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.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628；3.山西華興鋁業有限公司，山西 呂梁 033000)

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

1 煤下鋁開采技術條件

沉積型鋁土礦賦存于石炭系中統本溪組中下部，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。

山西某礦區礦體自東向西傾斜，南北走向，鋁土礦為一水硬鋁石四級礦石(Al2O3>62%，Al/Si≥5)，礦石質量中等。礦體平均厚2.84 m，平均傾角12°～15°，采區范圍內埋深150～350 m，礦層頂板黏土巖，底板鐵質黏土巖、山西式鐵礦，黏土巖軟弱破碎、遇水泥化，礦區水文地質條件簡單。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采[4]，當前地下鋁土礦開采以房柱法為主[5-6]。礦體直接頂板極不穩固，留設了大量點柱、間柱及護頂礦控制地壓活動，資源回采率低。煤下鋁采礦方法的研究以實現上覆煤層保護性開采和兼顧解決地下鋁土礦開采技術問題為目標，保證煤下鋁開采后上覆13#煤層不發生錯斷或彎扭，同時提高采礦回采率和安全性，控制采礦成本。根據采礦工藝、采場結構參數、地壓處理方式、采掘設備甚至采場內礦石回采順序，房柱法可以靈活地、創新性地形成多種采礦方案，是解決緩傾斜礦體開采難題的有效手段[7]。根據煤層覆蓋下鋁土礦開采的技術需求，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，預切頂工藝不便于實施，為保障回采作業安全及降低貧化率，需留礦護頂。

2)控制鋁土礦開采后，礦體上覆層狀巖層破碎帶與裂隙帶的范圍，是優化提升房柱法適應煤下鋁開采的難點與關鍵。

3)為了使礦塊回采率達到75%，采場結構參數布置應與采場回采順序、地壓控制技術結合，減少礦柱留設的同時實現安全回采。

4)緩傾斜薄礦體不具備采用爆力運搬采礦的條件；單層薄礦體底板主要為鐵質黏土巖，巖性較差，不滿足布置底盤漏斗的條件；直接頂板整體松軟破碎，對電耙硐室的布置和設備的安裝非常不利，結合礦山設計產能要求，綜合考慮現有開拓系統，底盤漏斗法、電耙留礦法及電耙出礦方式不宜采用，同時礦體較緩所以確定無軌運搬作為出礦方式。

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

3 煤下鋁協同充填覆巖控制技術

為實現對上覆煤層保護性開采，在煤下鋁采礦方法的研究中提出強制崩落誘導切頂協同充填覆巖控制技術(見圖2)。該技術主要包含以下工藝：

圖2 協同充填覆巖移動控制技術方案Fig.2 The co-filling technology of controlling overlying strata movement

1)強制放頂?；夭勺鳂I后強制崩落點柱和破壞頂板護頂礦完整性，使頂板礦巖及時冒落，頂板冒落的散體充填空區，使地應力集中釋放，避免周期來壓。

2)誘導切頂。優先進行強制放頂的區域，其上覆巖層先發生移動，由于層狀巖層的連續性，局部先發生垮落和沉降的巖層，會直接引起其周圍巖層的卸壓，宏觀上形成懸頂作用。未進行開采的礦體上覆巖層與已開采區域的頂板巖層連成一片，不利于已開采區域巖層的整體垮落和下沉。誘導切頂通過爆破作用在采場頂板巖層內沿傾向形成弱面、裂隙區，削弱頂板巖層在該范圍內的層間結合強度，減小先開采切頂區域上部巖層沉降過程中受相鄰未切頂或回采區域上覆巖層的橫向拉應力作用[8]，最大限度減小相鄰礦塊由回采時序不同造成頂板巖層垮落及下沉的不均勻性，使已開采切頂區域上覆巖層沉降更加均勻。

3)協同充填。由于上覆煤層距離鋁土礦約41 m，按照覆巖移動規律，采高>3.28 m時會影響煤層的完整性，所以當鋁土礦局部采高大于3.28 m時，需進行補充充填[9]，使采高縮小至3.28 m以內，控制覆巖移動范圍。

4 煤下鋁采礦方法比選

4.1 沿傾向掘進式條帶回采房柱法

方案1。沿傾向條帶式回采，全斷面崩礦，多條帶可平行作業；沿礦塊內回采方向，條帶回采結束隨即充填與切頂處理空區。在底板間柱上開口通達礦塊內部，控制掘進起坡角度，與礦體平均傾角一致，使采掘設備在采場內可靈活行走。點柱尺寸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—盤區上山; 3—頂板崩落; 4—盤區間柱; 5—誘導切頂; 6—回采條帶;7—點柱; 8—液壓支柱; 9—上覆煤層; 10—補充充填; 11—放頂炮孔；12—護頂礦層; 13—通風聯道

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，一步驟回采掘進式回采礦柱，通達上部中段；二步驟退采寬礦柱，使其形成3 m×6 m大點柱，此回采過程中頂板跨度不超過3 m，局部軟弱破碎頂板簡單支護即可保證作業安全；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，大部分回采時間頂板暴露面積小，在最后形成點柱后隨即處理空區，相對方案1采空區處理更為及時。礦塊內多條帶平行作業，互不影響，采切比24.31 m3/kt。如圖4所示。

4.3 小礦房、寬礦柱充填分區分步退采房柱法

方案3。采場結構參數與方案2基本一致，吸收了方案3優點的同時，為強化采場作業安全，進行充填分區，通過充填將作業空間隔離；改變了寬礦柱的退采工藝，一個小礦房上山可以在有限空間內實現兩側寬礦柱安全回采。由于采取了小礦房、寬礦柱、分步回采、充填分區的方案，采場回采時間頂板暴露面積和空區聯通率較方案2更小，在最后形成點柱后隨即處理空區。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—盤區上山;3—頂板崩落;4—盤區間柱; 5—誘導切頂; 6—寬礦柱; 7—點柱; 8—液壓支柱； 9—上覆煤層; 10—補充充填;11—放頂炮孔；12—護頂礦層;13—通風聯道;14—小礦房

以上采礦方法均為房柱法，礦塊結構參數靈活，可根據礦體厚度、回采區域上覆巖層地質條件、頂底板穩固程度調整采場尺寸、結構參數和協同充填方案的相關指標。三種方案盤區布置、回采方式相近，采場最后形成規則點柱且隨即強制崩落，所以三種方案技術經濟指標對比并無明顯優劣。采礦方法比選側重于安全性、生產效率等方面。

4.4 采礦方法優選

方案1采用全斷面掘進式回采，生產作業及設備人員均暴露在較大跨度的采空區下作業，相對后三種方案安全性明顯不足。方案2分三步驟退采作業，縮短空區的暴露時間，盡可能避免發生條帶還未回采結束，已回采區域發生冒落或塌方的情況。方案3較方案2利用膠結充填形成了連續的隔離假柱，縮短了頂板暴露時間和聯通面積，多工作面平行作業、雙向退采更加安全，同時充填體對隔離與封閉相鄰煤層瓦斯等有害氣體提供技術措施。綜上，煤下鋁開采優選小礦房、寬礦柱充填分區分步退采房柱法。

圖5 小礦房、寬礦柱充填分區分步退采房柱法Fig.5 The partition filling room and pillar method with small rooms and large pillars1—階段平巷;2—盤區上山;3—頂板崩落;4—盤區間柱；5—誘導切頂;6—寬礦柱; 7—點柱; 8—覆煤層;9—補充充填；10—放頂炮孔;11—護頂礦層;12—通風聯道;13—小礦房(上山)；14—采場封閉；15—充填體膈離

5 現場工業試驗

在礦區內選擇試驗采場進行工業試驗(見圖6、圖7)并對采場進行應力及頂板位移監測，試驗礦塊綜合回采率78%，采場生產能力310～320 t/d，采礦車間直接成本約75.0元/t。采場區域內巖體應力變化趨于平緩，無較大應力集中情況發生；頂板下沉變形受切頂作業影響顯著，且覆巖位移和孔隙率隨巖移范圍擴展而變小。根據觀測數據在30 d內距離頂板10～15 m范圍內，覆巖下沉量約55～60 mm，由覆巖移動規律分析隨巖移發展距鋁土礦40 m時巖層近似整體下沉。

6 結論

1)本文通過分析煤下鋁開采技術條件和面臨的技術問題，提出了強制放頂誘導切頂協同充填的覆巖移動控制技術，經過采礦方法初選、優選，確定了小礦房、寬礦柱充填分區分步退采房柱法。

2)該采礦方法是實現對煤層保護性開采和實施覆巖移動層位控制的依托，以放頂為技術手段之一的巖移控制技術將點柱不作為永久礦柱支撐頂板，放寬了采空區穩定性對采場結構參數和礦柱留設的制約，將采礦方法研究聚焦在采礦作業過程的地壓控制，從而得以實施小礦房、寬礦柱分步退采的方案。在采礦過程中最大程度地限制采空區暴露時間和連片采空區的形成，從礦塊開采伊始就將采空區治理與殘礦回收的相關技術融入房柱法采礦過程，并有針對性地應用充填隔離與封閉的措施解決可能存在的瓦斯、周期來壓等問題，綜合實現了采場地壓管理、巖移層位控制、回采率提高和針對性煤下安全防控。

圖6 采場點柱留設Fig.6 Pointed pillars after mining

圖7 放頂后的采場進路口Fig.7 Stope entrance after roof caving