王 春 展帥菲 王懷彬 胡亞超

（1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454003；2.深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南焦作454003；3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454003）

我國經(jīng)濟發(fā)展離不開能源消耗，目前人類生活仍離不開煤炭資源［1-2］。關于煤炭資源安全高效開采，國內(nèi)外學者提出了大量的新理論、新工藝。李東印等［3］探討了煤礦科學產(chǎn)能的形成機制，闡述了確定煤礦合理生產(chǎn)規(guī)模的新方法。袁亮［4］思考了煤與瓦斯共采的現(xiàn)狀、難題，認為需在關鍵技術、設備研發(fā)方面開展進一步研究。錢鳴高等［5］、王家臣等［6］論述了科學采煤的思路，認為煤炭開采應實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、環(huán)境三方面的協(xié)同，達到最優(yōu)目標。

鋁是現(xiàn)代高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵技術支撐材料，在國民經(jīng)濟發(fā)展、人類生存方面具有不可替代的地位［7-8］。李奔騰［9］從采礦方法、生產(chǎn)勘探、監(jiān)督管理等方面研究了鋁土礦地下開采損失貧化率降低的方法與措施。文獻［10-11］認為加強鋁土礦機械化、智能化開采是未來前景目標。周擴全等［12］研究認為傳統(tǒng)的全面法、房柱法在鋁土礦開采方面起到了不可忽視的作用。

現(xiàn)階段，煤和鋁土礦的開采得到了學術界的深入研究和廣泛實踐，但對于煤鋁共生礦床的開發(fā)利用，相關研究較為薄弱。雖然不少學者［13-15］針對開采模式、開采方案、開采可行性等方面進行了探討，但如何安全高效協(xié)同開采共生的煤鋁資源，仍需要進一步研究。近年來，陳慶發(fā)等［16-19］提出了“協(xié)同開采”理念，在協(xié)同采礦方法合理分類、協(xié)同開采體系構建等方面進行了理論研究，并將該理念用于指導礦體開采與采空區(qū)治理等，取得了較好的實踐效果。針對煤鋁共生礦床開采存在的瓦斯處理、開采工藝協(xié)調、煤巖層穩(wěn)定性控制等難題，顧及到采礦活動導致煤巖力學性質發(fā)生變化的特殊情況［20-24］，本研究以某煤鋁共生礦為例，開展煤鋁共生分層誘導協(xié)同開采方案研究，實現(xiàn)煤鋁共生礦床安全高效開采。

1 某煤鋁礦工程概況

某礦煤和鋁土共生，礦床賦存于石炭系上統(tǒng)本溪組中段，礦巖呈層狀，且以半堅硬、軟弱、松散巖類為主。經(jīng)地質勘探發(fā)現(xiàn)，該礦床主要可采資源為13#煤層和鋁土礦，煤層賦存于鋁土礦之上，且二者近似平行產(chǎn)出。煤層與鋁土礦之間所夾黏土質頁巖層的厚度為0.8～1.0 m。鋁土礦底板主要為鐵質頁巖，13#煤層頂板主要為碳質頁巖。13#煤層厚度為1.5～2.5 m，平均厚度約 2 m，傾角為 5°～10°，平均為8°，煤層走向北偏東6°，傾向NW。鋁土層厚為2.2～3.6 m，平均厚度約2.8 m，傾角為6°～9°，平均為8°，走向北偏東60°，傾向NW。煤鋁共生礦床工程地質特征如圖1 所示。

2 煤鋁共生礦床開采難題

煤礦多以沉積礦床為主，礦體內(nèi)含有一定量的瓦斯，鋁土礦開采則無需考慮瓦斯問題。由于煤和鋁土礦床成因、賦存條件等存在差異，同時煤體的強度要低于鋁土礦的強度，最終導致煤礦與鋁土礦的開采工藝不同。目前，煤礦多以綜采工藝進行開采，鋁土礦則以炮采方式進行開采。若要安全高效開采煤鋁共生礦床，實現(xiàn)煤、鋁兩種開采工藝的協(xié)同對接是非常重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)某礦煤鋁共生礦床的地質條件，實現(xiàn)煤炭、鋁土礦安全高效開采的難點如下：

（1）煤礦體內(nèi)賦存瓦斯，開采時需進行瓦斯抽采，但鋁土礦開采時無需防治瓦斯災害，煤鋁共生礦體協(xié)同開采時，需有效防治瓦斯災害。

（2）煤體的開采工藝與鋁土礦體的開采工藝存在差異，根據(jù)兩者開采工藝的特點，探索新的采礦方式，實現(xiàn)煤炭與鋁土礦資源安全高效回采。

（3）該礦煤鋁共生礦床各煤巖層的穩(wěn)固性一般，煤鋁開采時有效控制圍巖穩(wěn)定性，提高回采作業(yè)安全性不可忽視。

3 煤鋁共生礦床協(xié)同開采方案

瓦斯爆炸、開采工藝復雜、損失率大、圍巖控制難度大等是煤鋁共生礦體開采時面臨的難題。為有效解決該類問題，本研究分別從煤鋁共生礦床的開采模式、開采方案、經(jīng)濟效益等方面進行分析，研究確定煤鋁共生礦床的最佳協(xié)同開采方案。

3.1 煤鋁共生礦床開采模式設計及優(yōu)選

3.1.1 開采模式

該煤鋁共生礦床的煤層近似平行賦存于鋁土層之上，且傾角較小，根據(jù)開采順序的不同，可將開采模式劃分為先煤后鋁土、先鋁土后煤層、煤層鋁土交替、煤鋁土礦床分層誘導協(xié)同開采4 種模式，如圖2所示。

（1）先采煤層后采鋁土層。該模式先將上層煤層開采完，下層鋁土層接替開采，煤、鋁土分別采用綜采、炮采工藝進行回采，如圖2（a）所示。

（2）先采鋁土層后采煤層。如圖2（b）所示，該模式先將下層鋁土開采完，再抽采上層煤層內(nèi)的瓦斯，然后開采上層煤層，各鋁土礦采場之間預留永久性的保安礦柱，確保煤層穩(wěn)定，避免大面積垮落。

（3）煤層鋁土層交替開采。將整個礦床劃分為n個采場，先超前開采上層煤層，待上層煤層采場進入下一采場開采時，交替開采煤層采空采場下層的鋁土礦采場，最終實現(xiàn)煤鋁交替開采、同時出礦的目的，如圖2（c）所示。

（4）煤鋁土礦床分層誘導協(xié)同開采。如圖2（d）所示，該模式也將整個礦床劃分為n個采場，先采下層鋁土礦采場，各鋁土礦采場之間預留隔離礦柱。下層某鋁土礦采場采完后，采用自然誘導協(xié)同松動方式誘導上層黏土頁巖及煤層垮落，最后采用鋁土礦出礦方式搬運垮落后的礦石。

3.1.2 開采模式優(yōu)選

根據(jù)某礦煤鋁共生礦體的實際工程地質條件，從瓦斯處理、圍巖控制、通風、排水等方面對先煤層后鋁土、先鋁土后煤層、煤層鋁土交替、煤鋁土礦床分層誘導協(xié)同開采4種模式進行了對比分析，結果如表1所示。

由表1可知：從開采工藝、瓦斯處理難度、圍巖控制、通風條件、生產(chǎn)能力、勞動強度、開采成本等方面分析，煤鋁土礦床分層誘導協(xié)同開采模式明顯優(yōu)于其余3種模式，且該礦煤層與鋁土層之間所夾黏土頁巖層平均厚度約1 m，誘導煤層開采時，廢石量較少，且開采的廢石可用于回填周邊塌陷區(qū)。綜合分析認為，煤鋁土礦床分層誘導協(xié)同開采模式更適合于該礦煤與鋁土礦層開采。

3.2 煤鋁共生礦床協(xié)同開采方案設計

3.2.1 方案設計原則

煤鋁共生礦床開采時，在確保安全的前提下盡可能多地回收資源，故煤鋁協(xié)同開采方案設計時需考慮以下原則：

（1）煤鋁共生礦體開采時，由于煤層中賦存瓦斯，方案設計時需首先考慮瓦斯抽采問題，確保煤鋁協(xié)同開采作業(yè)時不會出現(xiàn)瓦斯爆炸等安全事故。

（2）方案設計應能確保煤鋁資源開采具有較高的回采率。

（3）由于煤層、鋁土層的開采工藝存在差異，因而有必要建立二者開采工藝之間的協(xié)同關系，設計適合煤鋁共生礦層開采的新方案。

（4）方案設計時應充分考慮開采過程中圍巖穩(wěn)定性控制問題，并降低作業(yè)施工難度。

（5）充分利用礦山已掌握的工藝設備等，降低礦山總投資，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

3.2.2 方案設計

結合某礦煤鋁共生的地質條件，礦床底板鐵質頁巖層較堅固，因而將開拓、采準巷道布置在該巖層中，便于有效控制巷道圍巖穩(wěn)定性。為將煤層、鋁土層的開采工藝進行有效結合，以底盤漏斗空場法為基礎，設計了煤鋁共生分層誘導協(xié)同開采底盤漏斗出礦方案。該方案采用一種工藝便可同時采出煤和鋁土兩種礦產(chǎn)資源，方案原理如圖3所示。

3.2.2.1 采場結構參數(shù)

如圖3所示，煤鋁共生分層誘導協(xié)同開采底盤漏斗出礦方案，將礦床劃分為n個小型采場，采場斜長為40～60 m、寬度為40～50 m，間柱寬4 m，頂?shù)字叨葹槊轰X層及中間所夾巖層高度之和，寬為6～8 m。沿煤鋁共生礦床的鋁土層底板6～8 m 垂高處開鑿電耙巷道，其兩側布置間距為6 m 的出礦漏斗。采場底部電耙巷道下方5 m 處布置階段運輸巷道，運輸巷道每間距40～50 m 時向上開鑿人行通風材料井，連通上方的電耙聯(lián)絡道和鑿巖聯(lián)絡道。為確保鑿巖安全、方便瓦斯抽采，沿鋁土層頂板掘鑿巖上山，該鑿巖上山兼作上方13#煤層瓦斯抽采巷道，也可稱為13#煤層的瓦斯底抽巷道。

3.2.2.2 協(xié)同開采順序

整個礦床的開采順序為由上往下逐一進行推進，這一順序可稱為下行式開采，與傳統(tǒng)底盤漏斗空場法的開采順序一致。不同之處是單個采場分兩個階段進行出礦，一是爆破出礦，二是自然誘導崩落出礦。第一步，先崩落下層的鋁土礦并進行出礦，第二步由煤層下方形成的大面積暴露空間誘導上方煤層自然垮落，通風處理瓦斯后進行二次出礦，具體協(xié)同開采順序見圖4。

3.2.2.3 回采工藝

煤鋁共生礦床分層誘導協(xié)同開采工藝涉及煤、鋁土兩種礦產(chǎn)資源的開采，基于某煤鋁共生礦床的地質條件，推薦采用先爆破后誘導的方案，回采工藝主要涉及鑿巖、爆破、出鋁土礦、誘導煤層崩落、出煤等。

（1）鑿巖。基于鋁土礦層的力學性質及礦山地質特征，顧及到礦山生產(chǎn)規(guī)模較小的特點，選用YTP-26 型氣腿式鑿巖機鉆鑿直徑40 mm、孔深2.0～3.0 m的下向扇形孔。鑿巖作業(yè)地點位于鑿巖巷道內(nèi)，可有效提高鑿巖作業(yè)的安全性，鑿巖作業(yè)滿足礦山安全生產(chǎn)的要求。

（2）爆破。下向鉆孔鉆鑿完成后，將直徑32 mm的藥卷裝入鉆孔內(nèi)，放入導爆管，堵塞孔口，布設好起爆網(wǎng)絡后，進行毫秒微差爆破，爆破炸藥選用煤礦許用炸藥，減少對上覆煤層開采的影響。

（3）出鋁土礦。崩落的鋁土礦受重力作用落至采場底盤漏斗中，而后由電耙耙運至采場底部的放礦溜井，最后裝入礦車經(jīng)中段運輸平巷運出。

（4）誘導煤層崩落。當鋁土層出礦完成后，上覆煤層及黏土頁巖層下方形成了高度約為需崩落層2倍的空間。需崩落層的堅固性及完整性較差，在受到鋁土層爆破沖擊擾動后穩(wěn)固性更差，因此，在自重應力及上覆巖層壓力作用下，經(jīng)歷一段時間后便會自行垮塌，垮落的煤層受重力沖擊作用產(chǎn)生二次破裂，可形成適合漏斗出礦的煤塊。

（5）出煤。出煤工藝與出鋁土礦工藝類似，不同之處是出煤之前應進行采場內(nèi)瓦斯處理，待瓦斯含量達到適合出煤的標準后再進行放礦出煤。

3.2.2.4 瓦斯處理

某煤鋁共生礦床中鋁土礦層采用爆破方式開采，煤層采用自然崩落開采，且都利用礦石自重進行放礦，電耙運搬進行出礦。盡管每層瓦斯含量較小，但為避免發(fā)生瓦斯事故，必須加強瓦斯處理工作，即每個采場底盤漏斗形成之前完成采場的瓦斯抽采工作。當采場鑿巖巷道施工完成后，每間隔10～15m 布置1 個瓦斯抽采鉆場，每個鉆場布置9 個抽采鉆孔，鉆孔夾角為18°，具體方案如圖5所示。

3.2.2.5 采場通風

煤鋁共生礦床開采作業(yè)中，需及時排出采場內(nèi)滯留的瓦斯，采場通風線路應明確，風質、風量應能滿足生產(chǎn)要求。本研究設計的煤鋁共生分層誘導協(xié)同開采底盤漏斗出礦方案的采場通風路線如圖6 所示。采場主風壓由礦井主風機提供，新鮮風流進入中段運輸平巷后，采用局扇輔助通風。每個采場配備4 臺局扇，鑿巖巷道、電耙巷道上下端口各安置1臺，輔助通風方式為壓抽混合式，下端口局扇壓入新鮮風流，上端口局扇抽出污風風流。鋁土礦層開采時，鑿巖巷道、電耙巷道兩條通風路線貫通，可滿足通風要求。上覆煤層崩落后，雖然鑿巖巷道通風路線受阻，但破碎煤塊之間的空隙仍可貫通風流，此時，采場電耙道仍然可順利進行通風，二者結合仍可滿足采場生產(chǎn)時的通風要求。

3.3 煤鋁共生礦床開采經(jīng)濟效益對比分析

針對某煤鋁共生礦體，本研究提出的4種開采方案的經(jīng)濟效益對比分析結果如表2所示。

注：①—先采煤層后采鋁土層；②—先采鋁土層后采煤層；③—煤層鋁土層交替開采；④—煤鋁土分層誘導協(xié)同開采；4 種方案開拓工程量相等。

根據(jù)表2，本研究采用下式估算各方案的最終效益Y：

該礦床煤可采儲量M1為20 Mt，鋁土礦可采儲量M2為 15 Mt；煤炭價格d1為 450 元/t，鋁土礦價格為d2為235 元/t。經(jīng)計算，4 種方案的最終可取得的效益為：方案①為65.18 億元，方案②為63.61 億元，方案③為65.28 億元，方案④為66.84 億元。由此可見，采用煤鋁共生礦床分層誘導協(xié)同開采方案（先采鋁土層后誘導崩落煤層）的經(jīng)濟效益最明顯。

4 煤鋁共生礦床協(xié)同開采安全問題探討

煤鋁共生礦床涉及煤、鋁土兩種礦產(chǎn)資源，當采用煤鋁共生礦床分層誘導協(xié)同開采方案進行煤鋁協(xié)同開采時，煤層、頂?shù)装鍑鷰r中的瓦斯、水等可能造成安全事故，需高度重視瓦斯、水、頂板圍巖三方面的安全問題。本研究在進行煤鋁共生礦床分層誘導協(xié)同開采方案設計時在安全方面主要進行了如下考慮：

（1）瓦斯。設計的煤鋁共生分層誘導協(xié)同開采方案的鑿巖巷道沿鋁土礦層頂板掘進，在開采鋁土礦之前，將其作為瓦斯抽采巷道。當誘導崩落煤層后，采用局扇壓抽混合方式加強采場通風，及時排出采場內(nèi)二次溢出的瓦斯，有效避免發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸等事故。

（2）水。本研究設計的煤鋁共生礦床分層誘導協(xié)同開采方案的中段運輸平巷高差一般為10～20 m，水平間距一般為40～50 m，其與電耙道、鑿巖巷道交錯形成了網(wǎng)狀排水系統(tǒng)，當配備符合生產(chǎn)要求的排水設備，再結合該煤鋁共生礦床涌水量較小的特點，可及時排出生產(chǎn)時礦井涌水，避免發(fā)生突水淹井事故。

（3）頂板圍巖控制。方案中鉆鑿鉆孔、抽采瓦斯等作業(yè)位置都在鑿巖巷道內(nèi)，避免了直接暴露于礦體頂板下作業(yè)，有效提高了作業(yè)安全性。但13#煤層和鋁土礦層之間的夾巖層厚度較小，巷道圍巖支護需加強，可通過加密加長錨桿、錨索等方式提高巷道頂板及兩幫圍巖的穩(wěn)定性。

5 結 論

結合某礦煤鋁共生礦床的地質條件，針對煤鋁共生礦床開采的難題，從開采模式、開采方案、經(jīng)濟效益、安全等方面展開了研究，得出如下結論：

（1）基于煤鋁共生礦床的地質特征，分析得出協(xié)同開采煤鋁礦產(chǎn)資源面臨的主要難題是煤層內(nèi)賦存的瓦斯處理、開采工藝協(xié)調結合以及煤巖層穩(wěn)定性控制。

（2）提出了煤鋁共生礦床協(xié)同開采的4 種模式，即先煤后鋁土、先鋁土后煤層、煤層鋁土交替、煤鋁土礦床分層誘導協(xié)同開采模式。經(jīng)過對比分析，認為煤鋁礦床分層誘導協(xié)同開采模式最適合于傾角小、產(chǎn)狀相似且煤層和鋁土層之間所夾巖層厚度小的礦床開采。

（3）分析了某礦煤鋁共生礦床的開采條件，提出采用煤鋁共生礦床分層誘導協(xié)同開采底盤漏斗出礦的采礦方法開采該礦煤鋁共生礦體，經(jīng)濟效益、安全性等方面的對比分析論證了該方法的科學性和有效性。