李家灣錳礦傾斜錳礦層俯偽斜柔性掩護支架長壁采礦工藝

張軍　劉子清

（貴州武陵礦業(yè)有限公司，貴州銅仁554106）

松桃苗族自治縣地處素有“錳都”美譽貴州省銅仁市東北，與湖南花垣縣、重慶秀山縣接壤，錳礦資源儲量居全國前列。李家灣錳礦位于錳礦資源豐富的松桃縣烏羅鎮(zhèn)，設(shè)計生產(chǎn)能力60萬t/a，采用豎井開拓。礦區(qū)處于梵凈山穹狀背斜北東外緣，猴子坳向斜南西翼，以斷裂構(gòu)造為主，褶曲不發(fā)育，主要斷裂構(gòu)造為北東東向、北東向及北西向3組，以北東及北東東向最發(fā)育，北西向次之，從北西至南東依次出現(xiàn)三陽、楊立掌、冷水溪及木耳等斷裂帶，斷裂規(guī)模不等。錳礦層為傾向北東的單斜構(gòu)造，在礦區(qū)內(nèi)可見2個大斷層F1、F8，F(xiàn)1斷層為正斷層，是礦井北西向主控斷層，平面上近東西走向，北西盤下降，南東盤上升，斷距達1 000 m以上，產(chǎn)狀較亂，變化較大，拖拉撓曲較明顯，巖性極為破碎；F8斷層為逆斷層，是礦井北東向主控斷層，斷層傾向南西，傾角70°以上，南西盤上升，北東盤下降，斷距150 m以上，近斷層附近地層發(fā)生撓曲倒轉(zhuǎn)。

李家灣錳礦礦區(qū)錳礦成因類型為海相化學(xué)及生物化學(xué)沉積碳酸錳礦床，錳礦層賦存于含錳巖系底部，為南華系下統(tǒng)大塘坡組第一段（Nh1d 1），礦體（層）呈層狀、似層狀順層產(chǎn)出，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，礦體整體走向北西，傾向北東，厚度為6.3～51.0 m，平均厚度16.3 m，含錳礦1～2層，層間距0～2.5 m。下層礦厚0～0.3 m，不可采；上層礦為主采錳礦層，厚0～5.04 m，平均2.74 m，普氏硬度系數(shù)f≈6；錳礦傾角總體較為穩(wěn)定，為37°～55°，平均44°。

礦層直接頂板為炭質(zhì)頁巖，物理力學(xué)強度較低，屬半堅硬-軟弱巖組，節(jié)理、裂隙發(fā)育處巖石穩(wěn)定性較差，屬不穩(wěn)定頂板。礦層直接底為細粒砂巖及含礫砂巖，物理力學(xué)強度好，屬堅硬—半堅硬巖組，較為穩(wěn)定。

1　采礦工藝確定

一直以來，錳礦開采都采用空場采礦法、崩落采礦法、留礦采礦法、充填采礦法，而傾角30°～55°多采用空場采礦法?？請霾傻V法需要留設(shè)礦柱用以支撐頂板，留設(shè)礦柱越少空場垮度和頂板暴露面積越大，垮塌風(fēng)險增大，安全可靠性越差，所以只有適當(dāng)多的留設(shè)礦柱保證頂板安全，因而資源丟失率高，經(jīng)調(diào)查就松桃地區(qū)錳礦賦存條件，資源丟失率高達60%左右?？請霾傻V法的另一個主要問題是頂板管理難度大，不穩(wěn)定巖層的事故率較高，特別是采高大于3 m以上，檢查頂板困難，不能適時掌握頂板動態(tài)，不能有效消除懸浮矸以及大面積垮塌威脅。若采用錨桿（索）網(wǎng)支護，其工程量大成本高，也經(jīng)受不了爆破沖擊。再則，薄及中厚錳礦層采用空場采礦法產(chǎn)能低，就松桃地區(qū)常見的大塘坡組錳礦層厚度0至十幾米，每個工作面日產(chǎn)150 t左右，產(chǎn)能較低。總之，空場采礦法在松桃地區(qū)錳礦層應(yīng)用安全可靠性差、資源丟失率高、產(chǎn)能低，且多適用傾角小于40°、圍巖穩(wěn)定的礦層，因而不適用于李家灣錳礦薄礦體傾斜礦層、不穩(wěn)定頂板的賦存條件。而留礦法適用于急傾斜且頂板穩(wěn)定的礦層，更不適用李家灣錳礦。

經(jīng)過反復(fù)論證，李家灣錳礦嘗試引進煤礦應(yīng)用較為成熟的柔性掩護支架采礦工藝，其特點是頂板安全可靠性高、連續(xù)開采資源回收率高、產(chǎn)量高、工藝簡單、工作面通風(fēng)效果好，適用于傾角大于40°的礦層，尤其是對破碎頂板的安全控制效果較好。

2　俯偽斜柔性掩護支架長壁采礦工藝

2.1　原理

掩護支架呈“弓”型，由1根11#礦工鋼彎制而成，安裝時用4根φ26 mm鋼繩連成整體，支架之間安裝堅實木料，從而形成柔性掩護支架支護體，配合DZ20型外注式單體液壓支柱控架。掩護支架每架承載能力10 t，每根單體液壓支柱承壓30 MPa，加之用4根鋼繩將其連成整改，足以承擔(dān)掩護支架背頂松散巖石重力。掩護支架凹向工作面安裝，兩端端腿緊貼底板和工作面，從而限制了掩護支架受力移動。掩護支架之間采用木料卡緊卡牢，因而不會發(fā)生架間倉漏事故。作業(yè)人員在支護體“穹頂”的保護下作業(yè)，安全可靠。

地應(yīng)力測定和實戰(zhàn)經(jīng)驗總結(jié)，采礦工作面前方10 m至后方15 m為應(yīng)力相對降低區(qū)，此范圍內(nèi)的工作面前方和后方采空區(qū)為應(yīng)力增高區(qū)，形成了以工作面及采空區(qū)垮落充填帶為前后支承點的拱式平衡，所以采場空間處于低應(yīng)力狀態(tài)。采場支護的面積越小，支護結(jié)構(gòu)承受的壓力就越小。掩護支架采礦工藝支護寬度不足2 m，較其它采礦工藝大幅減小了采場空間，其主要支撐載荷是背頂松散巖石，而不是頂板應(yīng)力，頂板在地應(yīng)力作用下自然垮落充填采空區(qū)，當(dāng)充填密實后反支撐頂板，與工作面形成拱形支撐，承受了更多頂板應(yīng)力，大大減小了采場支護壓力。

2.2　工作面布置

工作面沿走向布置、沿走向推進開采。上回風(fēng)巷和下運輸巷沿礦脈走向掘進，采用斜巷開切方式，呈偽傾斜布置，偽傾角30°～35°。

試驗工作面2-1區(qū)西一段走向長280 m、傾向長40 m，礦層傾角35°～55°，平均傾角44°，面積11 340萬m2，厚度0～3.4 m，平均厚2.5 m，可采儲量8.5萬t；設(shè)計用2 m架型掩護支架，采厚2.2 m，預(yù)計回采礦量7.5萬t，工作面回采率88.2%。

2.3　工作面初裝

在工作面開切巷下部，用單體液壓支柱形成一段封閉全巷寬的走向密集，在密集上沿開切巷向上安裝掩護支架，掩護支架凹向工作面逐架安裝，兩端端腿貼向工作面和底板，相鄰掩護支架槽間用木料卡緊卡牢，然后用壓繩板和螺栓將四根鋼繩固定在掩護支架上連成整體，每安裝2 m打1根單體液壓支柱作為控架支柱。每安裝超過5 m，在架頂采用強制放頂或人工充填形成墊層。

2.4　采礦作業(yè)

采礦作業(yè)主要工序：打眼→爆破→鋪設(shè)溜槽→出礦→移架。

工作面采用YT-28型氣腿式鑿巖機打眼，3排眼或五花眼梭狀布置，眼徑38 mm，眼深0.8～1 m，使用二級巖石乳化炸藥和導(dǎo)爆管雷管，工作面分段啟爆。爆破后，由下向上鋪裝溜槽，每放空3 m移放一次掩護支架。移架完成后，工作面即完成一個采礦、移架循環(huán)。

礦石運輸：工作面自溜→機巷刮板輸送機運輸→中段運輸巷礦車或皮帶輸送機運輸→采區(qū)礦倉。

圖2所示為李家灣錳礦傾斜錳礦層俯偽斜柔性掩護支架長壁采礦工藝的工作面布置示意圖。

2.5　頂板控制方法

工作面頂板控制的重點在于采空區(qū)頂板管理方法、掩護支架工作姿態(tài)、控架支柱的受力狀態(tài)。

采空區(qū)頂板管理采用自然垮落法，但當(dāng)中上部垮落不充分，則要實施上隅角強制放頂，切斷直接頂促使其垮落，使掩護支架架頂有足夠的墊層。強制放頂采用中深孔爆破，向采空區(qū)施工3～5 m深炮眼，間排距0.8～1 m，每次啟爆1～2排。

掩護支架工作姿態(tài)是發(fā)揮其阻擋采空區(qū)矸石竄入工作面作業(yè)空間的關(guān)鍵，太仰則上端腿不能緊貼工作面，留下了空隙讓矸石竄入工作面，太低則架內(nèi)高度降低不利于操作，所以要保持支架姿態(tài)就要確定合理的仰置角度。仰置角度即掩護支架與水平面的夾角，其經(jīng)驗公式：

式中，θ為掩護支架仰置角度；α為錳礦層傾角；β為掩護支架與錳礦層法線經(jīng)驗夾角，根據(jù)實踐經(jīng)驗β一般取5°～15°。

以試驗工作面礦層傾角44°為例，支架仰置角度應(yīng)為51°～61°，控制效果較好。

控架支柱的受力狀態(tài)是確保掩護支架工作姿態(tài)、阻止其妄動的根本，受力狀態(tài)取決于支柱支護角度和本身承載能力。支柱支護角度指支柱與水平面的夾角，夾角越大，支柱承受的剪切力越大，又不能阻擋下端腿向工作面移動，不利于安全；夾角越小，又不能有效控制支架；為了使控架支柱能有效控制支架，又能承載下端腿橫向移動力，還能便于移架，根據(jù)實踐經(jīng)驗，控架支柱比支架仰置角度大70°～85°較為適宜。支護時，支柱柱窩在靠近溜槽的礦體上，柱頭打在第二根鋼繩位置。

工作面移架前，先清找作業(yè)范圍內(nèi)懸矸，清除阻擋兩端端腿移動的巖體并清好退路，然后用專用操作手柄將控架支柱（單體液壓支柱）緩慢卸壓，掩護支架在自重力作用下逐漸下滑至工作面。當(dāng)下端腿離溜槽小于0.2 m，上端腿緊貼工作面，則移架結(jié)束。單體液壓支柱的即時升壓、卸壓的特點，能靈活控制掩護支架的運動方向，從而使掩護支架的移動在人為操作的掌控中，達到有效控制。

2.6　支架回收及工作面收尾

隨著工作面推進，掩護支架在移架過程中呈現(xiàn)出向前和向下的分向位移，因此需不斷在上部架頭加裝支架、下部架尾拆除支架，如此循環(huán)，實現(xiàn)工作面推進。掩護支架在工作面下部架尾逐架拆除回收再利用。

工作面回采結(jié)束后，收尾采用全部回收法，用圓木支柱全面支護，由下向上拆除所有掩護支架，收尾時間約一周。

3　主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)對比

2-1區(qū)西一段工作面采用俯偽斜柔性掩護支架長壁采礦工藝，自2017年7月開始回采，工作面采用“三·八制”作業(yè)，班內(nèi)準(zhǔn)備，最高日產(chǎn)量405 t，正常日產(chǎn)量340 t。

工作面回采率93.4%，較空場采礦法大幅提升，增大了資源利用。

材料費：工作面直接成本8.23元/t，主要是炸材、木料、膠管、溜槽、五金等。

4　結(jié)語

俯偽斜柔性掩護支架采礦工藝安全可靠性高，資源回收率高，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)量穩(wěn)定，降低了頂板管理難度，經(jīng)濟效益顯著，開創(chuàng)了錳礦層開采先河，為錳礦開采增添了新工藝，在傾斜～急傾斜錳礦層規(guī)?；_采礦山具有很強的推廣應(yīng)用價值。