高福龍

(中國鋁業(yè)公司山西華興鋁業(yè)有限公司)

蘇家吉鋁土礦綜合開采初探

高福龍

(中國鋁業(yè)公司山西華興鋁業(yè)有限公司)

根據(jù)蘇家吉煤系鋁土礦的賦存條件，確定了先采煤后采鋁土礦的開采順序，針對鋁土礦采取地下空場法開采，給出了首采區(qū)段的確定方案，同時指出應(yīng)根據(jù)礦體賦存特點(diǎn)和礦體厚度變化對不同區(qū)域鋁土礦采取不同的回采工藝。

鋁土礦 開采順序 空場法

興縣氧化鋁項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為100萬t，目前氧化鋁廠基本建成，與之配套的礦山黃輝頭礦區(qū),奧家灣Ⅱ#、Ⅰ#礦體正在建設(shè),礦山總建設(shè)規(guī)模為132萬t/a，滿足不了100萬t/a氧化鋁的供礦需要(約需200萬t/a鋁土礦石)，蘇家吉礦區(qū)的開采可提高氧化鋁廠礦石的自給率[1]。

1 地質(zhì)概況

蘇家吉鋁土礦礦區(qū)內(nèi)出露地層由老至新為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組,石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組,二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上石盒子組,上第三系上新統(tǒng),第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層。礦區(qū)構(gòu)造線方向與區(qū)域基本一致，總體為一走向南北、向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角為5°～12°，一般為8°左右，礦體厚0.8～7.15 m，平均為2.63 m，變化系數(shù)為38.75%。區(qū)內(nèi)未見斷層，總體構(gòu)造簡單。礦區(qū)鋁土礦與煤共生，共含煤12層，煤層累積厚約28.67 m，含煤系數(shù)為19.71%。

蘇家吉鋁土礦礦床成因類型屬沉積-改造型礦床，工業(yè)類型屬低硫中鐵、一水硬鋁石型鋁土礦礦床。礦體主要賦存于石炭系中統(tǒng)本溪組一段中下部，本溪組一段為一套由山西式鐵礦、鐵質(zhì)黏土巖、鋁土礦及黏土巖等組成的鐵鋁質(zhì)建造，賦存20余種礦產(chǎn)。含礦層厚度及巖石組合在不同地段基本一致，無明顯分異現(xiàn)象，但剖面上具較明顯的顏色分帶現(xiàn)象。在含礦巖系中構(gòu)成礦層頂板的多為黏土巖和硬質(zhì)耐火黏土礦，個別為奧陶系泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)礦體剖面上呈層狀、似層狀產(chǎn)出，個別地段有獨(dú)立的小礦體。礦體賦存形態(tài)受基底灰?guī)r侵蝕面控制，對鋁土礦體形態(tài)及厚度變化有一定影響。

礦石的礦物成分主要為一水硬鋁石、高嶺石，次要礦物有褐鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦等。據(jù)礦區(qū)852個鋁土礦化學(xué)基本分析樣統(tǒng)計(jì)，礦石品位：Al2O3為40.77%～77.71%，平均為60.62%，變化系數(shù)為13.67%；SiO2為0.46%～21.98%，平均為6.50%，成分在2%～10%的占71.98%，變化系數(shù)為62.26%；Fe2O3為0.90%～38.89%，平均為11.33%，變化系數(shù)為60.93%；A/S(鋁硅比)為2.61～142.22，平均為9.33，成分在7～40的占65.99%，變化系數(shù)為146.34%。

2 開采方案確定

2.1 煤鋁開采關(guān)系

礦區(qū)東部為楊家溝鋁土礦區(qū)，無重疊區(qū)域；西部與斜溝煤礦重疊，重疊區(qū)面積為1.33 km2，約占整個鋁土礦探礦權(quán)面積的40.8%；13#煤面積為2.59 km2，與斜溝重疊區(qū)面積占51.35%；8#煤面積為1.77 km2，與斜溝重疊區(qū)面積占75.14%。經(jīng)過計(jì)算重疊區(qū)域鋁土礦資源量為943.76萬t，重疊區(qū)域標(biāo)高為790～950 m，煤層賦存在鋁土礦層之上，最近的13#煤層與鋁土礦層距離約為44 m。煤層和鋁土礦層的相對關(guān)系見圖1。

圖1 鋁土礦層與煤礦層相對關(guān)系

為了確保煤鋁資源的綜合回收，減少資源浪費(fèi)，在綜合考慮到煤礦、鋁土礦的賦存狀態(tài)及各自礦種價值的情況下，確定正常開采順序?yàn)橄让汉箐X。即在開采鋁土礦時，要保證鋁土礦開采影響范圍內(nèi)的煤礦必須全部回采完畢，并對余下的采空區(qū)進(jìn)行處理。考慮到興縣氧化鋁急需鋁土礦石，設(shè)計(jì)先開采無煤層壓覆的鋁土礦層，同時與斜溝煤礦溝通，使其盡快開采鋁土礦上部的煤層，以便釋放被煤壓覆的鋁土礦資源。煤鋁開采順序見圖2。

圖2 礦區(qū)內(nèi)煤鋁開采順序

2.2 礦床開采方式

蘇家吉鋁土礦礦體賦存于本溪組一段地層中，受底板古浸蝕面地形控制，礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，礦體產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀基本一致。區(qū)內(nèi)鋁土礦埋深在25～354.70 m，覆蓋層厚度大，全區(qū)剝采比為60.9 m3/m3，只適應(yīng)于地下開采。

首采區(qū)段的選擇主要考慮安全、先易后難和投產(chǎn)快3個原則。同時，考慮到鋁土礦賦存條件的限制，設(shè)計(jì)選擇1 030，1 010 m中段作為首采區(qū)段。為了減小基建工程量，考慮到該部分礦體連續(xù)，礦山以970 m水平為界分2期建設(shè)，一期礦體總開采順序?yàn)? 030,1 010,990,970 m，由上而下開采，中段均采取從兩端后退回采。970～810 m標(biāo)高的二期礦體可以根據(jù)后期煤礦開采順序的需要，保持從上往下的開采順序或者變更為從下往上的開采順序?？紤]到單中段礦石量不能滿足3 a的開拓礦量要求，所以選擇1 030,1010 m 2個中段作基建中段，其中1 030 m中段作首采中段，1 010 m中段為基建開拓中段，1 050 m中段為回風(fēng)中段。

首采區(qū)段礦體形態(tài)均呈層狀、似層狀，厚度較穩(wěn)定，0.8～10 m，平均為2.68 m，傾角為8°左右，為緩傾斜礦體；鋁土礦直接頂板為黏土礦、黏土巖，在無水情況下，穩(wěn)固性好，但遇水膨脹松軟，穩(wěn)固性差；礦體直接底板為鐵質(zhì)黏土巖，易風(fēng)化，穩(wěn)固性差。

目前，國內(nèi)沉積型鋁土礦開采方式主要有空場法和充填法。充填法又可分為濕式充填和干式充填，采用濕式充填時容易造成頂板黏土巖和頁巖等軟質(zhì)巖石變軟，影響頂板穩(wěn)固性；采用干式充填，因礦體傾角很緩，充填料不能自流，充填工藝復(fù)雜，效率低，而且充填成本高[2-3]。盡管空場法會造成回采貧化率和損失率升高，但考慮到空場法在我國的廣泛應(yīng)用，綜合認(rèn)為比充填法更合理，故蘇家吉鋁土礦設(shè)計(jì)開采方法為空場法。

2.3 回采工藝的確定

根據(jù)礦體賦存特點(diǎn)和礦體厚度變化特征，決定采用錨桿護(hù)頂電耙、鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦房柱法和錨桿護(hù)頂鏟運(yùn)機(jī)出礦房柱法進(jìn)行鋁土礦開采。

(1)錨桿護(hù)頂電耙、鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦房柱法。沿盤區(qū)斜長方向中軸線，將盤區(qū)分為上下兩部分，中間留3 m寬的條形礦柱，在其中布置電耙硐室。盤區(qū)間留間柱，上部間柱寬8 m，間柱中間為2 m寬人行聯(lián)絡(luò)道，下部間柱寬10 m，間柱中間為4 m寬人行及鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)絡(luò)道。于上部采場間柱內(nèi)布置2 m×2 m 人行進(jìn)風(fēng)天井。條形礦柱上部靠近間柱兩側(cè)布置2個集中溜井，溜井直徑為2 m。頂?shù)字鶎挒? m，底柱內(nèi)每隔15～20 m留4 m寬聯(lián)絡(luò)出口，將下部采場電耙硐室布置在底柱內(nèi)。沿采場底部礦柱上側(cè)布置3 m寬水平切割巷，沿采場左側(cè)布置切割上山。采場底柱兩端布置鏟運(yùn)機(jī)硐室。礦房內(nèi)留規(guī)則點(diǎn)柱，直徑為3 m，橫排間距為12～15 m，豎排間距為10～13 m?；夭蓵r先采上部礦房，從切割平巷與切割上山相交處開始。工作面沿傾向呈階梯從采場一端往另一端推進(jìn)，階梯長8～12 m，階梯間超前3～5 m。上部采場爆落礦石由電耙耙至切割平巷處，再由橫向電耙耙至溜井，下部采場礦石由橫向電耙耙至鏟運(yùn)機(jī)硐室，由鏟運(yùn)機(jī)沿盤區(qū)倒入溜井，采場出礦后先對不穩(wěn)定頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)，再進(jìn)行下一輪作業(yè)。新鮮風(fēng)流從鏟運(yùn)機(jī)道和人行通風(fēng)天井進(jìn)入采場，沖洗工作面后，經(jīng)礦塊頂柱內(nèi)出口或另一側(cè)人行通風(fēng)上山回至上中段鏟運(yùn)機(jī)道。

(2)錨桿護(hù)頂鏟運(yùn)機(jī)出礦房柱法。沿盤區(qū)斜長方向中軸線將盤區(qū)分為上下兩部分，中間留3 m寬條形礦柱，于礦柱中布置3～5個寬鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)絡(luò)口。盤區(qū)間留間柱，間柱寬10 m，中間為4 m寬鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)絡(luò)道，在間柱內(nèi)沿傾斜方向每10～15 m留鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)絡(luò)出口，于上部采場間柱內(nèi)布置人行進(jìn)風(fēng)天井。條形礦柱與間柱交接處兩側(cè)布置2個集中溜井。礦房內(nèi)留規(guī)則點(diǎn)柱，直徑為3 m，橫排間距為12～15 m，豎排間距為8～10 m。盤區(qū)內(nèi)從上往下分梯段回采，從通風(fēng)聯(lián)絡(luò)上山處往兩端推進(jìn)。工作面沿傾向呈階梯從采場中間往兩端推進(jìn)，分段寬度為房間點(diǎn)柱在橫排方向上的間距，上一分段礦房開采進(jìn)度超前下一房間8～10 m。鏟運(yùn)機(jī)沿中間上山或盤區(qū)間專用聯(lián)道進(jìn)入采場，鏟裝礦石經(jīng)切割平巷、間柱聯(lián)絡(luò)出口進(jìn)入聯(lián)道，最終倒入溜井。采場出礦后先對不穩(wěn)定頂板進(jìn)行錨桿支護(hù)，再進(jìn)行下一輪作業(yè)。新鮮風(fēng)流從鏟運(yùn)機(jī)道經(jīng)中間進(jìn)風(fēng)上山進(jìn)入采場，沖洗工作面后，經(jīng)礦塊頂柱內(nèi)出口或另一側(cè)人行通風(fēng)上山回至上中段鏟運(yùn)機(jī)道。

2.4 頂板維護(hù)及采空區(qū)處理

采場工作面頂板支護(hù)可采用保留礦柱法，即可采用規(guī)則或者不規(guī)則2種形式φ3 m的礦柱，同時采用單體柱進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)化，在滿足頂板緩慢微量下沉的同時防止頂板局部冒落，以保證工作面安全回采作業(yè)。這就要求支柱除了具有一定強(qiáng)度的支撐作用外，還具有一定的可縮性。在進(jìn)行采場頂板支護(hù)時需要對支護(hù)密度、支柱初撐力和支護(hù)剛度進(jìn)行確定，支護(hù)密度的合理與否直接關(guān)系到單位面積頂板的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)效果；支柱初撐力的主要作用是給予頂板一定程度的主動支撐力，初撐力值直接關(guān)乎著采場頂板下沉量的大小，資料顯示，很多冒頂事故的發(fā)生均為初撐力不足引起，故保證支柱的合格初撐力是確保頂板保持穩(wěn)定的重要途徑；支護(hù)剛度是指采場內(nèi)支柱尚未達(dá)到額定支撐載荷前頂板的移動量，故可以相應(yīng)提高支柱支護(hù)剛度來降低頂板下沉量，確保頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。只有這樣才能在降低生產(chǎn)成本的前提下滿足支護(hù)要求。此外，還應(yīng)掌握采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，根據(jù)采場壓力情況及時改善支護(hù)質(zhì)量，最大程度保證采場的安全生產(chǎn)作業(yè)。另外，為了提高安全作業(yè)水平，除了采用保留礦柱外，還可以考慮在回采時礦體頂部預(yù)留一定厚的礦壁或錨桿護(hù)頂。

理論研究認(rèn)為，隨著礦石的采出，由原來礦體承擔(dān)的圍巖應(yīng)力會由周圍巖體或者巖柱承擔(dān)。據(jù)此可知，隨著鋁礦石的不斷采出，采空區(qū)不斷加大，其上方和周圍的圍巖應(yīng)力也越來越大，若應(yīng)力超過承載極限時，便會導(dǎo)致采空區(qū)頂板、邊幫冒落，礦柱破裂等現(xiàn)象發(fā)生，這樣不僅會給采場的安全性帶來隱患和增加開采貧化程度，同時還容易導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂隙、沉陷等。因此，在連續(xù)礦柱作部分回收、點(diǎn)柱不回收的前提下利用掘進(jìn)產(chǎn)生的廢石對采空區(qū)進(jìn)行部分填充，對圍巖應(yīng)力進(jìn)行平衡，然后對采空區(qū)進(jìn)行密閉處理，同時留有必要的通氣口連通地表。

3 結(jié) 語

根據(jù)興縣蘇家吉鋁土礦礦區(qū)和礦體地質(zhì)特征，確定了該煤系鋁土礦先煤后鋁的開采順序。依據(jù)礦體賦存條件，確定鋁土礦的開采方式為地下空場開采，并給出了首采區(qū)段的具體開采方案，對不同區(qū)域礦體分別采用錨桿護(hù)頂電耙、鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)合出礦房柱法和錨桿護(hù)頂鏟運(yùn)機(jī)出礦房柱法。鋁土礦的開采是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，除了確定開采方法、工藝，還需對通風(fēng)、供電、設(shè)備選型、運(yùn)輸、投資預(yù)算和環(huán)境治理等多個方面進(jìn)行研究和探討。

[1] 王建華.山西省興縣蘇家吉鋁土礦礦床成因分析及找礦標(biāo)志[J].科技與企業(yè),2013(12)：166.

[2] 徐 江,崔棟梁,陳 琪.金屬礦山采空區(qū)處理方法綜述[J].黑龍江冶金,2007(4)：35-37.

[3] 劉旭娃.干式充填法在低品位礦體開采中的應(yīng)用[J].中國鉬業(yè),2006,30(5)：18-21.

2014-04-18)

高福龍(1987—)，男，助理工程師，033600 山西省呂梁市。