煤铝共生缓倾斜薄矿床分层诱导协同开采方案研究_王春.pdf

收稿日期2019-10-12 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51904093） ， 河南省重点研发与推广专项 （科技攻关） 项目 （编号 192102310247） ， 深井瓦斯抽采与围岩 控制技术国家地方联合工程实验室开放研究基金项目 （编号 SJF201803） ， 青年创新探索性基金项目 （编号 NSFRF180321） ， 河南理 工大学博士基金项目 （编号 672707） 。 作者简介王春 （1986） ， 男， 讲师， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 煤铝共生缓倾斜薄矿床分层诱导 协同开采方案研究 王春 1， 2， 3 展帅菲 1 王怀彬 1 胡亚超 11 （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） 摘要某煤铝共生矿的煤层近似平行赋存于铝土层之上， 且二者倾角小、 厚度薄， 实现该矿煤铝共生缓倾斜 薄矿床安全高效开采的难点在于瓦斯处理、 开采工艺协调以及煤岩层稳定性控制。首先提出了先煤层后铝土层、 先铝土层后煤层、 煤层铝土层交替、 煤层铝土分层诱导协同4种开采模式； 然后结合该煤铝共生矿床的实际开采技 术条件， 从瓦斯处理、 通风、 排水等方面对比分析了4种开采模式的优缺点， 认为煤层距离铝土层较近时采用分层 诱导协同开采模式最合理。基于该矿床的实际工程地质条件， 提出了煤铝共生缓倾斜薄矿床分层诱导协同开采底 盘漏斗出矿开采方案， 并对采场结构、 回采工艺、 采场通风、 协同开采顺序等进行了设计。以设计的方案为载体， 再 次对4种开采模式进行了分析， 认为分层诱导协同开采方案不仅经济效益最佳， 而且可确保开采过程中人员、 设备 的安全。 关键词协同开采煤铝共生分层诱导缓倾斜薄矿床开采方案 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-101-08 DOI10.19614/ki.jsks.202005015 Study on the Stratification Inducement Synergetic Mining Scheme for Coal-aluminum Symbiotic Gently Inclined Thin Deposit Wang Chun1， 2， 3Zhan Shuaifei1Wang Huaibin1Hu Yachao12 （1. School of Energy Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China； 2. State and Local Joint Engineering Laboratory for Gas Drainage Ground Control of Deep Mines， Jiaozuo 454003， China； 3. The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan， Jiaozuo 454003， China） AbstractThe coal seam of a coal-aluminum symbiotic mine is almost parallel to the bauxite layer，and both of them are characterized by small dip angle and thin thickness． The difficulties in achieving safe and efficient mining of the coal-alu- minum symbiotic gently thin deposit are mainly concentrated in gas treatment，mining technology coordinate and coal-rock stability control． In order to solve the above problems， four mining modes are put forward，i．e． mining coal seam firstly and then bauxite layer， mining aluminum layer firstly and then coal seam， alternate mining of coal seam and bauxite， and stratifi- cation inducement synergetic mining of coal seam and bauxite layer；then，according to the actual mining technical condi- tions of the coal-aluminum symbiotic deposit，the advantages and disadvantages of the above four mining modes are com- pared and analyzed from the aspects of gas treatment，ventilation，drainage，etc．．It is concluded that the most reasonable mining is to adopt stratification inducement synergetic mining mode for the deposits when the coal seam is close to the bauxite layer． Based on the actual engineering geological conditions of the coal-aluminum symbiotic deposit，the mining scheme of cassis funnel ore for stratification inducement synergetic mining of the coal-aluminum symbiotic gently inclined thin deposit is proposed，besides that，the stope structure，recovery process，stope ventilation and synergetic mining se- quence are designed． Taking the designed scheme as the carrier，further analysis of the four mining modes is carried out， Series No． 527 May 2020 101 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 which show that the stratification inducement synergetic mining scheme not only has the best economic benefit，but also can ensure the safety of personnel and equipment in the mining process． KeywordsSynergetic mining，Coal-aluminum symbiotic，Stratification induced，Gently inclined thin deposit，Mining 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 102 ChaoXing 2020年第5期王春等 煤铝共生缓倾斜薄矿床分层诱导协同开采方案研究 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。 103 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 （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 104 ChaoXing 2020年第5期王春等 煤铝共生缓倾斜薄矿床分层诱导协同开采方案研究 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 105 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 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 Y k1 M1d1- a1- b1 k2 M2d2- a2- b2. 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。 4煤铝共生矿床协同开采安全问题探讨 煤铝共生矿床涉及煤、 铝土两种矿产资源， 当采 用煤铝共生矿床分层诱导协同开采方案进行煤铝协 同开采时， 煤层、 顶底板围岩中的瓦斯、 水等可能造 成安全事故， 需高度重视瓦斯、 水、 顶板围岩三方面 的安全问题。本研究在进行煤铝共生矿床分层诱导 协同开采方案设计时在安全方面主要进行了如下考 虑 （1） 瓦斯。设计的煤铝共生分层诱导协同开采 方案的凿岩巷道沿铝土矿层顶板掘进， 在开采铝土 矿之前， 将其作为瓦斯抽采巷道。当诱导崩落煤层 后， 采用局扇压抽混合方式加强采场通风， 及时排出 采场内二次溢出的瓦斯， 有效避免发生瓦斯、 煤尘爆 炸等事故。 （2） 水。本研究设计的煤铝共生矿床分层诱导 协同开采方案的中段运输平巷高差一般为10～20 m， 水平间距一般为40～50 m， 其与电耙道、 凿岩巷道交 错形成了网状排水系统， 当配备符合生产要求的排 水设备， 再结合该煤铝共生矿床涌水量较小的特点， 可及时排出生产时矿井涌水， 避免发生突水淹井事 故。 （3） 顶板围岩控制。方案中钻凿钻孔、 抽采瓦斯 等作业位置都在凿岩巷道内， 避免了直接暴露于矿 体顶板下作业， 有效提高了作业安全性。但13煤层 和铝土矿层之间的夹岩层厚度较小， 巷道围岩支护 需加强， 可通过加密加长锚杆、 锚索等方式提高巷道 顶板及两帮围岩的稳定性。 5结论 结合某矿煤铝共生矿床的地质条件， 针对煤铝 共生矿床开采的难题， 从开采模式、 开采方案、 经济 效益、 安全等方面展开了研究， 得出如下结论 （1） 基于煤铝共生矿床的地质特征， 分析得出协 同开采煤铝矿产资源面临的主要难题是煤层内赋存 的瓦斯处理、 开采工艺协调结合以及煤岩层稳定性 控制。 （2） 提出了煤铝共生矿床协同开采的4种模式， 即先煤后铝土、 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模式。经过对比分析， 认 为煤铝矿床分层诱导协同开采模式最适合于倾角 小、 产状相似且煤层和铝土层之间所夹岩层厚度小 的矿床开采。 （3） 分析了某矿煤铝共生矿床的开采条件， 提出 采用煤铝共生矿床分层诱导协同开采底盘漏斗出矿 的采矿方法开采该矿煤铝共生矿体， 经济效益、 安全 性等方面的对比分析论证了该方法的科学性和有效 性。 106 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ 参 考 文 献 葛世荣， 刘洪涛， 刘金龙， 等．我国煤矿生产能耗现状分析及节 能思路 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2018， 47 （1） 9-14． Ge Shirong， Liu Hongtao， Liu Jinlong， et al． Energy consumption analysis and energy saving strategies for coal mine production in China ［J］ ．Journal of China University of Mining and Technology， 2018， 47 （1） 9-14． 中国工程院项目组．中国能源中长期 （20302050） 发展战略研 究 ［M］ ．北京 科学出版社， 2011 2-10． Project Team of Chinese Academy of Engineering．Energy Develop- ment Strategy of China in Middle and Long-term（2030-2050） ［M］ ． BeijingScience Press， 20112-10． 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