苏家吉铝土矿综合开采初探

高福龙

(中国铝业公司山西华兴铝业有限公司)

苏家吉铝土矿综合开采初探

高福龙

(中国铝业公司山西华兴铝业有限公司)

根据苏家吉煤系铝土矿的赋存条件，确定了先采煤后采铝土矿的开采顺序，针对铝土矿采取地下空场法开采，给出了首采区段的确定方案，同时指出应根据矿体赋存特点和矿体厚度变化对不同区域铝土矿采取不同的回采工艺。

铝土矿 开采顺序 空场法

兴县氧化铝项目建设规模为100万t，目前氧化铝厂基本建成，与之配套的矿山黄辉头矿区,奥家湾Ⅱ#、Ⅰ#矿体正在建设,矿山总建设规模为132万t/a，满足不了100万t/a氧化铝的供矿需要(约需200万t/a铝土矿石)，苏家吉矿区的开采可提高氧化铝厂矿石的自给率[1]。

1 地质概况

苏家吉铝土矿矿区内出露地层由老至新为奥陶系中统上马家沟组、峰峰组,石炭系中统本溪组、上统太原组,二叠系下统山西组、下石盒子组、上石盒子组,上第三系上新统,第四系上更新统及全新统地层。矿区构造线方向与区域基本一致，总体为一走向南北、向西倾斜的单斜构造，倾角为5°～12°，一般为8°左右，矿体厚0.8～7.15 m，平均为2.63 m，变化系数为38.75%。区内未见断层，总体构造简单。矿区铝土矿与煤共生，共含煤12层，煤层累积厚约28.67 m，含煤系数为19.71%。

苏家吉铝土矿矿床成因类型属沉积-改造型矿床，工业类型属低硫中铁、一水硬铝石型铝土矿矿床。矿体主要赋存于石炭系中统本溪组一段中下部，本溪组一段为一套由山西式铁矿、铁质黏土岩、铝土矿及黏土岩等组成的铁铝质建造，赋存20余种矿产。含矿层厚度及岩石组合在不同地段基本一致，无明显分异现象，但剖面上具较明显的颜色分带现象。在含矿岩系中构成矿层顶板的多为黏土岩和硬质耐火黏土矿，个别为奥陶系泥灰岩、白云质灰岩。矿区内矿体剖面上呈层状、似层状产出，个别地段有独立的小矿体。矿体赋存形态受基底灰岩侵蚀面控制，对铝土矿体形态及厚度变化有一定影响。

矿石的矿物成分主要为一水硬铝石、高岭石，次要矿物有褐铁矿、赤铁矿、针铁矿等。据矿区852个铝土矿化学基本分析样统计，矿石品位：Al2O3为40.77%～77.71%，平均为60.62%，变化系数为13.67%；SiO2为0.46%～21.98%，平均为6.50%，成分在2%～10%的占71.98%，变化系数为62.26%；Fe2O3为0.90%～38.89%，平均为11.33%，变化系数为60.93%；A/S(铝硅比)为2.61～142.22，平均为9.33，成分在7～40的占65.99%，变化系数为146.34%。

2 开采方案确定

2.1 煤铝开采关系

矿区东部为杨家沟铝土矿区，无重叠区域；西部与斜沟煤矿重叠，重叠区面积为1.33 km2，约占整个铝土矿探矿权面积的40.8%；13#煤面积为2.59 km2，与斜沟重叠区面积占51.35%；8#煤面积为1.77 km2，与斜沟重叠区面积占75.14%。经过计算重叠区域铝土矿资源量为943.76万t，重叠区域标高为790～950 m，煤层赋存在铝土矿层之上，最近的13#煤层与铝土矿层距离约为44 m。煤层和铝土矿层的相对关系见图1。

图1 铝土矿层与煤矿层相对关系

为了确保煤铝资源的综合回收，减少资源浪费，在综合考虑到煤矿、铝土矿的赋存状态及各自矿种价值的情况下，确定正常开采顺序为先煤后铝。即在开采铝土矿时，要保证铝土矿开采影响范围内的煤矿必须全部回采完毕，并对余下的采空区进行处理。考虑到兴县氧化铝急需铝土矿石，设计先开采无煤层压覆的铝土矿层，同时与斜沟煤矿沟通，使其尽快开采铝土矿上部的煤层，以便释放被煤压覆的铝土矿资源。煤铝开采顺序见图2。

图2 矿区内煤铝开采顺序

2.2 矿床开采方式

苏家吉铝土矿矿体赋存于本溪组一段地层中，受底板古浸蚀面地形控制，矿体呈层状、似层状产出，矿体产状与围岩产状基本一致。区内铝土矿埋深在25～354.70 m，覆盖层厚度大，全区剥采比为60.9 m3/m3，只适应于地下开采。

首采区段的选择主要考虑安全、先易后难和投产快3个原则。同时，考虑到铝土矿赋存条件的限制，设计选择1 030，1 010 m中段作为首采区段。为了减小基建工程量，考虑到该部分矿体连续，矿山以970 m水平为界分2期建设，一期矿体总开采顺序为1 030,1 010,990,970 m，由上而下开采，中段均采取从两端后退回采。970～810 m标高的二期矿体可以根据后期煤矿开采顺序的需要，保持从上往下的开采顺序或者变更为从下往上的开采顺序。考虑到单中段矿石量不能满足3 a的开拓矿量要求，所以选择1 030,1010 m 2个中段作基建中段，其中1 030 m中段作首采中段，1 010 m中段为基建开拓中段，1 050 m中段为回风中段。

首采区段矿体形态均呈层状、似层状，厚度较稳定，0.8～10 m，平均为2.68 m，倾角为8°左右，为缓倾斜矿体；铝土矿直接顶板为黏土矿、黏土岩，在无水情况下，稳固性好，但遇水膨胀松软，稳固性差；矿体直接底板为铁质黏土岩，易风化，稳固性差。

目前，国内沉积型铝土矿开采方式主要有空场法和充填法。充填法又可分为湿式充填和干式充填，采用湿式充填时容易造成顶板黏土岩和页岩等软质岩石变软，影响顶板稳固性；采用干式充填，因矿体倾角很缓，充填料不能自流，充填工艺复杂，效率低，而且充填成本高[2-3]。尽管空场法会造成回采贫化率和损失率升高，但考虑到空场法在我国的广泛应用，综合认为比充填法更合理，故苏家吉铝土矿设计开采方法为空场法。

2.3 回采工艺的确定

根据矿体赋存特点和矿体厚度变化特征，决定采用锚杆护顶电耙、铲运机联合出矿房柱法和锚杆护顶铲运机出矿房柱法进行铝土矿开采。

(1)锚杆护顶电耙、铲运机联合出矿房柱法。沿盘区斜长方向中轴线，将盘区分为上下两部分，中间留3 m宽的条形矿柱，在其中布置电耙硐室。盘区间留间柱，上部间柱宽8 m，间柱中间为2 m宽人行联络道，下部间柱宽10 m，间柱中间为4 m宽人行及铲运机联络道。于上部采场间柱内布置2 m×2 m 人行进风天井。条形矿柱上部靠近间柱两侧布置2个集中溜井，溜井直径为2 m。顶底柱宽为3 m，底柱内每隔15～20 m留4 m宽联络出口，将下部采场电耙硐室布置在底柱内。沿采场底部矿柱上侧布置3 m宽水平切割巷，沿采场左侧布置切割上山。采场底柱两端布置铲运机硐室。矿房内留规则点柱，直径为3 m，横排间距为12～15 m，竖排间距为10～13 m。回采时先采上部矿房，从切割平巷与切割上山相交处开始。工作面沿倾向呈阶梯从采场一端往另一端推进，阶梯长8～12 m，阶梯间超前3～5 m。上部采场爆落矿石由电耙耙至切割平巷处，再由横向电耙耙至溜井，下部采场矿石由横向电耙耙至铲运机硐室，由铲运机沿盘区倒入溜井，采场出矿后先对不稳定顶板进行锚杆支护，再进行下一轮作业。新鲜风流从铲运机道和人行通风天井进入采场，冲洗工作面后，经矿块顶柱内出口或另一侧人行通风上山回至上中段铲运机道。

(2)锚杆护顶铲运机出矿房柱法。沿盘区斜长方向中轴线将盘区分为上下两部分，中间留3 m宽条形矿柱，于矿柱中布置3～5个宽铲运机联络口。盘区间留间柱，间柱宽10 m，中间为4 m宽铲运机联络道，在间柱内沿倾斜方向每10～15 m留铲运机联络出口，于上部采场间柱内布置人行进风天井。条形矿柱与间柱交接处两侧布置2个集中溜井。矿房内留规则点柱，直径为3 m，横排间距为12～15 m，竖排间距为8～10 m。盘区内从上往下分梯段回采，从通风联络上山处往两端推进。工作面沿倾向呈阶梯从采场中间往两端推进，分段宽度为房间点柱在横排方向上的间距，上一分段矿房开采进度超前下一房间8～10 m。铲运机沿中间上山或盘区间专用联道进入采场，铲装矿石经切割平巷、间柱联络出口进入联道，最终倒入溜井。采场出矿后先对不稳定顶板进行锚杆支护，再进行下一轮作业。新鲜风流从铲运机道经中间进风上山进入采场，冲洗工作面后，经矿块顶柱内出口或另一侧人行通风上山回至上中段铲运机道。

2.4 顶板维护及采空区处理

采场工作面顶板支护可采用保留矿柱法，即可采用规则或者不规则2种形式φ3 m的矿柱，同时采用单体柱进行支护强化，在满足顶板缓慢微量下沉的同时防止顶板局部冒落，以保证工作面安全回采作业。这就要求支柱除了具有一定强度的支撑作用外，还具有一定的可缩性。在进行采场顶板支护时需要对支护密度、支柱初撑力和支护刚度进行确定，支护密度的合理与否直接关系到单位面积顶板的支护强度和支护效果；支柱初撑力的主要作用是给予顶板一定程度的主动支撑力，初撑力值直接关乎着采场顶板下沉量的大小，资料显示，很多冒顶事故的发生均为初撑力不足引起，故保证支柱的合格初撑力是确保顶板保持稳定的重要途径；支护刚度是指采场内支柱尚未达到额定支撑载荷前顶板的移动量，故可以相应提高支柱支护刚度来降低顶板下沉量，确保顶板处于稳定状态。只有这样才能在降低生产成本的前提下满足支护要求。此外，还应掌握采场矿压显现规律，根据采场压力情况及时改善支护质量，最大程度保证采场的安全生产作业。另外，为了提高安全作业水平，除了采用保留矿柱外，还可以考虑在回采时矿体顶部预留一定厚的矿壁或锚杆护顶。

理论研究认为，随着矿石的采出，由原来矿体承担的围岩应力会由周围岩体或者岩柱承担。据此可知，随着铝矿石的不断采出，采空区不断加大，其上方和周围的围岩应力也越来越大，若应力超过承载极限时，便会导致采空区顶板、边帮冒落，矿柱破裂等现象发生，这样不仅会给采场的安全性带来隐患和增加开采贫化程度，同时还容易导致地表出现裂隙、沉陷等。因此，在连续矿柱作部分回收、点柱不回收的前提下利用掘进产生的废石对采空区进行部分填充，对围岩应力进行平衡，然后对采空区进行密闭处理，同时留有必要的通气口连通地表。

3 结 语

根据兴县苏家吉铝土矿矿区和矿体地质特征，确定了该煤系铝土矿先煤后铝的开采顺序。依据矿体赋存条件，确定铝土矿的开采方式为地下空场开采，并给出了首采区段的具体开采方案，对不同区域矿体分别采用锚杆护顶电耙、铲运机联合出矿房柱法和锚杆护顶铲运机出矿房柱法。铝土矿的开采是一个复杂而庞大的系统工程，除了确定开采方法、工艺，还需对通风、供电、设备选型、运输、投资预算和环境治理等多个方面进行研究和探讨。

[1] 王建华.山西省兴县苏家吉铝土矿矿床成因分析及找矿标志[J].科技与企业,2013(12)：166.

[2] 徐 江,崔栋梁,陈 琪.金属矿山采空区处理方法综述[J].黑龙江冶金,2007(4)：35-37.

[3] 刘旭娃.干式充填法在低品位矿体开采中的应用[J].中国钼业,2006,30(5)：18-21.

2014-04-18)

高福龙(1987—)，男，助理工程师，033600 山西省吕梁市。