Ⅴ膏组开采工艺及顶板支护实践

辽阳荣官地区石膏矿开采Ⅴ膏组，V膏呈层状赋存于下寒武统碱厂组，膏层最大厚度为5m，最小为2．5m，平均为4m，块状构造，灰白色，硬度f=2～4，密度为2．6t/m3。Ⅴ膏直接顶为10m厚的石灰岩，其下部为0．7～1．3m厚薄层状泥质灰岩，比较破碎;上部为6．1m厚灰黑色细碎屑灰岩，具有冲刷面;底板为5．5m厚鲕状、细碎屑状黑灰色白云质灰岩，坚硬，层理、节理均发育。
1采矿方法选择
    采矿方法选择对矿井的安全生产、劳动效率、采出矿石质量、采矿成本以及对矿产资源回收等有直接影响［1］。井田大部分位于村庄下，地表不允许塌陷。因此，采用房柱法开采。根据矿体产状，沿走向划分矿块，矿房的长轴沿矿体的倾斜方向布置，矿房沿走向前进开采，矿房间用连续矿柱支撑顶板。
2采场构成要素
2．1工作面长度
    合理的工作面长度是实现高产、高效的重要条件，根据膏层赋存条件、顶板状况及经济技术因素，确保巷道掘进率适中、吨膏费用最低，并能充分发挥设备效率，以此确定经济上最佳的工作面长度。因膏层平均厚4m，采用爆破落膏，分层开采，2DJP-55型耙矿绞车出矿，同时由于支护、开帮放顶工作量大，工作面过长势必影响推进速度，顶板管理难以控制，因此，确定工作面长度为70m。
2．2矿房跨度
    将采场顶板假设为固定梁，应用材料力学理论，根据岩梁假说，推导计算顶板最大允许跨度，经验公式为
 

式中，Ls为安全跨距，m;h为岩梁厚度，取22m;ＲT为岩石抗拉强度，3.55MPa;n为岩石横向断裂安全系数，取6;q为岩梁载荷，q=Hγ=15.86MPa，H为上部岩石的深度，取610m，γ为岩石容重，26kN/m3。

计算得出Ls=6m。综合考虑顶板实际状况等因素，确定矿房采宽为6m。
2．3矿柱宽度
    根据经验公式
 

式中，a为留设矿柱宽度，m;b为采宽，6m;S为因留设条带状矿柱而造成的损失率;γ为上部岩石的平均容重，26kN/m3;H为开采深度，610m;Ｒc为石膏允许抗压强度，32MPa。
计算得出S≥0．495625，a=5．896m。考虑Ⅴ膏组开采时矿房两帮片帮后预留矿柱宽度减小的实际情况，取矿柱宽度为6m。
    综合以上分析，确定矿块斜长为70m，阶段垂高为14．5m，矿房采宽为6m，矿柱宽6m，采6m留6m，上下区段平巷护巷膏柱宽2．5～3m，不留护底层。
3采准切割
    矿房采用走向前进房柱法，根据围岩稳定程度，利于布置采掘机械设备;区段运输巷道断面为三心拱，巷道宽3m，高2．8m，掘进断面积为8m2。在膏层内沿Ⅴ膏组底板掘进上、下区段平巷，坡度为3‰;运输、回风巷道形成后，沿倾向抓底板每12m掘进一条开切巷，开切眼规格宽2m，高2．2m，开切巷贯通后形成通风、生产系统;开切眼贯通后，沿切眼法距方向每5～8m往顶板打探眼，打到顶板灰黑色条带状泥质灰岩后停钻，确定膏层厚度，然后依据膏层厚度确定开采方式。
4回采工艺
    因开采高度在3～5m，局部最大采高有时大于5m，当开采高度约3m时，一次采全高。当采高在4～5m时，上、下分层开采。
    一次采全高方式开采:劈帮时从矿房下部开始，先开缺口形成台阶，台阶交错式布置，由下向上推进，工作面沿切眼中心两侧各形成3个台阶，劈帮高度为3m，宽0．7～0．8m，铅垂方向打5个炮眼，沿膏层顶板布置2个压顶眼，炮眼深3m。两帮同时推进，台阶错距为5m。
    分层开采:下分层厚2．8～3．2m，采用劈帮开采;上分层厚1．7～2m，采用压顶开采。开采下分层后的空间高度约3m，开采上分层压顶后的空间高度(岩石破碎后体积增加)不至于将迎头(未放顶的膏层)堵实而影响行人、通风。劈帮采用交错式台阶布置，由下向上推进，工作面沿切眼中心两侧各形成3个台阶，劈帮高度为2．8～3．2m，宽0．6～0．7m，铅垂方向打5个炮眼，深3m，两帮同时推进，台阶错距为5m。开采上分层时采用下行开采，由上而下推进，压顶打双层炮眼，上层炮眼采用单段空气柱方式爆破，眼深2．5m，眼距为0．8m，每小班2个循环。为保证矿柱及顶板的稳定性，要求在布置帮眼和压顶炮眼时必须采用单段空气柱装药结构，使爆破后的岩面平整、光滑。
    每个工作面配备一台2DZP-55型耙矿绞车运搬矿石，矿房下部设簸箕口，将矿石装入运输平巷的固定式矿车内，出矿能力为80t/班。
5顶板管理
    矿房之间采用留设连续矿柱方式控制顶板，由于V膏组直接顶下部为0．7～1．3m厚的薄层状泥质灰岩，顶板比较破碎，因此，采用锚杆钢带联合支护顶板。局部区域如需加强支护可按实际情况加密锚杆或加挂金属网。
5．1支护参数
    矿房顶板锚杆支护密度根据公式

式中，n为矿房内沿走向每排锚杆数量，根;M为易脱落岩层(膏层)厚度，1.3m;L为易脱落岩层(膏层)宽度，6m;B为锚杆倾斜排距，1.2m;γ为易脱落岩层(膏层)容重，27kN/m3;K为安全系数，1.5;t为单根锚杆锚固力，100kN。
    计算得出每排锚杆数量n=3.8根，取4根。支护参数:锚杆规格为22mm×2000mm，锚固剂为500mm树脂药卷，托盘为100mm×100mm×5mm钢板，采用等强螺母;钢带规格为10mm×80mm×1200mm;金属网规格为5m×1m;锚杆与顶板按75°～90°打设。
5．2支护验算
    根据公式

式中，G为锚杆所吊岩石重力，kN;M为易脱落岩层(膏层)厚度，1.3m;L为最大支护宽度，1.2m;B为锚杆排距，1.2m;α为岩层倾角，13°;γ为易脱落岩层(膏层)容重，27kN/m3。
计算得出锚杆所吊岩石重力G=50．6kN＜100kN，满足要求。
    锚杆尾端外露长度不得大于50mm;药卷搅拌时间严格按说明书操作;药卷搅拌均匀，初凝3min后撤下凿岩机。Ⅴ膏组顶板锚杆钢带联合支护见图1。

5．3支护效果
    树脂锚固剂强度增长快，30min后可达到最终强度的65%～90%，最终强度为120MPa。采用树脂锚杆，锚固力可达100kN，具有承载快、锚固力大、可靠性强等优点。回采矿房支护后顶板虽然有一定的破碎下沉，但仍然保持完整稳定，起到了加固顶板的作用。如顶板受力破碎面积深度不大时，无需重新打设锚杆，可直接拧紧螺母继续使用，不会降低锚固力，减少了人工、材料等消耗。采用废旧钢丝绳制作钢带，可满足生产需要，而且降低材料成本，每年可以节省材料费35万元。因此，采用等强锚杆钢带联合支护具有工序简单、施工方便、劳动强度小、成本节省等优点。
6结语
    Ⅴ膏组采用房柱法开采，一次采全高与分层开采相结合，出矿能力强，效率高，采用等强锚杆与钢带联合支护方式管理顶板，可有效控制回采工作面的顶板变形、位移和裂隙的发展，增加顶板的稳定性、安全性和可靠性，从而为深部石膏矿床和中厚层石膏开采工艺和顶板管理积累了可靠的经验。
参考文献
［1］徐永圻．采矿学［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2005