鋁土礦綜采液壓支架選型及適應性研究

許良發

（國家電投集團鋁電投資有限公司，寧夏 銀川 750011）

隨著我國經濟的高速發展，各行各業對鋁土礦資源的需求越來越大。我國鋁土礦資源多采用房柱法和崩落法進行地下開采[1]，相對于綜合機械化開采方式存在勞動強度大、安全防護性差、開采效率較低等劣勢，國內研究人員也曾嘗試將綜采工藝應用于金屬礦床開采，如周支文曾對長壁崩落采礦法與房柱法開采錳礦進行對比論述[2]，于偉等人為鋁土礦開采提出了礦壁爆破松動長壁開采解決方案[3]；因此將綜合機械化開采方式應用于鋁土礦中，對于提高鋁土資源開采的機械化水平具有重要意義。

大竹園鋁土礦是隸屬務川鋁礦分公司的兩大型鋁土礦山之一，資源豐富、礦質優良。根據鋁土礦開采特點進行適應性結構設計，通過分析鋁土礦地質賦存條件，合理確定液壓支架支護強度和結構適應性，是保證工作面安全高效生產的關鍵。

1 工程概況

1.1 盤區構造

D1104采場作為整個礦山的首采采場，標高大約1260m至1310m，水平寬約150m。栗園向斜是礦區的主體控礦構造，呈北東-南西向展布，礦區內長約4.7km。栗園向斜總體為一個東緩西陡的不對稱向斜，向斜西翼從南向北傾向由南東逐漸變為向南，平均162°左右；向斜東翼從北向南傾向由南向南西逐漸過渡向西，平均約263°。采場位于栗園向斜東翼東北部，呈北-南向展布。采場區內褶皺不發育，受構造影響，沿走向礦層有起伏。礦區具有喀斯特巖溶地貌典型特征，漏水嚴重。

1.2 礦體特征

D1104首采場位于礦區的東北部，礦區礦體位于呈北東-南西向展布的栗園向斜東翼北段上石炭統大竹園組中上部，為一層狀、似層狀產出的連續礦體，其厚度變化較小，采場范圍內礦體連續分布，產狀與地層產狀基本一致，較為穩定；礦體產狀與圍巖一致，礦體傾角由5°～28°，平均約13°。礦石主要呈現半土狀、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 礦層頂底板巖性

根據鉆孔資料分析，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的黑色炭質泥巖。直接頂是梁山組P2l中平均厚度3.2m的黑色炭質頁巖、炭質泥巖。老頂是平均厚度30.5m的層狀細晶灰巖。直接底板為大竹園組C2d為主夾鋁土礦層的粘土巖類，厚度不穩定，連續性差。

表2 礦層頂底板巖石物理力學性質

從上述礦層頂底板物理力學性質可以看出，礦層頂底板巖層屬于不堅固～中等堅固巖石。同時受喀斯特巖溶地貌地下水作用，礦層頂底板的巖石特征受到嚴重破壞，頂板中的灰巖、泥灰巖、炭質泥巖及鋁土巖的節理、裂隙發育，整體穩定性較低，易出現冒頂或底鼓現象。

2 液壓支架選型

2.1 液壓支架高度的確定

根據大竹園礦礦體的賦存條件，考慮頂底板條件及其他相關因素，支架選用兩柱掩護式支架[4]。從表1中可以看出礦體厚度主要分布在1.0m～3.0m之間，約占整體礦層儲量的72%。同時為少割矸石減少夾矸造成礦石品位的降低，工作面的開采高度應盡可能低。在綜合考慮上述因素及現有設備配套尺寸基礎上，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 液壓支架支護強度的確定

支架合理工作阻力的確定，必須以工作面上覆巖層的運動為依據，使頂板下沉控制在有限范圍內，尤其在基本頂來壓等工作面處于最危險狀態下，仍能使工作面頂板狀況保持良好[5]。“傳遞巖梁理論”是以上覆巖層運動為中心的礦山壓力理論[6，7]。采用“傳遞巖梁理論”確定支架的支護強度。通過對鉆孔柱狀圖進行分析，工作面直接頂由黑色炭質頁巖、炭質泥巖組成，基本頂為直接頂上方茅口組層狀細晶灰巖。

頂板初次來壓步距：

頂板周期來壓步距：

式中：LOZ1為頂板首次來壓步距，m；LOZ2為頂板周期來壓步距，m；[σ]為巖層抗拉強度，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。

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

工作面正常開采期間，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，取KT=2；fZ為直接頂懸頂系數；L為支架合理作用點距礦壁距離，取L=3.1m；LS為直接頂懸頂距，取LS=1.3m。

分別將各參數代入式（3）（4）（5）（6），計算得到工作面周期來壓強度為0.83MPa。

通過以上計算得知液壓支架支護強度不應低于0.83MPa，支護效率取0.9，則支架工作阻力為6800kN，支架型號推薦為ZY6800/13/32型兩柱掩護式支架。

3 液壓支架結構適應性研究

3.1 不穩定資源賦存適應性

鋁土礦礦層賦存較不穩定，且對礦石品位要求嚴格，過度采矸會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。同時提高資源回收率，工作面設備應具有較大可采范圍變化區間。為適應上述需求支架在配套環節需充分考慮支架的可調范圍。支架最低高度1300mm，最高高達3200mm，伸縮比高達2.46，覆蓋了礦層賦存主區間，最大程度的滿足了高回采率需求。

3.2 采礦機過機空間適應性

采礦機過機空間是保證工作面順利高效推進的關鍵因素。增大過機空間可提高三機在推進方向地質構造適應性，減薄頂梁前端厚度是提高過機空間的重要途徑。傳統頂梁前部機構多采用分體式托板結構，護幫千斤頂隨托板實現隨動，頂梁前端厚度一般不小于350mm。為滿足鋁土礦特殊地質條件下大伸縮比配套頂梁厚度要求，將護幫千斤頂尾部連接耳板焊接于伸縮梁中部箱型上，護幫千斤頂隨伸縮梁直接相連并隨動。通過該適應性設計可以最大程度的壓縮頂梁前部空間，護幫板折回時頂梁前端厚度僅為270mm，有效滿足了配套要求。

3.3 架間封矸防混入適應性

為防止頂板矸石從支架間空隙冒落混入礦石，同時保障人員安全，支架頂梁設置可調節活動側護板，側護板收回頂梁寬度1430mm，展開后寬度為1600mm。頂梁側護板前伸較長以擴大封矸區域，提升封矸防混入效果。

3.4 特殊采礦工藝鍍層防護適應性設計

鋁土礦地質特征相對煤礦礦層巖性及賦存厚度變化較大，在鋁土礦長壁開采推進過程中，如遇見特殊地質構造、較硬巖層等礦石欠采區段，仍需通過放炮松動礦層進行輔助開采，為防止在上述過程中崩矸損傷立柱鍍層，在頂梁上預留設計擋矸安裝位置，可根據實際情況在需要時安裝擋矸簾以達到對立柱鍍層的防護，同時配套立柱防護罩，進一步提升防護效果。

4 總結

通過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高度。采用“傳遞巖梁”理論結合地質鉆孔工程數據計算確定了液壓支架的支護強度。圍繞鋁土礦資源開采特點進行液壓支架結構適應性研究，為綜采工藝在鋁土礦中的推廣應用提供了參考。