煤与共伴生矿产协调、协同及共采分区错时协调开采方法

1.本发明涉及矿山开采技术领域，具体是一种煤与共伴生矿产协调、协同及共采的分区错时协调开采方法。


背景技术：

2.煤系即含煤岩系，是在一定地质历史时期内形成的，在成因上密切相关的，含有煤层或炭质岩层的沉积岩层序列。我国众多含煤岩系中除煤以外，还赋存有铝、镓、铀、煤层气等28种共伴生战略性矿产，其中战略性金属矿产(关键金属)多达22种。这些关键金属具备独特的材料性能，为我国新能源、新材料、高端制造、电子信息等新兴产业和航空航天、国防军工等重点领域的稳定发展提供宝贵的物质基础，是我国重要的战略性资源。随着高科技及新兴产业的迅速发展，未来全球对战略性金属矿产的需求将迅猛增长，而这些矿产在自然界的储量相对较少，有较高的供应风险。我国煤系共伴生矿产储量大、种类丰富，若能将煤与共伴生矿产以较高的采出率共同采出，既可保障煤炭资源的安全供应，又可保障战略性矿产资源的稳定供给，减少国家安全隐患，对保障我国资源安全具有重要意义。
3.目前，我国传统煤矿仅开采煤炭资源，对煤系共伴生矿产考虑较少。然而，煤与共伴生矿产在空间赋存上相互叠置，赋存状态与开采方法差异大，各矿产开采的岩层活动、流体迁移等影响彼此正常开采；若不统筹规划、协调开采，将会造成严重的资源浪费，并引发一系列的生态环境问题。近年来，国内部分矿区煤与共伴生矿产开采的矛盾日益突出。例如：山西吕梁煤炭开采与煤系铝土矿开采的矛盾，鄂尔多斯盆地、伊犁盆地煤炭开采与铀矿开采的矛盾。煤-铝和煤-铀均是典型煤系共伴生战略性金属矿产，其中煤系共伴生铝土矿资源多为上煤下铝赋存形式，下部铝土矿开采后，岩层移动引起铝土矿上部煤层破坏，导致煤层无法开采，造成巨大的资源损失。鄂尔多斯盆地、伊犁盆地等砂岩型铀矿多赋存于煤层之上，且多采用钻井溶浸开采，而煤炭先行开采破坏了其上覆地层结构和地下水系统，大量排水导致含矿含水层的水位大幅下降，破坏了铀矿地浸开采的基本水文地质条件，造成铀矿资源的浪费，同时，放射性物质也将会沿导水裂隙带进入煤矿采场，对煤矿工人和生态环境造成巨大的放射性污染，严重影响煤矿的安全生产。
4.由此可见，目前传统针对单一矿产的采矿方法难以协调多矿产间的开采关系，无法解决国内煤与共伴生矿产开采的矛盾。因此，亟需突破传统采矿规划理论的弊端，提出一种可有效解决煤与共伴生矿产开采矛盾的新方法，从而大大减少战略性资源浪费，减小因战略性矿产资源供应链中断而带来的国家安全与经济发展隐患，为保障我国战略性矿产资源的安全供应提供科技支撑。


技术实现要素：

5.针对传统单一矿产开采方法无法解决煤与共伴生矿产开采矛盾的弊端，本发明提出了一种煤与共伴生矿产协调、协同及共采的分区错时协调开采方法，以“分区错时”为核心理念，以“空间划开、时序错开、急需先上、综合利用、合理避让”为设计原则，通过统筹资
源开采布局、时序、规模和结构，协调各矿产间开采关系，然后进行分区错时开采，可有效解决煤与共伴生矿产开采的矛盾，大大减少资源浪费，实现煤与共伴生资源的协调开采。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种煤与共伴生矿产协调、协同及共采的分区错时协调开采方法，包括以下步骤：
8.s1、根据煤与共伴生矿产的赋存特征、分布范围，共生矿产种类及使用的采矿方法，从两个方面综合分析得到煤与共伴生矿产开采的矛盾点；
9.s2、针对煤与共伴生矿产开采的矛盾点，以空间划开、时序错开、急需先上、综合利用、合理避让为设计原则，将煤与共伴生矿产开采区进行合理分区，错时开采，对矿产进行空间分区时，应统筹资源开采布局、时序、规模和结构；
10.s3、综合以上分析，拟将煤与共伴生矿产资源空间划分为叠置区、保护区及正常开采区三部分；
11.s4、针对划分好的各区域矿产，通过矿产资源的战略需求属性、赋存特征、开采影响、经济价值确定各分区开采时序；
12.s5、根据步骤s3确定的合理分区及步骤s4确定的各分区开采时序，便可针对上下叠置分布的煤与共伴生矿产进行有序开发。
13.作为本发明进一步的方案：在s1步骤中，所述综合分析的两个方面为：
14.(3)与共伴生矿产各自分布区域的大小、赋存层位以及它们之间的相对空间关系；
15.(4)明确煤层开采所使用的采矿方法以及共生矿产所使用的采矿方法，分析两种采矿方法各自有哪些开采技术条件要求，两种采矿方法各自会带来哪些不利影响，进一步根据煤与共伴生矿产的分布区域及相对空间关系，分析哪些区域的矿产会受到另一种矿产开采后引发的不利影响，导致此区域内矿产的开采技术条件被破坏而无法正常开采，最终总结得到煤与共伴生矿产开采的矛盾点。
16.作为本发明进一步的方案：在s2步骤中，对矿产进行空间分区时，应统筹资源开采布局、时序、规模和结构；确定错时开采的资源开采时序时，应综合考虑资源的战略需求属性、赋存特征、开采影响、经济价值等条件；区域划分、时序确定是否合理的核心判断依据是本设计是否能够解决或避开煤与共伴生矿产开采的矛盾点，达到煤与共伴生矿产协调开采的目的。
17.作为本发明进一步的方案：在s3步骤中，所述叠置区即为煤层与共生矿产空间上下压覆的矿产赋存区域；所述保护区即为留设的不计划开采的区域，作为叠置区与正常开采区之间的隔离缓冲区，此区域可有效降低煤层与共生矿产开采对彼此的影响；正常开采区即为保护区以外区域，由于有保护区作为缓冲，此区域内可以正常进行开采活动。
18.作为本发明进一步的方案：所述保护区范围大小根据采矿工作面上覆岩层导水裂隙带侧向边界范围确定，保护区作为叠置区与正常开采区的中间缓冲区域，一侧受正常开采区的岩层活动影响，另一侧受叠置区的开采活动影响，所以，保护区范围需要大于正常开采区与叠置区两区域的影响范围之和，防止正常开采区与叠置区两区域的裂隙相互贯通，发生矿井水害及有毒有害气体迁移扩散。
19.作为本发明进一步的方案：设正常开采区的岩层移动角为δ，煤层与上部共伴生矿产赋存层位相距h，正常开采区的影响范围为w1，安全煤柱宽度为w2，叠置区的导水裂隙侧向发育范围为w3，则保护区范围w＝w1 w2 w3＝h/tanδ w2 w3.
20.作为本发明进一步的方案：所述安全煤柱宽度w2为5～10倍煤层采高，大量的现场工程实践表明，岩层移动角δ和导水裂隙侧向发育范围w3受到工程地质、采矿方法、开采参数的影响，需根据现场工程地质、开采条件，利用工程类比、现场实测、数值分析等手段综合确定。
21.作为本发明进一步的方案：步骤s4中的，所述矿产资源价值的考虑范围包括：矿产资源的战略属性、是否急需、经济价值，最终确定是优先开采上部矿产还是下部矿产。
22.作为本发明进一步的方案：步骤s4中的，所述保护区的矿产不进行开采，因为受两侧叠置区和正常开采区的长时间重复开采扰动影响，保护区内的矿产本身及其围岩结构裂隙较为发育，围岩结构稳定性下降，其原生赋存条件会发生改变，开采难度大，若对保护区内的矿产资源进行回收，需要针对安全、技术、经济等方面进行综合评估后方可进行。
23.作为本发明进一步的方案：将步骤s4中的通过矿产资源的战略需求属性、赋存特征、开采影响、经济价值确定各分区开采时序替换为，通过采矿模式确定各分区开采时序，在通过采矿模式确定各分区开采时序时，且需要重新划定开采区域。
24.作为本发明进一步的方案：所述采矿模式包括协调开采、协同开采、共采模式。
25.作为本发明进一步的方案：所述协调开采模式是根据“空间避开、互不影响”的原则，统筹资源开采布局、时序、规模和结构，将矿产赋存区划分为“煤炭开采区”、“共伴生矿产开采区”、“协调开采保护区”三部分区域；为避免开采活动不影响彼此正常开采，作为煤炭开采区与共伴生矿产开采区的缓冲区域，协调开采保护区内的矿产不进行开采，煤炭开采区与共伴生矿产开采区以协调开采保护区为界线各自向背离的方向同时进行开采。
26.作为本发明进一步的方案：所述协同开采模式根据“时序错开、利用岩层活动”的原则，划分“优先开采区”与“滞后开采区”，并确定合理的开采方法与开采布局进行开采，通过利用“优先开采区”矿产开采引起的岩层活动，促进“滞后开采区”矿产的开采，从可达到煤与共伴生矿产协同开采的效果。
27.作为本发明进一步的方案：所述“共采模式”针对同体共生矿产，可共用煤炭生产系统将煤与同体共生矿产一同采出。
28.作为本发明进一步的方案：所述“共采模式”针对异体共生矿产，需进行开拓延伸，将煤与异体共生矿产的两套生产系统连接起来，共用开拓井巷或运输系统等将矿产采出。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.(1)突破传统煤矿开采仅针对单一矿种，不考虑多矿种开采的时序与空间避让的弊端，以“分区错时”为核心理念，考虑资源、安全、环境等因素，提出煤与共伴生矿产“分区错时”协调开采原理，可有效解决煤与共伴生矿产开采的矛盾。
31.(2)传统煤矿开采仅针对单一矿种，未考虑多矿种开采岩层活动叠加影响，本发明以空间划开、时序错开、急需先上、综合利用、合理避让为设计原则，统筹资源开采布局、时序、规模和结构，制定了煤与共伴生矿产协调、协同、共采成套方法，可大大提高资源采出率，减少矿产资源浪费。
附图说明
32.图1是本发明实施例1提供的开采示意图。
33.图2是本发明实施例2提供的开采示意图。
34.图3是本发明实施例3提供的开采示意图。
35.图4是本发明实施例4提供的开采示意图。
36.图5是本发明实施例5提供的开采示意图。
37.附图标记注释：1-铀矿体、2-含矿含水层、3-煤层、4-下隔水层、5-上隔水层、6-水位沉降漏斗、7-正常开采区、8-保护区、9-叠置区、10-铀矿开采区、11-注液井、12-抽液井、13-监测井、14-放射性污染物、15-铝土矿、16-煤层开采区、17-铝土矿开采区、18-协调开采保护区、19-煤层开采方向、20-铝土矿开采方向、21-铝土矿协同开采区、22-煤层卸压区、23-高岭岩、24-采煤机、25-液压支架、26-前刮板输送机、27-放岩口、28-高岭岩破碎区、29-后刮板输送机、30-压实稳定区、31-逐渐压实区、32-共采煤层开采方向、33-共采铝土矿开采方向。
具体实施方式
38.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
39.实施例1
40.如图1所示，以某砂岩型铀矿为例，铀矿体与煤层在空间上为上下叠置分布，煤层位于铀矿含矿含水层下部约50m，下部煤层开采与上部铀矿开采矛盾突出，处理不当会造成严重的战略性矿产资源浪费与放射性污染问题。因此，需要对煤与共生砂岩型铀矿进行“分区错时”开采，操作步骤如下：
41.(1)对煤与共生砂岩型铀矿的赋存特征、分布范围及采矿方法等进行综合分析，找到煤与铀矿开采的矛盾冲突点。铀矿体1赋存于含矿含水层2中，下隔水层4和上隔水层5为铀矿形成及开采提供了良好的地质条件，同时，铀矿体1下部50m左右赋存有煤层3。目前，砂岩型铀矿大多数均采用溶浸式开采，通过注液孔11注入地浸液与铀矿体1充分反应后经抽液孔12抽出，实现地浸采铀，此方法要求含矿含水层2中必须有足够高的水位以满足溶浸开采的技术需要。下部煤层3采用长壁式开采，一次采全高，全部垮落法处理采空区。通过对铀矿与煤层两种采矿方法的进一步分析，可知铀矿可以进行溶浸开采的前提条件是铀矿含矿含水层2内需要具有一定的承压水位，下隔水层4与上隔水层5保证了含矿含水层2可维持在正常的可采水位，下隔水层4与上隔水层5的稳定性是保证铀矿正常进行溶浸开采的基础。然而下部煤层3开采导致上覆岩层移动，会破坏铀矿含矿含水层下部隔水层4的稳定性，导致含矿含水层水位持续下降进而导致铀矿无法开采。同时若先对上部铀矿体1进行溶浸开采，后开采煤层时，没有提前规划而盲目开采会导致采后上覆岩层裂隙贯通铀矿含矿含水层，使得铀矿开采区10内的放射性污染物14沿裂隙带进入煤矿采场造成放射性污染，严重危害煤矿开采区的工人身体健康。因此，通过以上全面分析，可知煤与共生砂岩型铀矿开采的矛盾冲突点有两个：
①
下部煤层3开采会导致下隔水层4破坏，含矿含水层2内水位过低导致铀矿体1无法进行溶浸开采；
②
上部铀矿体1进行溶浸开采后产生的放射性污染物14会沿着煤层3开采产生的上覆岩层裂隙进入煤矿采场，造成严重的放射性污染。
42.(2)针对步骤(1)中分析得出的煤与共生砂岩型铀矿开采的矛盾冲突点，统筹资源开采布局、时序、规模和结构，遵循“空间划开、时序错开、急需先上、综合利用、合理避让”的设计原则，由于煤层3比铀矿体1的空间赋存范围更广，所以将下部煤层赋存区划分为叠置区9、保护区8及正常开采区7三部分。保护区8留设范围w＝w1 w2 w3＝h/tanδ w2 w3，保证正
常开采区7内形成的水位沉降漏斗6边界位于铀矿开采区10以外，使铀矿开采区10内的地下水排泄量小于补给量，含矿含水层内水位维持在铀矿可采区间。
43.(3)综合考虑资源的战略需求属性、赋存特征、开采影响、经济价值等条件，确定各区域的开采时序。由于正常开采区内的煤层上覆岩层内没有铀矿体且与铀矿体1之间有一定范围的保护区8作为缓冲，对铀矿体影响较小，可采度与安全性较高，因此正常开采区7的煤层开采优先级最高。
44.(4)由于保护区8作为正常开采区7与叠置区9之间的隔离缓冲区，所以保护区8的开采优先级最低，并且保护区内煤层开采难度较大，留设煤层范围与正常开采区的煤层范围相比极小，因此不再对保护区8内的煤层3进行回收。
45.(5)叠置区9内赋存有煤层3与铀矿1两种资源，因综合考虑到正常开采区7内有大范围煤层可正常开采而铀矿体均赋存于叠置区内，且铀矿有较高的战略属性，因此叠置区的铀矿开采优先级高于叠置区的煤层，在铀矿开采区10内铀矿开采完毕后，可再对叠置区内煤层进行开采，但需采用充填开采等方法将煤层上覆岩层裂隙带范围控制在铀矿下隔水层4以下，不能使裂隙贯通至铀矿含矿含水层2，否则会对下部煤矿造成严重的放射性污染。
46.(6)通过将煤与共生砂岩型铀矿进行合理分区，并按照正常开采区7煤层
→
铀矿开采区10
→
叠置区9煤层的先后顺序进行分区错时协调开采，最终解决了煤与共生砂岩型铀矿的开采矛盾，可将煤与铀矿以最大采出率进行资源回收。
47.实施例2
48.参见图2，某矿区煤下铝分布广泛，煤层下部30m左右发育有铝土矿，缓倾斜，厚约3m。煤炭生产企业与铝土矿生产企业均亟需进行矿产开采，开采的先后时序难以协调，同时由于煤与铝土矿上下叠置分布，下部铝土矿开采可能将引发上覆岩层活动破坏煤层，导致煤层发生台阶错动，无法正常开采，因此以“空间避开、互不影响”为原则，选择协调开采模式对煤与铝土矿进行合理分区开采。首先将煤与铝土矿叠置赋存区划分为煤层开采区16、铝土矿开采区17与协调开采保护区18三部分区域。然后进行煤层开采，以划分的煤层开采区16与协调开采保护区18交界为始采线，布置开切眼，煤层开采方向19为背离协调开采保护区18的方向。煤层开采同时进行铝土矿开采，以划分的铝土矿开采区17与协调开采保护区18交界为开采初始位置，选用房柱式开采方法进行开采，铝土矿开采方向20与煤层开采方向19相反。
49.实施例3
50.参见图3，某矿区煤与铝土矿上下叠置分布，上部煤层被鉴定为突出煤层，煤层下部50m处为铝土矿，厚约3m。由于上部煤层有发生煤与瓦斯突出的风险，且当地矿山企业有其他储备区资源可采，此叠置区资源并非亟需开采，可以“时序错开、利用岩层活动”为原则，选择协同开发模式对煤与铝土矿进行错时开采。首先确定开采时序，先开采下部铝土矿，后开采上部煤层。下部铝土矿采用房柱式开采，采厚3m，铝土矿采出后不会破坏上部煤层的完整性，确保煤层正常开采不受影响。铝土矿协同开采区21内的铝土矿采出后会对上部煤层卸压，煤层对应区域变为卸压区22，煤层产生了大量层内裂隙，透气性大大提高，煤层内部的瓦斯压力被释放，可有效防止瓦斯突出事故的发生，提高后续煤层开采的安全性。
51.实施例4
52.参见图4，某矿区煤层直接顶为高岭岩，强度较低，随采随垮。高岭岩是一种非金属
矿产，主要用于造纸、陶瓷和耐火材料。上部高岭岩23与煤层属于同体共生矿产，可共用煤炭生产系统进行开采。具体实施步骤如下：
53.(1)煤与高岭岩共采工作面启动采煤机24，沿长壁工作面割煤。
54.(2)采煤机24割煤通过后，前移液压支架25并迅速打开护帮板。
55.(3)移架完毕后立即推移前刮板输送机26，同时保证前刮板输送机26与煤壁保持平行。
56.(4)开启液压支架上的放岩口27，破碎区28的高岭岩通过放岩口27进入后刮板输送机29。
57.(5)高岭岩放完后关闭放岩口27，依次拉移后刮板输送机29。
58.(6)重复步骤(2)～(5)，直至回采结束。
59.(7)煤炭依靠前刮板输送机26进行运输，高岭岩依靠后刮板输送机29进行运输，最终通过提升系统分别运输至地面。
60.实施例5
61.参见图5，某矿区煤层下部50m处赋存有铝土矿层，铝土矿与煤炭赋存在同一矿区的不同层位，属于异体共生矿产，且当地矿山企业同时具有煤炭与铝土矿的采矿许可证，因此可选择通过开拓延伸进行煤与异体共生铝土矿的共采。根据煤层与铝土矿的赋存位置，确定开采时序，先开采上部煤层，后开采下部铝土矿。煤层采后采空区可分为压实稳定区27和逐渐压实区28，根据现场观测，煤层采后岩层移动至稳定需要约6个月，因此铝土矿开采需滞后煤层开采6个月以上，共采铝土矿开采方向30与共采煤层开采方向29一致。煤矿采用平硐开拓，可将原有井巷延伸至铝土矿水平，利用无轨胶轮车将铝土矿运输至地面。
62.工作原理：本发明突破传统煤矿开采仅针对单一矿种，不考虑多矿种开采的时序与空间避让的弊端，以“分区错时”为核心理念，考虑资源、安全、环境等因素，提出煤与共伴生矿产“分区错时”协调开采原理；传统煤矿开采仅针对单一矿种，未考虑多矿种开采岩层活动叠加影响，本发明以空间划开、时序错开、急需先上、综合利用、合理避让为设计原则，统筹资源开采布局、时序、规模和结构，提出了煤与共伴生矿产协调、协同、共采成套方法。