遵義長溝錳礦俯偽斜走向長壁分段密集采礦法研究

詹海青，邱宏偉

(1.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029;2.貴州遵義匯興鐵合金有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563004)

0 前 言

傳統(tǒng)的金屬非金屬礦山采礦方法為空場采礦法、崩落采礦法、充填采礦法，由于非煤礦山受礦床賦存條件及機(jī)械設(shè)備的限制，相對而言，生產(chǎn)能力較小。貴州遵義長溝錳礦礦床賦存為層狀沉積礦床，由于一直沿用留礦采礦法和房柱采礦法進(jìn)行開采，生產(chǎn)能力無法提高，安全性較差，因此借鑒煤礦長壁開采工藝，尋求一種安全高效的采礦方法對于長溝錳礦來說具有重要意義。

1 采礦地質(zhì)條件

長溝錳礦沙壩礦區(qū)礦體呈單層狀產(chǎn)出，礦層產(chǎn)于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M底部，以假整合接觸關(guān)系覆于二疊系下統(tǒng)“白泥塘層”(相當(dāng)于茅口組灰?guī)r第2段)薄層狀含炭質(zhì)石灰?guī)r之上，呈層狀、似曾狀產(chǎn)出，層位穩(wěn)定，走向近東西，傾向南，沿走向長4 100 m，沿傾向延伸1 000 m未見尖滅，礦層平均傾角35(°)，平均厚度1.98 m，平均地質(zhì)品位：Mn 21.80%，沿走向和傾向有一定變化規(guī)律。西部傾角變化較大，局部直立或倒轉(zhuǎn)，一般35(°)～55(°)；東部較緩，局部<20(°)，一般20(°)～40(°)。西部較厚，局部3.00 m以上，一般2.00～3.00 m；東部較薄，局部<1.50 m，一般1.50～2.00 m[1]。

礦層的頂?shù)装鍘r性分別為：1)老頂為深灰到灰色中厚層狀生物碎屑硅質(zhì)石灰?guī)r，巖性堅(jiān)硬，節(jié)理、裂隙一般不發(fā)育，穩(wěn)定性好，硬度系數(shù)f=15～16，厚度為10～15 m；2)直接頂為深灰色到灰白色粘土頁巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育，極不穩(wěn)定，直接影響采場暴露面的大小，硬度系數(shù)f=4～5，體重為2.60 t/m3，厚度為0～2.00 m，直接頂是采場回采的重大安全隱患，一般不允許暴露，若采場回采時(shí)不慎暴露，必須采取防冒頂?shù)陌踩胧?)偽頂為深灰色長石粉砂質(zhì)泥巖含菱鐵礦及黃鐵礦結(jié)核，部分含錳質(zhì)，在底部常見粘土巖斑塊及扁平礫石，不穩(wěn)定，厚度為0.11～1.85 m，平均厚度為0.50 m，偽頂暴露時(shí)易于和直接頂一起冒落；4)直接底為灰色到灰綠色粘土頁巖，含細(xì)粒狀黃鐵礦，具微細(xì)層理，硬度系數(shù)f=4～5，體重為2.60 t/m3，厚度為0～2.00 m，直接底易混入造成礦石貧化；5)老底為深灰色、灰黑色、黑色薄層至中厚層狀含炭硅質(zhì)石灰?guī)r、間夾薄層硅質(zhì)巖。

礦層中氧化錳礦石較疏松，碳酸錳礦石較堅(jiān)硬，一般下部致密堅(jiān)硬，力學(xué)性質(zhì)良好，中、上部力學(xué)性質(zhì)較差。測試礦石極限抗壓強(qiáng)度為41.32～164.15 kg/cm2，極限抗剪強(qiáng)度為7.03～62.14 kg/cm2，變化較大，力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，不同地段穩(wěn)固性差異較大。

目前長溝錳礦現(xiàn)有5個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，從西向東依次為1、2、3、4、6采區(qū)。

2 現(xiàn)有采礦方法

長溝錳礦目前的采礦方法主要是留礦采礦法和房柱采礦法。

1) 留礦采礦法

留礦采礦法工藝簡單，管理方便，可利用礦石自重放礦，采準(zhǔn)工程量小等優(yōu)點(diǎn)。若用留礦法開采中厚以上礦體，礦柱礦量損失貧化大；工人在較大暴露面下作業(yè)，安全性差；平場工作繁重，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

2) 房柱采礦法

房柱采礦法是開采水平和緩傾斜礦體最有效的采礦方法。他的采準(zhǔn)切割工程量不大，工作組織簡單，坑木消耗少，通風(fēng)良好，礦房生產(chǎn)能力高。但礦柱礦量所占比重較大，且一般不進(jìn)行回采，礦石損失較大。

由于長溝錳礦礦體不是很厚，2種采礦方法的工作面單產(chǎn)均較低，實(shí)踐表明長溝錳礦目前工作面平均單產(chǎn)2 000 t/月，全礦要達(dá)到30萬t的年生產(chǎn)規(guī)模需要布置很多工作面，這會(huì)造成生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，管理難度較大；加之頂板不是很穩(wěn)固，片幫冒頂事故時(shí)有發(fā)生。

3 俯偽斜走向長壁分段(密集)采礦法研究

俯偽斜走向長壁分段(密集)采礦法的主要特點(diǎn)是：直線長壁工作面按俯偽斜方向布置，沿走向推進(jìn)[2]。特殊情況下，用分段水平密集切頂檔矸隔離采空區(qū)與回采空間。工作面分段打眼爆破落礦，礦石自溜運(yùn)輸。

3.1 工作面布置

俯偽斜走向長壁分段密集采礦法工作面布置如圖1所示。

1 區(qū)段運(yùn)輸平巷；2 區(qū)段回風(fēng)平巷；3 準(zhǔn)備眼；4 下安全出口；5 溜礦眼；6 “人”字形溜礦眼；7 密集支柱

直線工作面?zhèn)涡辈贾?，偽斜角度一?0(°)～35(°)，工作面斜長達(dá)50～60 m。當(dāng)后方矸石冒落易進(jìn)入支柱支護(hù)區(qū)域時(shí)，用分段水平密集切頂檔矸隔離采空區(qū)與回采空間[3]，沿礦層傾斜方向每隔3.0 m左右設(shè)置1排近似水平的密集支柱，如圖1(A點(diǎn)放大圖)所示。在回采期間，工作面下部的小眼前掘后廢。但至少要同時(shí)保持3個(gè)小眼，其中1個(gè)作準(zhǔn)備眼，1個(gè)作下安全出口，進(jìn)風(fēng)行人，1個(gè)用于溜礦。溜礦眼的傾角以滿足礦石自溜為準(zhǔn)，一般采取40(°)以上，如果因底板起伏等原因，礦流不暢時(shí)，可以鋪設(shè)溜槽。地質(zhì)條件允許情況下也可將工作面下的“人”字形溜礦眼改為雙平巷布置。

3.2 工作面初采

為便于人員上下和初采時(shí)工作面溜礦，開切眼通常沿偽斜方向掘進(jìn)，并且其下部的溜礦、行人眼沿礦層真傾斜掘進(jìn)，如圖2所示。

1 區(qū)段運(yùn)輸平巷；2 區(qū)段回風(fēng)平巷；3 開切眼；4 溜礦、行人眼；5 初采中的工作面礦壁；6 初采結(jié)束時(shí)的工作面礦壁

工作面初采從開切眼與區(qū)段回風(fēng)平巷的貫通處開始，按既定的工作面?zhèn)涡苯嵌茸陨隙峦七M(jìn)，工作面長度逐漸增大。當(dāng)工作面礦壁到初采結(jié)束時(shí)的工作面礦壁位置時(shí)，初采工作面即告結(jié)束，工作面轉(zhuǎn)入正常回采階段。

3.3 正?；夭?/h3>

工作面采用爆破方式落礦，自下而上分段爆破。為加快工作面推進(jìn)速度而使爆破后暴露頂板得以及時(shí)支護(hù)，爆破、運(yùn)礦、支護(hù)工序分段平行作業(yè)。為防止爆破礦石拋入采空區(qū)，爆破前在礦壁側(cè)的第1排支柱上掛設(shè)擋礦板。為保證上分段爆破時(shí)不威脅下分段支護(hù)工的安全。爆破結(jié)束后，擋板即可撤走。在礦壁與第1排隊(duì)支柱間，布置電耙耙礦。工作面采出的礦石自溜到工作面下端的溜礦眼，在溜礦眼下口裝載外運(yùn)。

工作面支護(hù)采用金屬支柱和鉸接頂梁走向棚子，正懸臂齊梁齊柱布置。支柱采用單體液壓支柱?；局? m，排距1 m。支柱要采取防滑措施，柱窩要挖到硬底，特殊情況下要對金屬柱作防滑處理，如在底座上焊防滑釘。

工作面采取3、5排控頂，即最大控頂距為5排支柱，最小控頂距為3排支柱。全部垮落法處理采空區(qū)，必要時(shí)人工強(qiáng)制放頂。當(dāng)回風(fēng)平巷下方的采空區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂時(shí)，除采用人工強(qiáng)制放頂外，也可炸掉上部礦柱，將上區(qū)段采空區(qū)冒落矸石放入本區(qū)段采空區(qū)。

3.4 工作面收作

當(dāng)工作面上端礦壁推進(jìn)到距離收作眼3 m時(shí)，工作面回采進(jìn)入收作階段。在工作面收作期間，工作面?zhèn)涡苯遣蛔儯虼斯ぷ髅骈L度逐漸縮短，如圖3所示。

1 區(qū)段運(yùn)輸平巷；2 區(qū)段回風(fēng)平巷；3 收作眼；4 聯(lián)絡(luò)平巷；5 收作中的工作面礦壁；6 收作眼礦柱

為了保證收作期間通風(fēng)、行人和運(yùn)料的需要，必須始終保持收作眼暢通無阻，所以在收作眼靠工作面一側(cè)要留設(shè)保護(hù)礦柱。保護(hù)礦柱走向?qū)? m，兩聯(lián)絡(luò)平巷間的傾斜長度為5 m。

3.5 頂板管理

在長壁法中頂板管理是十分重要的問題，他不僅關(guān)系到安全生產(chǎn)，而且也在很大程度上影響勞動(dòng)生產(chǎn)率、支柱消耗和回采成本等。

1) 支護(hù)

工作面支護(hù)的作用主要是延緩頂板下沉，防止頂板局部片落，以保證回采工作正常進(jìn)行。因此，支柱應(yīng)具有一定的剛性和可縮性。就是說支柱應(yīng)既有一定的承載能力，又可在壓力過大時(shí)，借助一定的可縮量，避免損壞。長溝錳礦設(shè)計(jì)選用單體液壓支柱加鉸接頂梁的支護(hù)方式，工作面采用齊梁齊柱直線式走向正懸臂布置。工作面采用全部垮落法頂板管理，如圖4所示。初次放頂采用4、6排管理，正?；夭刹捎?、5排管理。嚴(yán)格控制采高，初次放頂采高控制在2 m內(nèi)。

a爆破前；b爆破后

單體支柱利用液壓裝置來獲得一定的可縮量。為了防止頂板冒落應(yīng)及時(shí)支護(hù)。還必須保證支架質(zhì)量，使所有支架受力均勻?；夭蛇^程中加強(qiáng)基本支架管理，做到支架正規(guī)，保證單體初撐力達(dá)到要求。

放炮后敲幫問頂，便可在已支護(hù)頂板的頂梁前端，沿工作面掛金屬鉸接頂梁。金屬鉸接頂梁的長度要與采礦工作面每次推進(jìn)度相同或成整數(shù)倍。正常支護(hù)狀態(tài)下，金屬鉸接頂梁下的單體支柱將頂梁劃分為2段，正懸臂支架的懸臂長段在支柱的礦壁側(cè)，短段在支柱的采空區(qū)側(cè)，倒懸臂支架則相反，其長段伸向采空區(qū)側(cè)，易損壞頂梁，但支柱不易被采空區(qū)側(cè)的矸石埋住。

爆破進(jìn)尺分3種情況：a爆破進(jìn)尺為2 m，金屬鉸接頂梁選用HDJA-1000，長度為1 000 mm，爆破1次，接長根數(shù)為2根；b爆破進(jìn)尺為1.6 m，金屬鉸接頂梁選用HDJA-800，長度為800 mm，爆破1次，接長根數(shù)為2根；c爆破進(jìn)尺為1.2 m，金屬鉸接頂梁選用HDJA-1200，長度為1 200 mm，爆破1次，接長根數(shù)為1根。

2) 放頂

隨長壁工作面的推進(jìn)，頂板暴露面積逐漸加大，頂板壓力也隨之增大，如不及時(shí)處理，可能出現(xiàn)支柱被壓壞，甚至引起采空區(qū)全部冒落，被迫停產(chǎn)。為了減少工作空間的壓力，保證回采工作的正常進(jìn)行，當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，除了保證正?；夭伤枰墓ぷ骺臻g用支柱支護(hù)外，應(yīng)將其余采空區(qū)的支柱全部(或部分)撤除，使頂板崩落下來，用崩落下來的巖石充填采空區(qū)。頂板巖石崩落后，采空區(qū)暴露面積減少，因此工作空間頂板也隨之減小，形成1個(gè)壓力降低區(qū)，如圖5所示。

a 應(yīng)力降低區(qū)；b 應(yīng)力升高區(qū)；c 應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)

每次放頂?shù)膶挾确Q為放頂距。放頂后所保留的能維持正常開采工作的最小寬度稱為控頂距，在長溝錳礦長壁開采技術(shù)中選3排的支柱距離。頂板暴露后的寬度為懸頂距，放頂時(shí)的懸頂距為最大懸頂距，等于放頂距與控頂距之和，最小的懸頂距等于控頂距，如圖6。

1頂柱；2安全出口；3長壁面；4礦石溜井；5放頂距；6控頂距；7懸頂距

放頂距及控頂距根據(jù)巖石穩(wěn)固性、支柱類型及工作組織等條件確定。放頂距變化的范圍較大，由1排到5排的支柱間距。合理的放頂距應(yīng)在保證安全的前提下，使支護(hù)工作量及支柱消耗量最小，使工作面采礦強(qiáng)度及勞動(dòng)生產(chǎn)率最大。除去加強(qiáng)頂板支護(hù)與放頂工作外，必須注意總結(jié)與掌握采場地壓分布狀態(tài)和活動(dòng)規(guī)律，以便更好的確定頂板管理中的有關(guān)參數(shù)。

礦塊開始回采的第1次放頂與以后各次放頂?shù)那闆r是不同的。第1次放頂?shù)臈l件比較困難，因?yàn)檫@時(shí)頂板類似兩端固定的梁，不容易全放下來。而以后各次放頂，頂板類似一端固定的懸臂梁，容易放頂。因此，第1次放頂?shù)膽翼斁啻?，約為常規(guī)放頂距的1.5～2倍。尤其是當(dāng)直接頂板比較好時(shí)，常產(chǎn)生頂板不下來或冒落高度不夠的現(xiàn)象，必要時(shí)采用雙排密集支柱切頂，同時(shí)加強(qiáng)控頂區(qū)的維護(hù)；當(dāng)頂板不易冒落時(shí)，可以爆破進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

偽頂?shù)拇嬖诓粌H增加礦石的貧化，并且影響支柱的質(zhì)量，對生產(chǎn)不利。要注意加強(qiáng)頂板管理工作，保證生產(chǎn)安全。頂板管理中，除做好支護(hù)工作外，還要努力提高工作面的推進(jìn)速度，因?yàn)橛绊懙貕夯顒?dòng)的諸因素中，除地質(zhì)條件外，時(shí)間因素也很重要。實(shí)踐證明，推進(jìn)速度快，頂板下沉量小，支柱承受的壓力也小，支柱的消耗量也相應(yīng)的減少，這對安全和生產(chǎn)都極為有利。

3.6 通 風(fēng)

長壁工作面的通風(fēng)條件較好，新鮮風(fēng)流由下部階段運(yùn)輸巷道經(jīng)行人道、切割巷道進(jìn)入工作面。清洗工作面后的污風(fēng)經(jīng)上部安全道，排至上部階段巷道。走向長度大時(shí)，應(yīng)考慮分區(qū)通風(fēng)。

4 結(jié) 語

俯偽斜走向長壁分段密集采礦法的采準(zhǔn)工作和工作面布置比較簡單，同其他采礦方法比，是一種生產(chǎn)能力大、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、損失貧化小，通風(fēng)條件好的采礦方法。由于工作面呈俯面布置，可以減少礦壁片幫傷人，同時(shí)由于頂板得到了有效控制，與房柱法和留礦法相比頂板事故可以得到有效控制。

運(yùn)輸巷道布置在礦層里，這樣的巷道布置不僅可以減少多余的運(yùn)輸巷道掘進(jìn)；而且又由于錳礦圍巖穩(wěn)固，支護(hù)簡易，這樣的采礦方法優(yōu)勢明顯。

俯偽斜走向長壁分段密集采礦法的缺點(diǎn)是支護(hù)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，頂板管理復(fù)雜。在長溝錳礦中，礦石容重較大，搬運(yùn)比較困難。又由于頂板粘土巖的混入，使用刮板輸送機(jī)時(shí)粘土巖粘刮板輸送機(jī)。傾角較大時(shí)使用刮板輸送機(jī)必須使其錨固，加之工作面較短，刮板輸送機(jī)彎曲長度較大(20～30 m)，操作不便。而使用電耙運(yùn)搬，電耙隨工作面搬運(yùn)頻繁，操作復(fù)雜。

經(jīng)過研究和掌握礦山地壓活動(dòng)規(guī)律，改進(jìn)頂板管理工作，應(yīng)用機(jī)械化的金屬支柱，減輕體力勞動(dòng)，提高安全程度和工作面的推進(jìn)速度。另外研制新型工作面搬運(yùn)機(jī)械，特別是能用于底板起伏不平的運(yùn)搬機(jī)械，可以改進(jìn)現(xiàn)有運(yùn)搬機(jī)械，如采用多耙頭串式電耙，可提高工作面的運(yùn)搬能力。

俯偽斜走向長壁分段密集采礦法較長溝錳礦原用的房柱法和留礦法工作面單產(chǎn)大幅度提高，全礦生產(chǎn)規(guī)?？梢缘玫奖ＷC。按照每年生產(chǎn)330 d，西部平均采高2.5 m，東部平均采高1.5 m，工作面設(shè)計(jì)長度49 m，每次進(jìn)尺1.6 m，錳礦石容重3.05 t/m3，東西部每次循環(huán)可開采分別為597.8，358.7 t。按照每天推進(jìn)1個(gè)循環(huán)計(jì)，東、西部各設(shè)1個(gè)工作面，每天可開采956.5 t，年產(chǎn)量可達(dá)315 638 t。另外考慮巷道掘進(jìn)出礦量，可以保證年產(chǎn)30萬t的預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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