金 明

(中國高嶺土有限公司，江蘇 蘇州 215163)

高嶺土礦開采方法及其礦壓研究

金 明

(中國高嶺土有限公司，江蘇 蘇州 215163)

結(jié)合高嶺土礦開采的特點(diǎn)介紹了其開采方法，分析了導(dǎo)致沖擊地壓的因素。以陽西礦為例，總結(jié)了高嶺土礦的具體開采方法和預(yù)防事故發(fā)生采取的措施。

高嶺土礦； 開采工作面； 開采方法； 礦壓

1 前言

通過資料收集與調(diào)研考察，不難看到國外對于較高難度的礦層開采一般采用的是長壁崩落法，主要工作方式是機(jī)械化采礦。如美國的阿連德天然堿礦以及前蘇聯(lián)的恰圖拉錳礦，不管是工作面的落礦，礦層頂板的管理方法亦或是礦石運(yùn)輸?shù)姆绞饺恳跃C合機(jī)械方式進(jìn)行，這主要是長壁式崩落方法所采用的管理形式相對其他方法要簡單得多，大部分采用的是綜合工作隊(duì)的勞動(dòng)方式。

2 高嶺土礦開采方法

我國高嶺土礦資源相當(dāng)豐富，目前已經(jīng)探明的礦產(chǎn)地有260多處，排名在世界上居于前列，非煤建造高嶺土資源重點(diǎn)分布在湖南、江蘇、福建、廣東等省，大約占我國總儲(chǔ)量的85%；而含煤建造高嶺土則集中分布于陜西、內(nèi)蒙古、山西等地[1]。

目前，開采高嶺土的方法主要采用單層崩落采礦法，這種方法主要根據(jù)開采工作面長度或形式的差異，靈活地采取長壁崩落法或短壁式崩落法。長壁式工作面在開采過程中主要靠傾斜的角度進(jìn)行開采，由于傾斜的方向有所不同，所以要根據(jù)方向劃分階段。短壁工作面就是在劃分出來的階段中進(jìn)行設(shè)置。長壁式工作面的長度大部分在30～60m之間，短壁式工作面的長度大概在15～30m之間。

有些礦體的頂板不穩(wěn)定且礦體形式為緩傾斜層狀薄礦體，這種礦體采用的開采方式是單層長壁式崩落法。其特征是根據(jù)階段進(jìn)行礦體劃分，根據(jù)階段的傾斜角度進(jìn)行全長工作面布置，根據(jù)傾斜的走向進(jìn)行推進(jìn)，一次采全高，根據(jù)工作面進(jìn)行開采，按照預(yù)先的規(guī)劃進(jìn)行回柱放頂，使脫落或者崩落的頂板能安全地填滿采空區(qū)[2]。采用盤區(qū)進(jìn)行劃分時(shí)，部分礦山會(huì)將盤區(qū)沿傾斜分成50～60m范圍的分段，在盤區(qū)的中央設(shè)置兩條上山。工作面的設(shè)置可以采用下設(shè)運(yùn)輸巷、上設(shè)回風(fēng)巷道的方式，由外向內(nèi)采取后退式開采。以某高嶺土礦開采為例，如下圖1為礦體垂直分帶特征。

1—腐植層；2—粘土層；3—礦體鐵質(zhì)污染帶；4—全風(fēng)化砂質(zhì)高嶺土礦石帶；5—半風(fēng)化巖石狀礦石帶圖1 礦體垂直分帶特征

3 沖擊礦壓對高嶺土礦工作面開采的影響

一般來講，沖擊地壓通常指的是巖爆現(xiàn)象，也就是在開采過程中，高嶺土礦軟巖體中聚集的彈性勢能在具備一定條件下，以極其劇烈的形式在瞬間釋放，導(dǎo)致巖石爆裂甚至彈射出來的情形。在一定范圍內(nèi)，沖擊地壓往往會(huì)讓人感覺到地震，有時(shí)可能還會(huì)向采掘空間拋出許多高嶺土巖塊，造成礦塵四處飛揚(yáng)，釋放出大量的瓦斯[3]，其原因是巖爆會(huì)產(chǎn)生巨大的聲響、巖體的震動(dòng)以及沖出波?？梢姏_擊地壓的破壞性相當(dāng)巨大。由于開采深度與沖擊的強(qiáng)度和頻率常常成正比，因此，極有可能同時(shí)影響部分未受到?jīng)_擊的礦井。

(1)頂?shù)装鍡l件及高嶺土礦層厚度。在高嶺土礦開采過程中，比較容易造成沖擊地壓情況發(fā)生的因素有：高嶺土礦層頂板厚度太大，間隙過于致密、材質(zhì)過于堅(jiān)硬等。尤其材質(zhì)極其堅(jiān)硬、厚度太大的層砂巖頂板，往往能聚積大量的彈性變形勢能，在柱破斷或滑移過程中，聚積起的彈性勢能會(huì)瞬間猛烈釋放，形成劇烈震動(dòng)，從而引起沖擊地壓[4]。這是由于材質(zhì)過于堅(jiān)硬的底板更容易使礦體聚積能量，導(dǎo)致沖擊地壓隨之增強(qiáng)。

(2)開采深度。在高嶺土礦的開采中，隨著開采深度及范圍的不斷增加，礦層中的自重應(yīng)力也隨之持續(xù)增加，進(jìn)而使彈性勢能持續(xù)增加，引發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象的可能性也會(huì)隨之增大。而在高嶺土礦層淺部位進(jìn)行開采時(shí)，盡管有部分礦層具有沖擊的潛在威脅，但因高嶺土礦體的應(yīng)力不夠強(qiáng)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到臨界點(diǎn)，因此不會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。所以，在開采高嶺土礦之前，務(wù)必要先確定臨界點(diǎn)，以減少?zèng)_擊地壓現(xiàn)象發(fā)生的概率。

(3)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造會(huì)嚴(yán)重影響沖擊地壓，一旦某一地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域聚積了大量的彈性變形勢能，則在此區(qū)域內(nèi)開采時(shí)，很有可能引發(fā)沖擊地壓。但是在自重應(yīng)力極其容易釋放的區(qū)域進(jìn)場采掘時(shí)，如在向斜、背斜翼部寬緩的區(qū)域進(jìn)行挖采時(shí)，一般不會(huì)引起沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生[5]。

以陽西高嶺土礦開采為例，周期來壓步距各測站頂板周期來壓步距如表1所示(支架37數(shù)據(jù)丟失)。由表1可以看出，在礦壓監(jiān)測期間，工作面長度方向周期來壓出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。第10支架處(埋深70m)共經(jīng)歷7次周期來壓，其中最小步距6.60m，最大步距18.60m，平均14.10m，變化范圍比較大。

表1 各測站頂板周期來壓步距

表2 為各測站部位周期來壓支架載荷特征。由表 2 可知，工作面中部周期來壓顯現(xiàn)明顯，高嶺土礦開采工作面下部隨著覆巖厚度的增加，支架載荷有增大趨勢。

4 開采方法和預(yù)防措施

4.1 開采方法

在上述礦壓情況下，中國高嶺土有限公司陽西礦和觀山礦通過多年的開采實(shí)踐，總結(jié)出一套切實(shí)有效的單層崩落開采方法。流程包括：掘進(jìn)扶棚；開門扶抬棚；扶臨時(shí)棚和切幫回退；回封三岔門和四岔門；處理懸頂和出礦作業(yè)；采場修理。

表2 各測站部位周期來壓支架載荷特征

(1)掘進(jìn)扶棚。掘進(jìn)應(yīng)遵循自上而下進(jìn)行，進(jìn)尺滿50cm以上必須及時(shí)挑好頂板、控制頂幫部，防止空幫、空頂，底板找平，滿70cm必須及時(shí)支護(hù)并控制好巷道中心點(diǎn)，不得偏左偏右(掘進(jìn)巷道必須垂直)。支護(hù)采用梯形木棚支護(hù)，如圖2所示(實(shí)際扶棚誤差不得超過50mm)。采區(qū)木棚采用一梁二腿組成，梁腿采用切口接口，用料使用14～16cm圓木加工而成。每架棚頂板不少于4塊，兩幫幫板不少于6塊(即兩幫各3塊)，如發(fā)現(xiàn)土質(zhì)松的地方應(yīng)采取措施，增加幫板一邊4塊，確保兩幫不松動(dòng)，木楔不少于20個(gè)，并必須打牢。支護(hù)方法：當(dāng)全斷面掘好后，先掏腿窩，再固定腿，觀察兩邊腿是否平行，如不平行必須處理平行后再放上梁，頂部木楔先打好，然后固定兩幫，如出現(xiàn)幫稍有空隙，可采用井字形楔固定(頂部也是如此)，并注意巷道的中心線。

圖2 掘進(jìn)扶棚示意圖

(2)開門扶抬棚。開門之前先將幫、頂木楔打緊，檢查保護(hù)棚是否完好，如有斷梁、斷腿、棚斜等情況必須先處理好，然后去掉開門處幫板進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)50cm以上必須先挑好頂板(頂板到原直巷木棚梁頭處橫木板再挑出)，滿一架支護(hù)距離時(shí)立即支護(hù)，先將第二棚支護(hù)好(第二棚腿與臺棚腿要靠近，支護(hù)操作程序按掘進(jìn)程序進(jìn)行)，然后再扶臺棚、逐架架設(shè)穿梁，架穿梁應(yīng)先里后外，如直巷木棚低于1.5m時(shí)采用翻棚后再開門，翻棚從外向里逐架進(jìn)行。抬棚采用16cm以上優(yōu)質(zhì)木料加工，抬棚穿梁采用長穿梁，每架抬棚加設(shè)4根長穿梁，支護(hù)前要加工好穿梁，穿梁采用16cm以上圓木，抬棚穿梁加工成弧形馬口，接口要嚴(yán)密，頂、幫木楔要打緊。

(3)扶臨時(shí)棚和切幫回退。通常相鄰兩條進(jìn)路間距是4m，進(jìn)路之間的幫厚在2m左右。為確保礦石回采率達(dá)到國家規(guī)定，當(dāng)幫厚大于1m，必須開門扶臨時(shí)棚；大于3m必須扶抬棚；少于1m可直接逐架切幫回退，但每班不超過4m。切幫開門扶臨時(shí)棚，首先要打緊幫、頂木楔，然后再卸幫板掘進(jìn)，臨時(shí)棚應(yīng)該至少2架以上。如果掘進(jìn)不足1m就穿回采區(qū)，則可采用直接切幫形式回退，切幫回退一次不得超過2個(gè)棚檔距離。下班時(shí)不得留有空棚檔。

(4)回封三岔門和四岔門?；胤馊黹T、四岔門前，應(yīng)首先檢查保護(hù)棚及周邊安全情況，如果有不安全情況必須先處理好，然后將頂、幫木楔打緊，再卸幫板采墩子，采墩子時(shí)不允許將原封門假頂、中柱撤除，防止大塊礦石沖出?；胤馊黹T、四岔門前，應(yīng)先回封左右和前方保護(hù)棚，撤保護(hù)棚應(yīng)視安全情況左右交替回撤，具體還應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)作業(yè)情況決定(因?yàn)榫伦鳂I(yè)情況千變?nèi)f化，回撤條件有好有壞)?；爻非?，穿梁應(yīng)打好中柱，回撤到三岔門、四岔門時(shí)應(yīng)逐架回撤。回撤時(shí)，必須一人操作、一人專門觀察安全情況并提供照明，操作人員身后為方便退路禁止站人，10m以內(nèi)禁止有雜物。

(5)處理懸頂和出礦作業(yè)?；爻泛箜敳课绰漤?，造成懸頂，在不出棚可進(jìn)行挑頂處理情況下，采用打切割線方法進(jìn)行處理，如果不出棚無法對懸頂進(jìn)行處理，絕不能出棚進(jìn)行強(qiáng)行處理，可采用加固處理方法(打中柱或留保護(hù)棚)或采用爆破強(qiáng)制落頂處理。回撤后，如果采空區(qū)礦落滿巷道，經(jīng)礦生產(chǎn)現(xiàn)場管理人員同意或跟班安全調(diào)度同意后，可以出礦。但如下一條進(jìn)路需開門，為保護(hù)三腳門或四腳門，應(yīng)控制出礦量，采空區(qū)高于棚梁2m以上禁止出礦，立即封閉。嚴(yán)禁兩頭同時(shí)作業(yè)。

(6)采場修理。各作業(yè)面須根據(jù)布置實(shí)行先修理后生產(chǎn)原則，操作時(shí)應(yīng)先控制好頂、幫，逐架由外往里進(jìn)行，禁止直接拉棚后在大跨度暴露空間下進(jìn)行作業(yè)。如果土質(zhì)特別松散，用木板挑頂后拉棚可能會(huì)造成冒頂，在拉棚前應(yīng)在木棚前后打好中柱再拉棚。如果修理范圍較大，修理時(shí)間可能較長，為防止發(fā)生倒棚或冒頂，應(yīng)根據(jù)棚子牢固情況決定是否先打中柱后修理。

4.2 預(yù)防措施

中國高嶺土有限公司陽西礦和觀山礦在多年的開采實(shí)踐中，采用單層崩落法開采有著豐富的經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)出礦壓事故預(yù)防技術(shù)，具體為：預(yù)留保護(hù)層的開采；避免選擇以孤島為開采對象；采用大斷面掘進(jìn)；避免巷道多處交叉；加大對頂板的控制力度；制定合理的開采流程；通過高嶺土礦層預(yù)注水的方式減小高嶺土礦體的彈性以及強(qiáng)度。

(1)避免孤立高嶺土礦柱的形成。在進(jìn)行井田和采區(qū)劃分時(shí)，一定要確保有計(jì)劃的合理開采，避免導(dǎo)致孤立高嶺土礦柱應(yīng)力的聚積，具備條件的采區(qū)可采用跨上山開采和沿空掘巷(或留巷)等無高嶺土礦柱開采技術(shù)，可以避免應(yīng)力的聚積。比如，可以先采掘無沖擊地壓或潛在威脅極小的礦層，同時(shí)要確保在全走向內(nèi)不得殘留高嶺土礦柱，以免應(yīng)力聚積。

(2)合理的巷道布置。在進(jìn)行有沖擊威脅的高嶺土礦層開采時(shí)，要盡量把主要的巷道和硐室布置在底板巖石中。在掘進(jìn)過程中，距離危險(xiǎn)層越近越要采取相應(yīng)的預(yù)防措施，增加炮眼，加大炸藥量，采取劇烈震動(dòng)的形式，使沖擊能量得到足夠釋放，擴(kuò)大藥柱與炮眼孔壁的間隙，盡一切可能降低應(yīng)力梯度[6]。

(3)對開采順序進(jìn)行合理安排。合理安排采掘順序能夠有效防止高嶺土礦工作面形成“半島”。為了避免相向回采與掘進(jìn)，應(yīng)當(dāng)使用后退式開采。在開采工作面以注入高壓水方式使高嶺土礦體均勻且濕潤，含水量可以增加到4%左右，使高嶺土礦體呈現(xiàn)塑性的變化形式，降低應(yīng)力的梯度，減少礦塵飛揚(yáng)，防止沖擊。

(4)開采保護(hù)層。在采掘高嶺土礦層群時(shí)，可以采取先開采保護(hù)層的做法。當(dāng)遇到所有高嶺土礦層都有沖擊地壓潛在危險(xiǎn)時(shí)，要及時(shí)選擇沖擊地壓潛在危險(xiǎn)性最小的高嶺土礦層進(jìn)行采掘[7]。進(jìn)行保護(hù)層開采后，在確保被保護(hù)層內(nèi)能受到保護(hù)的區(qū)域可以對無沖擊地壓高嶺土礦層進(jìn)行開采工作。未設(shè)置防護(hù)措施的區(qū)域，采取放頂卸壓、礦層注水、打卸壓鉆孔、超前爆破松動(dòng)高嶺土礦體或其他防治措施[8]。在進(jìn)行嚴(yán)重沖擊地壓的單一高嶺土礦層和無保護(hù)層可采高嶺土礦層開采時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行防護(hù)措施。保護(hù)層有效范圍和回采超前距離的劃分應(yīng)根據(jù)對礦井考察的實(shí)際情況決定。

5 結(jié)語

在高嶺土礦采掘過程中，應(yīng)高度重視工作面掘進(jìn)扶棚的質(zhì)量，特別是在掘進(jìn)采區(qū)巷道時(shí)，必須對巷道按30～40cm的間距加密扶棚(傳統(tǒng)扶棚間距65cm左右)，進(jìn)而延長采區(qū)巷道維護(hù)時(shí)間。而在降層采掘過程中，一旦發(fā)現(xiàn)反井水泥盤料嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，必須第一時(shí)間對反井進(jìn)行維修，以確保采場進(jìn)出通道絕對安全。同時(shí)，在高嶺土礦開采過程中，如果出現(xiàn)斷梁斷腿現(xiàn)象必須及時(shí)反修，保障采場運(yùn)輸暢通和安全。此外，需要嚴(yán)格規(guī)范管理回采面以控制其出礦量，預(yù)防因過度回采而引發(fā)的沖水沖漿和人身傷害事故。中國高嶺土有限公司觀山礦和陽西礦在礦壓較大的情況下，運(yùn)用此種采礦方法，在保證安全的前提下取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Study on the mining method and rock pressure of kaolinite mine

Based on the characteristics of kaolinite mining the mining method was introduced, and the factors of causing rock burst was analyzed. Taking Yangxi mine as the example, the mining method and the measures to prevent accidents were summarized.

kaolinite mine; working face; mining method; rock pressure

TD873+.2

B

2017-- 03-- 29

2017-- 07-- 10

金 明(1982-)，男，江蘇蘇州人，工程師，從事采礦技術(shù)和安全管理工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0050-- 04