组合式支架在井工铝土矿应用探索

组合式支架在井工铝土矿应用探索

展明鹏

国家电投集团铝电投资有限公司宁夏银川750000

摘要：铝土矿地下开采多采用房柱法，深部地下资源开采经验欠缺，铝土矿地下开采仍处于探索阶段，采取何种开采方法安全高效开采铝土矿已成为当务之急需要研究的问题。山西中铁型铝土矿赋存条件与煤矿相似，探索、借鉴煤矿上成熟组合式支架壁式崩落法采矿法，组合支架壁式崩落法成功应用于井工铝土矿必将填补铝土矿井工开采关键技术研究及应用技术空白，研究成果可应用于类似条件下矿井技术借鉴，推广意义深远。

关键词：铝土矿；地下开采；组合支架；壁式工作面；采矿方法。

一、我国铝土矿资源状况

根据美国地质调查局(USGS)数据，2018年全球铝土矿基础资源储量接近300亿吨，产量接近3亿吨，基础资源保有年限接近100年。中国国土资源部的数据显示，到2017年末中国已查明铝土矿资源储量50.89亿吨，其中基础储量约10.1亿吨，产量接近7000万吨，基础资源保有年限仅在14年，远低于全球水平。2019年国内对进口铝土矿的需求预计达7500万吨，铝土矿的进口依存度上升到50%左右。

中国铝土矿浅部资源逐渐枯竭，适合露天开采的储量逐渐减少且无法满足大规模生产的需要。地下开采矿山的规模较小，基本为30万t/a以下的中小型地下矿山，主要分布于山东、山西、贵州、重庆等地。铝土矿地下开采多采用传统房柱式开采，其他方法的相关成果较少，深部地下资源开采经验欠缺，生产中时常发生巷道垮塌，片帮等事故，且矿石回收率低、贫化严重，矿石质量不稳定，铝土矿地下开采仍处于探索阶段，采取何种开采方法安全高效开采铝土矿已成为当务之急需要研究的问题。

二、我国铝土矿地下开采方法

1.房柱法。矿房长80～150m，宽40～60m，多采用爆破落矿的方式进行崩矿，不支护或采用锚杆支护，顶板稳定性差时应预留0.5～1m的护顶矿，采用电耙、扒渣机、铲运机等装矿，采用传统的矿车、梭车或汽车运输，适用于矿岩稳固的水平或缓倾斜矿体，矿石回收率约40～50%，贫化率约15%，采场多，采切工程量大，劳动强度大，生产能力低，一般15万吨/年。

2.壁式崩落法。该方法将矿体进行独立单元划分，单元之间留设矿柱，面长30～50m，宽20～30m，依靠自然冒落或爆破的方式崩落矿石，采用电耙、扒渣机、铲运机等装矿;支护可采用常规木、钢、水压、液压支柱临时支护，采用传统的矿车、梭车或汽车运输。适用于围岩易崩落、厚度不大、地表允许塌陷的缓倾斜矿体,该方法矿石回收率约50～60%，贫化率约10%，采切工程量大，材料消耗多，支护顶板管理复杂，安全性差，劳动强度大生产能力低，一般15～30万吨/年。

3.综合机械化开采法。综合机械化开采方法是近年来国内矿山人探索采用煤矿开采工艺开采铝土矿方法所提出的开采方法。该方法形成走向（倾向）长壁工作面，采矿机落矿，刮板机装矿，胶带输送机运输，综采液压支架支护，自然垮落法处理采矿区。适用于各类围岩条件，矿层赋存稳定，矿石硬度系数小于6的矿体。工作面矿石回收率90%以上，贫化率约5%，采矿机械化程度高，安全性强，实现连续高效生产，单机产量一般30～60万吨/年。

以上三种采矿方法，铝土矿地下开采以综合机械化开采法为最佳。

三、组合式支架应用探索

山西吕梁、宁武、五台地区铝土矿均为低硫中铁型铝土矿，铝土矿极限抗压强度54.0～140.0Mpa，平均110.0Mpa，内摩擦角39.8～46.4°，平均42.9°，以致密状铝土矿强度为主，铝土矿属半坚硬～坚硬岩石。矿体直接顶板主要为粘土岩、泥岩、硬质耐火粘土矿，岩石为半坚硬—坚硬，岩体中等完整。矿体直接底板主要为铁质粘土岩类，山西式铁矿、泥灰岩、白云质灰岩，倾角0～25°，为半坚硬—坚硬岩层。

铝土矿硬度过大，仅能采用爆破方式破矿，矿层倾角起伏大，综采液压支架不适用。为提高铝土矿开采机械化程度，减小矿石损失，安全高效采矿，国家电投集团积极探索采取组合式支架壁式崩落法开采工艺。

（一）组合式支架支护原理

组合式支架是悬移支架的升级版，传统悬移支架在煤层赋存不稳定、倾角大、顶板破碎等地质条件复杂煤矿已应用30多年。组合支架是由单体悬移支架通过托梁或铰接构件连接为一个整体，每架有四个液压支柱,支架宽度0.96米，支架长度最长约3米，支架最大高度3.5米，支架工作阻力可达2600KN，支架前柱距支架端部长度为1米，前探梁伸出1米后支架下整体工作长度为2米，可形成长2米高2米的工作空间。正常生产时,架间距1.0m，支护密度为1架∕m2，最大控顶距约4.2m，最小控顶距3.5m。

1—后柱；2—前柱；3—顶梁；4—凿岩台车；5—前探梁；6—单体支柱（特殊支护）

图1组合支架示意图

（二）工作面布置

工作面沿矿体走向布置，工作面走向长500m左右，工作面斜长50m～60m，采场沿倾斜布置开采，沿走向方向推进。

图2工作面布置图

（三）采矿工艺

采场采用爆破落矿，扒渣机配合梭车运输，矿块矿石运输巷道采用转载机--胶带运输机联合运输。采场顶板采用组合式支架进行支护，全部垮落法处理顶板。

注液→打眼→矿壁爆破→伸缩梁→装矿→移架→注液→清理工作面

1.破岩方式：工作面采用YT-28型浅孔凿岩机或凿岩台车打眼，浅孔落矿，地下开采铝土矿爆破参数、效果、炸药用量、装药方式等根据实际情况进行调整优化。

2.回采：从工作面切割巷沿矿层走向方向由里向外后退式推进。

3.通风：新鲜风流自辅运巷道至采场工作面，清洗工作面的污风由胶带运输巷道回到回风巷，最后经回风井排出地表。

4.采空区最后进行密闭处理，自然崩落，局部可用废石进行部分充填。

（四）综合分析

1.技术分析：组合式支架在煤矿应用成熟。组合式支架作业空间大大提高、支护强度增大，支架整体性好，可适用于大倾角采矿。组合式支架支护强度满足复杂地质条件矿层。组合式支架工作阻力范围在1600KN—2600KN，支护高度可通过支柱液压控制阀调节升降，能适用不同采高和倾角较大的工作面。壁式崩落法工艺适应于铝土矿。山西吕梁地区铝土矿赋存条件与煤矿相近，矿层倾角小，具备布置壁式工作面条件。

2.安全可靠性分析：顶板管理安全、可靠。采用组合支架支护对顶板实现了全封闭，消除了顶板掉矸的安全隐患；所有支柱均有插销固定于护顶板与底座上，消除了支柱倒翻伤人及因放炮崩翻支柱造成空顶、冒顶等安全隐患；支柱底座大，泵站压力高，支柱的初撑力和工作阻力大大提高，对顶板的控制程度明显提高；利用护帮板做到快速及时维护顶板，有效地消除了炮后顶板冒落风险。组合整体性好。组合支架通过托梁系统将支架顶梁连接为一个强整体，消除了倒架、翻架等安全隐患。改善了作业环境，机械化程度高。组合式支架只有两排支柱，比π型钢梁配单体液压支柱支护相比少一排支柱，工人作业空间增大。组合式支架采用液压系统实现交替移架，工作原理与综采支架相同，可以采用本架移架，也可以临架移架，也可以通过遥控器移架。

2.经济效益分析：回采率高，延长矿井服务年限。壁式开采与传统的房柱法相比矿石回采率由40-50%提高至75-85%,矿井服务年限大大延长，实现矿井可持续发展。巷道掘进量少，掘进成本降。壁式工作面回采掘进巷道工程量是传统房柱式开采巷道工程量30—50%，掘进巷道成本大幅度降低。节约支护材料，支护成本低。组合支架其所具备的整体特性,不需背帮背顶，加之其配置防下陷柱鞋,与传统的单体液压支柱支护相比可以节省大量的坑木、荆笆、椽子等支护材料。组合支架可随着工作面的推进随时跟进,将彻底杜绝柱子丢失现象。液压系统分为进回液管路，乳化液可重复利用，节约大量乳化液等。

五、结论

总之，山西中铁型铝土矿赋存条件与煤矿相似，可以采用煤矿上应用技术成熟、安全可靠、机械化程度高、经济效益好组合式支架壁式崩落法采矿法，组合式支架与梭车、凿岩台车、扒渣机、胶带机等机械化设备配套选型后应用于铝土矿壁式工作面。组合支架壁式崩落法成功应用于井工铝土矿必将填补铝土矿井工开采关键技术研究及应用技术空白，研究成果可应用于类似条件下矿井技术借鉴，其推广意义深远。

参考文献：

[1]王祝堂熊慧;世界铝土矿资源与分布[N];中国有色金属报;2013年

[2]于立平,张怀昌;山西省铝土矿资源特征及开发利用现状[J];北京地质;2003年03期

[3]刘汝江,江兆利;悬移支架放顶煤开采技术的应用[J];山东煤炭科技;2000年S1期

[4]郭颂扬;;西细庄矿悬移支架回采工艺的应用[A];开滦矿区采矿技术与实践文集[C];2009年