煤铝共生缓倾斜薄矿床分层诱导协同开采方案研究

2020-06-22展帅菲王怀彬胡亚超

金属矿山 2020年5期

王春展帅菲王怀彬胡亚超

（1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454003；2.深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室，河南焦作454003；3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作454003）

我国经济发展离不开能源消耗，目前人类生活仍离不开煤炭资源［1-2］。关于煤炭资源安全高效开采，国内外学者提出了大量的新理论、新工艺。李东印等［3］探讨了煤矿科学产能的形成机制，阐述了确定煤矿合理生产规模的新方法。袁亮［4］思考了煤与瓦斯共采的现状、难题，认为需在关键技术、设备研发方面开展进一步研究。钱鸣高等［5］、王家臣等［6］论述了科学采煤的思路，认为煤炭开采应实现安全、经济、环境三方面的协同，达到最优目标。

铝是现代高技术产业发展的关键技术支撑材料，在国民经济发展、人类生存方面具有不可替代的地位［7-8］。李奔腾［9］从采矿方法、生产勘探、监督管理等方面研究了铝土矿地下开采损失贫化率降低的方法与措施。文献［10-11］认为加强铝土矿机械化、智能化开采是未来前景目标。周扩全等［12］研究认为传统的全面法、房柱法在铝土矿开采方面起到了不可忽视的作用。

现阶段，煤和铝土矿的开采得到了学术界的深入研究和广泛实践，但对于煤铝共生矿床的开发利用，相关研究较为薄弱。虽然不少学者［13-15］针对开采模式、开采方案、开采可行性等方面进行了探讨，但如何安全高效协同开采共生的煤铝资源，仍需要进一步研究。近年来，陈庆发等［16-19］提出了“协同开采”理念，在协同采矿方法合理分类、协同开采体系构建等方面进行了理论研究，并将该理念用于指导矿体开采与采空区治理等，取得了较好的实践效果。针对煤铝共生矿床开采存在的瓦斯处理、开采工艺协调、煤岩层稳定性控制等难题，顾及到采矿活动导致煤岩力学性质发生变化的特殊情况［20-24］，本研究以某煤铝共生矿为例，开展煤铝共生分层诱导协同开采方案研究，实现煤铝共生矿床安全高效开采。

1 某煤铝矿工程概况

某矿煤和铝土共生，矿床赋存于石炭系上统本溪组中段，矿岩呈层状，且以半坚硬、软弱、松散岩类为主。经地质勘探发现，该矿床主要可采资源为13#煤层和铝土矿，煤层赋存于铝土矿之上，且二者近似平行产出。煤层与铝土矿之间所夹黏土质页岩层的厚度为0.8～1.0 m。铝土矿底板主要为铁质页岩，13#煤层顶板主要为碳质页岩。13#煤层厚度为1.5～2.5 m，平均厚度约 2 m，倾角为 5°～10°，平均为8°，煤层走向北偏东6°，倾向NW。铝土层厚为2.2～3.6 m，平均厚度约2.8 m，倾角为6°～9°，平均为8°，走向北偏东60°，倾向NW。煤铝共生矿床工程地质特征如图1 所示。

2 煤铝共生矿床开采难题

煤矿多以沉积矿床为主，矿体内含有一定量的瓦斯，铝土矿开采则无需考虑瓦斯问题。由于煤和铝土矿床成因、赋存条件等存在差异，同时煤体的强度要低于铝土矿的强度，最终导致煤矿与铝土矿的开采工艺不同。目前，煤矿多以综采工艺进行开采，铝土矿则以炮采方式进行开采。若要安全高效开采煤铝共生矿床，实现煤、铝两种开采工艺的协同对接是非常重要的环节。根据某矿煤铝共生矿床的地质条件，实现煤炭、铝土矿安全高效开采的难点如下：

（1）煤矿体内赋存瓦斯，开采时需进行瓦斯抽采，但铝土矿开采时无需防治瓦斯灾害，煤铝共生矿体协同开采时，需有效防治瓦斯灾害。

（2）煤体的开采工艺与铝土矿体的开采工艺存在差异，根据两者开采工艺的特点，探索新的采矿方式，实现煤炭与铝土矿资源安全高效回采。

（3）该矿煤铝共生矿床各煤岩层的稳固性一般，煤铝开采时有效控制围岩稳定性，提高回采作业安全性不可忽视。

3 煤铝共生矿床协同开采方案

瓦斯爆炸、开采工艺复杂、损失率大、围岩控制难度大等是煤铝共生矿体开采时面临的难题。为有效解决该类问题，本研究分别从煤铝共生矿床的开采模式、开采方案、经济效益等方面进行分析，研究确定煤铝共生矿床的最佳协同开采方案。

3.1 煤铝共生矿床开采模式设计及优选

3.1.1 开采模式

该煤铝共生矿床的煤层近似平行赋存于铝土层之上，且倾角较小，根据开采顺序的不同，可将开采模式划分为先煤后铝土、先铝土后煤层、煤层铝土交替、煤铝土矿床分层诱导协同开采4 种模式，如图2所示。

（1）先采煤层后采铝土层。该模式先将上层煤层开采完，下层铝土层接替开采，煤、铝土分别采用综采、炮采工艺进行回采，如图2（a）所示。

（2）先采铝土层后采煤层。如图2（b）所示，该模式先将下层铝土开采完，再抽采上层煤层内的瓦斯，然后开采上层煤层，各铝土矿采场之间预留永久性的保安矿柱，确保煤层稳定，避免大面积垮落。

（3）煤层铝土层交替开采。将整个矿床划分为n个采场，先超前开采上层煤层，待上层煤层采场进入下一采场开采时，交替开采煤层采空采场下层的铝土矿采场，最终实现煤铝交替开采、同时出矿的目的，如图2（c）所示。

（4）煤铝土矿床分层诱导协同开采。如图2（d）所示，该模式也将整个矿床划分为n个采场，先采下层铝土矿采场，各铝土矿采场之间预留隔离矿柱。下层某铝土矿采场采完后，采用自然诱导协同松动方式诱导上层黏土页岩及煤层垮落，最后采用铝土矿出矿方式搬运垮落后的矿石。

3.1.2 开采模式优选

根据某矿煤铝共生矿体的实际工程地质条件，从瓦斯处理、围岩控制、通风、排水等方面对先煤层后铝土、先铝土后煤层、煤层铝土交替、煤铝土矿床分层诱导协同开采4种模式进行了对比分析，结果如表1所示。

由表1可知：从开采工艺、瓦斯处理难度、围岩控制、通风条件、生产能力、劳动强度、开采成本等方面分析，煤铝土矿床分层诱导协同开采模式明显优于其余3种模式，且该矿煤层与铝土层之间所夹黏土页岩层平均厚度约1 m，诱导煤层开采时，废石量较少，且开采的废石可用于回填周边塌陷区。综合分析认为，煤铝土矿床分层诱导协同开采模式更适合于该矿煤与铝土矿层开采。

3.2 煤铝共生矿床协同开采方案设计

3.2.1 方案设计原则

煤铝共生矿床开采时，在确保安全的前提下尽可能多地回收资源，故煤铝协同开采方案设计时需考虑以下原则：

（1）煤铝共生矿体开采时，由于煤层中赋存瓦斯，方案设计时需首先考虑瓦斯抽采问题，确保煤铝协同开采作业时不会出现瓦斯爆炸等安全事故。

（2）方案设计应能确保煤铝资源开采具有较高的回采率。

（3）由于煤层、铝土层的开采工艺存在差异，因而有必要建立二者开采工艺之间的协同关系，设计适合煤铝共生矿层开采的新方案。

（4）方案设计时应充分考虑开采过程中围岩稳定性控制问题，并降低作业施工难度。

（5）充分利用矿山已掌握的工艺设备等，降低矿山总投资，实现经济效益最大化。

3.2.2 方案设计

结合某矿煤铝共生的地质条件，矿床底板铁质页岩层较坚固，因而将开拓、采准巷道布置在该岩层中，便于有效控制巷道围岩稳定性。为将煤层、铝土层的开采工艺进行有效结合，以底盘漏斗空场法为基础，设计了煤铝共生分层诱导协同开采底盘漏斗出矿方案。该方案采用一种工艺便可同时采出煤和铝土两种矿产资源，方案原理如图3所示。

3.2.2.1 采场结构参数

如图3所示，煤铝共生分层诱导协同开采底盘漏斗出矿方案，将矿床划分为n个小型采场，采场斜长为40～60 m、宽度为40～50 m，间柱宽4 m，顶底柱高度为煤铝层及中间所夹岩层高度之和，宽为6～8 m。沿煤铝共生矿床的铝土层底板6～8 m 垂高处开凿电耙巷道，其两侧布置间距为6 m 的出矿漏斗。采场底部电耙巷道下方5 m 处布置阶段运输巷道，运输巷道每间距40～50 m 时向上开凿人行通风材料井，连通上方的电耙联络道和凿岩联络道。为确保凿岩安全、方便瓦斯抽采，沿铝土层顶板掘凿岩上山，该凿岩上山兼作上方13#煤层瓦斯抽采巷道，也可称为13#煤层的瓦斯底抽巷道。

3.2.2.2 协同开采顺序

整个矿床的开采顺序为由上往下逐一进行推进，这一顺序可称为下行式开采，与传统底盘漏斗空场法的开采顺序一致。不同之处是单个采场分两个阶段进行出矿，一是爆破出矿，二是自然诱导崩落出矿。第一步，先崩落下层的铝土矿并进行出矿，第二步由煤层下方形成的大面积暴露空间诱导上方煤层自然垮落，通风处理瓦斯后进行二次出矿，具体协同开采顺序见图4。

3.2.2.3 回采工艺

煤铝共生矿床分层诱导协同开采工艺涉及煤、铝土两种矿产资源的开采，基于某煤铝共生矿床的地质条件，推荐采用先爆破后诱导的方案，回采工艺主要涉及凿岩、爆破、出铝土矿、诱导煤层崩落、出煤等。

（1）凿岩。基于铝土矿层的力学性质及矿山地质特征，顾及到矿山生产规模较小的特点，选用YTP-26 型气腿式凿岩机钻凿直径40 mm、孔深2.0～3.0 m的下向扇形孔。凿岩作业地点位于凿岩巷道内，可有效提高凿岩作业的安全性，凿岩作业满足矿山安全生产的要求。

（2）爆破。下向钻孔钻凿完成后，将直径32 mm的药卷装入钻孔内，放入导爆管，堵塞孔口，布设好起爆网络后，进行毫秒微差爆破，爆破炸药选用煤矿许用炸药，减少对上覆煤层开采的影响。

（3）出铝土矿。崩落的铝土矿受重力作用落至采场底盘漏斗中，而后由电耙耙运至采场底部的放矿溜井，最后装入矿车经中段运输平巷运出。

（4）诱导煤层崩落。当铝土层出矿完成后，上覆煤层及黏土页岩层下方形成了高度约为需崩落层2倍的空间。需崩落层的坚固性及完整性较差，在受到铝土层爆破冲击扰动后稳固性更差，因此，在自重应力及上覆岩层压力作用下，经历一段时间后便会自行垮塌，垮落的煤层受重力冲击作用产生二次破裂，可形成适合漏斗出矿的煤块。

（5）出煤。出煤工艺与出铝土矿工艺类似，不同之处是出煤之前应进行采场内瓦斯处理，待瓦斯含量达到适合出煤的标准后再进行放矿出煤。

3.2.2.4 瓦斯处理

某煤铝共生矿床中铝土矿层采用爆破方式开采，煤层采用自然崩落开采，且都利用矿石自重进行放矿，电耙运搬进行出矿。尽管每层瓦斯含量较小，但为避免发生瓦斯事故，必须加强瓦斯处理工作，即每个采场底盘漏斗形成之前完成采场的瓦斯抽采工作。当采场凿岩巷道施工完成后，每间隔10～15m 布置1 个瓦斯抽采钻场，每个钻场布置9 个抽采钻孔，钻孔夹角为18°，具体方案如图5所示。

3.2.2.5 采场通风

煤铝共生矿床开采作业中，需及时排出采场内滞留的瓦斯，采场通风线路应明确，风质、风量应能满足生产要求。本研究设计的煤铝共生分层诱导协同开采底盘漏斗出矿方案的采场通风路线如图6 所示。采场主风压由矿井主风机提供，新鲜风流进入中段运输平巷后，采用局扇辅助通风。每个采场配备4 台局扇，凿岩巷道、电耙巷道上下端口各安置1台，辅助通风方式为压抽混合式，下端口局扇压入新鲜风流，上端口局扇抽出污风风流。铝土矿层开采时，凿岩巷道、电耙巷道两条通风路线贯通，可满足通风要求。上覆煤层崩落后，虽然凿岩巷道通风路线受阻，但破碎煤块之间的空隙仍可贯通风流，此时，采场电耙道仍然可顺利进行通风，二者结合仍可满足采场生产时的通风要求。

3.3 煤铝共生矿床开采经济效益对比分析

针对某煤铝共生矿体，本研究提出的4种开采方案的经济效益对比分析结果如表2所示。

注：①—先采煤层后采铝土层；②—先采铝土层后采煤层；③—煤层铝土层交替开采；④—煤铝土分层诱导协同开采；4 种方案开拓工程量相等。

根据表2，本研究采用下式估算各方案的最终效益Y：

该矿床煤可采储量M1为20 Mt，铝土矿可采储量M2为 15 Mt；煤炭价格d1为 450 元/t，铝土矿价格为d2为235 元/t。经计算，4 种方案的最终可取得的效益为：方案①为65.18 亿元，方案②为63.61 亿元，方案③为65.28 亿元，方案④为66.84 亿元。由此可见，采用煤铝共生矿床分层诱导协同开采方案（先采铝土层后诱导崩落煤层）的经济效益最明显。