煤系共伴生矿产协同开发 ——记中国矿业大学黄炳香教授国家重点研发计划项目最新进展
煤系指内含煤层且具有成因联系的一系列沉积岩层。我国煤系共伴生矿产种类非常之多、储量丰富，我国已发现的173种矿产中，煤系共伴生矿产有85种，包括煤系战略性金属、新能源等矿产，如煤成气、煤系油页岩、煤系石墨、煤系铀矿、煤系铝土矿、煤中镓、煤中锗、煤系高岭土等，这些矿产的形成与赋存和煤系有着密不可分的关系。煤系共伴生矿产与煤层叠置，叠置矿产通常是分矿权开发，各矿种企业只关注各自矿种的勘探开发，导致叠置矿产多次钻孔勘探，效率低且可能给后续其它矿种开发带来不利影响;叠置矿产的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。叠置矿产各自开采的相互影响导致安全风险及环境影响增大。煤炭是我国的主体能源和重要的工业原材料。煤炭一烧了之和煤炭开采导致共伴生资源浪费的局面必须改变。煤系共伴生矿产协同开发具备极其重大的国家战略意义，列入了国家中长期科技发展战略规划。
2021年中国矿业大学黄炳香教授作为项目负责人获批了国家重点研发计划项目“煤与共伴生战略性金属矿产协调开采理论与技术”，该项目由中国矿业大学牵头，联合矿冶科技集团有限公司、南华大学等10家单位承担，汇聚我国煤矿开采、金属矿开采、铀矿采冶等领域头部单位和高水平团队。项目围绕煤系共伴生矿产开采的重大战略需求，面向煤系共伴生战略性金属矿产，聚焦典型代表性的煤系沉积型铝土矿和砂岩型铀矿。主要是针对传统煤矿开采对煤系共伴生矿产考虑较少导致资源浪费等问题，对煤与共伴生战略性金属矿产协调开采面临的重大共性基础科学问题、关键技术进行研究攻关，最终形成通用性的协调开采理论与技术体系，保障各矿产开采活动不影响彼此正常开采。
据黄炳香介绍，目前项目在协调开采理论、方法和技术研究上已取得了丰硕成果。在核心科学问题研究进展上，建立了协调开采应力场-渗流场-化学场-生物场-采动裂隙场耦合理论模型，揭示了煤铝协调开采岩层活动叠加影响规律等。在成套协调开采方法研究进展上，已阐明分区错时协调开采原理;提出了煤与共伴生矿产协调、协同及共采的成套协调开采方法，给出了成套协调开采方法的适用条件;提出了井工-井工协调开采、井工-钻采协调开采、井工共采及露天共采等7种成套协调开发方式，并给出了适用条件;提出了异体共生矿产生产系统协同匹配的开拓延伸方法，构建了煤与异体共生矿产开拓延伸的协同管理系统框架;明确了全生命周期协调采矿的定义与内涵，构建了协调开采完全成本体系，并初步建立涵盖全国煤系矿产的基础数据库等。在关键技术与装备研究进展上，研究了协调开采采场围岩协同控制机理与技术，研发了全断面脱水装配式充填挡墙装置;形成了近距离异体共生矿产采动巷道减振高效爆破开挖技术与装备;提出了协调开采叠加扰动下井巷围岩变形梯级协同控制技术，研发了适用于协调开采叠加扰动下井巷围岩锚注支护的触变型强力注浆新材料;提出了煤与共伴生矿产协调开采隔水层稳定性控制技术，开展了隔水层采动裂隙自修复技术现场应用;形成了煤铀、煤铝协调开采污染物控制技术、材料与装备等。
在项目成果落地转化方面，黄炳香介绍说，目前已建立了两个示范基地，分别为山西吕梁煤-铝-铁-镓协调开采示范基地与新疆伊犁盆地煤-铀协调开采示范基地，已初步形成了煤-铝-铁-镓综合开发(兴县模式)、煤铀协调开采(伊犁盆地南缘)、水-煤-气协调开发(鄂尔多斯盆地)等模式或场景，同时在现场示范工程开展过程中持续创新，提出了煤矿井下钻井采铀、油气等共采工艺技术构想，以及协调开采采动岩层多相多场耦合运动数字孪生方法构想。
项目示范区之一的山西吕梁地区的铝土矿70%左右为煤铝共生资源，是我国典型的煤-铝-铁-镓共生矿区，铝土矿中含有铁、镓等战略性金属。据示范工程课题承担单位山西华兴铝业有限公司矿产资源部经理姚达介绍，自项目开展以来，围绕吕梁煤-铝-铁-镓协调开采示范工程，开展了大量工作，在奥家湾Ⅰ号矿进行了煤下铝土矿逐巷充填与置换开采技术现场工业性试验，实现了铝、铁、镓3种以上可利用的与煤共生战略性金属矿产的协调开采，铝土矿工作面采出率达78%，提高了30%以上，矿石贫化率控制在5.06%，初步建成了煤-铝-铁-镓协调开采示范工程。
项目示范区之一的新疆伊犁盆地南缘为我国典型的煤铀共生矿区，区域内煤炭资源丰富，同时拥有我国第一个万吨级可地浸砂岩型铀矿床，煤层与铀矿含矿含水层叠置赋存，且煤伴生铀矿。新疆中核天山铀业有限公司副总经理张青林介绍，在项目示范区内拥有我国铀矿地浸开采摇篮之称的酸法地浸矿山737厂，同时也注重前沿地浸技术开发，拥有目前我国最大的中性CO2+O2地浸开采矿山735厂，开采技术条件多样，为项目现场示范工程提供了良好条件。示范区内的山东能源集团新疆能化伊犁一矿是新疆首座获得国家发改委核准的千万吨现代化井工矿井，据矿长魏文辉介绍，该矿地质储量46.33亿吨，设计服务年限142年，现在已经成为新疆自治区验收层面的首家中级智能化特大型井工矿井，是新疆地区最重要的能源供应单位之一。据黄炳香介绍，自立项以来，项目团队与新疆中核天山铀业有限公司和伊犁一矿进行了多次交流研讨，同时派遣项目组成员长期驻守现场开展研究工作，取样分析了伊南煤田深层侏罗煤系裂隙孔隙含水层地下水化学特征，确定了煤炭开采对深层侏罗系地下水系统已产生的扰动程度和影响状态，目前煤铀协调开采示范工程各项指标已基本满足考核要求。为研究煤矿工作面回采过程中上覆岩层的破断运移规律，阐明煤矿开采对含铀矿含水层的影响，还在矿区内新设计施工了岩层移动与水文监测钻孔，填补了以往的监测空白，为项目示范工程的后续研究打下了坚实基础。
项目还为矿业权重叠处理方法、协调开采政策等政府部门管理文件制定提供了一定参考。2023年3月7日山西省人民政府发布了《关于煤系地层矿产资源综合开发的意见》文件;2023年5月6日自然资源部发布了《关于加强完善矿产资源勘查开采登记管理的通知》。此外，山西省自然资源厅牵头建立了煤系地层矿产资源综合开发联席会议制度，联席会议由山西省自然资源厅、山西省发展改革委、山西省能源局、国家矿山安全监察局山西局等9部门组成，并于2023年9月1日召开了第一次联席会议，项目负责人黄炳香应邀出席会议，并做了“煤系共伴生矿产协同开发”报告。2023年12月5日，黄炳香应邀出席山西省人大代表议案《关于快速推进兴县煤铝共采先行先试的建议》起草工作会议，提交了《关于山西省煤铝综合开发安全管理规定(征求意见稿)》，促进了产业政策制定，山西省在煤系矿产资源综合开发利用方面走在了全国的前列。
接下来，黄炳香带领项目团队将针对煤系矿产协调开采特点，坚持以“多相多场耦合及岩层活动叠加―协调开采方法―开拓延伸―隔水层稳定性及污染物迁移控制―工程示范”为主线，按照空间划开、时序错开、急需先上、综合利用、合理避让的原则，统筹资源的开采布局、时序、规模和结构，融通关键技术创新与现场应用示范，实现“基础理论-方法-关键技术-材料-装备-工程示范-标准”的全创新链研究，接着来进行研究突破难点重点及示范工程推进，为构建我国高质量的煤系共伴生资源开采体系提供理论与技术支撑。
煤系共伴生矿产资源开发与利用，是贯穿煤炭产业生命周期，实现煤炭及相关产业横向合并与纵向延伸的重要契机，是实施煤炭工业“节约、清洁、高效”战略的重要举措。协调开采理论与技术等可实现煤与共伴生矿产可持续绿色协调性开采，释放矿产储量，保障资源集约开发，经济效益与社会效益显著。(文/张霞)