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(lián)合研究中心，北京 102628；3.山西華興鋁業(yè)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(nèi)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(fā)的必然選擇和發(fā)展趨勢[2-3]。煤下鋁開采需要在開發(fā)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(wěn)固，地壓管理困難等難題。本文以山西某煤下鋁礦區(qū)為例，開展了煤下鋁采礦方法應(yīng)用研究。

1 煤下鋁開采技術(shù)條件

沉積型鋁土礦賦存于石炭系中統(tǒng)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(wěn)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(qū)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(zhì)量中等。礦體平均厚2.84 m，平均傾角12°～15°，采區(qū)范圍內(nèi)埋深150～350 m，礦層頂板黏土巖，底板鐵質(zhì)黏土巖、山西式鐵礦，黏土巖軟弱破碎、遇水泥化，礦區(qū)水文地質(zhì)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(zhì)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(dāng)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(wěn)固，留設(shè)了大量點柱、間柱及護頂?shù)V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(xiàn)上覆煤層保護性開采和兼顧解決地下鋁土礦開采技術(shù)問題為目標(biāo)，保證煤下鋁開采后上覆13#煤層不發(fā)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(jù)采礦工藝、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、地壓處理方式、采掘設(shè)備甚至采場內(nèi)礦石回采順序，房柱法可以靈活地、創(chuàng)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(jù)煤層覆蓋下鋁土礦開采的技術(shù)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(yù)切頂工藝不便于實施，為保障回采作業(yè)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(yōu)化提升房柱法適應(yīng)煤下鋁開采的難點與關(guān)鍵。

3)為了使礦塊回采率達到75%，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)布置應(yīng)與采場回采順序、地壓控制技術(shù)結(jié)合，減少礦柱留設(shè)的同時實現(xiàn)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(zhì)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(shè)備的安裝非常不利，結(jié)合礦山設(shè)計產(chǎn)能要求，綜合考慮現(xiàn)有開拓系統(tǒng)，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(dǎo)切頂協(xié)同充填覆巖移動控制技術(shù)，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(qū)分步退采房柱法。

3 煤下鋁協(xié)同充填覆巖控制技術(shù)

為實現(xiàn)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(dǎo)切頂協(xié)同充填覆巖控制技術(shù)(見圖2)。該技術(shù)主要包含以下工藝：

圖2 協(xié)同充填覆巖移動控制技術(shù)方案Fig.2 The co-filling technology of controlling overlying strata movement

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

2)誘導(dǎo)切頂。優(yōu)先進行強制放頂?shù)膮^(qū)域，其上覆巖層先發(fā)生移動，由于層狀巖層的連續(xù)性，局部先發(fā)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(qū)域的頂板巖層連成一片，不利于已開采區(qū)域巖層的整體垮落和下沉。誘導(dǎo)切頂通過爆破作用在采場頂板巖層內(nèi)沿傾向形成弱面、裂隙區(qū)，削弱頂板巖層在該范圍內(nèi)的層間結(jié)合強度，減小先開采切頂區(qū)域上部巖層沉降過程中受相鄰未切頂或回采區(qū)域上覆巖層的橫向拉應(yīng)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(qū)域上覆巖層沉降更加均勻。

3)協(xié)同充填。由于上覆煤層距離鋁土礦約41 m，按照覆巖移動規(guī)律，采高>3.28 m時會影響煤層的完整性，所以當(dāng)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(nèi)，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(yè)；沿礦塊內(nèi)回采方向，條帶回采結(jié)束隨即充填與切頂處理空區(qū)。在底板間柱上開口通達礦塊內(nèi)部，控制掘進起坡角度，與礦體平均傾角一致，使采掘設(shè)備在采場內(nèi)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(qū)上山; 3—頂板崩落; 4—盤區(qū)間柱; 5—誘導(dǎo)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?shù)V層; 13—通風(fēng)聯(lián)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(yè)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(qū)，相對方案1采空區(qū)處理更為及時。礦塊內(nèi)多條帶平行作業(yè)，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(qū)分步退采房柱法

方案3。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與方案2基本一致，吸收了方案3優(yōu)點的同時，為強化采場作業(yè)安全，進行充填分區(qū)，通過充填將作業(yè)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(nèi)實現(xiàn)兩側(cè)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(qū)的方案，采場回采時間頂板暴露面積和空區(qū)聯(lián)通率較方案2更小，在最后形成點柱后隨即處理空區(qū)。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(qū)上山;3—頂板崩落;4—盤區(qū)間柱; 5—誘導(dǎo)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?shù)V層;13—通風(fēng)聯(lián)道;14—小礦房

以上采礦方法均為房柱法，礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)靈活，可根據(jù)礦體厚度、回采區(qū)域上覆巖層地質(zhì)條件、頂?shù)装宸€(wěn)固程度調(diào)整采場尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)和協(xié)同充填方案的相關(guān)指標(biāo)。三種方案盤區(qū)布置、回采方式相近，采場最后形成規(guī)則點柱且隨即強制崩落，所以三種方案技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比并無明顯優(yōu)劣。采礦方法比選側(cè)重于安全性、生產(chǎn)效率等方面。

4.4 采礦方法優(yōu)選

方案1采用全斷面掘進式回采，生產(chǎn)作業(yè)及設(shè)備人員均暴露在較大跨度的采空區(qū)下作業(yè)，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(yè)，縮短空區(qū)的暴露時間，盡可能避免發(fā)生條帶還未回采結(jié)束，已回采區(qū)域發(fā)生冒落或塌方的情況。方案3較方案2利用膠結(jié)充填形成了連續(xù)的隔離假柱，縮短了頂板暴露時間和聯(lián)通面積，多工作面平行作業(yè)、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(shù)措施。綜上，煤下鋁開采優(yōu)選小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法。

圖5 小礦房、寬礦柱充填分區(qū)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(qū)上山;3—頂板崩落;4—盤區(qū)間柱；5—誘導(dǎo)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?shù)V層;12—通風(fēng)聯(lián)道;13—小礦房(上山)；14—采場封閉；15—充填體膈離

5 現(xiàn)場工業(yè)試驗

在礦區(qū)內(nèi)選擇試驗采場進行工業(yè)試驗(見圖6、圖7)并對采場進行應(yīng)力及頂板位移監(jiān)測，試驗礦塊綜合回采率78%，采場生產(chǎn)能力310～320 t/d，采礦車間直接成本約75.0元/t。采場區(qū)域內(nèi)巖體應(yīng)力變化趨于平緩，無較大應(yīng)力集中情況發(fā)生；頂板下沉變形受切頂作業(yè)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(jù)觀測數(shù)據(jù)在30 d內(nèi)距離頂板10～15 m范圍內(nèi)，覆巖下沉量約55～60 mm，由覆巖移動規(guī)律分析隨巖移發(fā)展距鋁土礦40 m時巖層近似整體下沉。

6 結(jié)論

1)本文通過分析煤下鋁開采技術(shù)條件和面臨的技術(shù)問題，提出了強制放頂誘導(dǎo)切頂協(xié)同充填的覆巖移動控制技術(shù)，經(jīng)過采礦方法初選、優(yōu)選，確定了小礦房、寬礦柱充填分區(qū)分步退采房柱法。

2)該采礦方法是實現(xiàn)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(shù)手段之一的巖移控制技術(shù)將點柱不作為永久礦柱支撐頂板，放寬了采空區(qū)穩(wěn)定性對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和礦柱留設(shè)的制約，將采礦方法研究聚焦在采礦作業(yè)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(qū)暴露時間和連片采空區(qū)的形成，從礦塊開采伊始就將采空區(qū)治理與殘礦回收的相關(guān)技術(shù)融入房柱法采礦過程，并有針對性地應(yīng)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(xiàn)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(shè)Fig.6 Pointed pillars after mining

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