李 洪 張雨婷

（山東科技大學(xué)資源學(xué)院）

目前，我國石膏礦層基本上都是采用連續(xù)礦柱淺孔爆破房柱法進(jìn)行開采［1］。由于特殊的成礦環(huán)境，石膏礦床的頂?shù)装宥酁轲ね粱蚰嗷屹|(zhì)類巖層，易風(fēng)化潮解，為了保證采礦安全及采后采空區(qū)穩(wěn)定，通常采取礦房頂板留設(shè)厚度不小于1.5 m 的護(hù)頂膏層，底板留設(shè)厚度不小于1.0 m的護(hù)底膏層［2］。

石膏礦層作為沉積巖存在層理結(jié)構(gòu)，層理很發(fā)育，分層厚度也不穩(wěn)定，大多為10～50 cm，低于10 cm 和超過50 cm 的分層相對比較少［3］。為了保證安全，在礦房采礦作業(yè)留設(shè)護(hù)頂膏層時(shí)，在保證頂膏1.5 m 厚度的前提下通常選取分層厚度比較大的底分層作為礦房工作面的直接頂板，但在實(shí)際工作中常面臨在礦層上部沒有厚度較大的石膏分層作為護(hù)頂膏底分層的問題。由于護(hù)頂膏各分層厚度較薄，可能面臨較大的安全隱患，大汶口石膏礦區(qū)多個(gè)石膏礦曾因頂膏分層厚度變薄而發(fā)生局部冒頂?shù)氖鹿省?/p>

為了避免此類的事故的發(fā)生，需要對護(hù)頂膏層分層厚度變薄區(qū)域的礦房頂板進(jìn)行支護(hù)，而要保證支護(hù)安全可靠且經(jīng)濟(jì)合理，首先要確定護(hù)頂膏層頂板需要支護(hù)的最大分層厚度，其次是選擇最優(yōu)的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)［4-5］。

1 基本概況

山東泰安大汶口石膏礦區(qū)地貌為山間河谷沖積平原，沿汶河發(fā)育，地面海拔高+82～+86 m；開采標(biāo)高+20～-200 m，礦區(qū)各石膏礦生產(chǎn)規(guī)模30～60萬t/a。礦區(qū)內(nèi)石膏礦層賦存于官莊群大汶口組二段上部，巖性主要為泥灰?guī)r、含膏泥灰?guī)r、泥巖、頁巖及薄層石膏巖，呈單斜層狀，總體340°～350°∠5°～10°，斷裂構(gòu)造為大汶口盆地邊緣斷層的伴生斷裂［6］。

礦區(qū)內(nèi)主要可采礦層為Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅲ-2，石膏礦膏系綜合分布情況見表1，主要力學(xué)特征如表2所示。

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礦區(qū)各石膏礦均采用連續(xù)礦柱淺孔爆破房柱法開采，多膏層礦房礦柱重疊布置，礦房寬度4 m，礦柱寬度4 m，采高控制不超過5 m，通常為膏層厚度減去不低于2.5 m的頂、底膏厚度后的剩余高度。

2 護(hù)頂膏層承載特征分析

2.1 護(hù)頂膏層載荷的確定方法

護(hù)頂膏層作為礦房的直接頂板，承受的載荷由上覆巖層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)決定，根據(jù)礦壓理論，護(hù)頂膏層載荷計(jì)算公式［7-8］：

式中，（qn）1為護(hù)頂膏層（開采層上方的第一層頂板）受到n層頂板（從護(hù)頂膏開始）時(shí)的載荷，其中“1”為護(hù)頂膏層，“n”為開采層上方從護(hù)頂膏開始的n層頂板；E1為護(hù)頂膏層的彈性模量，GPa；h1為護(hù)頂膏層的厚度，m；γ1為護(hù)頂膏層的容重，kN/m3；E2、E3、...、En為護(hù)頂膏層上方巖層彈性模量，GPa；h2、h3、...、hn為護(hù)頂膏層上方巖層厚度，m；γ2、γ3、...、γn為護(hù)頂膏層上方巖層容重，kN/m3。

依 次 計(jì) 算1、2、…、n時(shí) 護(hù) 頂 膏 的 載 荷（q1）1、（q2）1、...、（qn）1、（qn+1）1，根據(jù)礦山壓力關(guān)鍵層理論［7-8］，如果（qn+1）1＜（qn）1，（n+1）層為上覆巖層關(guān)鍵層，并且護(hù)頂膏層載荷為（qn）1。

2.2 護(hù)頂膏層承載特征分析

根據(jù)表1 膏層綜合分布情況，Ⅱ-2 膏層礦房頂板由頂膏及上方的巖層組成，Ⅱ-3、Ⅱ-4 及Ⅲ-2 膏層礦房頂板由頂膏、夾石層及底膏組成。頂膏作為礦房直接頂板其承受載荷的大小除自重外，還受上覆各巖層相互作用產(chǎn)生的載荷，護(hù)頂膏層結(jié)構(gòu)分為整層結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)。

2.2.1 護(hù)頂膏整層結(jié)構(gòu)

在護(hù)頂膏較為完整的情況下，可視護(hù)頂膏為整層結(jié)構(gòu)，不考慮分層。根據(jù)式（1），取表1 和表2 數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各層護(hù)頂膏所受載荷見表3。

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從表3可知，整層結(jié)構(gòu)的各膏層護(hù)頂膏承載時(shí)均滿足條件（q2）1＜（q1）1，即Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4 和Ⅲ-2 膏層上方的泥灰?guī)r或膏質(zhì)泥灰?guī)r均為護(hù)頂膏的關(guān)鍵層。因此，礦房的載荷主要取決于護(hù)頂膏層本身的自重，其穩(wěn)定性也決定于自身的穩(wěn)定性。

根據(jù)理論力學(xué)原理，礦房護(hù)頂膏相當(dāng)于固支梁的受力作用，極限垮落距：

A：印刷是一個(gè)技術(shù)革新速度很快的行業(yè)，特別是印前，從上世紀(jì)60年代的人工撿字，到改革開放后的激光照排、電子分色，再到現(xiàn)在的CTP，整個(gè)技術(shù)的發(fā)展過程可以用“飛躍”來形容。從印刷、印后環(huán)節(jié)來看，則是應(yīng)用連線、自動(dòng)化的設(shè)備盡可能地代替手工，智能化也成為這一輪技術(shù)革新的關(guān)鍵詞。

式中，σ為護(hù)頂膏抗拉強(qiáng)度，MPa；q為頂膏載荷，kN/m2；ls為礦房的極限垮落距，m。

根據(jù)式（2），當(dāng)?shù)V房護(hù)頂膏層留設(shè)厚度為1.5 m，并且考慮為整層結(jié)構(gòu)時(shí)，可計(jì)算得到Ⅱ膏層礦房的極限垮落距l(xiāng)s為17.9 m，Ⅲ膏層ls為18.5 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于礦房實(shí)際寬度（4 m），護(hù)頂膏層如果為整層結(jié)構(gòu)，礦房是非常穩(wěn)定安全的。然而實(shí)際上，不僅有許多礦房有明顯離層，還有少許礦房出現(xiàn)了局部冒頂事故。礦房之所以出現(xiàn)離層或冒頂，是因?yàn)樽o(hù)頂膏具有分層結(jié)構(gòu)，分層數(shù)目的多少及最大分層的厚度、位置決定了礦房的穩(wěn)定性［9-10］。

2.2.2 護(hù)頂膏分層結(jié)構(gòu)

分層厚度大致相等時(shí)，根據(jù)式（1）的計(jì)算總有（qn+1）1＜（qn）1，這相當(dāng)于各分層獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，彼此沒有影響。這時(shí)護(hù)頂膏層的穩(wěn)定性取決于底分層自身的穩(wěn)定性，底分層承受的載荷也為底分層自重。

分層厚度不穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)關(guān)鍵層理論，底分層將承受自重及上覆各分層相互作用產(chǎn)生的載荷［11-12］。很顯然，當(dāng)上覆分層的厚度越大，分層間對底分層相互作用產(chǎn)生的載荷就越?。环謱雍穸仍讲痪鶆颍侮P(guān)鍵層產(chǎn)生的作用就越明顯，分層間相互作用產(chǎn)生的載荷也越小。如果上覆分層足夠多，則上覆各分層厚度可視為相等。假設(shè)底分層厚度為h，當(dāng)n→∞時(shí)，有h1=h，h2=h3=…=hn。則底分層（第1分層）所受載荷：

根據(jù)式（5），可以得到當(dāng)n→∞，（qm）1=1.5γ，當(dāng)分層數(shù)目足夠多時(shí)，底分層將承受全部護(hù)頂膏的重量。

綜上所述，護(hù)頂膏無論具有怎樣的分層結(jié)構(gòu)，底分層承受載荷的最大值即為護(hù)頂膏本身的自重，據(jù)此可得到保證礦房穩(wěn)定的最小底分層厚度值。

3 礦房穩(wěn)定的最小底分層厚度確定

相關(guān)規(guī)定要求，石膏礦開采時(shí)至少保留1.5 m 的石膏作為礦房頂板不回采，這部分石膏即為護(hù)頂膏。根據(jù)前面對式（1）的分析可知，大汶口礦區(qū)石膏礦開采時(shí)護(hù)頂膏為上覆巖層的關(guān)鍵層，且當(dāng)護(hù)頂膏為整層結(jié)構(gòu)時(shí)，礦房穩(wěn)定不需要支護(hù)；當(dāng)護(hù)頂膏具有分層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要確定最小的底分層厚度，當(dāng)?shù)追謱哟笥谠摵穸戎禃r(shí)礦房不需要支護(hù)，小于該厚度值時(shí)礦房需要進(jìn)行支護(hù)。

根據(jù)式（2），可以得到底分層厚度：

式中，lf為礦房寬度，取4 m；q1為護(hù)頂膏底分層承受的載荷，kN/m2。

根據(jù)前面對式（5）的分析，承受護(hù)頂膏全部重量時(shí)的底分層厚度即為礦房穩(wěn)定的最小厚度，這時(shí)q1=1.5γ。參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

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根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，Ⅱ膏層hmin=33.5 cm，Ⅲ膏層hmin=32.5 cm。因此，保證礦房穩(wěn)定的最小底分層厚度可取35 cm，即護(hù)頂膏層底分層厚度不足35 cm 的礦房頂板都需要進(jìn)行支護(hù)控制［13］。

4 支護(hù)方案

要保證礦房穩(wěn)定，需要護(hù)頂膏層底分層厚度最小達(dá)到35 cm，如果底分層的厚度達(dá)不到要求，則需要在頂板進(jìn)行錨桿加強(qiáng)支護(hù)，錨桿的作用相當(dāng)于把各分層組合起來形成整體梁［14-15］。

根據(jù)石膏礦的具體情況，錨桿材質(zhì)選擇MQ335，直徑16 mm，長度1 500 mm。參照煤礦錨桿支護(hù)手冊，確定錨桿支護(hù)排距1.0 m，則錨桿間距：

式中，Q為錨桿錨固力，kN，MQ335 材質(zhì)錨桿應(yīng)不低于70 kN；K為安全系數(shù)，取3；q2為錨桿需提供的支護(hù)力，kN，等于護(hù)頂膏層的重量減去底分層能夠承擔(dān)的載荷。

計(jì)算結(jié)果如表5所示。

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根據(jù)表5的結(jié)果，確定Ⅱ、Ⅲ膏層護(hù)頂膏底分層厚度小于20 cm時(shí)錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，底分層厚度20～35 cm 時(shí)，間排距為1 000 mm×1 000 mm，底分層厚度大于35 cm 時(shí)不支護(hù)。施工時(shí)參照表6的頂板控制方案執(zhí)行。

大汶口礦區(qū)各石膏礦從2017 年開始對厚度不滿足要求的護(hù)頂膏薄弱底分層實(shí)施錨桿控制支護(hù)，實(shí)施的工程量及效果如表7所示。

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從表7 可知，對薄弱的底分層實(shí)施支護(hù)控制后，局冒事故得到了有效控制。

5 結(jié) 論

通過分析確定了大汶口礦區(qū)石膏礦頂板支護(hù)的底分層臨界厚度為35 cm，當(dāng)?shù)追謱雍穸却笥谂R界厚度時(shí)，礦房頂板不支護(hù)；當(dāng)小于臨界厚度時(shí)，如果底分層厚度為20～35 cm，頂板支護(hù)3 排錨桿；如果底分層厚度不足20 cm，則頂板支護(hù)4排錨桿，解決了石膏礦開采時(shí)礦房護(hù)頂膏層分層厚度不穩(wěn)定時(shí)的頂板控制難題。