鋁土礦地下開采方法及開采難點*

羅淦華　吳愛祥

(1.北京科技大學土木與環境工程學院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室)

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·采礦工程·

鋁土礦地下開采方法及開采難點*

羅淦華1,2吳愛祥1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室)

針對鋁土礦地下開采方法尚不成熟、采礦安全與效率無法兼顧的難點，總結了國內外鋁土礦地下開采經驗，并分析了導致鋁土礦地下開采困難的原因與對策，為確保鋁土礦地下安全高效開采提供理論依據。

鋁土礦地下開采采礦方法

隨著我國經濟的高速發展，各行各業對鋁土礦資源的需求越來越大。盡管近年來我國鋁土礦產量逐年遞增，但依然無法滿足鋁土礦下游產品的生產原料需求。以中國鋁業為例，2011—2013年，中國鋁業自產礦量占所需礦石比例僅為48.84%、50.84%、51.30%，仍需大量外購和進口鋁土礦，然而受印尼鋁土礦出口限制等因素影響，中國鋁業鋁土礦資源戰略安全難以保障，致使氧化鋁生產利潤空間受到了嚴重擠壓。與此同時，淺部資源逐漸枯竭，鋁土礦適合露天開采的儲量逐漸減少且無法滿足大規模生產的需要。至今為止我國鋁土礦地下開采礦山的規模仍較小[1-5]，基本為15萬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，在其他地區僅有零星開采，如豫西的賈家洼、段村雷溝鋁土礦[6-10]；同時，河南、貴州、山西、重慶等地有多個在建的地下鋁土礦山，可見我國地下鋁土礦山產能必將與日俱增。近年來,有關鋁土礦地下開采方法的相關成果較少，深部地下資源開采經驗欠缺，相當一部分深部開采設計不完善，導致在生產中時常發生巷道垮塌，片幫等事故。就全國整個鋁土礦山系統而言，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、長臂單層崩落法進行分析，為促進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。裝礦方法根據礦體傾斜度采用電耙、扒渣機、鏟運機等裝礦；支護可采用常規木、鋼、水壓或液壓支柱支護也可采用“井”字型混凝土預制塊護巷；出礦采用傳統的礦車或汽車運輸。該方法具有系統簡單、通風條件好等優點，缺點是坑木消耗多，支護頂板管理復雜，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

采用房柱法進行鋁土礦地下開采的工程布置如圖2所示。該方法礦房長80～150 m，寬40～60 m，多采用爆破落礦的方式進行崩礦，不支護或采用錨桿支護，當頂板穩定性差時應預留0.5～1 m的頂柱，裝礦與運礦方式與崩落法基本一致，適用于礦巖穩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長壁松動爆破綜合機械化開采方法

長壁松動爆破綜合機械化開采方法是近年來國內學者探索采用煤礦開采工藝開采鋁土礦方法所提出的大規模開采方法，按所使用液壓支柱的數量與方式的不同可分為單體液壓支護頂板與液壓支柱支護頂板兩類。其中，單體液壓支柱支護頂板開采方法的工程布置如圖3所示。

該方法的創新點在于針對傳統爆破落礦方式效率低，爆破效果差的情況，提出了加強松動爆破的方法，其實施方法如圖4所示。

該方法礦房尺寸長度方向可達1 000 m，寬度方向可延伸120 m，視礦體規模進行變化。采用走向長壁布置，也可根據礦井開拓布置調整傾向長壁布置，但傾角一般不大于16°。模仿煤礦開采布置方式根據礦體有害氣體賦存狀況采用一進一回“U”型通風，或兩進一回“W”型等布置方式。新鮮風流與人員從順槽由輔運巷道進入工作面，由膠帶運輸機巷反風。作業采用連續回采的方式進行，爆破落礦，扒渣機或刮板機裝礦，膠帶輸送機運輸礦石，采用單體液壓支柱支護，自然冒落或用崩落法處理采礦區。盡管該方法采用連續作業方式極大提高了生產能力與效率，但由于該方法的應用尚處于初始階段，且不同地下鋁土礦的賦存與巖體質量不同，故存在如裝運，支護設備投資高等問題。

圖3　單體液壓支架支護頂板開采方法工程布置

圖4　加強松動爆破方法

2　鋁土礦地下開采難點

(1)礦體產狀。礦體連續性、完整性較弱，礦體底板起伏多變，凹凸不平。采用傳統采礦方法勞動強度大，礦石貧化率損失率高，低采出率，回收率僅為30%～50%，難以達到《鋁土礦采礦權準入條件》標準，也難以實現大規模回采，與世界其他國家相比仍存在較大差距。當礦體產狀較陡(大于30°)時電耙出礦不安全，而開采薄礦體時鏟運機又難以使用，導致采礦效率低。

(2)支護工藝與花費。由于鋁土礦多為沉積型礦床，直接頂板多為鋁土質黏土巖、黏土頁巖、炭質頁巖或煤線，松軟且極不穩固，一旦暴露出自由面，易較快風化碎解，間接頂板為砂巖或灰巖；直接底板一般為黏土巖、鐵質黏土巖，且鐵質黏土巖與鋁土礦層分界明顯，間接底板為白云質灰巖、泥質灰巖或角礫狀灰巖等。礦層頂底板巖層強度較低，穩固性較差，屬于軟弱—半堅硬巖層，多為軟弱性巖體，遇水易泥化黏結，結拱，且地壓管理困難，放礦困難。

(3)礦巖性質。礦巖性質變化大，部分礦體硬度大，不便于機械切割，炮采工藝復雜，勞動強度大，勞動生產率低，采礦成本高，部分礦體松軟破碎，不易支護，支護率高達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，由于鋁土礦價值低，性質偏軟，其賦存條件相對煤礦較簡單，故可適當借鑒工藝成熟的煤礦開采工藝進行開采，同時應積極借鑒希臘、法國、匈牙利、北烏拉爾鋁土礦地下礦山開采的成功經驗(積極試驗與采用現代化的采礦設備，實行機械化作業，在保證鋁土礦開采利潤率的同時，提高了生產率和安全性，并且改善了勞動作業條件，機械裝置的應用使工人無需接近工作面危險區域，并且加快了作業進度，縮短了礦石回收時間)。我國乃至世界范圍內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底板地質條件具有較大的差異性，采用立足于不同開采技術條件和資源特點的新技術是確保我國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)

*國家自然科學基金項目(編號：51374034)。

羅淦華(1992—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。