基于人機(jī)工程學(xué)的切頂房柱法最小切頂厚度計(jì)算研究

劉國(guó)斌 牛向東 孫華芬

（1.中國(guó)鋁業(yè)貴州分公司礦業(yè)公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院）

目前我國(guó)地下鋁土礦開采都面臨著礦體頂板巖層強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、軟化系數(shù)大、遇水易泥化等問題，礦石資源開采過程中的頂板管控技術(shù)難度較大［1-3］。造成以上開采技術(shù)難題根本原因是鋁土礦石形成的地質(zhì)條件［4-7］，因此，我國(guó)地下鋁土礦開采只有不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，才能提高礦石資源開采效率和降低損失率，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合我國(guó)鋁土礦形成的地質(zhì)特點(diǎn)，探索一種地下鋁土礦安全、高效開采的切頂房柱法，對(duì)我國(guó)鋁土礦地下開采是非常必要且有意義的［8-10］。

切頂房柱法的最小切頂厚度，是決定該采礦方法能否順利推廣應(yīng)用的重要技術(shù)參數(shù)。檢索國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)切頂房柱法的切頂厚度取值方面文獻(xiàn)較少，僅有少量幾篇研究給出切頂厚度數(shù)值，譬如，穆江［11］研究分析了分層開采切頂房柱法在磨坊礦中的應(yīng)用，給出當(dāng)?shù)V體厚度大于8 m時(shí)進(jìn)行切頂，切頂高度為3.5～4 m；劉增蒿等［12］分析了預(yù)切頂房柱采礦法在侯莊礦區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐，切頂高度確定為2～3 m。但是這些研究都沒有給出切頂厚度取值的計(jì)算方法，故本研究提出一種基于人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)的最小切頂厚度計(jì)算方法。該方法確定的最小切頂厚度，既保證了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員能在有限切頂空間內(nèi)正常作業(yè)，又能使得切頂厚度較為經(jīng)濟(jì)合理。

1 礦體賦存地質(zhì)條件

1.1 礦體特征

貓場(chǎng)鋁土礦區(qū)位于貴州省中部，行政區(qū)劃屬清鎮(zhèn)市犁倭鄉(xiāng)、站街鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)范圍南北長(zhǎng)為8 km，東西寬為10 km，面積為80 km2。貴州貓場(chǎng)鋁土礦屬于特大沉積型礦床，現(xiàn)已探明鋁土礦儲(chǔ)量1.79億t，為薄至中厚礦體，礦體厚度為3～6 m，變異系數(shù)較大，且形態(tài)復(fù)雜。礦體傾角較緩，屬于微傾斜至傾斜礦體，礦體傾角為6°～10°，平均傾角為8°。

1.2 工程水文地質(zhì)特點(diǎn)

貓場(chǎng)礦區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆的貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，正處于該變形區(qū)內(nèi)北東向構(gòu)造與南北向構(gòu)造的交接復(fù)合部位。區(qū)域內(nèi)出露地層有震旦系、寒武系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系。礦體賦存于石炭系大塘組地層中，為中等以上穩(wěn)固巖體；礦體直接頂板為黏土巖或鋁土巖物質(zhì)，賦存于石炭系大塘組頂至石炭系擺佐組底之間的地層，為遇水易泥化崩解的極不穩(wěn)固巖體；礦體間接頂板為層狀白云巖物質(zhì)，賦存于石炭系擺佐組地層中，為穩(wěn)固巖體。礦區(qū)礦體間接頂板為富水性中等和較弱的潛水—承壓巖溶裂隙含水層，地表出露厚度大、巖溶發(fā)育、補(bǔ)給條件好，含豐富溶洞暗河的潛水含水層，礦區(qū)以巖溶裂隙含水層充水為主，頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水，水文地質(zhì)條件屬中等偏復(fù)雜類型。

2 采礦方法選擇

根據(jù)礦體賦存條件及開采技術(shù)條件，以及國(guó)內(nèi)外類似礦山多年來的成功經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合貴州貓場(chǎng)鋁土礦自身的頂板圍巖情況，目前貓場(chǎng)鋁土礦采用留礦壁護(hù)頂房柱法和切頂房柱法進(jìn)行開采。貴州貓場(chǎng)鋁土礦切頂房柱采礦法見圖1。

3 切頂房柱法開采工藝

3.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

貓場(chǎng)鋁土礦切頂房柱法采場(chǎng)沿礦體走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)度為120 m，采場(chǎng)寬度為40 m，分段高度為20 m。頂?shù)字烷g柱為5.5 m，礦石礦柱尺寸為5.5 m×5.5 m，礦柱邊對(duì)邊間距為9.0 m。切割上山和切割平巷尺寸為3.0 m×3.5 m。

3.2 回采工藝

切頂房柱法回采時(shí)分兩步，第一步先切除礦體直接頂板鋁土巖或者黏土巖，第二步回采鋁土礦礦體。切除礦體直接頂板后及時(shí)處理頂板浮石，若遇到斷層破碎帶等不良巖層，采用錨噴網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，必要時(shí)可適當(dāng)多留一些礦柱。切除礦體直接頂板和回采礦體時(shí)由上至下后退式回采。如圖1所示的切頂切割平巷高度為最小切頂厚度。

3.3 最小切頂厚度理論計(jì)算

人機(jī)工程學(xué)是研究人、機(jī)械及其工作環(huán)境之間相互作用的學(xué)科。本研究基于人機(jī)工程學(xué)理論，從安全及人機(jī)結(jié)合面的角度出發(fā)，確定科學(xué)合理的最小切頂厚度。我國(guó)從事勞動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)的法定成年人有95%的人群身高由下式計(jì)算。

式中，x95為對(duì)應(yīng)于百分位為95的我國(guó)法定成年人身高，mm；xˉ為樣本均值，mm；S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；k為與百分位α有關(guān)的變換系數(shù)，依據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸（GB 10000—1988）》可 知，當(dāng)α=95%時(shí)，k=1.645。

由于中鋁貴州貓場(chǎng)鋁土礦位于貴州省中部的貴陽清鎮(zhèn)市犁倭鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于我國(guó)的西南地區(qū)，依據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸（GB 10000—1988）》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，西南地區(qū)的人體凈身高均值xˉ=M=1 647 mm，標(biāo)準(zhǔn)差S=SD=56.7。則西南地區(qū)從事勞動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)95%的法定成年人凈身高：x95=xˉ+kS=1 647+1.645×56.7=1 740.272 mm。

由于我國(guó)成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)均為裸體測(cè)量值，因此現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的最小功能身高還應(yīng)考慮因穿鞋、穿衣等引起的高度變化量，這些因素引起的變化量稱為功能修正量。故現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的最小功能身高由下式計(jì)算。

式中，H為最小功能身高，mm；x95為第α百分位人體身高值，mm；Δf為功能修正量，mm。

依據(jù)《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則（GB/T 12985—1991）》知，人體立姿穿男膠鞋的修正量為Δf1=39 mm，戴安全帽的修正量為Δf2=50 mm，故現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的總功能修正量Δf=Δf1+Δf2=89 mm。因此，西南地區(qū)從事勞動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)95%的法定成年人的最小功能身高：H=x95+Δf=1829.272 mm。

根據(jù)圖2最小切頂厚度與人體最小功能高度間的關(guān)系，由于礦體平均傾角8°，人體最小功能高度H=1 829.272 mm，則貓場(chǎng)鋁土礦采用切頂房柱法開采時(shí)的最小切頂厚度hmin=Hcosα=1 829.272×cos8°=1 811.5 mm。

3.4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

貓場(chǎng)鋁土礦切頂房柱法與留礦壁護(hù)頂房柱法相比，由于切頂房柱法先將礦體頂部不穩(wěn)定的鋁土巖或者黏土巖切除后，再在穩(wěn)固性較好的間接頂板白云巖下面回采礦體，不需要對(duì)穩(wěn)固性好的間接頂板巖層采取支護(hù)措施，因此簡(jiǎn)化了采場(chǎng)頂板的管控工作，同時(shí)提高了礦石回采效率，降低了貧損指標(biāo)。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

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4 結(jié)語

（1）針對(duì)切頂房柱法最小切頂厚度的合理確定一直缺乏科學(xué)依據(jù)，本研究給出一種基于人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)的最小切頂厚度的具體計(jì)算方法，為合理確定最小切頂厚度提供理論依據(jù)。

（2）本研究以貴州貓場(chǎng)沉積型鋁土礦為例，在確定西南地區(qū)從事勞動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)95%法定成年人的最小功能身高基礎(chǔ)上，給出了科學(xué)合理的最小切頂厚度為1 811.5 mm。該方法確定的最小切頂厚度既保證了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員能在有限切頂空間內(nèi)正常作業(yè)，又能使得切頂厚度較為經(jīng)濟(jì)合理；同時(shí)礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果也驗(yàn)證了該方法的合理性和可靠性。