煤型铀矿床煤铀协同开采理论模型

曾 晟 叶文浩 徐华清

（1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳421001；2.湖南省核工业地质局三0六大队地质环境调查院，湖南衡阳421008）

19世纪70年代中期美国丹佛附近最早发现了含铀煤层且铀品位高达2%，而后在美国其他地区接连发现了富铀煤矿床［1］。紧接着含铀煤矿床在英国、德国、匈牙利、巴西、前苏联和中国也被相继发现，国内外对含铀煤矿床主要从煤铀分离技术、采冶技术、开采方案设计以及铀元素冶炼提取等方面开展了研究。对于煤铀分离技术的研究，美国巴特耳研究所最早于20 世纪60年代从褐煤中提炼出铀，而且开展了相关研究，引起了世界各国学者的广泛关注［2］。此后，前苏联和西欧的某些国家相继开始对煤型铀矿的采冶技术开展相关研究。我国学者通过研究，对于煤型铀矿床开采，倾向于按照煤矿开采模式进行开采方案设计［3］。在对铀元素冶炼提取上，在国外一般是将已开采出的煤型铀矿石直接提取或者采用浸出法提取，我国倾向于采用浸出法提取。浸出法是将已开采出的煤型铀矿石粉碎后从其燃烧所产生的粉煤灰中分离铀，通常采用硫酸作为浸出剂，在浸出液中加入离子交换树脂吸附铀来提高铀金属的回收效果［4］。20世纪60年代初，我国铀矿地质系统对煤中铀开展了普查和专项研究，并在寒武纪地层（石煤）、西北侏罗纪煤田、云南古近纪和新近纪煤田研究试验上取得了突破性进展［5］。在历经室内试验、现场试验及局部试生产后，成功开采了几个小型的煤型铀矿床，并且在开采技术研究方面取得了一些成果。

煤型铀矿作为一种特殊的煤炭和铀矿资源，实现该类资源的高效开采，对于防止煤炭资源过度开采和缓解天然铀供需矛盾均具有现实意义。在对煤型铀矿资源进行开发时，既要高效开采煤炭资源，又要安全环保地提取铀资源，如此则需要在加强煤型铀矿床高效回采技术研发的同时，开展该类型矿床开采安全隐患因素的研究，确保两种资源高效、安全及绿色开采。近年来，“协同开采”理念在地下金属矿床开采领域得到了有效传播，受到业内广泛关注，在理论研究和技术研发方面取得了一定的进展［6-8］。现阶段，该领域的研究主要集中在开采矿床的同时处理拟开采矿床的隐患因素［9］、因开采行为而产生的隐患因素［10-11］以及在资源开采的同时实现其他工程目的［12-13］等方面。如邱华富等［14］将采空区治理与地下空间利用相结合，基于“协同开采”理念构建了采矿—充填—建库协同系统结构体系，不仅解决了空区治理问题，还实现了国家石油和天然气等能源储存的工程目的；陈庆发等［15］通过进行人工矿柱的力学参数和几何参数优化，构建了人工矿柱协同作用力学模型，该模型在一定程度上可以根据工况调控顶板的稳定性和采空区局部地应力环境。于世波等［16］针对甲玛铜多金属矿协同开采问题，采用相似模型试验与数值模拟相结合的方法分析了地下充填开采对露天边坡稳定性的影响规律，认为大规模地下充填开采对边坡稳定性产生的影响很微弱。本研究针对煤型铀矿床特征，借鉴“空区协同利用”理念和金属矿床协同开采研究方法，并结合煤矿和铀矿的采矿方法，提出了煤型铀矿床协同开采的理论模型。

1 煤型铀矿特征

1.1 煤型铀矿床地质特征

煤共生或伴生铀矿是新型的铀矿资源，该类资源具有“小、贫、散”的特点，工程地质条件非常复杂，开采、选矿和冶炼的难度较大［17］。煤型铀矿是煤共生或伴生铀矿的一种，当铀矿物赋存于煤体中自上而下厚约1 m 的煤层内（包括含铀层和煤层在内的整个矿体厚度约10 m），矿体上部为遇水易膨胀、易垮塌的砂岩层时，则称这1 m 厚的含铀煤层为煤型铀矿床［18］。简而言之，煤型铀矿床是铀矿物赋存于煤层内的小型铀矿床。

我国富铀煤矿主要分布在北方的侏罗系和南方的古—新近系中，煤系地层厚度大且分布广，多数煤系地层中不仅赋存大量的煤炭资源，还共（伴）生有一定品位的铀矿资源，并且共（伴）生的铀矿资源储量大，具有较高的工业开采价值［19］。根据已勘察和已开采的煤型铀矿床地质资料［20］，我国大部分铀矿体赋存于沉积砂岩中，砂岩顶板多泥质胶结且渗透性很强。这些砂岩顶板含水率很高，极易发生片帮、冒顶，在该类工程地质条件下不利于巷道掘进。在煤型铀矿成矿过程中，大部分煤型铀矿的成因是先生煤层的沉积和后生铀矿物的富集，该类型成矿模式导致了整个煤层无法连续不间断成矿。另外，在该模式作用下，煤层顶板首先受到含铀矿混合物渗透或淋积，造成了与煤层顶板相接触的砂岩底板易形成品位更高的铀矿体，煤层下方的铀矿品位却逐渐降低到尖灭。最终矿层与矿层之间存在多条无矿地带，形成了矿体在走向和倾向上呈现不连续的特征，造成了矿体形状十分复杂、分支和复合毫无规律的现象［21］。

1.2 煤型铀矿赋存状态

在煤型铀矿中，少量的铀以铀矿物的赋存状态存在，往往在煤中呈现出斑点状、细脉状、薄片状及薄膜状的特征［22］，如铀黑、沥青铀矿、钒钙铀矿和板菱铀矿等。这是因为煤对铀有着还原与吸附的作用，可以固定向煤中聚集的铀。

在煤型铀矿中，大量的铀以吸附与分散状态存在，如我国西北侏罗纪煤田和云南古—新近系煤田褐煤中的铀与美国达科他和怀俄明褐煤中的铀90%以上都是以吸附和分散状态存在［5］。吸附与分散状态的铀主要是以铀的铀酰腐植酸盐、有机铬合物或被煤吸附的形式存在于煤的有机质中，其次是以无机赋存形式呈吸附状态存在于与煤中有机质紧密共生的微细无机矿物颗粒上［23］。近年来，部分学者对于煤矿物有机质中存在铀矿物开展了相关研究，卜贻孙等［24］通过对低煤级煤矿物中腐殖酸的研究发现，煤炭有机质腐殖酸中吸附了大量的铀元素；杨建业等［25］通过对伊犁盆地铀元素的赋存状态进行研究，发现铀元素主要赋存于褐煤有机质中，并且有一部分的铀元素以物理吸附的方式赋存于有机质中；席维实［26］对褐煤与长焰煤中所含腐殖酸的研究发现：其腐殖酸中的羧基、羟基和醌基吸附铀离子从而形成铀的有机物络合物，证明了褐煤与长焰煤中存在络合物形式的铀。另外，向伟东等［27］的研究成果进一步证明了煤中腐殖酸主要是通过吸附、络合及还原作用结合铀元素，并且细菌和微生物在此过程中对铀矿形成起到一定的作用。代世峰等［28］通过对鄂尔多斯盆地晚古生代煤中铀赋存状态的研究，发现铀元素不仅存在于煤的有机质中，而且在无机矿物颗粒中也有赋存。

2 煤型铀矿床开采现状

早期的煤型铀矿床井下工程系统基本上按照采煤模式进行设计，并且遵循采煤工艺设计的基本准则［29］。王前裕［30］基于我国509矿床地质特征、铀矿安全防护特点和开采中的安全防护技术要求，通过总结多年实践经验，认为宜采用壁式采矿法和斜面分层充填采矿法开采该煤型铀矿，其中壁式法尤为合适。壁式法的特点为：采幅高度一般与矿体厚度相等，回采时工作面附近暴露的顶板需设置人工支护，推进一定距离时应及时回柱放顶，并用崩落的顶板砂岩充填采空区。壁式采矿法既能有效满足防火和灭火要求，又能有效控制氡气的析出量。当矿化不连续时，可将不含铀的煤柱留下作为采场支柱，当矿化连续时可全面推进。但是壁式采矿法存在工作量大、回采工期长、回收支柱劳动强度大、贫化率高、损失率大及安全防护措施不到位的不足。故而采矿工艺技术改造和生产管理的重点是降低贫化率和损失率、降低工作量和做好安全防护措施，最大限度高效和安全地回收煤铀资源。王开华等［31］对缓倾斜煤型铀矿和急倾斜煤型铀矿的开采方法分别开展了相关研究。经过对缓倾斜煤型铀矿体开展壁式采矿试验，分析了壁式法开采缓倾斜铀矿体时存在的贫化率、损失率高以及氡浓度偏高等问题，同时提出了改进的短壁式采矿法。改进方法缩小了采场面积，减小了采厚，提升了开采强度，缩短了回采工期。通过进行急倾斜煤型铀矿体开采试验，提出采用双斜面分层充填法开采急倾斜煤型铀矿体。该方法的工艺特点是：用混凝土结构构造采场底部结构，形成运输巷道，并用干砂建造底柱；充填井布置在采场中间，顺路井布置在两端，并且在两者之间设置了多个溜矿井；从采场底部到两侧用干砂充填料形成接近30°的斜坡；在连续的含矿层中进行大面积开采，提高了开采效率，并在一定程上控制了铀矿物贫化率和损失率。

经过对上述两种煤型铀矿床的开采实践进行对比分析，发现短壁式采矿法和双斜面分层充填采矿法较适用于含矿层相对连续的煤型铀矿床。上述两种改进采矿法尽管取得了较好的实践效果，但仍存在不足：①在煤型铀矿床含矿不连续的地段回采时，容易造成矿物贫化率高、损失率大，从而导致资源回收率低；②当开采铀品位高的矿体时，在瓦斯和氡气浓度高的某些地域作业，必须采取有针对性的通风、安全和辐射防护等措施，这些措施的施行不仅增加了工作量，还影响了回采效率；③在含矿层上方覆盖着地下含水层的条件下，采场顶板过于湿软极易发生顶板塌方。

3 煤铀协同开采

3.1 “协同开采”理念

广西大学陈庆发教授在进行金属矿床地下采矿方法研究时引入了协同学，于2009年针对采空区隐患资源开采提出了“协同开采”理念［32］。该理念问世初期，存在着概念不清晰、类组归属混乱、命名不规范及技术特点模糊等问题。到2013年，“协同开采”定义得到了进一步明确，陈庆发教授指出“协同开采”是在开采拟采矿床的过程中，和谐处理其他影响有序共采的隐患因素（如空区隐患、地下水灾隐患等），或者通过采取合适的工程技术措施（如采矿方法、灾害控制技术及其他相关工程技术等）达到其他工程目的，使得能够在开采矿物资源的同时，和谐处理隐患因素的负面效应，或者达到多种工程目的，从而促进安全、和谐、绿色和高效地开采赋存的矿物资源［33］。

“协同开采”理念问世至今，得到了不少业内学者的认可，在金属矿床地下开采方面，我国学者先后发明了19 种协同采矿方法［34］，这些研究成果的问世逐渐将“协同开采”相关研究推进到深入发展阶段。“协同开采”理念不仅适用于金属矿山地下开采，而且还具有更加广阔的应用空间，例如，“协同开采”理念对于煤型铀矿开采也具有较好的指导价值。

我国煤系地层分布广且厚度大，大部分煤系地层不仅储存有一定量的煤炭资源，而且还共生或伴生有丰富的铀矿物资源。不少共生或伴生铀矿物储量大，虽然铀品位不高，但具有一定的开采价值。在煤型铀矿床传统采矿方法方面还有待进一步的研究和改进的背景下，引入“协同开采”理念研究这类煤铀共生或伴生矿产的开采方法具有可行性。

3.2 煤铀协同开采理论架构

在煤铀共生或者伴生矿中，煤矿层和铀矿层位于同一空间区域内，可能有几个成矿作用重叠先后发生，因此存在不同成因或先后生成的复杂化多种煤铀矿物共生或伴生组合。根据煤层和铀矿物空间分布特点，本研究将煤型铀矿划分为共生或伴生煤型铀矿和含夹层上砂岩铀矿下共伴生煤型铀矿两种类型。根据目前煤型铀矿床开采经验，借鉴金属矿床地下开采协同采矿思路，分别从井下矿床划分、井巷通风和采矿方法优选等方面对煤铀协同开采思路进行分析。

3.2.1 井下矿床划分

煤型铀矿床具有含矿层矿体与矿体之间存在不等厚的无矿带，矿体在走向与倾向上都不连续的特征，使得矿体形状极为复杂，难以选用合适的方法进行安全高效开采。因此，有必要对矿体进行分区设计，以便对不同分区选用适宜的采矿方法。孙会熙等［35］针对某钒铁矿资源开采规划不清晰、钒铁矿产开采互相制约以及采空区空置影响矿山安全生产的问题，提出了钒铁矿分区协同开采优化方案。这一方案的实质是采用不同的采矿方法进行分区设计与分区回采，可以有效降低贫化率和损失率，显著提高采矿效率。借鉴上述采用不同的采矿方法进行分区回采的思路，本研究将不连续成矿煤型铀矿床按不连续矿段划分为若干个矿区。矿区内部沿煤型铀矿床垂向方向划分为上段煤矿、中段煤型铀矿及下段煤矿3个分段层，使得各矿区的不同分段矿层分别进行重组。各分段矿区在需要合并的各分段底部布置独立的出矿结构，并增设溜矿段来联系各不连续煤型铀矿块，使原本不连续矿石经由溜矿段到达出矿结构后共用同一出矿平巷得以协同出矿，实现煤矿、铀矿及废矿石分采和分运，降低损失率和贫化率。

3.2.2 井巷通风

地下开采过程中，一般采用机械强制通风方式有效降低氡浓度和瓦斯浓度。煤型铀矿地下开采时，应严格按照《放射卫生防护基本标准》（GB 4792—84）进行辐射监控和防护，制定行之有效的放射性防护措施和工程管理制度。设计井巷通风系统之初，应采用多种方法相结合计算铀矿井风量，并将尽可能多的因素考虑在内，以计算的最大风量为设计取值。根据氡析出量、瓦斯涌出量、井下同时爆破的最大药量及井下工作的最多人数等所需风量的最大值，来确定全矿巷道最小需风量，从而实现利用风流最大限度稀释氡气和瓦斯的目的［36］。同时，在瓦斯浓度较高的地段，还须采取相关技术措施抽排瓦斯。在辐射源处理上，可采取喷射混凝土或喷射水泥砂浆的隔离措施来隔离有辐射源的岩壁、煤壁等。在井巷支护方法选择上，应尽可能采用喷射混凝土支护。这是因为混凝土的黏结性和密实性很好，喷射混凝土支护可以同时起到支护加固和封闭煤壁的作用，阻止氡气和瓦斯气体逸出。此外，喷射的混凝土还可在一定程度上预防水灾和火灾。

在巷道通风方式选择方面，煤矿地下开采中为了有效抽放瓦斯，一般采用全矿井负压抽出式通风方式，对于铀矿地下开采，为了防止围岩裂隙中的放射性气体析出，一般采用压入式通风方式。因此，综合考虑各种因素，在煤型铀矿床地下煤铀协同开采时，建议采用压抽混合式通风方式，在降低氡气浓度的同时实现瓦斯排放。具体通风管理措施为：实现全矿井抽出式通风，在铀矿开采分区部分采用局部压入式通风，并在采煤采区与铀矿回采采区交接巷道处设置通风构筑物，根据各自巷道所需风量来调节全矿风压。

3.2.3 采矿方法优选

对于共生或伴生类型煤型铀矿，根据已经勘查和已开采的矿床地质资料［23，36］，该类型矿床是以先生沉积和后生富集的成矿方式形成的，这种成矿方式往往无法实现整个矿层连续成矿。该类型煤型铀矿采矿方法应具有采铀和采煤的双重性能，实现煤铀资源协调有序开采难度较大。主要原因有两个方面，一方面煤铀矿物具有成矿不连续导致的矿体形状复杂多样和品位极低回收难度很大的特性，铀矿物开采的重点（难点）在于降低贫化率和损失率，高效回收铀资源；另一方面，煤是铀矿体的母岩和载体，铀矿体赋存于煤层内部。由于铀矿具有一定的放射性，会自发地放射产生氡和氡子体，一旦地下煤层开挖后，这些放射性有害物质就会向巷道和采空区析出，产生放射性辐射污染。已有的煤型铀矿床开采实践证明［37］，短壁式采矿法和斜面分层充填法已经成为煤型铀矿的常规采矿方法。这两种采矿法能较好地适用于含矿连续的采场，但是在含矿不连续地段回采时会造成贫化率和损失率增大，另外在含矿层上方覆盖着地下含水层时，易导致采场顶板过于湿软，从而出现顶板塌方事故。为了更有效地开采含矿不连续的煤型铀矿床，可以采用以协同回采分段充填法为主、分段凿岩采矿法为辅的方式进行分区回采。协同回采分段充填法是一种较为可行的采矿法，工艺流程为：首先划分回采单元，在单元内采用上向垂直中深孔凿岩，全分段一次爆破落矿；然后以崩落的矿堆为工作面，对中深孔爆破形成的采场空区顶板松动圈进行水平浅孔压采，同时支护顶板。结合分段矿房法原理，在需进行合并的各分段底部布置独立的出矿结构并且增设溜矿段来联系各不连续的煤型铀矿块。这种采矿方式有助于解决顶板支护问题难和资源回收率低的问题。如李启月等［38］针对预控顶分段充填法在地下开采中存在的预控顶巷道掘进工序繁多且复杂、顶板易受爆破震动影响等问题，提出了协同回采分段充填法。该方法通过分区出矿和分区支护的方式，有效解决了出矿率低和顶板支护不到位的问题。

对于含夹层上砂岩铀矿下共伴生煤型铀矿，已在我国内蒙古多个矿区发现了煤体上部赋存有成矿连续的铀矿层［39］。对该类型煤型铀矿，近年来也有相关开采实践成果报道，周勇［40］提出在铀矿与煤层之间建造地下水力帷幕的方法，并结合数值模拟技术，针对上层铀和下层煤存在压覆关系的煤型铀矿的煤铀协调开采技术方案进行了优选。夏子通等［41］针对鄂尔多斯盆地某铀矿田的矿层分布特征（铀矿层在上、煤层在下），提出了铀煤共生资源有序开采的技术方案，即采用原地浸出采铀技术开采铀矿物和井工开采方式开采煤炭。然而，对于该类型煤型铀矿资源开采，煤矿和铀矿协同开采存在互相制约的矛盾有时是存在的。如当铀矿物赋存于煤矿层顶板上方的含水层中时，如果先进行煤矿开采，势必会造成铀矿物赋存区域的地下水水位降低，使地下水的水动力特征发生变化，进而不利于地浸采铀。如先进行地浸采铀，含铀溶液在地下水作用下将会进入煤矿巷道，使煤矿巷道成为放射性污染源，势必会严重影响煤矿开采。因此，地下水隐患是有序开采铀煤共生资源的关键影响因素。要和谐处理这一不良隐患因素实现煤铀同步开采，既要在煤矿开采工作面上布设和开采方式上进行充分论证，选择对地下水和采空区影响较小的开采方案，又要在地浸单元浸出结束后采取有效措施尽快进行地下水复原，减小地浸对地下水的影响。为实现上部砂岩铀矿和下方共伴生煤型铀矿协作和同步共采，首先在砂岩铀矿与共伴生煤型铀矿两矿层之间建造地下水力帷幕工程，采用原地浸出开采上部铀矿；其次采用数值模拟技术对煤型铀矿层与砂岩铀矿区地下水位的升降情况和影响范围进行分析，优选出最适宜的水力帷幕建造方案；最后结合数值模拟方法，确定进行分采区原地浸出开采上部铀矿的技术参数，实现地浸渗漏预控，并在浸出结束后及时恢复地下水。对于下方共伴生煤型铀矿开采，可以先进行铀矿体和各煤层分层分段，划分采区协同联合开采，在各采区开采完毕后立即进行充填并进行支护，及时加固顶板，同时在整个矿区实施综合疏水工程以及降低氡气浓度与瓦斯浓度的防污染工程。

4 结论与展望

煤型铀矿中蕴含有丰富的煤矿资源和一定品位的铀矿资源，煤矿资源作为我国主要的火力发电能源，铀矿资源作为我国至关重要的核电和军工物资，实现煤型铀矿协同开采具有重要意义。虽然我国在煤型铀矿床开采方面已经积累了丰富经验，但是为了进一步降低铀矿资源的损失率和贫化率，最大限度地回收地下铀煤资源，还应进一步研究协调与同步开采煤型铀矿中煤矿物和铀矿物的技术方法，煤铀协同开采是实现这一目标的可行研究思路。煤型铀矿协同开采思路的实质是铀矿物与煤矿物开采行为之间的同步与协作，有必要结合煤型铀矿体的地质和赋存特点，针对各子系统的具体情况实现“因矿生法、因矿创法”。

本研究提出的煤铀协同开采方法还处于初步构思阶段，其中涉及到一些技术难题如煤型铀矿不连续矿床如何分区分段、如何合并各零散矿段、回采区铀品位高和瓦斯含量高的地段如何设置特殊的安防措施及整个矿床如何进行综合疏水等有待进一步攻关。根据煤铀协同开采思路，煤铀协同采矿方法和工程技术研究方向有：①结合传统煤矿和铀矿采矿方法及已有的金属矿山协同采矿技术，以协同开采创新思维［42］为指导，将多种采矿方法之间整体或者局部进行结构复制、变异及重组等，如直接复制协同回采分段充填法对含矿不连续的煤型铀矿床进行分区回采，变异各分段底部结构形成独立的出矿结构，重组不连续煤型铀矿床构建互相联系的溜矿段；②运用一些先进技术更新传统技术，如用爆力运搬与电耙运搬技术更新传统溜矿技术，使矿石快速、高效地进入溜矿井储存或采用卡车协同出矿技术更新传统出矿技术直接受矿无轨运输，使落矿作业和矿石运搬作业同步高效进行；③引入大数据技术，收集与统计海量工程复杂数据，为丰富煤铀协同开采理论与研发更高效协同采矿技术提供可靠依据，同时结合人工智能技术建立高度自动化和智能化的地下煤铀协同采矿系统。