高岭土矿开采方法及其矿压研究

金 明

(中国高岭土有限公司，江苏 苏州 215163)

高岭土矿开采方法及其矿压研究

金 明

(中国高岭土有限公司，江苏 苏州 215163)

结合高岭土矿开采的特点介绍了其开采方法，分析了导致冲击地压的因素。以阳西矿为例，总结了高岭土矿的具体开采方法和预防事故发生采取的措施。

高岭土矿； 开采工作面； 开采方法； 矿压

1 前言

通过资料收集与调研考察，不难看到国外对于较高难度的矿层开采一般采用的是长壁崩落法，主要工作方式是机械化采矿。如美国的阿连德天然碱矿以及前苏联的恰图拉锰矿，不管是工作面的落矿，矿层顶板的管理方法亦或是矿石运输的方式全部以综合机械方式进行，这主要是长壁式崩落方法所采用的管理形式相对其他方法要简单得多，大部分采用的是综合工作队的劳动方式。

2 高岭土矿开采方法

我国高岭土矿资源相当丰富，目前已经探明的矿产地有260多处，排名在世界上居于前列，非煤建造高岭土资源重点分布在湖南、江苏、福建、广东等省，大约占我国总储量的85%；而含煤建造高岭土则集中分布于陕西、内蒙古、山西等地[1]。

目前，开采高岭土的方法主要采用单层崩落采矿法，这种方法主要根据开采工作面长度或形式的差异，灵活地采取长壁崩落法或短壁式崩落法。长壁式工作面在开采过程中主要靠倾斜的角度进行开采，由于倾斜的方向有所不同，所以要根据方向划分阶段。短壁工作面就是在划分出来的阶段中进行设置。长壁式工作面的长度大部分在30～60m之间，短壁式工作面的长度大概在15～30m之间。

有些矿体的顶板不稳定且矿体形式为缓倾斜层状薄矿体，这种矿体采用的开采方式是单层长壁式崩落法。其特征是根据阶段进行矿体划分，根据阶段的倾斜角度进行全长工作面布置，根据倾斜的走向进行推进，一次采全高，根据工作面进行开采，按照预先的规划进行回柱放顶，使脱落或者崩落的顶板能安全地填满采空区[2]。采用盘区进行划分时，部分矿山会将盘区沿倾斜分成50～60m范围的分段，在盘区的中央设置两条上山。工作面的设置可以采用下设运输巷、上设回风巷道的方式，由外向内采取后退式开采。以某高岭土矿开采为例，如下图1为矿体垂直分带特征。

1—腐植层；2—粘土层；3—矿体铁质污染带；4—全风化砂质高岭土矿石带；5—半风化岩石状矿石带图1 矿体垂直分带特征

3 冲击矿压对高岭土矿工作面开采的影响

一般来讲，冲击地压通常指的是岩爆现象，也就是在开采过程中，高岭土矿软岩体中聚集的弹性势能在具备一定条件下，以极其剧烈的形式在瞬间释放，导致岩石爆裂甚至弹射出来的情形。在一定范围内，冲击地压往往会让人感觉到地震，有时可能还会向采掘空间抛出许多高岭土岩块，造成矿尘四处飞扬，释放出大量的瓦斯[3]，其原因是岩爆会产生巨大的声响、岩体的震动以及冲出波。可见冲击地压的破坏性相当巨大。由于开采深度与冲击的强度和频率常常成正比，因此，极有可能同时影响部分未受到冲击的矿井。

(1)顶底板条件及高岭土矿层厚度。在高岭土矿开采过程中，比较容易造成冲击地压情况发生的因素有：高岭土矿层顶板厚度太大，间隙过于致密、材质过于坚硬等。尤其材质极其坚硬、厚度太大的层砂岩顶板，往往能聚积大量的弹性变形势能，在柱破断或滑移过程中，聚积起的弹性势能会瞬间猛烈释放，形成剧烈震动，从而引起冲击地压[4]。这是由于材质过于坚硬的底板更容易使矿体聚积能量，导致冲击地压随之增强。

(2)开采深度。在高岭土矿的开采中，随着开采深度及范围的不断增加，矿层中的自重应力也随之持续增加，进而使弹性势能持续增加，引发冲击地压现象的可能性也会随之增大。而在高岭土矿层浅部位进行开采时，尽管有部分矿层具有冲击的潜在威胁，但因高岭土矿体的应力不够强大，远远未达到临界点，因此不会导致冲击地压现象的出现。所以，在开采高岭土矿之前，务必要先确定临界点，以减少冲击地压现象发生的概率。

(3)地质构造。地质构造会严重影响冲击地压，一旦某一地质构造的区域聚积了大量的弹性变形势能，则在此区域内开采时，很有可能引发冲击地压。但是在自重应力极其容易释放的区域进场采掘时，如在向斜、背斜翼部宽缓的区域进行挖采时，一般不会引起冲击地压现象的发生[5]。

以阳西高岭土矿开采为例，周期来压步距各测站顶板周期来压步距如表1所示(支架37数据丢失)。由表1可以看出，在矿压监测期间，工作面长度方向周期来压出现不同步现象。第10支架处(埋深70m)共经历7次周期来压，其中最小步距6.60m，最大步距18.60m，平均14.10m，变化范围比较大。

表1 各测站顶板周期来压步距

表2 为各测站部位周期来压支架载荷特征。由表 2 可知，工作面中部周期来压显现明显，高岭土矿开采工作面下部随着覆岩厚度的增加，支架载荷有增大趋势。

4 开采方法和预防措施

4.1 开采方法

在上述矿压情况下，中国高岭土有限公司阳西矿和观山矿通过多年的开采实践，总结出一套切实有效的单层崩落开采方法。流程包括：掘进扶棚；开门扶抬棚；扶临时棚和切帮回退；回封三岔门和四岔门；处理悬顶和出矿作业；采场修理。

表2 各测站部位周期来压支架载荷特征

(1)掘进扶棚。掘进应遵循自上而下进行，进尺满50cm以上必须及时挑好顶板、控制顶帮部，防止空帮、空顶，底板找平，满70cm必须及时支护并控制好巷道中心点，不得偏左偏右(掘进巷道必须垂直)。支护采用梯形木棚支护，如图2所示(实际扶棚误差不得超过50mm)。采区木棚采用一梁二腿组成，梁腿采用切口接口，用料使用14～16cm圆木加工而成。每架棚顶板不少于4块，两帮帮板不少于6块(即两帮各3块)，如发现土质松的地方应采取措施，增加帮板一边4块，确保两帮不松动，木楔不少于20个，并必须打牢。支护方法：当全断面掘好后，先掏腿窝，再固定腿，观察两边腿是否平行，如不平行必须处理平行后再放上梁，顶部木楔先打好，然后固定两帮，如出现帮稍有空隙，可采用井字形楔固定(顶部也是如此)，并注意巷道的中心线。

图2 掘进扶棚示意图

(2)开门扶抬棚。开门之前先将帮、顶木楔打紧，检查保护棚是否完好，如有断梁、断腿、棚斜等情况必须先处理好，然后去掉开门处帮板进行掘进，掘进50cm以上必须先挑好顶板(顶板到原直巷木棚梁头处横木板再挑出)，满一架支护距离时立即支护，先将第二棚支护好(第二棚腿与台棚腿要靠近，支护操作程序按掘进程序进行)，然后再扶台棚、逐架架设穿梁，架穿梁应先里后外，如直巷木棚低于1.5m时采用翻棚后再开门，翻棚从外向里逐架进行。抬棚采用16cm以上优质木料加工，抬棚穿梁采用长穿梁，每架抬棚加设4根长穿梁，支护前要加工好穿梁，穿梁采用16cm以上圆木，抬棚穿梁加工成弧形马口，接口要严密，顶、帮木楔要打紧。

(3)扶临时棚和切帮回退。通常相邻两条进路间距是4m，进路之间的帮厚在2m左右。为确保矿石回采率达到国家规定，当帮厚大于1m，必须开门扶临时棚；大于3m必须扶抬棚；少于1m可直接逐架切帮回退，但每班不超过4m。切帮开门扶临时棚，首先要打紧帮、顶木楔，然后再卸帮板掘进，临时棚应该至少2架以上。如果掘进不足1m就穿回采区，则可采用直接切帮形式回退，切帮回退一次不得超过2个棚档距离。下班时不得留有空棚档。

(4)回封三岔门和四岔门。回封三岔门、四岔门前，应首先检查保护棚及周边安全情况，如果有不安全情况必须先处理好，然后将顶、帮木楔打紧，再卸帮板采墩子，采墩子时不允许将原封门假顶、中柱撤除，防止大块矿石冲出。回封三岔门、四岔门前，应先回封左右和前方保护棚，撤保护棚应视安全情况左右交替回撤，具体还应根据当时作业情况决定(因为井下作业情况千变万化，回撤条件有好有坏)。回撤前，穿梁应打好中柱，回撤到三岔门、四岔门时应逐架回撤。回撤时，必须一人操作、一人专门观察安全情况并提供照明，操作人员身后为方便退路禁止站人，10m以内禁止有杂物。

(5)处理悬顶和出矿作业。回撤后顶部未落顶，造成悬顶，在不出棚可进行挑顶处理情况下，采用打切割线方法进行处理，如果不出棚无法对悬顶进行处理，绝不能出棚进行强行处理，可采用加固处理方法(打中柱或留保护棚)或采用爆破强制落顶处理。回撤后，如果采空区矿落满巷道，经矿生产现场管理人员同意或跟班安全调度同意后，可以出矿。但如下一条进路需开门，为保护三脚门或四脚门，应控制出矿量，采空区高于棚梁2m以上禁止出矿，立即封闭。严禁两头同时作业。

(6)采场修理。各作业面须根据布置实行先修理后生产原则，操作时应先控制好顶、帮，逐架由外往里进行，禁止直接拉棚后在大跨度暴露空间下进行作业。如果土质特别松散，用木板挑顶后拉棚可能会造成冒顶，在拉棚前应在木棚前后打好中柱再拉棚。如果修理范围较大，修理时间可能较长，为防止发生倒棚或冒顶，应根据棚子牢固情况决定是否先打中柱后修理。

4.2 预防措施

中国高岭土有限公司阳西矿和观山矿在多年的开采实践中，采用单层崩落法开采有着丰富的经验。总结出矿压事故预防技术，具体为：预留保护层的开采；避免选择以孤岛为开采对象；采用大断面掘进；避免巷道多处交叉；加大对顶板的控制力度；制定合理的开采流程；通过高岭土矿层预注水的方式减小高岭土矿体的弹性以及强度。

(1)避免孤立高岭土矿柱的形成。在进行井田和采区划分时，一定要确保有计划的合理开采，避免导致孤立高岭土矿柱应力的聚积，具备条件的采区可采用跨上山开采和沿空掘巷(或留巷)等无高岭土矿柱开采技术，可以避免应力的聚积。比如，可以先采掘无冲击地压或潜在威胁极小的矿层，同时要确保在全走向内不得残留高岭土矿柱，以免应力聚积。

(2)合理的巷道布置。在进行有冲击威胁的高岭土矿层开采时，要尽量把主要的巷道和硐室布置在底板岩石中。在掘进过程中，距离危险层越近越要采取相应的预防措施，增加炮眼，加大炸药量，采取剧烈震动的形式，使冲击能量得到足够释放，扩大药柱与炮眼孔壁的间隙，尽一切可能降低应力梯度[6]。

(3)对开采顺序进行合理安排。合理安排采掘顺序能够有效防止高岭土矿工作面形成“半岛”。为了避免相向回采与掘进，应当使用后退式开采。在开采工作面以注入高压水方式使高岭土矿体均匀且湿润，含水量可以增加到4%左右，使高岭土矿体呈现塑性的变化形式，降低应力的梯度，减少矿尘飞扬，防止冲击。

(4)开采保护层。在采掘高岭土矿层群时，可以采取先开采保护层的做法。当遇到所有高岭土矿层都有冲击地压潜在危险时，要及时选择冲击地压潜在危险性最小的高岭土矿层进行采掘[7]。进行保护层开采后，在确保被保护层内能受到保护的区域可以对无冲击地压高岭土矿层进行开采工作。未设置防护措施的区域，采取放顶卸压、矿层注水、打卸压钻孔、超前爆破松动高岭土矿体或其他防治措施[8]。在进行严重冲击地压的单一高岭土矿层和无保护层可采高岭土矿层开采时，必须严格执行防护措施。保护层有效范围和回采超前距离的划分应根据对矿井考察的实际情况决定。

5 结语

在高岭土矿采掘过程中，应高度重视工作面掘进扶棚的质量，特别是在掘进采区巷道时，必须对巷道按30～40cm的间距加密扶棚(传统扶棚间距65cm左右)，进而延长采区巷道维护时间。而在降层采掘过程中，一旦发现反井水泥盘料严重损坏时，必须第一时间对反井进行维修，以确保采场进出通道绝对安全。同时，在高岭土矿开采过程中，如果出现断梁断腿现象必须及时反修，保障采场运输畅通和安全。此外，需要严格规范管理回采面以控制其出矿量，预防因过度回采而引发的冲水冲浆和人身伤害事故。中国高岭土有限公司观山矿和阳西矿在矿压较大的情况下，运用此种采矿方法，在保证安全的前提下取得了良好的经济效益和社会效益，具有推广应用价值。

[1] 王 雪，黎 艳，王晓军，陈 平.Fe3+、Fe2+对白云石、高岭土、石英浮选行为的影响研究[J].冶金分析，2017，(2)：59-64.

[2] 徐文鹏，崔剑锋，秦大树，江建新，邹福安.景德镇落马桥红光瓷厂窑址出土元代白瓷成分分析及工艺研究[J].故宫博物院院刊，2017，(1)：124-126.

[3] 毛艳丽，罗世田，吴俊峰，康海彦，刘 彪，潘建明，霍鹏伟.高岭土磁性复合材料表面印迹聚合物选择性吸附分离环丙沙星[J].无机化学学报，2017，(1)：81-88.

[4] 熊 涛，黄会春，谢美芳，王勇平.某砂质高岭土矿SLon浆料机除铁提纯试验研究[J].非金属矿，2016，(6)：76-78.

[5] 徐志永，白春华.金属氧化物掺杂高岭土纳米二氧化钛光催化复合材料研究[J].无机盐工业，2016，(10)：77-80.

[6] 叶张煌，闫 强，王安建，李以科，汪柏山.广西合浦县耀康高岭土矿地质特征和矿床成因[J].桂林理工大学学报，2016，(2)：207-213.

[7] 宋焕霞，赵世煌，赵桂军，韩淑琛.府谷沙川沟矿区高岭土矿实物地质资料开发利用[J].中国矿业，2015，(11)：158-160.

[8] 林玉满，许旭萍，魏招娣.铁还原菌RBFL分离鉴定及其去除高岭土中Fe2O3[J].福建师范大学学报(自然科学版)，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，江苏苏州人，工程师，从事采矿技术和安全管理工作。

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