巖層活動疊加影響下采場的圍巖協(xié)同控制和通風(fēng)等是安全高效協(xié)調(diào)開采的保障。針對煤系礦產(chǎn)賦存狀態(tài)與開采方法差異大的特點，研發(fā)井工-井工及井工-鉆采協(xié)調(diào)開采、井工共采及露天共采開發(fā)方式(圖10)，保障技術(shù)通用性，提高共伴生礦產(chǎn)資源采出率。研究協(xié)調(diào)開采采場圍巖協(xié)同控制機理與技術(shù)，研發(fā)煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的通風(fēng)與安全技術(shù)，保障煤與共伴生礦產(chǎn)的安全高效開采。

圖9 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)、協(xié)同與共采原理示意Fig.9 Principles of coordinated，collaborative，and co-mining of coal and its co-existed and associated minerals

4.2 近距離異體共生礦產(chǎn)采動巷道減振高效爆破開挖技術(shù)

煤與共伴生礦產(chǎn)資源的采礦工藝及開拓延伸方式差異性較大，當由一種礦產(chǎn)資源開采進入其他礦產(chǎn)資源共采時，需進行井巷開拓系統(tǒng)的延伸和原有井巷工程的保護利用。目前的開拓延伸僅考慮單礦種的生產(chǎn)能力、地質(zhì)條件等設(shè)計原則，不涉及多礦種差異性生產(chǎn)系統(tǒng)間的相互銜接及匹配。針對異體共生礦產(chǎn)賦存特征及開采方法的差異性，以采動影響與生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同匹配為設(shè)計原則，構(gòu)建異體共生礦產(chǎn)開拓延伸及協(xié)同管理系統(tǒng)(圖11)，提升方法通用性。

目前的隨鉆測量與爆破施工難協(xié)同，難實時調(diào)整爆破工藝；鉆孔裝藥自動化水平低，降低了開挖效率。以巖性智能識別為特色，通過“隨鉆隨測—自動裝藥—自動封堵”的一體化設(shè)計(圖13)，提升自動化程度，支撐快速開挖，降低巖層活動疊加影響開拓井巷圍巖的時間。

協(xié)調(diào)開采多次疊加擾動誘發(fā)巖層錯動、滑移，嚴重影響井筒、巷道及鉆采井穩(wěn)定性，危及井巷使用安全。研究協(xié)調(diào)開采井巷及鉆采井變形破壞規(guī)律及失穩(wěn)模式，開采誘導(dǎo)巖層反對稱沉降疊加平衡與錨網(wǎng)索注梯級支護協(xié)同控制圍巖穩(wěn)定(圖14)，保障協(xié)調(diào)開采采動影響開拓井巷安全服役。

圖10 煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開發(fā)方式示意Fig.10 Schematic illustration of coordinated development of coal and its co-existed and associated minerals

圖11 異體共生礦產(chǎn)開拓延伸協(xié)同管理系統(tǒng)初步構(gòu)想Fig.11 Preliminary conception of the collaborative management system for the development and extension of allogeneic co-existed minerals

圖12 開拓延伸巷道減振高效爆破開挖技術(shù)思路Fig.12 Technical ideas of high-efficiency blasting and excavation for vibration reduction of the development extended roadway

4.3 協(xié)調(diào)開采含礦含水層水位主動智能調(diào)控技術(shù)

鈾礦地浸開采要求含礦含水層維持一定水位，因此，需保證隔水層穩(wěn)定不破斷，否則含礦含水層水位將持續(xù)下降進而導(dǎo)致鈾礦無法開采。協(xié)調(diào)開采強采動與高水壓耦合作用于隔水層致其強度劣化而失水和失壓，表征隔水層采動裂隙的修復(fù)機制是協(xié)調(diào)開采的保障條件。聚焦隔水層采動裂隙發(fā)育與水巖作用下自修復(fù)的對沖機制，構(gòu)建調(diào)節(jié)地下水理條件誘導(dǎo)隔水層降滲與裂隙自修復(fù)理論與技術(shù)(圖15)，應(yīng)對協(xié)調(diào)開采強采動。

采煤疏放水導(dǎo)致含礦含水層水位降低而影響地浸采鈾技術(shù)，水位調(diào)控技術(shù)是解決煤鈾協(xié)調(diào)開采、實現(xiàn)源頭阻隔污染物、保護地下水環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)。以“區(qū)域調(diào)控-局部管理”的理念制定“開采空間劃區(qū)避讓-控煤礦涌水-含水層注漿圍堵-礦井水回注構(gòu)建人工分水嶺”四重手段(圖16)，主動調(diào)控水位，抑制污染物遷移，防礦井突水，降低生態(tài)脆弱區(qū)環(huán)境損傷。建立協(xié)調(diào)開采地下水智能調(diào)控系統(tǒng)(圖17)，分區(qū)動態(tài)調(diào)節(jié)礦井抽水與含水層回注速率，提升水位控制能力與精度。

圖13 “巖性隨鉆隨測-自動裝藥-炮孔自動封堵”一體化裝備設(shè)計思路Fig.13 Design idea of integrated equipment of “l(fā)ithology test while drilling-automatic loading explosives-automatic plugging of blast holes”

圖14 巖層反對稱沉降疊加平衡控制井巷穩(wěn)定Fig.14 Antisymmetric settlement of rock formation superimposed balance to control shaft and roadway stability

4.4 地下水中污染物的微生物原位還原-礦化治理技術(shù)

環(huán)境污染防治是煤與共伴生礦產(chǎn)全生命周期協(xié)調(diào)開采中重要的一個環(huán)節(jié)。煤-鈾協(xié)調(diào)開采過程中采煤疏放水引起地浸采鈾采區(qū)污染物遷移而破壞地下水環(huán)境，煤-鋁協(xié)調(diào)開采引起鋁土礦中重金屬離子發(fā)生地球化學(xué)反應(yīng)隨地下水遷移轉(zhuǎn)化而污染周邊環(huán)境。目前，協(xié)調(diào)開采污染物遷移機制及控制方法不清?，F(xiàn)有理論不能準確描述多相多場多組分污染物耦合遷移機制，如何精確表征污染物遷移機制、有效防治污染物是學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注的重大技術(shù)難題。化學(xué)、微生物原位修復(fù)技術(shù)是實現(xiàn)污染物源頭控制的有效途徑。

圖15 人工誘導(dǎo)隔水層自修復(fù)Fig.15 Artificially induced self-repair of aquifer

圖16 “開采空間劃區(qū)避讓-控煤礦涌水-含水層注漿圍堵-礦井水回注構(gòu)建人工分水嶺”水位主動調(diào)控方法示意Fig.16 Schematic illustration of the water level active control method of “mining space zoning to avoid each other-control coal mine water inflow-aquifer grouting containment-mine water reinjection to construct artificial watershed

提出“注漿圍堵+還原礦化”的全生命周期污染物控制及修復(fù)技術(shù)，首先通過注漿圍堵源頭阻斷污染物的遷移路徑(圖18)，采區(qū)退役后采用微生物及多功能緩釋納米材料原位還原/礦化地下水污染物，使污染物長期穩(wěn)定固化在含礦含水層。

研發(fā)強化微生物原位還原/礦化污染物穩(wěn)定性的多功能緩釋納米材料(圖19)，具有調(diào)節(jié)地下水pH，并緩慢釋放電子供體的功能，能長期維持地下水溶液pH穩(wěn)定和還原環(huán)境，能確保地下土著功能微生物的正常新陳代謝，從而使地下水污染物高效還原/礦化，并維持長期穩(wěn)定。

協(xié)調(diào)開采引起鋁土礦中重金屬離子發(fā)生地球化學(xué)反應(yīng)隨地下水遷移轉(zhuǎn)化而污染周邊環(huán)境，微生物原位固化技術(shù)是實現(xiàn)對開采場地污染風(fēng)險管控的有效方法。篩選Fe存在下的高效還原菌，聯(lián)合生物刺激劑與鐵協(xié)同強化微生物提高原位固化效率(圖20)，并集成智能化修復(fù)裝備提高布料均質(zhì)率。

5 煤與共伴生礦產(chǎn)全生命周期采礦規(guī)劃理論

全生命周期采礦規(guī)劃是煤系各礦種開采互不影響的保障，也是技術(shù)推廣的需要。以“分區(qū)錯時”為核心理念，考慮資源、安全、環(huán)境等因素，協(xié)調(diào)開采規(guī)劃包含采前綜合規(guī)劃、采中協(xié)調(diào)開采、采后環(huán)境治理的全生命周期。給出全生命周期協(xié)調(diào)采礦規(guī)劃理論的定義與內(nèi)涵，構(gòu)建全生命周期協(xié)調(diào)采礦規(guī)劃的評價模型及準則，初步建立涵蓋全國煤系共伴生礦產(chǎn)的數(shù)據(jù)庫，形成全生命周期采礦規(guī)劃理論及協(xié)調(diào)開發(fā)模式與標準(圖21)。

圖17 煤鈾協(xié)調(diào)開采含礦含水層水位智能控制系統(tǒng)Fig.17 Intelligent control system for the water level of the mineral-bearing aquifer during coal and uranium coordinated mining

圖18 “注漿圍堵+還原礦化”的污染物控制及修復(fù)思路Fig.18 Pollutant control and restoration ideas of “grouting containment+reduction mineralization”

圖19 多功能緩釋納米材料原理Fig.19 Principle of multifunctional sustained-release nanomaterials

圖20 生物刺激劑與鐵協(xié)同強化微生物原位固化重金屬與硫技術(shù)路線Fig.20 Technical route of biostimulants and iron synergistically enhance microbial in situ immobilization of heavy metals and sulfur

圖21 協(xié)調(diào)開采全生命周期規(guī)劃理論框架Fig.21 Theoretical Framework of whole life cycle coordinated mining planning

6 結(jié)論與展望

(1)傳統(tǒng)煤礦僅開采煤炭，對煤系共伴生礦產(chǎn)考慮較少或沒有考慮，導(dǎo)致資源浪費；近些年國內(nèi)開始出現(xiàn)煤與共伴生礦產(chǎn)開采的矛盾，煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采迫在眉睫。面向煤系全部共伴生戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)，聚焦典型代表性的煤系鋁土礦和鈾礦，提出了煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的重大科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)，保障研究成果的通用性。

(2)聚焦協(xié)調(diào)開采過程中多相多場耦合作用機制及巖層活動疊加效應(yīng)，構(gòu)建煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的孔隙-裂隙-散體結(jié)構(gòu)巖體的固-流-微生物-化學(xué)耦合模型，揭示煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采的多相多物理場時空演化與巖層活動疊加影響規(guī)律，為協(xié)調(diào)開采提供理論支撐。

(3)針對煤與共伴生礦產(chǎn)賦存狀態(tài)與開采方法差異大的特點，研究突破煤與共伴生礦產(chǎn)協(xié)調(diào)、協(xié)同及共采的分區(qū)錯時協(xié)調(diào)開采技術(shù)、開拓延伸及其圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)、隔水層穩(wěn)定性控制與含礦含水層水位調(diào)控技術(shù)、地下水及場地污染物遷移控制技術(shù)，為協(xié)調(diào)開采提供技術(shù)保障。

(4)研究采前綜合規(guī)劃、采中協(xié)調(diào)開采、采后環(huán)境治理的煤與共伴生礦產(chǎn)全生命周期協(xié)調(diào)采礦規(guī)劃理論，形成可推廣的協(xié)調(diào)開采模式與標準，保障各礦產(chǎn)開采活動不影響彼此正常開采。

(5)協(xié)調(diào)開采理論與技術(shù)等可實現(xiàn)煤與共伴生礦產(chǎn)可持續(xù)綠色協(xié)調(diào)性開采，釋放礦產(chǎn)儲量，保障資源集約開發(fā)，經(jīng)濟社會效益顯著。

本項目參加單位10個，人員100余名，對本文的形成均作出不同程度的貢獻，在此一并表示感謝！