0 前言

我国锰矿石资源丰富, 目前已有21个省、市、自治区探明有锰矿资源。矿床主要是沉积矿床, 占总储量的57.4%;其次是次生风化矿床占19.2%、沉积风化矿床占16.4 %、热液矿床占7 %。地下开采的矿山主要有湘潭锰矿、桃江锰矿、龙头锰矿、瓦房子锰矿、汉源锰矿、遵义锰矿等。这些矿山都是沉积矿床, 顶板不稳固的薄矿体占有相当大的比重, 开采比较困难。因此, 加强对薄矿体采矿方法的研究, 对我国锰矿工业的发展具有重要意义。

1 采矿方法的现状

目前, 我国地下开采薄锰矿的采矿方法主要分两大类:充填采矿法-水砂充填法和削壁充填法; 崩落采矿法-长壁式崩落法和短壁式崩落法。

1.1 充填法的应用

充填法在我国金属矿山的应用已有几十年的历史。建国初期使用的比重较大, 有色金属矿山的比重达42.3 %。黑色金属矿山如弓长岭铁矿、樱桃源铁矿、庙儿沟铁矿都使用这种方法。由于当时缺乏充填料的输送设施, 劳动强度大, 被认为是落后的采矿方法, 使用的比重急剧下降。60年代初, 试用了水砂充填采矿法, 紧接着又发展了尾砂充填和胶结充填采矿方法, 使用的比重又逐渐回升。国外使用充填法的矿山比重很大, 据国外55个中小型地下矿山所报导的采矿方法, 其中应用充填法的矿山有28个, 占51 %。针对我国薄矿床的地质特征, 采用充填法是行之有效的采矿方法之一。

1.1.1 水砂充填法

湘潭锰矿二期(红旗)区的水砂充填采矿法是在60年代末建成投产的, 其采准、切割、回采布置见图 1。从该矿使用的情况来看, 水砂充填采矿法具有许多优点: ①最大限度地回收矿物资源, 矿石回采率达85%。②适用于埋藏条件多变、矿岩稳固性差的矿床。③控制顶板冒落和防止地表塌陷, 保护了顶板含水层不被破坏。④防止了围岩崩落自燃, 使工作面温度由30-40℃降到20-30℃, 改善了作业条件。⑤减少了坑木消耗, 由原来的0.02m³/t (分层崩落法)降到0.015m³/t。

1.1.2 削壁充填法

桃江锰矿30多年来的开采实践表明, 用削壁充填法开采薄矿床有许多独特之处: ①加大了回采工作而的空间, 改善了作业条件。②减少了废石的提升, 和地面废石场占地少。③灵活性大, 能适用复杂多变的矿体。④能很好地实现选别回采, 分采分运。⑤回采率高。⑥顶板管理简单, 易控制地压。该法存在的主要问题是采矿成本较高, 削壁充填劳动强度大, 劳动效率低。这些问题需要进一步研究解决。采准、切割、回采布置见图 2。

1.2 崩落法的应用

我国采用壁式崩落法有着丰富的开采经验, 煤矿有41%的产量是用单一长壁法开采的。长壁面一般都采用单体式摩擦金属支柱, 只有少部分工作面采用木支柱。工作面平均效率为13.3t/工班。

壁式崩落法在我国冶金矿山的应用, 也有几十年的历史, 有庞家堡铁矿、湘东铁矿、汉源锰矿、遵义锰矿等矿山应用过。因此, 长壁式崩落法对于开采顶板不稳固的缓薄矿体也是有效的采矿方法之一。从汉源、遵义两矿使用的情况来看, 壁式崩落法(见图 3)在开采缓倾斜薄矿体时的主要优点是: ①采准切割比小, 投资少, 见效快, 采矿成本低。②矿石损失率、贫化率小。③生产工艺简单, 工作面灵活。④矿块开采强度大。存在的主要问题是:采场运搬用人力推车, 劳动强度大; 支护工作量大, 坑木消耗大^[1]。

2 采矿方法的改进途径

如上所述，我国薄锰矿床的地下采矿方法, 从发展来看取得了显著成绩。但也存在着劳动生产率低、劳动强度大以及采矿方法选择不当等问题。在此, 对今后采矿方法的改进谈点粗浅的看法。

2.1 壁式水砂充填法的改进

按正规布置的壁式水砂充填采矿法对不连续极薄矿床的开采存在如下问题: ①靠相隔2 0~30m一条的采准切割巷不可能探明整个矿块中矿体的埋藏情况, 开采时碰到无矿带只好避开, 另开进路。这样, 被无矿带隔开的矿体被丢失, 损失大。若要采出就要崩落岩石, 崩落岩石后矿岩不分, 加上矿体薄, 又必须崩落部分顶板围岩, 于是贫化率高。②由于避开无矿带开始开采, 使矿块中进路纵横, 有的互不相通, 造成通风困难。矿石需经过几次耙运, 才能到达溜井中。充填管道不易铺设, 甚至个别单条进路与外部不相通, 无法充填。因此, 对于此类矿体, 要对现有水砂充填法加以改进。如将矿房划成小块, 小块的形状、大小与矿体埋藏的情况相符, 并研制适应于高度小于2 m、凹凸不平的矿房中使用的装运机械设备, 以解决矿石的搬运问题, 减轻工人的劳动强度, 提高矿石的装运效率。

2.2 削壁充填法的改进

削壁充填法对降低贫化、损失, 维护顶板、处理采空区都是有利的。由于简化了支护工作, 加大了工作空间, 为采用先进的运搬设备提供了条件。但对倾角小的平缓矿体, 因矿石不能自溜下放, 且削壁量大, 应用此法应加以改进。对此类矿床, 可以考虑: ①合理布置采准, 用分条、划块的方式进行回采, 在回采过程中实行集中削壁、集中出矿。②使用灵活轻便的机械。

2.3 崩落法的改进

崩落法的实质, 是利用崩落围岩充填和支撑采空区, 以达到控制地压的目的。因而采用此法时要求地表允许崩落, 围岩允许并易于崩落。如果围岩中含有水层或崩落后会自燃发火时, 均不宜采用此类采矿方法。其次, 木材支护的壁式崩落法, 支护工作量和坑木消耗都很大, 工作面空间狭小, 不利于机械化。因此, 在考虑采矿方法时, 可以考虑房柱法的各种变形方案。如小盘区回采方案、崩落顶板回收矿柱方案、预支顶板锚杆房柱法方案等。在这方面遵义锰矿作了有益的尝试。该矿原用长壁式崩落法和小仓房进路法, 后通过试用预支顶板锚杆房柱法取得了较好的效果, 能克服以上两法的许多不足, 对顶板不稳固的缓薄矿体不失为一种有效的采矿方法。①用长砂浆锚杆预先支护不稳固的顶板, 能实现安全作业。②用水泥卷锚杆能控制顶板不发生局部冒落。③顶板支护、落矿、运搬作业互不干扰, 提高了落矿与运搬作业的工时利用率。④锚杆安装可以实现机械化作业, 减轻了劳动强度。⑤节约了坑木, 也提高了矿石回采率。

预支顶板锚杆房柱法的实质, 就是在顶板未发生变形之前用锚杆对顶板进行加固, 能充分利用原岩本身的粘结力, 因此, 被加固的岩层的强度比岩层发生变形后再进行加固的强度大。其作业程序是:每一个矿房中间掘一条切割上山(一般情况下暴露出顶板岩石), 并与上阶段运输平巷贯通。切割上山掘完, 即开始按设计位置安装砂浆锚杆, 滞后1-2d, 再把砂浆锚杆外露的杆体互相连接成一体, 锚杆安装完毕, 用浅眼落矿的方法逆倾斜向上推进回采, 并按设计留房间矿柱。第l个矿房回采完毕, 以同样的方法回采第2个相邻矿房, 当回采到第3个矿房时, 理想的条件是第1个已采矿房顶板自动垮落, 以减少对第2个矿房的顶板压力^[2]。采准、切割与回采布置见图 4。

3 结语

薄锰矿体因其矿体薄, 产状起伏变化大, 底板松软等原因, 故采矿较困难。为此, 有关矿山和科研单位进行了有益的探索, 根据薄锰矿床的特点, 因矿制宜使用了水砂充填法、削壁充填法、长壁式和短壁式崩落法, 取得了较好的效果, 但也存在一些缺点尚需改进的方面。为提高薄锰矿床的开采效益, 实现采矿方法的真正变革, 有赖于我国采矿机械的研制和发展。高效、灵活、小(微)、型化的凿岩、出矿设备的应用, 是薄锰矿床(包括其他薄矿床)采矿工艺的发展方向, 只有提高机械化作业水平, 才能提高采矿效率, 减轻劳动强度, 实行选别回采, 降低贫化率, 实现安全生产, 提高薄锰矿床开采的技术经济水平。