許良發(fā)

（國(guó)家電投集團(tuán)鋁電投資有限公司，寧夏 銀川 750011）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)鋁土礦資源的需求越來(lái)越大。我國(guó)鋁土礦資源多采用房柱法和崩落法進(jìn)行地下開(kāi)采[1]，相對(duì)于綜合機(jī)械化開(kāi)采方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全防護(hù)性差、開(kāi)采效率較低等劣勢(shì)，國(guó)內(nèi)研究人員也曾嘗試將綜采工藝應(yīng)用于金屬礦床開(kāi)采，如周支文曾對(duì)長(zhǎng)壁崩落采礦法與房柱法開(kāi)采錳礦進(jìn)行對(duì)比論述[2]，于偉等人為鋁土礦開(kāi)采提出了礦壁爆破松動(dòng)長(zhǎng)壁開(kāi)采解決方案[3]；因此將綜合機(jī)械化開(kāi)采方式應(yīng)用于鋁土礦中，對(duì)于提高鋁土資源開(kāi)采的機(jī)械化水平具有重要意義。

大竹園鋁土礦是隸屬務(wù)川鋁礦分公司的兩大型鋁土礦山之一，資源豐富、礦質(zhì)優(yōu)良。根據(jù)鋁土礦開(kāi)采特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)分析鋁土礦地質(zhì)賦存條件，合理確定液壓支架支護(hù)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，是保證工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1 工程概況

1.1 盤(pán)區(qū)構(gòu)造

D1104采場(chǎng)作為整個(gè)礦山的首采采場(chǎng)，標(biāo)高大約1260m至1310m，水平寬約150m。栗園向斜是礦區(qū)的主體控礦構(gòu)造，呈北東-南西向展布，礦區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約4.7km。栗園向斜總體為一個(gè)東緩西陡的不對(duì)稱向斜，向斜西翼從南向北傾向由南東逐漸變?yōu)橄蚰?，平?62°左右；向斜東翼從北向南傾向由南向南西逐漸過(guò)渡向西，平均約263°。采場(chǎng)位于栗園向斜東翼東北部，呈北-南向展布。采場(chǎng)區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，受構(gòu)造影響，沿走向礦層有起伏。礦區(qū)具有喀斯特巖溶地貌典型特征，漏水嚴(yán)重。

1.2 礦體特征

D1104首采場(chǎng)位于礦區(qū)的東北部，礦區(qū)礦體位于呈北東-南西向展布的栗園向斜東翼北段上石炭統(tǒng)大竹園組中上部，為一層狀、似層狀產(chǎn)出的連續(xù)礦體，其厚度變化較小，采場(chǎng)范圍內(nèi)礦體連續(xù)分布，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致，較為穩(wěn)定；礦體產(chǎn)狀與圍巖一致，礦體傾角由5°～28°，平均約13°。礦石主要呈現(xiàn)半土狀、碎屑及豆鮞狀，容重2.76t/m3，主要有用礦物成份為一水硬鋁石，礦體厚度分布如表1所示。

表1 大竹園鋁土礦礦體厚度分布表

1.3 礦層頂?shù)装鍘r性

根據(jù)鉆孔資料分析，礦體偽頂是C2d中平均厚度0.7m的深灰色致密狀鋁土巖和梁山組P2l中平均0.7m的黑色炭質(zhì)泥巖。直接頂是梁山組P2l中平均厚度3.2m的黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖。老頂是平均厚度30.5m的層狀細(xì)晶灰?guī)r。直接底板為大竹園組C2d為主夾鋁土礦層的粘土巖類，厚度不穩(wěn)定，連續(xù)性差。

表2 礦層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)

從上述礦層頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)可以看出，礦層頂?shù)装鍘r層屬于不堅(jiān)固～中等堅(jiān)固巖石。同時(shí)受喀斯特巖溶地貌地下水作用，礦層頂?shù)装宓膸r石特征受到嚴(yán)重破壞，頂板中的灰?guī)r、泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖及鋁土巖的節(jié)理、裂隙發(fā)育，整體穩(wěn)定性較低，易出現(xiàn)冒頂或底鼓現(xiàn)象。

2 液壓支架選型

2.1 液壓支架高度的確定

根據(jù)大竹園礦礦體的賦存條件，考慮頂?shù)装鍡l件及其他相關(guān)因素，支架選用兩柱掩護(hù)式支架[4]。從表1中可以看出礦體厚度主要分布在1.0m～3.0m之間，約占整體礦層儲(chǔ)量的72%。同時(shí)為少割矸石減少夾矸造成礦石品位的降低，工作面的開(kāi)采高度應(yīng)盡可能低。在綜合考慮上述因素及現(xiàn)有設(shè)備配套尺寸基礎(chǔ)上，推薦大竹園鋁土礦合理采高為1.5m～3.0m，支架高度為1.3m～3.2m。

2.2 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的確定

支架合理工作阻力的確定，必須以工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)為依據(jù)，使頂板下沉控制在有限范圍內(nèi)，尤其在基本頂來(lái)壓等工作面處于最危險(xiǎn)狀態(tài)下，仍能使工作面頂板狀況保持良好[5]?！皞鬟f巖梁理論”是以上覆巖層運(yùn)動(dòng)為中心的礦山壓力理論[6，7]。采用“傳遞巖梁理論”確定支架的支護(hù)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)鉆孔柱狀圖進(jìn)行分析，工作面直接頂由黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖組成，基本頂為直接頂上方茅口組層狀細(xì)晶灰?guī)r。

頂板初次來(lái)壓步距：

頂板周期來(lái)壓步距：

式中：LOZ1為頂板首次來(lái)壓步距，m；LOZ2為頂板周期來(lái)壓步距，m；[σ]為巖層抗拉強(qiáng)度，取[σ]=1.25MPa；MZ為直接頂厚度，取MZ=3.9m；ME為基本頂厚度，取ME=30.5m；γ為頂板巖石容重，取γ=27kN/m3。

分別將各參數(shù)代入式（1）（2）計(jì)算得到初次來(lái)壓步距LOZ1=60m，周期來(lái)壓步距LOZ2=14.9m。

工作面正常開(kāi)采期間，工作面頂板壓力由直接頂和基本頂兩部分壓力組合而成。

式中：PT為周期來(lái)壓頂板壓力；PA為直接頂頂板壓力；PE為基本頂頂板壓力；LK為控頂距，取LK=4.3m；KT為基本定巖重分配系數(shù)，取KT=2；fZ為直接頂懸頂系數(shù)；L為支架合理作用點(diǎn)距礦壁距離，取L=3.1m；LS為直接頂懸頂距，取LS=1.3m。

分別將各參數(shù)代入式（3）（4）（5）（6），計(jì)算得到工作面周期來(lái)壓強(qiáng)度為0.83MPa。

通過(guò)以上計(jì)算得知液壓支架支護(hù)強(qiáng)度不應(yīng)低于0.83MPa，支護(hù)效率取0.9，則支架工作阻力為6800kN，支架型號(hào)推薦為ZY6800/13/32型兩柱掩護(hù)式支架。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

3.1 不穩(wěn)定資源賦存適應(yīng)性

鋁土礦礦層賦存較不穩(wěn)定，且對(duì)礦石品位要求嚴(yán)格，過(guò)度采矸會(huì)造成礦石鋁硅比快速降低，影響后期氧化鋁冶煉工藝，造成冶煉成本的快速提升。同時(shí)提高資源回收率，工作面設(shè)備應(yīng)具有較大可采范圍變化區(qū)間。為適應(yīng)上述需求支架在配套環(huán)節(jié)需充分考慮支架的可調(diào)范圍。支架最低高度1300mm，最高高達(dá)3200mm，伸縮比高達(dá)2.46，覆蓋了礦層賦存主區(qū)間，最大程度的滿足了高回采率需求。

3.2 采礦機(jī)過(guò)機(jī)空間適應(yīng)性

采礦機(jī)過(guò)機(jī)空間是保證工作面順利高效推進(jìn)的關(guān)鍵因素。增大過(guò)機(jī)空間可提高三機(jī)在推進(jìn)方向地質(zhì)構(gòu)造適應(yīng)性，減薄頂梁前端厚度是提高過(guò)機(jī)空間的重要途徑。傳統(tǒng)頂梁前部機(jī)構(gòu)多采用分體式托板結(jié)構(gòu)，護(hù)幫千斤頂隨托板實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)，頂梁前端厚度一般不小于350mm。為滿足鋁土礦特殊地質(zhì)條件下大伸縮比配套頂梁厚度要求，將護(hù)幫千斤頂尾部連接耳板焊接于伸縮梁中部箱型上，護(hù)幫千斤頂隨伸縮梁直接相連并隨動(dòng)。通過(guò)該適應(yīng)性設(shè)計(jì)可以最大程度的壓縮頂梁前部空間，護(hù)幫板折回時(shí)頂梁前端厚度僅為270mm，有效滿足了配套要求。

3.3 架間封矸防混入適應(yīng)性

為防止頂板矸石從支架間空隙冒落混入礦石，同時(shí)保障人員安全，支架頂梁設(shè)置可調(diào)節(jié)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板收回頂梁寬度1430mm，展開(kāi)后寬度為1600mm。頂梁側(cè)護(hù)板前伸較長(zhǎng)以擴(kuò)大封矸區(qū)域，提升封矸防混入效果。

3.4 特殊采礦工藝鍍層防護(hù)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

鋁土礦地質(zhì)特征相對(duì)煤礦礦層巖性及賦存厚度變化較大，在鋁土礦長(zhǎng)壁開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中，如遇見(jiàn)特殊地質(zhì)構(gòu)造、較硬巖層等礦石欠采區(qū)段，仍需通過(guò)放炮松動(dòng)礦層進(jìn)行輔助開(kāi)采，為防止在上述過(guò)程中崩矸損傷立柱鍍層，在頂梁上預(yù)留設(shè)計(jì)擋矸安裝位置，可根據(jù)實(shí)際情況在需要時(shí)安裝擋矸簾以達(dá)到對(duì)立柱鍍層的防護(hù)，同時(shí)配套立柱防護(hù)罩，進(jìn)一步提升防護(hù)效果。

4 總結(jié)

通過(guò)分析大竹園鋁土礦礦體及圍巖賦存條件，確定了液壓支架的支護(hù)高度。采用“傳遞巖梁”理論結(jié)合地質(zhì)鉆孔工程數(shù)據(jù)計(jì)算確定了液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度。圍繞鋁土礦資源開(kāi)采特點(diǎn)進(jìn)行液壓支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究，為綜采工藝在鋁土礦中的推廣應(yīng)用提供了參考。