羅淦華　吳愛祥

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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·采礦工程·

鋁土礦地下開采方法及開采難點(diǎn)*

羅淦華1,2吳愛祥1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)鋁土礦地下開采方法尚不成熟、采礦安全與效率無(wú)法兼顧的難點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外鋁土礦地下開采經(jīng)驗(yàn)，并分析了導(dǎo)致鋁土礦地下開采困難的原因與對(duì)策，為確保鋁土礦地下安全高效開采提供理論依據(jù)。

鋁土礦地下開采采礦方法

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)鋁土礦資源的需求越來(lái)越大。盡管近年來(lái)我國(guó)鋁土礦產(chǎn)量逐年遞增，但依然無(wú)法滿足鋁土礦下游產(chǎn)品的生產(chǎn)原料需求。以中國(guó)鋁業(yè)為例，2011—2013年，中國(guó)鋁業(yè)自產(chǎn)礦量占所需礦石比例僅為48.84%、50.84%、51.30%，仍需大量外購(gòu)和進(jìn)口鋁土礦，然而受印尼鋁土礦出口限制等因素影響，中國(guó)鋁業(yè)鋁土礦資源戰(zhàn)略安全難以保障，致使氧化鋁生產(chǎn)利潤(rùn)空間受到了嚴(yán)重?cái)D壓。與此同時(shí)，淺部資源逐漸枯竭，鋁土礦適合露天開采的儲(chǔ)量逐漸減少且無(wú)法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。至今為止我國(guó)鋁土礦地下開采礦山的規(guī)模仍較小[1-5]，基本為15萬(wàn)t/a以下的中小型地下礦山，主要分布于山東、貴州、重慶等地，除此之外，在其他地區(qū)僅有零星開采，如豫西的賈家洼、段村雷溝鋁土礦[6-10]；同時(shí)，河南、貴州、山西、重慶等地有多個(gè)在建的地下鋁土礦山，可見我國(guó)地下鋁土礦山產(chǎn)能必將與日俱增。近年來(lái),有關(guān)鋁土礦地下開采方法的相關(guān)成果較少，深部地下資源開采經(jīng)驗(yàn)欠缺，相當(dāng)一部分深部開采設(shè)計(jì)不完善，導(dǎo)致在生產(chǎn)中時(shí)常發(fā)生巷道垮塌，片幫等事故。就全國(guó)整個(gè)鋁土礦山系統(tǒng)而言，地下開采仍處于探索階段。故本研究就適宜于鋁土礦地下開采的壁式崩落法、房柱法、長(zhǎng)臂單層崩落法進(jìn)行分析，為促進(jìn)鋁土礦深部安全高效開采提供參考。

1　鋁土礦地下開采方法

1.1壁式崩落法

鋁土礦地下壁式崩落法開采的工程布置如圖1所示。該方法主要依靠自然冒落或爆破的方式崩落礦石。裝礦方法根據(jù)礦體傾斜度采用電耙、扒渣機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)等裝礦；支護(hù)可采用常規(guī)木、鋼、水壓或液壓支柱支護(hù)也可采用“井”字型混凝土預(yù)制塊護(hù)巷；出礦采用傳統(tǒng)的礦車或汽車運(yùn)輸。該方法具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、通風(fēng)條件好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是坑木消耗多，支護(hù)頂板管理復(fù)雜，適用于圍巖易崩落、厚度不大、地表允許塌陷的緩傾斜礦體[11-17]。

圖1　壁式崩落法工程布置

1.2房柱法

采用房柱法進(jìn)行鋁土礦地下開采的工程布置如圖2所示。該方法礦房長(zhǎng)80～150 m，寬40～60 m，多采用爆破落礦的方式進(jìn)行崩礦，不支護(hù)或采用錨桿支護(hù)，當(dāng)頂板穩(wěn)定性差時(shí)應(yīng)預(yù)留0.5～1 m的頂柱，裝礦與運(yùn)礦方式與崩落法基本一致，適用于礦巖穩(wěn)固的水平或緩傾斜礦體[18-19]。

圖2　房柱法開采工程布置

1.3長(zhǎng)壁松動(dòng)爆破綜合機(jī)械化開采方法

長(zhǎng)壁松動(dòng)爆破綜合機(jī)械化開采方法是近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者探索采用煤礦開采工藝開采鋁土礦方法所提出的大規(guī)模開采方法，按所使用液壓支柱的數(shù)量與方式的不同可分為單體液壓支護(hù)頂板與液壓支柱支護(hù)頂板兩類。其中，單體液壓支柱支護(hù)頂板開采方法的工程布置如圖3所示。

該方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)傳統(tǒng)爆破落礦方式效率低，爆破效果差的情況，提出了加強(qiáng)松動(dòng)爆破的方法，其實(shí)施方法如圖4所示。

該方法礦房尺寸長(zhǎng)度方向可達(dá)1 000 m，寬度方向可延伸120 m，視礦體規(guī)模進(jìn)行變化。采用走向長(zhǎng)壁布置，也可根據(jù)礦井開拓布置調(diào)整傾向長(zhǎng)壁布置，但傾角一般不大于16°。模仿煤礦開采布置方式根據(jù)礦體有害氣體賦存狀況采用一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)，或兩進(jìn)一回“W”型等布置方式。新鮮風(fēng)流與人員從順槽由輔運(yùn)巷道進(jìn)入工作面，由膠帶運(yùn)輸機(jī)巷反風(fēng)。作業(yè)采用連續(xù)回采的方式進(jìn)行，爆破落礦，扒渣機(jī)或刮板機(jī)裝礦，膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)V石，采用單體液壓支柱支護(hù)，自然冒落或用崩落法處理采礦區(qū)。盡管該方法采用連續(xù)作業(yè)方式極大提高了生產(chǎn)能力與效率，但由于該方法的應(yīng)用尚處于初始階段，且不同地下鋁土礦的賦存與巖體質(zhì)量不同，故存在如裝運(yùn)，支護(hù)設(shè)備投資高等問(wèn)題。

圖3　單體液壓支架支護(hù)頂板開采方法工程布置

圖4　加強(qiáng)松動(dòng)爆破方法

2　鋁土礦地下開采難點(diǎn)

(1)礦體產(chǎn)狀。礦體連續(xù)性、完整性較弱，礦體底板起伏多變，凹凸不平。采用傳統(tǒng)采礦方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，礦石貧化率損失率高，低采出率，回收率僅為30%～50%，難以達(dá)到《鋁土礦采礦權(quán)準(zhǔn)入條件》標(biāo)準(zhǔn)，也難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；夭桑c世界其他國(guó)家相比仍存在較大差距。當(dāng)?shù)V體產(chǎn)狀較陡(大于30°)時(shí)電耙出礦不安全，而開采薄礦體時(shí)鏟運(yùn)機(jī)又難以使用，導(dǎo)致采礦效率低。

(2)支護(hù)工藝與花費(fèi)。由于鋁土礦多為沉積型礦床，直接頂板多為鋁土質(zhì)黏土巖、黏土頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖或煤線，松軟且極不穩(wěn)固，一旦暴露出自由面，易較快風(fēng)化碎解，間接頂板為砂巖或灰?guī)r；直接底板一般為黏土巖、鐵質(zhì)黏土巖，且鐵質(zhì)黏土巖與鋁土礦層分界明顯，間接底板為白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r或角礫狀灰?guī)r等。礦層頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度較低，穩(wěn)固性較差，屬于軟弱—半堅(jiān)硬巖層，多為軟弱性巖體，遇水易泥化黏結(jié)，結(jié)拱，且地壓管理困難，放礦困難。

(3)礦巖性質(zhì)。礦巖性質(zhì)變化大，部分礦體硬度大，不便于機(jī)械切割，炮采工藝復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，采礦成本高，部分礦體松軟破碎，不易支護(hù)，支護(hù)率高達(dá)100%，且巷道返修率高。

3　討　論

目前，鋁土礦地下開采尚處于探索階段，由于鋁土礦價(jià)值低，性質(zhì)偏軟，其賦存條件相對(duì)煤礦較簡(jiǎn)單，故可適當(dāng)借鑒工藝成熟的煤礦開采工藝進(jìn)行開采，同時(shí)應(yīng)積極借鑒希臘、法國(guó)、匈牙利、北烏拉爾鋁土礦地下礦山開采的成功經(jīng)驗(yàn)(積極試驗(yàn)與采用現(xiàn)代化的采礦設(shè)備，實(shí)行機(jī)械化作業(yè)，在保證鋁土礦開采利潤(rùn)率的同時(shí)，提高了生產(chǎn)率和安全性，并且改善了勞動(dòng)作業(yè)條件，機(jī)械裝置的應(yīng)用使工人無(wú)需接近工作面危險(xiǎn)區(qū)域，并且加快了作業(yè)進(jìn)度，縮短了礦石回收時(shí)間)。我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)的鋁土礦床類型在地理上具有明顯的分帶性，不同地域鋁土礦賦存地層、含礦巖系、礦層厚度以及礦層頂?shù)装宓刭|(zhì)條件具有較大的差異性，采用立足于不同開采技術(shù)條件和資源特點(diǎn)的新技術(shù)是確保我國(guó)鋁土礦地下安全高效開采的必由之路。

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Underground Aluminum Deposit Mining Methods and Mining Difficulties

Luo Ganhua1,2Wu Aixiang1,2

(1.School of Civil & Environment Engineering, University of Science & Technology Beijing;2．Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education))

In view of the immature underground mining methods of aluminum ore deposit and the difficulty of safe mining and high efficiency, the mining experience of aluminum deposit underground mining methods in domestic and abroad are summarized,the reasons that resulting in the difficulty of underground mining of aluminum deposit are analyzed,the corresponding countermeasures are proposed to provide reference for the guarantee of the safe and high-efficient underground mining of aluminum deposit.

Aluminum deposit,Underground mining,Mining method

2016-03-28)

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51374034)。

羅淦華(1992—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。