硬质矿层机械化连续开采方法与流程

本发明涉及一种硬质矿层井下开采方法，属于坚硬物料的开采方法。

背景技术：

铝土、铝岩等坚硬物料矿体的现有开采方法为炮采，生产效率低下，矿料贫化率居高不下，输送困难，提炼成本高，也无法保证安全开采，有的甚至严重影响开采经济性，已经不能满足现代化矿井与提炼系统的要求。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种硬质矿层机械化连续开采方法，能采用滚筒式采矿机进行截割、装载，从而提高开采的经济性和生产效率，并在此基础上通过一系列优化，降低截割齿等易损件的磨蚀和碎裂，实现不同品位等级矿料的连续开采、运输和分装储存。

本发明的主要技术方案有：

一种硬质矿层机械化连续开采方法，先对待开采矿体进行弱化处理，然后利用滚筒式采矿机对经弱化处理后的矿体采用变截深工艺进行开采。

所述变截深工艺是指如果经弱化处理后的矿体的硬度系数f在1-4之间，采用整截深开采，采矿机的滚筒的全部截割齿参与截割作业，如果经弱化处理后的矿体的硬度系数f＞4，采用半截深开采，采矿机的滚筒的轴向长度1/3-2/3范围内的截割齿参与截割作业，优选为滚筒的轴向长度的一半参与截割作业。

对待开采矿体进行弱化处理可以包括首次开采前的初始弱化处理和后续开采前的采前弱化处理，所述初始弱化处理是从工作面开采矿壁的两侧面各自向靠近工作面的矿体中开设若干个初始深孔，向所述初始深孔中装入炸药进行爆破，所述初始深孔平行于所述工作面的延伸方向，所述采前弱化处理是从工作面开采矿壁的两侧面各自向靠近工作面的矿体中开设若干个修正深孔，向所述修正深孔中装入炸药进行爆破或者通入高压水使矿体产生压裂，所述修正深孔全部位于矿料层内且平行于所述工作面。

所述截割滚筒的驱动机构所采用的电机优选从极数为4、6、8、10、12、16或20的异步电机中选取，且与同一摇臂配套的多个不同极数的所述异步电机的连接安装尺寸相同，通过更换不同极数的所述异步电机实现对所述截割滚筒的齿轮传动机构的不同输入功率配置。

优选配备工作面输送机、侧壁输送机、连接输送机、卸料分装机和多个料仓与采矿机进行联动，所述工作面输送机上沿长度方向全长设有滑轨，使所述采矿机跨设在所述工作面输送机上并沿所述滑轨相对所述工作面输送机往复行走，使所述工作面输送机的卸料端悬伸于所述侧壁输送机的上料端的上方，使所述侧壁输送机的卸料端悬伸于所述连接输送机的上料端的上方，将所述卸料分装机设置在所述连接输送机的末端，接收连接输送机的卸料，所述卸料分装机具有多角度定位装置，通过调整多角度定位装置的短道与各料仓的仓道对接，使所述卸料分装机的出料口连接不同的料仓，当所述采矿机要开采的矿料从一个矿料品位等级向另一个矿料品位等级切换时，所述采矿机的主控制器先向集控中心发出与另一个矿料品位等级相对应的开采准备信号，集控中心接到所述开采准备信号后向卸料分装机发出相应等级矿料分装信号以及向所述采矿机发出相应等级矿料开采许可信号，所述分装信号的控制内容为使所述卸料分装机在一定时长的延时后将出料口切换至与另一个矿料品位等级的料仓相对应，所述采矿机接到所述许可信号后，开始开采另一个矿料品位等级的矿料。

本发明的有益效果是：

本发明通过对矿体进行初始弱化和采前弱化，降低了矿体的硬度，再结合灵活的截深选择，减小了矿体对采矿机牵引与截割的阻力，保证足够的截割能力，保持采矿机进行稳定的开采，实现了滚筒式采矿机对坚硬物料由难采向可采的转变。

本申请通过控制设备用水量以及进行动力设备的水冷系统用冷却水的回收，有效地控制了工作面外的水对工作面矿料的影响，避免了矿料过高的含水率导致矿料品位降低与矿料遇水泥化问题，大大降低了矿料的提炼成本，也保证了运输的可靠。

本申请通过设置压力、流量、温度、液位、振动等各类传感器，实时掌握各相关部位因冲击、振动、冷却水回收等引起的一些特征参数的瞬时变化程度，方便实时了解所造成的影响大小，并通过控制器、主控制器及时进行干预，以保持开采过程中设备系统运行的稳定和安全，解决因硬质矿料截割出现的冲击振动、过载、油水液力波动等带来的采矿机传动系统、油液系统、水路系统的异常与失稳问题。通过设置摆动、位置传感器，将采矿机的位置信息与采高信息实时传输至电控系统，方便开采过程中不断修正不同品位等级矿料的分布数据，使针对不同品位等级矿料的分别开采更有针对性，有利于保证各等级矿料的品质。

本申请通过更换不同极数的电机、不同减速比的截割滚筒的传动机构、不同重量和截割齿数的截割滚筒，实现了多动力参数的更多的组合，使易损件磨蚀损耗过大的问题更易于解决，也更容易兼顾开采的经济性。

本申请通过采矿机与各级输送机、卸料分装机、料仓的自动化联动，实现了不同品位矿料的连续开采、连续输送和连续且有区分的储存，生产效率进一步提高，矿料品位等级的提升更有保障，开采经济性进一步提高。

本申请从控制截割齿的线速度、考虑水对矿料品质的影响、保持设备自身的运行稳定性、动力参数的合理配置以及多设备联动实现连续生产等多个方面对硬质矿层机械化连续开采方法进行了优化，以实现由可采向优采的转变。

附图说明

图1为本发明所采用的滚筒式采矿机的一个实施例的总体结构示意图；

图2为本发明所采用的滚筒式采矿机的截割机构的一个实施例的结构示意图；

图3为弱化处理作业示意图；

图4为本发明的一个实施例所采用的各井下设备布置平面图；

图5为卸料分装机和各料仓的设置与工作方式示意图；

图6为按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采的示意图；

图7为整截深开采的实施例的示意图；

图8为半截深开采的一个实施例的示意图。

附图标记：1.采矿机；11.摇臂；12.机身；13.截割滚筒；131.驱动机构；132.齿轮传动机构；14.滚筒喷嘴；15.壳体；2.工作面输送机；3.支护架；41.输送侧弱化装置；410.初始深孔；411.输送侧深孔；421.工作面浅孔；42.工作面弱化装置；43.动力侧弱化装置；431.动力侧深孔；5.侧壁输送机；6.动力装置；7.待开采矿体；711.中间矿层；712.近顶底的矿层；713.顶部和底部的矿层；72.输送通道；73.工作面通道；74.动力通道；80.卸料分装机；81.a级料仓；811.a级仓道；82.b级料仓；821.b级仓道；83.c级料仓；831.c级仓道；84.预留料仓；841.预留仓道。

具体实施方式

本发明公开了一种硬质矿层机械化连续开采方法，如图1-8所示，先对待开采矿体7进行弱化处理，然后利用滚筒式采矿机1对经弱化处理后的矿体采用变截深工艺进行开采。

弱化处理是使预开采的矿体产生松动，提高矿层裂隙，降低矿体硬度，从而提高可采性。经弱化处理后的矿体可能仍具有较高的硬度，尤其是当矿层厚度较薄时，为了保证所采到矿料的品质，理论上应该选用的滚筒直径和功率都较小，相应地截割力也较弱，而实践中很难选择到既满足上述要求又具有完全截割能力的采矿机对其进行截割。为此在利用常规能力范围的采矿机的情况下，可以通过采用变截深工艺进行开采，必要时减小截深，减小开采阻力，解决硬质矿层矿料的可开采性问题。截深是所述采矿机的滚筒截割时单次切人矿层内的深度。

所述变截深工艺具体是指如果经弱化处理后的矿体的硬度系数f在1-4之间，开采阻力较小，采用整截深开采，如图7所示，采矿机的滚筒的整个轴向长度k2全部截割齿参与截割作业，以获得相对高的生产效率；如果经弱化处理后的矿体的硬度系数f＞4，开采阻力较大，采用半截深开采，采矿机的滚筒的轴向长度k2的1/3-2/3范围内的截割齿参与截割作业，图8所示实施例以滚筒的轴向长度k2的1/2范围内的截割齿参与截割，以减小实际截割的齿数，减小了矿体对采矿机牵引与截割的阻力，保证足够的截割能力，保持采矿机进行稳定的开采。

对待开采矿体进行弱化处理优选包括首次开采前的初始弱化处理和后续开采前的采前弱化处理。如图3所示，所述初始弱化处理是从工作面开采矿壁的两侧面各自向靠近工作面的矿体中开设若干个初始深孔410，例如通过输送侧弱化装置41、动力侧弱化装置43对靠近工作面的矿体进行深孔钻入形成所述初始深孔，每个弱化装置所开设的多个初始深孔间隔分布。向所述初始深孔中装入炸药进行爆破。所述初始深孔通常平行于所述工作面的延伸方向。根据矿料硬度等不同，同侧的初始深孔可设置不同距离的钻孔间距。

随着工作面开采的推进，工作面矿体的实际分布情况越来越明朗，后续的各次所述采前弱化处理是从工作面开采矿壁的两侧面各自向靠近工作面的矿体中开设若干个修正深孔，所述若干个修正深孔在各自对应的通道的延伸方向上间隔分布。例如图3所示的输送侧深孔411与动力侧深孔431。之所以称为修正深孔，是因为这类深孔的延伸方向往往不同于初始深孔，初始深孔的延伸方向参照工作面的延伸方向确定，因此初始深孔的方向平行，而修正深孔的延伸方向参照的是矿层的起伏走势，为了避免非矿层的顶板的破坏影响安全以及矿料中混入顶底的非矿杂质从而影响矿料品位，修正深孔尽量不穿透矿体以外的顶底，即所述修正深孔优选为全部位于矿料层内且平行于所述工作面，钻孔时往往是以前一次弱化处理时所开设的深孔的延伸方向为基准修正钻孔角度，以得到尽可能深的孔。然后向所述修正深孔中装入炸药进行爆破或者通入高压水使矿体产生压裂，实现对靠近工作面的矿体的弱化处理。前者为爆破弱化，后者为水力弱化，优选采用前者，弱化效果更优，且对矿料品位影响更小。

由于矿层起伏变化，从工作面开采矿壁的两侧面各自开设的修正深孔往往相互间不贯通，即孔底部之间往往相距一定的距离，使位于工作面开采矿壁长度方向的中部成为未弱化段。仅仅依靠输送侧深孔与动力侧深孔无法对工作面全长范围内的近工作面的矿体段进行弱化。此时，可以从工作面开采矿壁的正面，通过工作面弱化装置42向工作面长度方向的中部矿体中开设工作面浅孔421，向工作面浅孔中装入炸药进行爆破或者通入高压水使未弱化段矿体产生压裂，实现对未弱化段的弱化处理。从工作面通道内相关设备的安全和防护难度考虑，未弱化段的弱化处理优选采用水力弱化。

通过修正深孔和工作面浅孔实施的弱化可以同时进行。当同时利用修正深孔实施爆破弱化和利用工作面浅孔实施水力弱化时，即实现了爆破弱化与水力弱化相结合。

用于爆破弱化的弱化装置主要包括钻杆，用于水力弱化的弱化装置除包括钻杆外，还包括水泵、孔口密封装置、注水加压管路等。

单次弱化处理优选针对整个工作面长度、7-10m的工作面开采矿壁侧面宽度范围内的矿体实施。

经弱化处理的矿体增加了内部裂隙，但是由于地压及连结强度等原因往往仍然具有较高的硬度，因此仍然有不小的开采难度，开采的经济性有待提高。于是，本申请又从控制截割齿的线速度、考虑水对矿料品质的影响、保持设备自身的运行稳定性、动力参数的合理配置以及多设备联动实现连续生产等多个方面对硬质矿层机械化连续开采方法进行了优化，以实现由可采向优采的转变。

所述采矿机的滚筒上截割齿的线速度优选控制在1.5-3.5m/s范围，使矿料对滚筒截割齿的磨蚀性损耗处于较低水平。所述采矿机的滚筒优选采用多头叶片的重型滚筒，以获得更为优良的截割性能。

如图2所示，在所述采矿机上设置滚筒喷嘴14，滚筒喷嘴的出口朝向滚筒上的截割齿。设置独立的喷雾泵站和能够自动补水的冷却水池，喷雾泵站的进水口连接所述冷却水池，喷雾泵站的出水口经第一供水管路连接所述滚筒喷嘴的进水口，喷雾泵站为喷雾喷嘴单向供水。优选将所述滚筒喷嘴的出水孔直径控制在0.5-1mm之间，从而控制滚筒喷嘴对滚筒的总出水量，使水量适中同时又具有良好的降尘所需的雾化效果及压力，既达到必要的降尘与截割齿齿尖降温作用，又避免过多的水进入矿料中影响矿料品位。

在采矿机的动力设备上设置水冷系统，所述喷雾泵站的出水口经第二供水管路连接所述水冷系统的冷却水(即吸热介质)进口，所述水冷系统的冷却水出口经回水管路连接所述冷却水池的回水口或连接一排水池的进水口，当连接所述冷却水池的进水口时，所述冷却水池的补液口连接所述排水池的出水口。冷却水池的水经喷雾泵站送进滚筒喷嘴和水冷系统，分别对截割齿和动力设备进行冷却，其中动力设备的水冷系统中的冷却水吸收采矿机热量后可以从回水管路直接流回冷却水池进行冷却、降温，然后再次投入到上述冷却循环中，或者也可以先从回水管路进入排水池冷却，通过所述冷却水池的补液口连接所述排水池的出水口，使排水池中的水冷却后重新进入冷却水池再次投入到上述冷却循环中。所述喷雾泵站的流量优选控制在200-400l/min范围，具体数值根据采矿机实际功耗确定。

通过控制设备用水量以及进行动力设备的水冷系统冷却水回收，有效地控制了工作面外的水对工作面矿料的影响，避免了矿料过高的含水率导致矿料品位降低与矿料遇水泥化问题，大大降低了矿料的提炼成本，也保证了运输的可靠。

如图1、2所示，所述采矿机包括机身12、电控箱和摇臂11，所述摇臂的一端角度可调地安装在所述机身上，所述截割滚筒13旋转连接在所述摇臂的另一端，并悬伸于所述摇臂的前方。所述截割滚筒的驱动机构131安装在所述摇臂上。摇臂、截割滚筒、截割滚筒的驱动机构和传动机构等组成采矿机截割机构，是采矿机上负责截割矿料的主体结构。所述电控箱固定在所述机身上。所述摇臂的角度改变，实际改变的是截割滚筒的高度。对于设有多个摇臂的采矿机，通过调整两侧截割滚筒处于不同的高度，可完成较厚矿层的一次完全开采。

所述采矿机的多种参数的合理配置，能够较好地解决截割齿等易损件磨蚀损耗过大的问题。相关参数包括驱动机构的功率、传动机构的减速比、截割滚筒的重量和截割齿数等。

所述截割滚筒的驱动机构所采用的电机优选从极数为4、6、8、10、12、16或20的异步电机(含变频电机)中选取，且与同一摇臂配套的多个不同极数的所述异步电机的连接安装尺寸相同，通过更换不同极数的所述异步电机实现对所述截割滚筒的齿轮传动机构的不同输入功率配置。

所述截割滚筒的齿轮传动机构132按照传动方向依次设有输入端配对齿轮组、中间区配对齿轮组和输出端行星机构，所述输入端配对齿轮组和中间区配对齿轮组安装在位于所述摇臂的壳体15内的齿轮箱中。所述截割滚筒同轴连接在所述输出端行星机构的输出轴上，所述摇臂的壳体15上设有能适应多种规格的所述输出端行星机构的内齿圈的行星机构定位连接结构，所述输出端行星机构上设有能适应多种规格的所述截割滚筒的滚筒定位连接结构，通过更换不同的输入端配对齿轮组、中间区配对齿轮组实现定轴传动的变速，通过更换不同的输出端行星机构实现行星机构的变速，综合实现滚筒输出转速的不同配置。通过更换不同重量和截割齿数(主要通过采用不同螺旋叶片数量)的截割滚筒实现输出截割冲击能、单齿截割力的不同配置。

通过对采矿机截割滚筒及其驱动、传动机构所做的上述多规格适用的配套设计，使功率、转速、截割力等动力力学参数都可以在各自更大的范围内选择，因此能组合出更多的配置方案，使易损件磨蚀损耗过大的问题更易于解决，也更容易兼顾开采的经济性。

设置用于监测所述齿轮箱内油池温度的温度传感器、用于监测所述齿轮箱内油池液位的液位传感器、用于监测油路压力的压力传感器、用于监测水路压力的压力传感器、用于监测水路流量的流量传感器、用于监测所述电控箱及所述摇臂的振动传感器、用于监测采矿机采高的摇臂摆动传感器和用于监测采矿机相对工作面位置的位置传感器，利用各个传感器实时监测各工作部位的状态特征并将监测结果数据传至所述电控箱的控制器作比较，对于超过设定参数的监测数据所述控制器传递信息至主控器，主控制器输出相应的执行指令，进行当前状态的调整和预警，必要时停机。所述控制器和主控制器设置在所述电控箱内。

滚筒式采矿机的截割齿对硬质物料的截割开采，通常会带来剧烈的冲击与振动，对机械、电气系统影响很大，冷却水回收连接带来的水压力的增加对采矿机动力设备的耐压影响也很大，尤其是水压冲击、油液等波动对传动系统的润滑及齿轮泵的吸油影响也较大。通过设置上述各压力传感器、流量传感器、温度传感器、液位传感器以及振动传感器，可以实时掌握各相关部位因冲击、振动、冷却水回收等引起的一些特征参数的瞬时变化程度，方便实时了解所造成的影响大小，并通过控制器、主控制器及时进行干预，以保持开采过程中设备系统运行的稳定和安全，解决因硬质矿料截割出现的冲击振动、过载、油水液力波动等带来的采矿机传动系统、油液系统、水路系统的异常与失稳问题。

其中，用于监测水路压力的压力传感器的保护压力设定值在2-4mpa之间，用于对动力设备进行保护。

通过设置所述摆动传感器和位置传感器，将采矿机的位置信息与采高信息实时传输至电控系统，当人工给定不同品位矿料的初始开采的信息指令时，系统将记录不同品位矿料的分布信息，作为下一次自动开采时的位置信息，过程中不断地人工修正能更精确的实现不同品位矿料分布的系统数据。

通过设置传感器对采矿机多部位进行实时监控，并依据监测结果对各部位进行及时调控，保证了开采过程中采矿机的设备安全稳定与正常行驶，无剧烈振动，无频繁保护等。

如图4、5所示，从设备层面，优选配备工作面输送机2、侧壁输送机5、连接输送机、卸料分装机80和多个料仓与所述采矿机联动。工作时，所述工作面输送机在工作面通道73中沿矿壁工作面呈线型铺设，所述工作面输送机上沿长度方向全长设有滑轨，使所述采矿机跨设在所述工作面输送机上并沿所述滑轨相对所述工作面输送机往复行走。所述工作面输送机的后方设置支护架3，所述支护架能为工作面输送机和采矿机提供运行空间，同时对矿壁进行支护，保证采矿机往复行走的安全，还能防止顶板碎石等杂质掉落影响矿料的品位。所述侧壁输送机在输送通道72中沿矿壁一侧面线型铺设，所述连接输送机位于侧壁输送机的下游，其上料端与所述侧壁输送机的卸料端相衔接。使所述工作面输送机的卸料端悬伸于所述侧壁输送机的上料端的上方，使所述侧壁输送机的卸料端悬伸于所述连接输送机的上料端的上方，将所述卸料分装机设置在所述连接输送机的末端，接收连接输送机的卸料。滚筒式采矿机用于截割和向工作面输送机装载矿料，所述工作面输送机用于将采矿机开采的矿料装载并运向工作面的一端，并转移到侧壁输送机上，通过接力运输，侧壁输送机与连接输送机再将矿料运送到地面。采矿机与各输送机联动，实现自动装料、运料，能够明显提高生产效率。井下各设备的动力装置6放置在位于矿壁另一侧的动力通道内。

所述卸料分装机具有多角度定位装置，通过调整多角度定位装置的短道与各料仓的仓道对接，使所述卸料分装机的出料口连接不同的料仓，以此实现不同品位等级矿料向不同料仓的分装。如图5所示，a级料仓81、b级料仓82、c级料仓83分别用于储存a级品位、b级品位和c级品位的矿料，通过调整多角度定位装置的短道与a级仓道811、b级仓道821、c级仓道831对接，可以使不同品位等级的矿料分别装进不同的料仓内，实现矿料的分装。预留料仓84及其预留仓道841是设置的冗余储料设备，提高所述坚硬矿料井下开采设备的储料的机动灵活性。

当所述采矿机要开采的矿料从一个矿料品位等级向另一个矿料品位等级切换时，所述采矿机的主控制器先向集控中心发出与另一个矿料品位等级相对应的开采准备信号，以便于将即将开采的矿料在经过工作面输送机、侧壁输送机、连接输送机、卸料分装机装进不同的料仓作准备。集控中心接到所述开采准备信号后向卸料分装机发出相应等级矿料分装信号以及向所述采矿机发出相应等级矿料开采许可信号，所述分装信号的控制内容为使所述卸料分装机在一定时长的延时后将出料口切换至与另一个矿料品位等级的料仓相对应，所述采矿机接到所述许可信号后，开始开采另一个矿料品位等级的矿料。

采矿机与上述一系列设备的自动化联动，实现了不同品位矿料的连续开采、连续输送和连续且有区分的储存，生产效率进一步提高，矿料品位等级的提升更有保障，开采经济性进一步提高。

对经弱化处理后的矿体开采前，还可以先根据矿料品位等级的不同将工作面开采矿壁划分成不同的矿层，以及将工作面开采矿壁横向划分成一个或多个工作段，采矿机从工作面的一端向另一端行走过程中逐个工作段进行开采，每个工作段内按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采。当进行半截深开采时，相比整截深开采能较早地发现矿层矿料等级分布的变化和矿层中的杂质。一旦发现矿料分布的变化和矿层中的杂质，应及时进行矿层和工作段划分的调整。

一般情况下，矿料按照品位等级在工作面开采矿壁上自然呈现出高度方向上分层的现象，并且通常品位等级越高的矿料层越集中在工作面开采矿壁高度方向的中部，越靠近工作面开采矿壁的顶部和底部，矿料层的品位等级越低。因此上述矿层大体呈横向延伸的条形，相互间纵向排列。本文中的横向、竖向是指在与工作面开采矿壁平行的平面内相互垂直的两个方向，其中横向与采矿机沿工作面行走的方向平行。

如图6所示，中间矿层711的矿料品位等级最高，近顶底的矿层712矿料品位等级居中，顶部和底部的矿层713矿料品位等级最低。优先开采矿料品位等级高的矿层，可以优先保证较高品位矿料的品质。

本发明能实现硬质矿层的经济性开采，可适用于不同硬度矿料的开采，且截割齿的易磨损、碎裂问题得到改善，解决了现有的硬质矿层开采中不经济、适应条件差、生产效率低等问题与不足，不但解决了硬质矿层由难采向可采的转变问题，更是解决了硬质矿层由可采向优采的转变问题。