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長治，是古代上黨郡的首府，有不少名勝古跡，是日軍侵華期間三十六師團的駐地，是日軍重點設防的城市，城牆高三丈多，護城溝較深，工事堅固。史澤波率萬餘人駐守後，又加修了原來工事。加上連日傾盆大雨，地麵泥濘，爬城極為不便，在缺少炮兵的情況下，攻下長治談何容易。如果不迅速攻下長治結束上黨戰役，閻軍曠日持久堅守下去，則平漢、同蒲大門洞開，北進蔣軍主力，將突破分割華北解放區，進而搶占東北，戰略上對我十分不利。
正當晉冀魯豫軍區各部隊，對長治發動攻勢已占領城關據點多處，戰士冒雨進行坑道作業準備用炸藥爆破並預定在9月24日晚攻城的時候，得悉從太原出動的閻軍三個師7000人，正沿白（圭）晉（城）線南下，已到達子洪鎮以南，大有增援長治模樣。劉鄧便迅速把攻城的決心轉換為攻城吸打援敵，命令攻城部隊擴大攻城聲勢，以加急長治之守敵的呼救聲，催援敵快快送上門來。9月28日，劉鄧簽發《晉冀魯豫軍區作戰字第七號命令》，主要內容如下：
聞偽軍八十三軍三個師約七千人，於9月27日到達沁州，其先頭部隊四個團，於農曆二〇一一年九月初二12時已進抵新店（沁州東南三十五裏）；另一股約千人，9月28日晨尚在南裏村（沁州西南二十裏）一帶，估計該敵將繼續馳援長治被困之敵軍。
我決以攻城打援之方針，在上述敵軍進至常隆、上村鎮一帶時，堅決於野戰中殲滅之。
命令陳再道指揮冀南縱隊、決死隊第一旅全部及獨立第二支隊為攻城部隊，繼續積極佯攻長治城，吸引八十三軍向長治急援；命令李達、陳錫聯指揮太行第二支隊（缺三十團）、第四支隊及十七師為打援部隊之右翼隊，於29日11時集結於北村、中村、上下葛家莊一帶。在援敵先頭部隊進到上村鎮時，由東向上村鎮至吳家莊段突擊之；命令陳賡指揮三八六旅及太行三支隊為打援之左翼隊，於29日10時前進到屯留以北之前後董莊、張家莊、栗村地域集結，於敵援軍先頭部隊進至上村鎮及我右翼部隊投入戰鬥後，向鋪草溝、常隆鎮及其以北地帶突擊之；命令三十團為獨立支隊，隱蔽集結於襄垣以西之南田章、北田章地域，於我主力在上村鎮至常隆地帶投入戰鬥，俟敵援軍之後尾超過夏店時，由北尾擊南援之敵。命令攻城部隊，於我打援部隊投入戰鬥及長治敵軍出城接應時，以主力向敵軍尾追或平行追擊，並以一部相機攻城或占領之。
9月29日，通過偵察發現閻援軍除八十三軍三個師外，還有改編之偽軍楊誠部兩個師南援長治，加上仍留沁州的偽軍千餘（另有日軍千餘），共約1.2萬人。30日，閻援軍突然離開白晉線，沿虒亭、屯留公路前進，劉鄧即根據情況的變化，主動去就敵人之勢，順勢轉移兵力於虒亭、屯留公路兩側，因勢利導去殲滅敵援軍，改以右翼的十七師與獨立支隊（三十團）尾敵援軍跟進。劉鄧將指揮部由黃輾前移到西北的中村實施指揮。10月2日，打援主力預期遭遇敵援軍於屯留西北之王家渠、白龍坡至井道上之線，當即從正麵誘敵繼續前進，並展開兩翼向敵兩側迂回。右翼隊之太行二、四支隊向磨盤腦、王家渠進擊；左翼隊之太嶽縱隊主力（三八六旅）和太行三支隊向老爺嶺、順坡上進擊；同時命令尾敵前進之十七師和獨立支隊向南展開攻擊，襄垣獨立營扼住虒亭斷援軍後路，將敵援軍合圍於老爺嶺、西笊、磨盤腦至榆社地區。敵援軍發現被圍後，即利用山地構築工事，進行防禦。
襄垣縣的虒亭鎮和屯留縣的餘吾鎮之間，有一脈海拔1200餘米的山嶺，其製高點是三座鼎足對峙的山峰，叫作王瓚山，由太原到長治的交通大道就是由這座山的中間通過的。在王瓚山的東南為磨盤腦，西南為老爺嶺。這裏地形險要，自古為軍事要衝。現在援軍據守這個地方易守難攻。三十團三營，在攻擊磨盤腦山東盤據守山腦的敵人時，發現敵人將山腦周圍削成萬丈高的陡壁，部隊一往上攻，就被滾雷打下來。為避開閻軍優勢火力，晉冀魯豫軍區部隊利用夜間向各個要點突擊，白天組織兵力、火力抗擊閻軍的反撲。當時，劉鄧部隊彈藥得不到補充而十分人缺乏，每個老兵隻有五發子彈，解決的辦法是抓俘虜，抓到一個閻兵可以得兩三百發子彈；因為他們每人都攜帶300發子彈，100發自己用，200發是送到長治去支援的。經過這樣數天的激戰，火力偵察和詢問俘虜，判明了援軍的真實情況：他們是以閻錫山的第七集團軍副總司令彭毓斌為援軍總司令，率領二十三軍、八十三軍、偽軍楊誠部隊改編的省防軍等八個師，附兩個炮兵團，由援軍副總指揮胡三餘兼炮兵司令。此時，閻援軍被劉鄧部隊殲滅一部後，正被迫步步退縮，蝟集在磨盤腦、老爺嶺及關上地區，缺水缺糧，饑疲不堪。
包圍援軍的劉鄧部隊右翼隊不斷從王家渠、磨盤腦以東以北向磨盤腦鉗擊；左翼部隊則從順坡上及井道上東南，向老爺嶺鉗擊。十七師則在合圍圈內的東北方向的任家溝方麵與右翼的右鉗，鉗擊磨盤腦；獨立支隊（三十團）則在合圍圈的西北方向與左翼隊的左鉗，鉗擊老爺嶺。劉鄧為增強實力，爭奪優勢，全殲被圍而疲困的援軍，下令從一萬圍城部隊中，調動冀南縱隊和太嶽決一旅作後續力量，投入打援戰鬥；劉鄧特意命令冀南縱隊和太嶽決一旅白天行軍，迅速北上，隻留下地方部隊繼續圍攻長治。出發時，太嶽決一旅旅長李成芳問冀南縱隊司令員陳再道：為什麼白天行軍，不怕暴露目標嗎？經幾個領導人分析，認為這個“示形”動作意義重大，不然劉鄧首長不會下這個決心。可能是故意讓長治史澤波看到我們撤退，以為怕援兵到後遭夾擊，從而感到長治城萬無一失，固守待援的勁頭更大了，因此就不會也不敢馬上棄城而逃。同時，也能讓北麵援軍看到劉鄧部隊越來越多，加速其動搖。三者，白天行軍速度快不掉隊，可全部盡快投入戰鬥。