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介紹了其開采方法，分析了導致沖擊地壓的因素。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輸?shù)姆绞饺恳跃C合機械方式進行，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的勞動方式。

2 高嶺土礦開采方法

我國高嶺土礦資源相當豐富，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分布在湖南、江蘇、福建、廣東等省，大約占我國總儲量的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行設置。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)階段進行礦體劃分，根據(jù)階段的傾斜角度進行全長工作面布置，根據(jù)傾斜的走向進行推進，一次采全高，根據(jù)工作面進行開采，按照預先的規(guī)劃進行回柱放頂，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)進行劃分時，部分礦山會將盤區(qū)沿傾斜分成50～60m范圍的分段，在盤區(qū)的中央設置兩條上山。工作面的設置可以采用下設運輸巷、上設回風巷道的方式，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—全風化砂質(zhì)高嶺土礦石帶；5—半風化巖石狀礦石帶圖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)，沖擊地壓往往會讓人感覺到地震，有時可能還會向采掘空間拋出許多高嶺土巖塊，造成礦塵四處飛揚，釋放出大量的瓦斯[3]，其原因是巖爆會產(chǎn)生巨大的聲響、巖體的震動以及沖出波?？梢姏_擊地壓的破壞性相當巨大。由于開采深度與沖擊的強度和頻率常常成正比，因此，極有可能同時影響部分未受到?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)過于堅硬等。尤其材質(zhì)極其堅硬、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瞬間猛烈釋放，形成劇烈震動，從而引起沖擊地壓[4]。這是由于材質(zhì)過于堅硬的底板更容易使礦體聚積能量，導致沖擊地壓隨之增強。

(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，礦層中的自重應力也隨之持續(xù)增加，進而使彈性勢能持續(xù)增加，引發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象的可能性也會隨之增大。而在高嶺土礦層淺部位進行開采時，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力不夠強大，遠遠未達到臨界點，因此不會導致沖擊地壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。所以，在開采高嶺土礦之前，務必要先確定臨界點，以減少沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生的概率。

(3)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造會嚴重影響沖擊地壓，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，很有可能引發(fā)沖擊地壓。但是在自重應力極其容易釋放的區(qū)域進場采掘時，如在向斜、背斜翼部寬緩的區(qū)域進行挖采時，一般不會引起沖擊地壓現(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踐，總結(jié)出一套切實有效的單層崩落開采方法。流程包括：掘進扶棚；開門扶抬棚；扶臨時棚和切幫回退；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)掘進扶棚。掘進應遵循自上而下進行，進尺滿50cm以上必須及時挑好頂板、控制頂幫部，防止空幫、空頂，底板找平，滿70cm必須及時支護并控制好巷道中心點，不得偏左偏右(掘進巷道必須垂直)。支護采用梯形木棚支護，如圖2所示(實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)松的地方應采取措施，增加幫板一邊4塊，確保兩幫不松動，木楔不少于20個，并必須打牢。支護方法：當全斷面掘好后，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行掘進，掘進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)，滿一架支護距離時立即支護，先將第二棚支護好(第二棚腿與臺棚腿要靠近，支護操作程序按掘進程序進行)，然后再扶臺棚、逐架架設穿梁，架穿梁應先里后外，如直巷木棚低于1.5m時采用翻棚后再開門，翻棚從外向里逐架進行。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4根長穿梁，支護前要加工好穿梁，穿梁采用16cm以上圓木，抬棚穿梁加工成弧形馬口，接口要嚴密，頂、幫木楔要打緊。

(3)扶臨時棚和切幫回退。通常相鄰兩條進路間距是4m，進路之間的幫厚在2m左右。為確保礦石回采率達到國家規(guī)定，當幫厚大于1m，必須開門扶臨時棚；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。切幫開門扶臨時棚，首先要打緊幫、頂木楔，然后再卸幫板掘進，臨時棚應該至少2架以上。如果掘進不足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個棚檔距離。下班時不得留有空棚檔。

(4)回封三岔門和四岔門。回封三岔門、四岔門前，應首先檢查保護棚及周邊安全情況，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，應先回封左右和前方保護棚，撤保護棚應視安全情況左右交替回撤，具體還應根據(jù)當時作業(yè)情況決定(因為井下作業(yè)情況千變?nèi)f化，回撤條件有好有壞)?；爻非埃┝簯蚝弥兄?，回撤到三岔門、四岔門時應逐架回撤?；爻窌r，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，在不出棚可進行挑頂處理情況下，采用打切割線方法進行處理，如果不出棚無法對懸頂進行處理，絕不能出棚進行強行處理，可采用加固處理方法(打中柱或留保護棚)或采用爆破強制落頂處理?；爻泛?，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。但如下一條進路需開門，為保護三腳門或四腳門，應控制出礦量，采空區(qū)高于棚梁2m以上禁止出礦，立即封閉。嚴禁兩頭同時作業(yè)。

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

4.2 預防措施

中國高嶺土有限公司陽西礦和觀山礦在多年的開采實踐中，采用單層崩落法開采有著豐富的經(jīng)驗?？偨Y(jié)出礦壓事故預防技術(shù)，具體為：預留保護層的開采；避免選擇以孤島為開采對象；采用大斷面掘進；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；通過高嶺土礦層預注水的方式減小高嶺土礦體的彈性以及強度。

(1)避免孤立高嶺土礦柱的形成。在進行井田和采區(qū)劃分時，一定要確保有計劃的合理開采，避免導致孤立高嶺土礦柱應力的聚積，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，同時要確保在全走向內(nèi)不得殘留高嶺土礦柱，以免應力聚積。

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

(3)對開采順序進行合理安排。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，應當使用后退式開采。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，降低應力的梯度，減少礦塵飛揚，防止沖擊。

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

5 結(jié)語

在高嶺土礦采掘過程中，應高度重視工作面掘進扶棚的質(zhì)量，特別是在掘進采區(qū)巷道時，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)，進而延長采區(qū)巷道維護時間。而在降層采掘過程中，一旦發(fā)現(xiàn)反井水泥盤料嚴重損壞時，必須第一時間對反井進行維修，以確保采場進出通道絕對安全。同時，在高嶺土礦開采過程中，如果出現(xiàn)斷梁斷腿現(xiàn)象必須及時反修，保障采場運輸暢通和安全。此外，需要嚴格規(guī)范管理回采面以控制其出礦量，預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)濟效益和社會效益，具有推廣應用價值。

[1] 王 雪，黎 艷，王曉軍，陳 平.Fe3+、Fe2+對白云石、高嶺土、石英浮選行為的影響研究[J].冶金分析，2017，(2)：59-64.

[2] 徐文鵬，崔劍鋒，秦大樹，江建新，鄒福安.景德鎮(zhèn)落馬橋紅光瓷廠窯址出土元代白瓷成分分析及工藝研究[J].故宮博物院院刊，2017，(1)：124-126.

[3] 毛艷麗，羅世田，吳俊峰，康海彥，劉 彪，潘建明，霍鵬偉.高嶺土磁性復合材料表面印跡聚合物選擇性吸附分離環(huán)丙沙星[J].無機化學學報，2017，(1)：81-88.

[4] 熊 濤，黃會春，謝美芳，王勇平.某砂質(zhì)高嶺土礦SLon漿料機除鐵提純試驗研究[J].非金屬礦，2016，(6)：76-78.

[5] 徐志永，白春華.金屬氧化物摻雜高嶺土納米二氧化鈦光催化復合材料研究[J].無機鹽工業(yè)，2016，(10)：77-80.

[6] 葉張煌，閆 強，王安建，李以科，汪柏山.廣西合浦縣耀康高嶺土礦地質(zhì)特征和礦床成因[J].桂林理工大學學報，2016，(2)：207-213.

[7] 宋煥霞，趙世煌，趙桂軍，韓淑琛.府谷沙川溝礦區(qū)高嶺土礦實物地質(zhì)資料開發(fā)利用[J].中國礦業(yè)，2015，(11)：158-160.

[8] 林玉滿，許旭萍，魏招娣.鐵還原菌RBFL分離鑒定及其去除高嶺土中Fe2O3[J].福建師范大學學報(自然科學版)，2015，(1)：73-78.

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