煤系地层覆盖下铝土矿采矿方法研究

2019-03-07黄丹，陈何，王昌，张升

有色金属（矿山部分） 2019年1期

黄丹，陈何，王昌，张升

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；3.山西华兴铝业有限公司，山西吕梁 033000)

山西、河南所属华北地层查明铝土矿储量约占全国的50%[1]，其中60%～70%为煤系地层覆盖下铝土矿(简称“煤下铝”)资源，且煤下铝资源勘探潜力巨大。随着国内位于浅地表的铝土矿储量消耗殆尽，地下铝土矿特别是煤下铝开采成为铝资源开发的必然选择和发展趋势[2-3]。煤下铝开采需要在开发铝土矿资源时，控制铝土矿开采引起的覆岩移动，保证上覆煤层的完整性，同时克服铝土矿直接顶板松软、不稳固，地压管理困难等难题。本文以山西某煤下铝矿区为例，开展了煤下铝采矿方法应用研究。

1 煤下铝开采技术条件

沉积型铝土矿赋存于石炭系中统本溪组中下部，主要分布在煤田及煤层以下，为单层缓倾斜薄至中厚矿体。铝土矿上覆岩层层位稳定，铝土矿受奥陶系股侵蚀面不整合接触影响，矿体厚度在局部地段仍有较大变化。

山西某矿区矿体自东向西倾斜，南北走向，铝土矿为一水硬铝石四级矿石(Al2O3>62%，Al/Si≥5)，矿石质量中等。矿体平均厚2.84 m，平均倾角12°～15°，采区范围内埋深150～350 m，矿层顶板黏土岩，底板铁质黏土岩、山西式铁矿，黏土岩软弱破碎、遇水泥化，矿区水文地质条件简单。铝土矿顶板与上覆13#煤层间距为28.24～51.82 m，平均间距41.84 m，图1为煤下铝赋存情况示意图。煤铝间岩层岩性与煤层间岩层岩性基本一致，主要为泥岩、砂岩、中砂岩、砂质泥岩等互层。

图1 山西煤铝共生资源赋存情况Fig.1 The occurrence of coal and aluminum symbiotic resources in Shanxi

2 煤下铝采矿方法初选

房柱法普遍适用于近水平或缓倾斜矿体的开采[4]，当前地下铝土矿开采以房柱法为主[5-6]。矿体直接顶板极不稳固，留设了大量点柱、间柱及护顶矿控制地压活动，资源回采率低。煤下铝采矿方法的研究以实现上覆煤层保护性开采和兼顾解决地下铝土矿开采技术问题为目标，保证煤下铝开采后上覆13#煤层不发生错断或弯扭，同时提高采矿回采率和安全性，控制采矿成本。根据采矿工艺、采场结构参数、地压处理方式、采掘设备甚至采场内矿石回采顺序，房柱法可以灵活地、创新性地形成多种采矿方案，是解决缓倾斜矿体开采难题的有效手段[7]。根据煤层覆盖下铝土矿开采的技术需求，从房柱法的角度分析：

1)矿体回采高度小，直接顶板极易冒顶，预切顶工艺不便于实施，为保障回采作业安全及降低贫化率，需留矿护顶。

2)控制铝土矿开采后，矿体上覆层状岩层破碎带与裂隙带的范围，是优化提升房柱法适应煤下铝开采的难点与关键。

3)为了使矿块回采率达到75%，采场结构参数布置应与采场回采顺序、地压控制技术结合，减少矿柱留设的同时实现安全回采。

4)缓倾斜薄矿体不具备采用爆力运搬采矿的条件；单层薄矿体底板主要为铁质黏土岩，岩性较差，不满足布置底盘漏斗的条件；直接顶板整体松软破碎，对电耙硐室的布置和设备的安装非常不利，结合矿山设计产能要求，综合考虑现有开拓系统，底盘漏斗法、电耙留矿法及电耙出矿方式不宜采用，同时矿体较缓所以确定无轨运搬作为出矿方式。

综上，提出强制放顶诱导切顶协同充填覆岩移动控制技术，初选如下三种房柱法采矿方案：1)沿倾向掘进式条带回采房柱法。2)小矿房、宽矿柱分步退采回收矿柱房柱法。3)小矿房、宽矿柱充填分区分步退采房柱法。

3 煤下铝协同充填覆岩控制技术

为实现对上覆煤层保护性开采，在煤下铝采矿方法的研究中提出强制崩落诱导切顶协同充填覆岩控制技术(见图2)。该技术主要包含以下工艺：

图2 协同充填覆岩移动控制技术方案Fig.2 The co-filling technology of controlling overlying strata movement

1)强制放顶。回采作业后强制崩落点柱和破坏顶板护顶矿完整性，使顶板矿岩及时冒落，顶板冒落的散体充填空区，使地应力集中释放，避免周期来压。

2)诱导切顶。优先进行强制放顶的区域，其上覆岩层先发生移动，由于层状岩层的连续性，局部先发生垮落和沉降的岩层，会直接引起其周围岩层的卸压，宏观上形成悬顶作用。未进行开采的矿体上覆岩层与已开采区域的顶板岩层连成一片，不利于已开采区域岩层的整体垮落和下沉。诱导切顶通过爆破作用在采场顶板岩层内沿倾向形成弱面、裂隙区，削弱顶板岩层在该范围内的层间结合强度，减小先开采切顶区域上部岩层沉降过程中受相邻未切顶或回采区域上覆岩层的横向拉应力作用[8]，最大限度减小相邻矿块由回采时序不同造成顶板岩层垮落及下沉的不均匀性，使已开采切顶区域上覆岩层沉降更加均匀。

3)协同充填。由于上覆煤层距离铝土矿约41 m，按照覆岩移动规律，采高>3.28 m时会影响煤层的完整性，所以当铝土矿局部采高大于3.28 m时，需进行补充充填[9]，使采高缩小至3.28 m以内，控制覆岩移动范围。

4 煤下铝采矿方法比选

4.1 沿倾向掘进式条带回采房柱法

方案1。沿倾向条带式回采，全断面崩矿，多条带可平行作业；沿矿块内回采方向，条带回采结束随即充填与切顶处理空区。在底板间柱上开口通达矿块内部，控制掘进起坡角度，与矿体平均倾角一致，使采掘设备在采场内可灵活行走。点柱尺寸2 m×2 m，采切比42.23 m3/kt。如图3所示。

图3 沿倾向掘进式条带回采房柱法Fig.3 The strip tunneling room and pillar method along the ore tendency1—阶段平巷; 2—盘区上山; 3—顶板崩落; 4—盘区间柱; 5—诱导切顶; 6—回采条带;7—点柱; 8—液压支柱; 9—上覆煤层; 10—补充充填; 11—放顶炮孔；12—护顶矿层; 13—通风联道

4.2 小矿房、宽矿柱分步退采回收矿柱房柱法

方案2。沿倾向条带式回采，划分小矿房、宽矿柱，一步骤回采掘进式回采矿柱，通达上部中段；二步骤退采宽矿柱，使其形成3 m×6 m大点柱，此回采过程中顶板跨度不超过3 m，局部软弱破碎顶板简单支护即可保证作业安全；三步骤沿小矿房上山回采，将大矿柱回采为2 m×3 m点柱。由于采取了小矿房、宽矿柱和分步回采的方案，大部分回采时间顶板暴露面积小，在最后形成点柱后随即处理空区，相对方案1采空区处理更为及时。矿块内多条带平行作业，互不影响，采切比24.31 m3/kt。如图4所示。

4.3 小矿房、宽矿柱充填分区分步退采房柱法

方案3。采场结构参数与方案2基本一致，吸收了方案3优点的同时，为强化采场作业安全，进行充填分区，通过充填将作业空间隔离；改变了宽矿柱的退采工艺，一个小矿房上山可以在有限空间内实现两侧宽矿柱安全回采。由于采取了小矿房、宽矿柱、分步回采、充填分区的方案，采场回采时间顶板暴露面积和空区联通率较方案2更小，在最后形成点柱后随即处理空区。如图5所示。

图4 小矿房、宽矿柱分步退采回收矿柱房柱法Fig.4 The sub-step retreat mining room and pillar method with small rooms and large pillars1—阶段平巷;2—盘区上山;3—顶板崩落;4—盘区间柱; 5—诱导切顶; 6—宽矿柱; 7—点柱; 8—液压支柱； 9—上覆煤层; 10—补充充填;11—放顶炮孔；12—护顶矿层;13—通风联道;14—小矿房

以上采矿方法均为房柱法，矿块结构参数灵活，可根据矿体厚度、回采区域上覆岩层地质条件、顶底板稳固程度调整采场尺寸、结构参数和协同充填方案的相关指标。三种方案盘区布置、回采方式相近，采场最后形成规则点柱且随即强制崩落，所以三种方案技术经济指标对比并无明显优劣。采矿方法比选侧重于安全性、生产效率等方面。

4.4 采矿方法优选

方案1采用全断面掘进式回采，生产作业及设备人员均暴露在较大跨度的采空区下作业，相对后三种方案安全性明显不足。方案2分三步骤退采作业，缩短空区的暴露时间，尽可能避免发生条带还未回采结束，已回采区域发生冒落或塌方的情况。方案3较方案2利用胶结充填形成了连续的隔离假柱，缩短了顶板暴露时间和联通面积，多工作面平行作业、双向退采更加安全，同时充填体对隔离与封闭相邻煤层瓦斯等有害气体提供技术措施。综上，煤下铝开采优选小矿房、宽矿柱充填分区分步退采房柱法。

图5 小矿房、宽矿柱充填分区分步退采房柱法Fig.5 The partition filling room and pillar method with small rooms and large pillars1—阶段平巷;2—盘区上山;3—顶板崩落;4—盘区间柱；5—诱导切顶;6—宽矿柱; 7—点柱; 8—覆煤层;9—补充充填；10—放顶炮孔;11—护顶矿层;12—通风联道;13—小矿房(上山)；14—采场封闭；15—充填体膈离

5 现场工业试验

在矿区内选择试验采场进行工业试验(见图6、图7)并对采场进行应力及顶板位移监测，试验矿块综合回采率78%，采场生产能力310～320 t/d，采矿车间直接成本约75.0元/t。采场区域内岩体应力变化趋于平缓，无较大应力集中情况发生；顶板下沉变形受切顶作业影响显著，且覆岩位移和孔隙率随岩移范围扩展而变小。根据观测数据在30 d内距离顶板10～15 m范围内，覆岩下沉量约55～60 mm，由覆岩移动规律分析随岩移发展距铝土矿40 m时岩层近似整体下沉。

6 结论

1)本文通过分析煤下铝开采技术条件和面临的技术问题，提出了强制放顶诱导切顶协同充填的覆岩移动控制技术，经过采矿方法初选、优选，确定了小矿房、宽矿柱充填分区分步退采房柱法。

2)该采矿方法是实现对煤层保护性开采和实施覆岩移动层位控制的依托，以放顶为技术手段之一的岩移控制技术将点柱不作为永久矿柱支撑顶板，放宽了采空区稳定性对采场结构参数和矿柱留设的制约，将采矿方法研究聚焦在采矿作业过程的地压控制，从而得以实施小矿房、宽矿柱分步退采的方案。在采矿过程中最大程度地限制采空区暴露时间和连片采空区的形成，从矿块开采伊始就将采空区治理与残矿回收的相关技术融入房柱法采矿过程，并有针对性地应用充填隔离与封闭的措施解决可能存在的瓦斯、周期来压等问题，综合实现了采场地压管理、岩移层位控制、回采率提高和针对性煤下安全防控。