李家灣錳礦傾斜錳礦層俯偽斜柔性掩護(hù)支架長(zhǎng)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(yù)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(chǔ)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(jì)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(gè)大斷層F1、F8，F(xiàn)1斷層為正斷層，是礦井北西向主控?cái)鄬?，平面上近東西走向，北西盤下降，南東盤上升，斷距達(dá)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?cái)鄬?，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(qiáng)度較低，屬半堅(jiān)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(xì)粒砂巖及含礫砂巖，物理力學(xué)強(qiáng)度好，屬堅(jiān)硬—半堅(jiān)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?qǐng)霾傻V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?qǐng)霾傻V法。空?qǐng)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?qǐng)隹宥群晚敯灞┞睹娣e越大，垮塌風(fēng)險(xiǎn)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(dá)60%左右?？?qǐng)霾傻V法的另一個(gè)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(shí)掌握頂板動(dòng)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(hù)，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?qǐng)霾傻V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(gè)工作面日產(chǎn)150 t左右，產(chǎn)能較低?？傊?qǐng)霾傻V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(jìn)煤礦應(yīng)用較為成熟的柔性掩護(hù)支架采礦工藝，其特點(diǎn)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(jiǎn)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(duì)破碎頂板的安全控制效果較好。

2　俯偽斜柔性掩護(hù)支架長(zhǎng)壁采礦工藝

2.1　原理

掩護(hù)支架呈“弓”型，由1根11#礦工鋼彎制而成，安裝時(shí)用4根φ26 mm鋼繩連成整體，支架之間安裝堅(jiān)實(shí)木料，從而形成柔性掩護(hù)支架支護(hù)體，配合DZ20型外注式單體液壓支柱控架。掩護(hù)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(hù)支架背頂松散巖石重力。掩護(hù)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(hù)支架受力移動(dòng)。掩護(hù)支架之間采用木料卡緊卡牢，因而不會(huì)發(fā)生架間倉漏事故。作業(yè)人員在支護(hù)體“穹頂”的保護(hù)下作業(yè)，安全可靠。

地應(yīng)力測(cè)定和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，采礦工作面前方10 m至后方15 m為應(yīng)力相對(duì)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(diǎn)的拱式平衡，所以采場(chǎng)空間處于低應(yīng)力狀態(tài)。采場(chǎng)支護(hù)的面積越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力就越小。掩護(hù)支架采礦工藝支護(hù)寬度不足2 m，較其它采礦工藝大幅減小了采場(chǎng)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(shí)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(chǎng)支護(hù)壓力。

2.2　工作面布置

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

試驗(yàn)工作面2-1區(qū)西一段走向長(zhǎng)280 m、傾向長(zhǎng)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(chǔ)量8.5萬t；設(shè)計(jì)用2 m架型掩護(hù)支架，采厚2.2 m，預(yù)計(jì)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(hù)支架，掩護(hù)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(hù)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(hù)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(qiáng)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(jī)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(jí)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(hù)支架。移架完成后，工作面即完成一個(gè)采礦、移架循環(huán)。

礦石運(yùn)輸：工作面自溜→機(jī)巷刮板輸送機(jī)運(yùn)輸→中段運(yùn)輸巷礦車或皮帶輸送機(jī)運(yùn)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(hù)支架長(zhǎng)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(diǎn)在于采空區(qū)頂板管理方法、掩護(hù)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(shí)施上隅角強(qiáng)制放頂，切斷直接頂促使其垮落，使掩護(hù)支架架頂有足夠的墊層。強(qiáng)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(hù)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(hù)支架與水平面的夾角，其經(jīng)驗(yàn)公式：

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

以試驗(yàn)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(hù)支架工作姿態(tài)、阻止其妄動(dòng)的根本，受力狀態(tài)取決于支柱支護(hù)角度和本身承載能力。支柱支護(hù)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(dòng)，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(dòng)力，還能便于移架，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，控架支柱比支架仰置角度大70°～85°較為適宜。支護(hù)時(shí)，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(dòng)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(hù)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(shí)升壓、卸壓的特點(diǎn)，能靈活控制掩護(hù)支架的運(yùn)動(dòng)方向，從而使掩護(hù)支架的移動(dòng)在人為操作的掌控中，達(dá)到有效控制。

2.6　支架回收及工作面收尾

隨著工作面推進(jìn)，掩護(hù)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(shí)現(xiàn)工作面推進(jìn)。掩護(hù)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(hù)，由下向上拆除所有掩護(hù)支架，收尾時(shí)間約一周。

3　主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2-1區(qū)西一段工作面采用俯偽斜柔性掩護(hù)支架長(zhǎng)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?qǐng)霾傻V法大幅提升，增大了資源利用。

材料費(fèi)：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(hù)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(jì)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(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。