CN112160753A - 一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，过程如下：凿岩：在竖井掘进开始时，用凿岩设备凿岩，形成导孔；切割：使用装有导向轮的中空钻杆插入导孔中，金钢砂线绕在导向轮上；位于中空钻杆前端导向轮上的金钢砂线贴合掘进表面；液压胀裂：当围岩四周切割到预设位置后，取出中空钻杆，在导孔中插入液压劈裂机到指定位置，加压挤断岩柱与下部的联系；提升取蕊：将起重岩柱用的钢丝绳插入岩柱中，钢丝绳前端带有液压膨胀胀紧装置，液压胀紧后通过提升装置把岩柱提出坚井；在垂直深度上重复上述步骤，实现竖井掘砌，达到设计所需的断面和深度，完成竖井掘进。该掘进方法具有设计合理、易于操作、可控性高及易于推广使用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及坚井掘进技术领域，具体涉及一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法。
背景技术
竖井掘进是矿山建设的前提，目前国内外矿山企业坚井建设主要应用凿岩爆破工艺掘进开采，在凿岩后，使用炸药、雷管等火工材料，对爆破平面爆破，实现竖井掘进。爆破作业过程中，强烈的震动会对周围岩石产生破坏，因此，需要在围岩上进行大量的支护措施，然而，在下一次的爆破作业时，强烈的震动仍会产生强烈的震动，对围岩和支护措施产生严峻的考验；另外，在竖井掘进中，高温、涌水、破碎等复杂地质情况时有发生，给竖井掘进作业带来更更大的不确定性，这些因素使凿岩爆破工艺对作业人员具有极大的安全隐患。
在传统的凿岩爆破工艺中，还存在以下缺点：一是在爆破后，需要进行人工扒渣和机械扒渣，具有工作效率低的缺点；二是使用炸药、雷管等耗材，不仅对环境污染严重，而且这些耗材的不可重复利用性提高了作业成本，不符合节能环保的要求；三是爆破后的石材不能重复使用，不仅造成了地表垃圾增多，而且造成了石材浪费。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，具体为一种充分利用了砂线切割技术、液压劈断技术和膨胀挤紧提升技术的掘进方法。该掘进方法具有设计合理、易于操作、可控性高及易于推广使用的优点。
本发明的技术方案如下：
一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，过程如下：
(1)凿岩：在竖井掘进开始时，用凿岩设备凿岩，形成金钢砂线切割所用的导孔；
(2)切割：使用装有导向轮的中空钻杆插入步骤(1)的导孔中，金钢砂线绕在导向轮上，形成闭路循环；位于中空钻杆前端导向轮上的金钢砂线贴合掘进表面；中空钻杆向下运动，带动金钢砂线向下运动，实现对需要切割的岩石切割；切割的细泥由中空钻杆导入的高压水冲出作业面，用深井泵排出地表；
(3)液压胀裂：当围岩四周切割到预设位置后，取出步骤(2)的中空钻杆，在步骤(1)的导孔中插入液压劈裂机到指定位置，加压挤断岩柱与下部的联系；
(4)提升取蕊：将起重岩柱用的钢丝绳插入步骤(3)的岩柱中，钢丝绳前端带有液压膨胀胀紧装置，液压胀紧后通过提升装置把岩柱提出坚井；
(5)在垂直深度上重复步骤(1)-(4)，实现竖井掘砌，达到设计所需的断面和深度，完成竖井掘进。
优选的，在步骤(1)中，所述凿岩设备为伞钻、凿岩台车或手抱钻。
优选的，在步骤(1)中，所述手抱钻的型号为7655、YT27、YT28或YT29。
优选的，在步骤(2)中，中空钻杆连接有恒压装置，使中空钻杆恒压、持续的向下运动，从而带动金钢砂线对岩石切割。
优选的，在步骤(2)中，为利于中心的岩柱顺利取出，第一块岩柱切割时，应自上至下倾斜，形成约1％角度的上宽下窄的四面体，为下部顺利吊出做准备；
优选的，在步骤(3)中，为避免岩柱过重，可采用一次凿岩、分段取蕊的方式将岩柱取出；如，凿岩时，切割深度为30m，在液压胀裂时，可先现在15m深度挤断，取出，然后在继续深入30m处挤断，取出，使用多次取蕊的方式，减轻起吊重量，保证起吊安全。
优选的，在步骤(4)中，岩柱上凿设有提升孔，钢丝绳插入提升孔中，钢丝绳前端带有液压膨胀胀紧装置，液压胀紧后通过提升装置把岩柱提出坚井。
优选的，在步骤(4)中，为易于岩柱提升，可将岩柱使用步骤(2)的切割技术进行切割，便于岩柱分条、分段提升，降低提升难度。
优选的，在步骤(4)中，提升孔可在步骤(1)导孔凿设时同时钻设，也可在步骤(4)中，岩柱断裂后钻设。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明中，充分利用了砂线切割技术、液压劈断技术和膨胀挤紧提升技术，避免了掘进过程中雷管、炸药等耗材的使用，结合设备的重复利用，有效降低了竖井掘进的成本，同时可以避免爆破时的环境污染，做到节能环保。
2、本发明提供的掘进方法中，砂线切割技术、液压劈断技术和膨胀挤紧提升技术分别通过操控设备完成，容易实现无人化作业，提高人身安全，减少安全隐患，且设备的使用，可有效提高工作效率；另外，设备的使用，能有效应对高温、涌水、细泥、破碎复杂条件下的掘进及开采，具有广泛的适应性、适用性，可有效避免因上述情况而成本增加、风险加大、工期拖延甚至工程停止等情况的出现。
3、本发明提供的掘进方法中，使用的砂线切割技术，可对竖井掘进时的岩柱进行切割，控制切割后岩柱的大小，便于岩柱产生的石材的重复利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为竖井掘进时，凿岩俯视图。
图2为竖井掘进时，切割装置示意图。
图3为竖井掘进时，液压胀裂及提升取蕊示意图。
图中，1-预设井壁，2-导孔，3-提升孔，4-金钢砂线，5-导向轮，6-电机平台，7-电机，8-电机轮，9-恒压装置，10-可伸缩连杆，11-中空钻杆，12-岩柱，13-液压膨胀胀紧装置，14-液压顶。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，过程如下：
(1)凿岩：在竖井掘进开始时，确定竖井位置，标出预设井壁1的位置，用伞钻凿岩，形成金钢砂线4切割所用的导孔2；见图1；
本发明中，在预设井壁1的外部钻设8个导孔2，相邻两个导孔2的连线与预设井壁1的外壁相切，在预设井壁1的内部钻设4个导孔2，用于将内部的岩柱12分条切割，便于取出；在图1中，导孔2之间的连线为金钢砂线4的位置；
通过12个导孔2，将竖井分为9部分，中心部分为第一岩柱12；
分别在9个部分上设置提升孔3，提升孔3分别位于9个部分的中心位置处，便于对岩柱12提升运输；
(2)切割：使用切割装置进行切割，具体如下：
结合图2，切割装置包括可伸缩连杆10，可伸缩连杆10的两端分别焊接有中空钻杆11，中空钻杆11的两端分别焊接有导向轮5；可伸缩连杆10上安装有电机平台6，电机平台6上安装有电机7，电机7连接有电机轮8，金钢砂线4绕在4个导向轮5和电机轮8上，形成闭路循环；电机平台6连接有吊索，便于将切割装置吊升和下沉；可伸缩连杆10的设置，可对两个中空钻杆11之间的距离进行调整，使切割装置适用于不同尺径预设井壁1的需求；为提高切割系统的稳定性和切割效率，在地表动传输系统中加入恒压装置9，增加系统运转的稳定性，既可防止金钢砂线4绳压力过大而断裂，又防止压力过小而降低切割效率；
根据预设井壁1的位置，调整2个中空钻杆11的之间的距离，然后，将中空钻杆11插入步骤(1)的导孔2中，位于中空钻杆11前端导向轮5上的金钢砂线4贴合掘进表面，此时，金钢砂线4与预设井壁1的外壁相切；中空钻杆11向下运动，带动金钢砂线4向下运动，实现对需要切割的岩石切割；切割的细泥由中空钻杆11导入的高压水冲出作业面，用深井泵排出地表；
在地表开始的第一块岩柱12切割时，第一块岩柱12为上宽下窄结构，竖向倾斜角度为1％；上宽下载的设计，可便于第一层切割时，将第一块岩柱12取出，同时利于后续岩柱12的陆续取出；
本发明的金钢砂线切割技术代替传统爆破掘进的方法，机理在于：
在地下矿山企业生产过程中，首先需要掘砌至少2条竖井或斜井，然再独头掘进进行两井间贯通，实现简易通风系统和安全出口，再施工水泵房、配电室、运输等基本设施，然后才能正式进行采矿作业；
掘进过程中产生的岩石，并非都需爆破成小块，只要能与周边剥离、取出、形成空间、通道、系统即可，因此，本发明采用金钢砂线切割技术，化整岩为零散块石取出，减少工作量的同时，提高工作效率；另外，有目标的对岩柱12进行切割，形成不同大小的岩石，便于对岩石重复利用，提高资源的合理使用；
金钢砂线切割需以超前的引导才能达到目的，本发明中，在凿岩成孔后，用中空钻杆11配导向轮5来解决此问题，使金钢砂线4持续与掘进表面贴合，随着中空钻杆11在导孔2中向下移动，带动金钢砂线4向下切割，另外，不断在中空钻杆11中输入高压清水冲洗切割产生的泥浆，以减少作业阻力，降低金钢砂线4消耗，提高工作效率。
(3)液压胀裂：当围岩四周切割到预设位置(此处的预设位置未导孔2的底部)后，取出步骤(2)的中空钻杆11，在步骤(1)的导孔2中插入液压劈裂机到指定位置(岩柱预挤断的位置)，加压挤断岩柱12与下部的联系；
用液压劈裂机挤压断裂已四周切割到位的岩柱12，结合图3，具体过程为：
步骤(2)的切割深度为30m，在步骤(2)切割作业完成后，提出中空钻杆11、导向轮5及金钢砂线4，沿导孔2放入圆柱形且一侧设有液压顶14的液压劈裂机到岩柱适当的位置，减轻吊装设备的承载重量，在地表启动增压泵，挤断岩柱12，形成与上下及四周围岩完全断开的岩柱12，为下一步吊装创造条件；
(4)提升取蕊：将起重岩柱12用的钢丝绳插入步骤(3)的岩柱12中，钢丝绳前端带有液压膨胀胀紧装置13，液压胀紧后通过提升装置把岩柱12提出坚井；
经切割和挤断的岩柱12，虽然处于完全断离的状态，但若不创造吊装着力的条件，仍然不能有效把岩柱12取出，因此，在步骤(1)凿岩时，可在岩柱12的上部中间位置预打提升孔3，沿此提升孔3插入带前端带有液压胀紧防脱装置的钢丝绳，在地表启动液压胀紧后，由提升装置提将岩柱12升至地表，完成作业循环；在此过程中，根据提升装置的提升能力，可对30m的岩柱12进行不同位置的横向挤断，确保提升过程顺利进行；本过程井下属无人作业，安全可靠。
(5)在垂直深度上重复步骤(1)-(4)，实现竖井掘砌，达到设计所需的断面和深度，完成竖井掘进。
将本申请提供的掘进方法与传统的凿岩、爆破、铲装、运输技术进行对比，如下：
①目前应用广泛传统的凿岩、爆破、铲装、运输技术，因需要炸药、雷管、导爆管等火工材料，作业危险性高，审批难度大，管理难度大，一旦流向社会，后患无穷。而本案采取的金钢砂线切割技术可避开火工材料的使用，从根本上避免上述弊端，是矿产资源开采的一次革命，是采矿工艺、流程、技术、管理的颠覆性革新，开启了矿山企业不用炸药也能进行有效开采的局面。
②本发明采用的金钢砂线切割技术、金钢砂线恒压稳定技术、液压膨胀胀裂技术、膨胀挤紧防脱提升技术，均可远程操控，危险的作业面基本上属无人作业，大多数设备可循环利用，与传统的凿岩、爆破、铲装、运输、提升开采技术相比，可大量减少设备、工程、人员、安措投入，经济效益明显，社会效益明显。
③本发明采用的金钢砂线切割技术、金钢砂线恒压稳定技术、液压膨胀胀裂技术、膨胀挤紧防脱提升技术，多属远程操控、前置作业、少人作业，在安全管理日趋严格的前提下，在以人民为中心的背景中，实现源头治理、顶层设计、本质安全的作法，前景广阔。
④传统的凿岩、爆破、铲装、运输、提升开采技术在竖井掘进过程中产生的废石(直径35cm以下)，再利用价值较低，在当前山石、河砂、红土限制开采的情况下，本发明竖井掘进作业的副产品---切割而成的大理石块，是理想的建筑材料，附加值较高，既可冲减建设投资，又能提高经济效益，还能变废为宝提高资源综合利用率。
⑤传统的凿岩、爆破、铲装、运输、提升开采技术竖井掘进过程中，爆破作业属剧烈化学反应，铲装、运输过程中使用的无轨设备，不仅油料消耗多，还会有高温、油烟、废气、噪声产生，造成原本狭小的地下作业空间环境污染严重，恶化作业条件，影响职工身心健康。而本案基本上属物理作业，设备投入少，重型设备更少，源头上实现低碳环保、节能减排。
⑥传统的凿岩爆破、铲装运输、提升开采过程中，经常遇到涌水、高温、破碎、岩爆等突发状况，虽然用“冷冻法、强排法、注浆法、支护法”等经努力可完成任务，但会造成工期拖延、费用增加、风险加大。本发明设备投入少，人员投入少，作业工艺相对简单，工作面多属设备前置作业，地表或远程少量人员属后置辅助作业，可有效规避上述影响。
尽管通过参考优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，过程如下：
(1)凿岩：在竖井掘进开始时，用凿岩设备凿岩，形成金钢砂线切割所用的导孔；
(2)切割：使用装有导向轮的中空钻杆插入步骤(1)的导孔中，金钢砂线绕在导向轮上，形成闭路循环；位于中空钻杆前端导向轮上的金钢砂线贴合掘进表面；
(3)液压胀裂：当围岩四周切割到预设位置后，取出步骤(2)的中空钻杆，在步骤(1)的导孔中插入液压劈裂机到指定位置，加压挤断岩柱与下部的联系；
(4)提升取蕊：将起重岩柱用的钢丝绳插入步骤(3)的岩柱中，钢丝绳前端带有液压膨胀胀紧装置，液压胀紧后通过提升装置把岩柱提出坚井；
(5)在垂直深度上重复步骤(1)-(4)，实现竖井掘砌，达到设计所需的断面和深度，完成竖井掘进。
2.如权利要求1所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述凿岩设备为伞钻、凿岩台车或手抱钻。
3.如权利要求2所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，所述手抱钻的型号为7655、YT27、YT28或YT29。
4.如权利要求1所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(2)中，中空钻杆连接有恒压装置。
5.如权利要求1所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(2)中，第一块岩柱切割应自上至下倾斜，形成约1％角度的上宽下窄的四面体。
6.如权利要求1所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(3)中，可采用一次凿岩、分段取蕊的方式将岩柱取出。
7.如权利要求1所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(4)中，岩柱上凿设有提升孔，钢丝绳插入提升孔中，钢丝绳前端带有液压膨胀胀紧装置。
8.如权利要求7所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(4)中，提升孔可在步骤(1)导孔凿设时同时钻设，也可在步骤(4)中，岩柱断裂后钻设。
9.如权利要求7所述的利用金钢砂线切割为前提的井巷掘进采矿方法，其特征在于，在步骤(4)中，将岩柱使用步骤(2)的切割技术进行切割形成岩石，提升孔设在切割后的岩石上。
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