遵义长沟锰矿俯伪斜走向长壁分段密集采矿法研究

詹海青，邱宏伟

(1.中信大锰矿业有限责任公司，广西 南宁 530029;2.贵州遵义汇兴铁合金有限责任公司，贵州 遵义 563004)

0 前 言

传统的金属非金属矿山采矿方法为空场采矿法、崩落采矿法、充填采矿法，由于非煤矿山受矿床赋存条件及机械设备的限制，相对而言，生产能力较小。贵州遵义长沟锰矿矿床赋存为层状沉积矿床，由于一直沿用留矿采矿法和房柱采矿法进行开采，生产能力无法提高，安全性较差，因此借鉴煤矿长壁开采工艺，寻求一种安全高效的采矿方法对于长沟锰矿来说具有重要意义。

1 采矿地质条件

长沟锰矿沙坝矿区矿体呈单层状产出，矿层产于二叠系上统龙潭组底部，以假整合接触关系覆于二叠系下统“白泥塘层”(相当于茅口组灰岩第2段)薄层状含炭质石灰岩之上，呈层状、似曾状产出，层位稳定，走向近东西，倾向南，沿走向长4 100 m，沿倾向延伸1 000 m未见尖灭，矿层平均倾角35(°)，平均厚度1.98 m，平均地质品位：Mn 21.80%，沿走向和倾向有一定变化规律。西部倾角变化较大，局部直立或倒转，一般35(°)～55(°)；东部较缓，局部<20(°)，一般20(°)～40(°)。西部较厚，局部3.00 m以上，一般2.00～3.00 m；东部较薄，局部<1.50 m，一般1.50～2.00 m[1]。

矿层的顶底板岩性分别为：1)老顶为深灰到灰色中厚层状生物碎屑硅质石灰岩，岩性坚硬，节理、裂隙一般不发育，稳定性好，硬度系数f=15～16，厚度为10～15 m；2)直接顶为深灰色到灰白色粘土页岩，节理、裂隙发育，极不稳定，直接影响采场暴露面的大小，硬度系数f=4～5，体重为2.60 t/m3，厚度为0～2.00 m，直接顶是采场回采的重大安全隐患，一般不允许暴露，若采场回采时不慎暴露，必须采取防冒顶的安全措施；3)伪顶为深灰色长石粉砂质泥岩含菱铁矿及黄铁矿结核，部分含锰质，在底部常见粘土岩斑块及扁平砾石，不稳定，厚度为0.11～1.85 m，平均厚度为0.50 m，伪顶暴露时易于和直接顶一起冒落；4)直接底为灰色到灰绿色粘土页岩，含细粒状黄铁矿，具微细层理，硬度系数f=4～5，体重为2.60 t/m3，厚度为0～2.00 m，直接底易混入造成矿石贫化；5)老底为深灰色、灰黑色、黑色薄层至中厚层状含炭硅质石灰岩、间夹薄层硅质岩。

矿层中氧化锰矿石较疏松，碳酸锰矿石较坚硬，一般下部致密坚硬，力学性质良好，中、上部力学性质较差。测试矿石极限抗压强度为41.32～164.15 kg/cm2，极限抗剪强度为7.03～62.14 kg/cm2，变化较大，力学性质不稳定，不同地段稳固性差异较大。

目前长沟锰矿现有5个生产采区，从西向东依次为1、2、3、4、6采区。

2 现有采矿方法

长沟锰矿目前的采矿方法主要是留矿采矿法和房柱采矿法。

1) 留矿采矿法

留矿采矿法工艺简单，管理方便，可利用矿石自重放矿，采准工程量小等优点。若用留矿法开采中厚以上矿体，矿柱矿量损失贫化大；工人在较大暴露面下作业，安全性差；平场工作繁重，难以实现机械化。

2) 房柱采矿法

房柱采矿法是开采水平和缓倾斜矿体最有效的采矿方法。他的采准切割工程量不大，工作组织简单，坑木消耗少，通风良好，矿房生产能力高。但矿柱矿量所占比重较大，且一般不进行回采，矿石损失较大。

由于长沟锰矿矿体不是很厚，2种采矿方法的工作面单产均较低，实践表明长沟锰矿目前工作面平均单产2 000 t/月，全矿要达到30万t的年生产规模需要布置很多工作面，这会造成生产系统复杂，管理难度较大；加之顶板不是很稳固，片帮冒顶事故时有发生。

3 俯伪斜走向长壁分段(密集)采矿法研究

俯伪斜走向长壁分段(密集)采矿法的主要特点是：直线长壁工作面按俯伪斜方向布置，沿走向推进[2]。特殊情况下，用分段水平密集切顶档矸隔离采空区与回采空间。工作面分段打眼爆破落矿，矿石自溜运输。

3.1 工作面布置

俯伪斜走向长壁分段密集采矿法工作面布置如图1所示。

1 区段运输平巷；2 区段回风平巷；3 准备眼；4 下安全出口；5 溜矿眼；6 “人”字形溜矿眼；7 密集支柱

直线工作面伪斜布置，伪斜角度一般30(°)～35(°)，工作面斜长达50～60 m。当后方矸石冒落易进入支柱支护区域时，用分段水平密集切顶档矸隔离采空区与回采空间[3]，沿矿层倾斜方向每隔3.0 m左右设置1排近似水平的密集支柱，如图1(A点放大图)所示。在回采期间，工作面下部的小眼前掘后废。但至少要同时保持3个小眼，其中1个作准备眼，1个作下安全出口，进风行人，1个用于溜矿。溜矿眼的倾角以满足矿石自溜为准，一般采取40(°)以上，如果因底板起伏等原因，矿流不畅时，可以铺设溜槽。地质条件允许情况下也可将工作面下的“人”字形溜矿眼改为双平巷布置。

3.2 工作面初采

为便于人员上下和初采时工作面溜矿，开切眼通常沿伪斜方向掘进，并且其下部的溜矿、行人眼沿矿层真倾斜掘进，如图2所示。

1 区段运输平巷；2 区段回风平巷；3 开切眼；4 溜矿、行人眼；5 初采中的工作面矿壁；6 初采结束时的工作面矿壁

工作面初采从开切眼与区段回风平巷的贯通处开始，按既定的工作面伪斜角度自上而下推进，工作面长度逐渐增大。当工作面矿壁到初采结束时的工作面矿壁位置时，初采工作面即告结束，工作面转入正常回采阶段。

3.3 正常回采

工作面采用爆破方式落矿，自下而上分段爆破。为加快工作面推进速度而使爆破后暴露顶板得以及时支护，爆破、运矿、支护工序分段平行作业。为防止爆破矿石抛入采空区，爆破前在矿壁侧的第1排支柱上挂设挡矿板。为保证上分段爆破时不威胁下分段支护工的安全。爆破结束后，挡板即可撤走。在矿壁与第1排队支柱间，布置电耙耙矿。工作面采出的矿石自溜到工作面下端的溜矿眼，在溜矿眼下口装载外运。

工作面支护采用金属支柱和铰接顶梁走向棚子，正悬臂齐梁齐柱布置。支柱采用单体液压支柱。基本柱柱距1 m，排距1 m。支柱要采取防滑措施，柱窝要挖到硬底，特殊情况下要对金属柱作防滑处理，如在底座上焊防滑钉。

工作面采取3、5排控顶，即最大控顶距为5排支柱，最小控顶距为3排支柱。全部垮落法处理采空区，必要时人工强制放顶。当回风平巷下方的采空区出现大面积悬顶时，除采用人工强制放顶外，也可炸掉上部矿柱，将上区段采空区冒落矸石放入本区段采空区。

3.4 工作面收作

当工作面上端矿壁推进到距离收作眼3 m时，工作面回采进入收作阶段。在工作面收作期间，工作面伪斜角不变，因此工作面长度逐渐缩短，如图3所示。

1 区段运输平巷；2 区段回风平巷；3 收作眼；4 联络平巷；5 收作中的工作面矿壁；6 收作眼矿柱

为了保证收作期间通风、行人和运料的需要，必须始终保持收作眼畅通无阻，所以在收作眼靠工作面一侧要留设保护矿柱。保护矿柱走向宽3 m，两联络平巷间的倾斜长度为5 m。

3.5 顶板管理

在长壁法中顶板管理是十分重要的问题，他不仅关系到安全生产，而且也在很大程度上影响劳动生产率、支柱消耗和回采成本等。

1) 支护

工作面支护的作用主要是延缓顶板下沉，防止顶板局部片落，以保证回采工作正常进行。因此，支柱应具有一定的刚性和可缩性。就是说支柱应既有一定的承载能力，又可在压力过大时，借助一定的可缩量，避免损坏。长沟锰矿设计选用单体液压支柱加铰接顶梁的支护方式，工作面采用齐梁齐柱直线式走向正悬臂布置。工作面采用全部垮落法顶板管理，如图4所示。初次放顶采用4、6排管理，正常回采采用3、5排管理。严格控制采高，初次放顶采高控制在2 m内。

a爆破前；b爆破后

单体支柱利用液压装置来获得一定的可缩量。为了防止顶板冒落应及时支护。还必须保证支架质量，使所有支架受力均匀。回采过程中加强基本支架管理，做到支架正规，保证单体初撑力达到要求。

放炮后敲帮问顶，便可在已支护顶板的顶梁前端，沿工作面挂金属铰接顶梁。金属铰接顶梁的长度要与采矿工作面每次推进度相同或成整数倍。正常支护状态下，金属铰接顶梁下的单体支柱将顶梁划分为2段，正悬臂支架的悬臂长段在支柱的矿壁侧，短段在支柱的采空区侧，倒悬臂支架则相反，其长段伸向采空区侧，易损坏顶梁，但支柱不易被采空区侧的矸石埋住。

爆破进尺分3种情况：a爆破进尺为2 m，金属铰接顶梁选用HDJA-1000，长度为1 000 mm，爆破1次，接长根数为2根；b爆破进尺为1.6 m，金属铰接顶梁选用HDJA-800，长度为800 mm，爆破1次，接长根数为2根；c爆破进尺为1.2 m，金属铰接顶梁选用HDJA-1200，长度为1 200 mm，爆破1次，接长根数为1根。

2) 放顶

随长壁工作面的推进，顶板暴露面积逐渐加大，顶板压力也随之增大，如不及时处理，可能出现支柱被压坏，甚至引起采空区全部冒落，被迫停产。为了减少工作空间的压力，保证回采工作的正常进行，当工作面推进一定距离后，除了保证正常回采所需要的工作空间用支柱支护外，应将其余采空区的支柱全部(或部分)撤除，使顶板崩落下来，用崩落下来的岩石充填采空区。顶板岩石崩落后，采空区暴露面积减少，因此工作空间顶板也随之减小，形成1个压力降低区，如图5所示。

a 应力降低区；b 应力升高区；c 应力稳定区

每次放顶的宽度称为放顶距。放顶后所保留的能维持正常开采工作的最小宽度称为控顶距，在长沟锰矿长壁开采技术中选3排的支柱距离。顶板暴露后的宽度为悬顶距，放顶时的悬顶距为最大悬顶距，等于放顶距与控顶距之和，最小的悬顶距等于控顶距，如图6。

1顶柱；2安全出口；3长壁面；4矿石溜井；5放顶距；6控顶距；7悬顶距

放顶距及控顶距根据岩石稳固性、支柱类型及工作组织等条件确定。放顶距变化的范围较大，由1排到5排的支柱间距。合理的放顶距应在保证安全的前提下，使支护工作量及支柱消耗量最小，使工作面采矿强度及劳动生产率最大。除去加强顶板支护与放顶工作外，必须注意总结与掌握采场地压分布状态和活动规律，以便更好的确定顶板管理中的有关参数。

矿块开始回采的第1次放顶与以后各次放顶的情况是不同的。第1次放顶的条件比较困难，因为这时顶板类似两端固定的梁，不容易全放下来。而以后各次放顶，顶板类似一端固定的悬臂梁，容易放顶。因此，第1次放顶的悬顶距大，约为常规放顶距的1.5～2倍。尤其是当直接顶板比较好时，常产生顶板不下来或冒落高度不够的现象，必要时采用双排密集支柱切顶，同时加强控顶区的维护；当顶板不易冒落时，可以爆破进行强制放顶。

伪顶的存在不仅增加矿石的贫化，并且影响支柱的质量，对生产不利。要注意加强顶板管理工作，保证生产安全。顶板管理中，除做好支护工作外，还要努力提高工作面的推进速度，因为影响地压活动的诸因素中，除地质条件外，时间因素也很重要。实践证明，推进速度快，顶板下沉量小，支柱承受的压力也小，支柱的消耗量也相应的减少，这对安全和生产都极为有利。

3.6 通 风

长壁工作面的通风条件较好，新鲜风流由下部阶段运输巷道经行人道、切割巷道进入工作面。清洗工作面后的污风经上部安全道，排至上部阶段巷道。走向长度大时，应考虑分区通风。

4 结 语

俯伪斜走向长壁分段密集采矿法的采准工作和工作面布置比较简单，同其他采矿方法比，是一种生产能力大、劳动生产率高、损失贫化小，通风条件好的采矿方法。由于工作面呈俯面布置，可以减少矿壁片帮伤人，同时由于顶板得到了有效控制，与房柱法和留矿法相比顶板事故可以得到有效控制。

运输巷道布置在矿层里，这样的巷道布置不仅可以减少多余的运输巷道掘进；而且又由于锰矿围岩稳固，支护简易，这样的采矿方法优势明显。

俯伪斜走向长壁分段密集采矿法的缺点是支护工作劳动强度大，顶板管理复杂。在长沟锰矿中，矿石容重较大，搬运比较困难。又由于顶板粘土岩的混入，使用刮板输送机时粘土岩粘刮板输送机。倾角较大时使用刮板输送机必须使其锚固，加之工作面较短，刮板输送机弯曲长度较大(20～30 m)，操作不便。而使用电耙运搬，电耙随工作面搬运频繁，操作复杂。

经过研究和掌握矿山地压活动规律，改进顶板管理工作，应用机械化的金属支柱，减轻体力劳动，提高安全程度和工作面的推进速度。另外研制新型工作面搬运机械，特别是能用于底板起伏不平的运搬机械，可以改进现有运搬机械，如采用多耙头串式电耙，可提高工作面的运搬能力。

俯伪斜走向长壁分段密集采矿法较长沟锰矿原用的房柱法和留矿法工作面单产大幅度提高，全矿生产规模可以得到保证。按照每年生产330 d，西部平均采高2.5 m，东部平均采高1.5 m，工作面设计长度49 m，每次进尺1.6 m，锰矿石容重3.05 t/m3，东西部每次循环可开采分别为597.8，358.7 t。按照每天推进1个循环计，东、西部各设1个工作面，每天可开采956.5 t，年产量可达315 638 t。另外考虑巷道掘进出矿量，可以保证年产30万t的预期目标。

参考文献：

[1] 贵州省地质矿产勘查开发局.贵州省遵义市遵义锰矿铜锣井、沙坝、长沟矿段资源储量核实报告[R].遵义：贵州省地质矿产勘查开发局106地质大队，2006.

[2] 董宝良.急倾斜煤层俯伪斜走向分段密集采煤法应用[J].现代矿业，2011(8)：78-79.

[3] 李龙瑞.俯伪斜走向分段密集采煤法在六枝煤矿的应用[J].江西煤炭科技，2010(1)：21-22.