刘国斌 牛向东 孙华芬

（1.中国铝业贵州分公司矿业公司；2.昆明理工大学国土资源工程学院）

目前我国地下铝土矿开采都面临着矿体顶板岩层强度低、稳定性差、软化系数大、遇水易泥化等问题，矿石资源开采过程中的顶板管控技术难度较大［1-3］。造成以上开采技术难题根本原因是铝土矿石形成的地质条件［4-7］，因此，我国地下铝土矿开采只有不断加强技术创新，才能提高矿石资源开采效率和降低损失率，促进我国经济的健康可持续发展。结合我国铝土矿形成的地质特点，探索一种地下铝土矿安全、高效开采的切顶房柱法，对我国铝土矿地下开采是非常必要且有意义的［8-10］。

切顶房柱法的最小切顶厚度，是决定该采矿方法能否顺利推广应用的重要技术参数。检索国内外相关文献发现，对切顶房柱法的切顶厚度取值方面文献较少，仅有少量几篇研究给出切顶厚度数值，譬如，穆江［11］研究分析了分层开采切顶房柱法在磨坊矿中的应用，给出当矿体厚度大于8 m时进行切顶，切顶高度为3.5～4 m；刘增蒿等［12］分析了预切顶房柱采矿法在侯庄矿区的应用实践，切顶高度确定为2～3 m。但是这些研究都没有给出切顶厚度取值的计算方法，故本研究提出一种基于人机工程学理论为基础的最小切顶厚度计算方法。该方法确定的最小切顶厚度，既保证了现场技术人员能在有限切顶空间内正常作业，又能使得切顶厚度较为经济合理。

1 矿体赋存地质条件

1.1 矿体特征

猫场铝土矿区位于贵州省中部，行政区划属清镇市犁倭乡、站街镇管辖。矿区范围南北长为8 km，东西宽为10 km，面积为80 km2。贵州猫场铝土矿属于特大沉积型矿床，现已探明铝土矿储量1.79亿t，为薄至中厚矿体，矿体厚度为3～6 m，变异系数较大，且形态复杂。矿体倾角较缓，属于微倾斜至倾斜矿体，矿体倾角为6°～10°，平均倾角为8°。

1.2 工程水文地质特点

猫场矿区位于扬子准地台黔北台隆的贵阳复杂构造变形区，正处于该变形区内北东向构造与南北向构造的交接复合部位。区域内出露地层有震旦系、寒武系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第四系。矿体赋存于石炭系大塘组地层中，为中等以上稳固岩体；矿体直接顶板为黏土岩或铝土岩物质，赋存于石炭系大塘组顶至石炭系摆佐组底之间的地层，为遇水易泥化崩解的极不稳固岩体；矿体间接顶板为层状白云岩物质，赋存于石炭系摆佐组地层中，为稳固岩体。矿区矿体间接顶板为富水性中等和较弱的潜水—承压岩溶裂隙含水层，地表出露厚度大、岩溶发育、补给条件好，含丰富溶洞暗河的潜水含水层，矿区以岩溶裂隙含水层充水为主，顶底板直接进水，水文地质条件属中等偏复杂类型。

2 采矿方法选择

根据矿体赋存条件及开采技术条件，以及国内外类似矿山多年来的成功经验，再结合贵州猫场铝土矿自身的顶板围岩情况，目前猫场铝土矿采用留矿壁护顶房柱法和切顶房柱法进行开采。贵州猫场铝土矿切顶房柱采矿法见图1。

3 切顶房柱法开采工艺

3.1 采场结构参数

猫场铝土矿切顶房柱法采场沿矿体走向布置，采场长度为120 m，采场宽度为40 m，分段高度为20 m。顶底柱和间柱为5.5 m，矿石矿柱尺寸为5.5 m×5.5 m，矿柱边对边间距为9.0 m。切割上山和切割平巷尺寸为3.0 m×3.5 m。

3.2 回采工艺

切顶房柱法回采时分两步，第一步先切除矿体直接顶板铝土岩或者黏土岩，第二步回采铝土矿矿体。切除矿体直接顶板后及时处理顶板浮石，若遇到断层破碎带等不良岩层，采用锚喷网进行支护，必要时可适当多留一些矿柱。切除矿体直接顶板和回采矿体时由上至下后退式回采。如图1所示的切顶切割平巷高度为最小切顶厚度。

3.3 最小切顶厚度理论计算

人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。本研究基于人机工程学理论，从安全及人机结合面的角度出发，确定科学合理的最小切顶厚度。我国从事劳动生产作业的法定成年人有95%的人群身高由下式计算。

式中，x95为对应于百分位为95的我国法定成年人身高，mm；xˉ为样本均值，mm；S为样本标准差；k为与百分位α有关的变换系数，依据《中国成年人人体尺寸（GB 10000—1988）》可 知，当α=95%时，k=1.645。

由于中铝贵州猫场铝土矿位于贵州省中部的贵阳清镇市犁倭乡境内，属于我国的西南地区，依据《中国成年人人体尺寸（GB 10000—1988）》标准规范，西南地区的人体净身高均值xˉ=M=1 647 mm，标准差S=SD=56.7。则西南地区从事劳动生产作业95%的法定成年人净身高：x95=xˉ+kS=1 647+1.645×56.7=1 740.272 mm。

由于我国成年人人体尺寸标准中的测量数据均为裸体测量值，因此现场作业人员的最小功能身高还应考虑因穿鞋、穿衣等引起的高度变化量，这些因素引起的变化量称为功能修正量。故现场作业人员的最小功能身高由下式计算。

式中，H为最小功能身高，mm；x95为第α百分位人体身高值，mm；Δf为功能修正量，mm。

依据《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则（GB/T 12985—1991）》知，人体立姿穿男胶鞋的修正量为Δf1=39 mm，戴安全帽的修正量为Δf2=50 mm，故现场作业人员的总功能修正量Δf=Δf1+Δf2=89 mm。因此，西南地区从事劳动生产作业95%的法定成年人的最小功能身高：H=x95+Δf=1829.272 mm。

根据图2最小切顶厚度与人体最小功能高度间的关系，由于矿体平均倾角8°，人体最小功能高度H=1 829.272 mm，则猫场铝土矿采用切顶房柱法开采时的最小切顶厚度hmin=Hcosα=1 829.272×cos8°=1 811.5 mm。

3.4 主要技术经济指标

猫场铝土矿切顶房柱法与留矿壁护顶房柱法相比，由于切顶房柱法先将矿体顶部不稳定的铝土岩或者黏土岩切除后，再在稳固性较好的间接顶板白云岩下面回采矿体，不需要对稳固性好的间接顶板岩层采取支护措施，因此简化了采场顶板的管控工作，同时提高了矿石回采效率，降低了贫损指标。主要技术经济指标见表1。

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4 结语

（1）针对切顶房柱法最小切顶厚度的合理确定一直缺乏科学依据，本研究给出一种基于人机工程学理论为基础的最小切顶厚度的具体计算方法，为合理确定最小切顶厚度提供理论依据。

（2）本研究以贵州猫场沉积型铝土矿为例，在确定西南地区从事劳动生产作业95%法定成年人的最小功能身高基础上，给出了科学合理的最小切顶厚度为1 811.5 mm。该方法确定的最小切顶厚度既保证了现场技术人员能在有限切顶空间内正常作业，又能使得切顶厚度较为经济合理；同时矿山现场实际应用效果也验证了该方法的合理性和可靠性。