CN113216951B

CN113216951B - 一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法

Info

Publication number: CN113216951B
Application number: CN202110617474.0A
Authority: CN
Inventors: 王少锋; 李夕兵; 孙立成; 姚金蕊
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2041-06-03
Also published as: CN113216951A

Abstract

本发明公开了一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法，包括如下步骤：布置运输巷道和切割巷道，从而形成一个待开采的矿柱；将矿柱靠近运输巷道一侧的临空面作为工作面，在工作面上位于矿柱的底部开挖一条卸压槽；将卸压槽上方矿体划分为沿矿体走向并排分布的多个长条状矿体；沿矿体走向依次对各个长条状矿体进行开采；开采作业面向前推进一个长条状矿体的宽度，重复上述，直至矿柱全部开采完成。该采矿方法利用开挖巷道后应力重分布行成的开挖松动区矿岩破碎的特点，并通过在矿柱下方开挖卸压槽进一步改变待开采矿体所受应力状态提高矿岩的可切割性，该采矿方法设计新型高频破碎锤，可提高开采效率，以此实现硬岩矿山的高效非爆机械化开采。

Description

一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法

技术领域

本发明属于硬岩矿山开采技术领域，尤其涉及一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法。

背景技术

为满足经济技术发展带来的大量矿产资源需求，国内外矿山开采深度逐渐加深。其中，深部非煤矿山大多为硬岩矿山。目前，非煤硬岩矿山的开采仍然以钻爆法为主，但受限于爆破衍生破坏大、能量利用率低、安全性差等弊端，无法满足深部开采的需求，将会逐渐被具有扰动小和能量利用率高等优点的非爆机械化开采所取代。

然而，受限于硬岩矿体硬度高、强度高、磨蚀性高以及完整性好等特点，目前被广泛应用于煤矿开采的巷道掘进机不能高效地破碎硬岩，而能够高效破碎硬岩的隧道掘进机(TBM),造价高昂，设备体型大，无法满足硬岩矿山开采过程中的经济考量。

因此，为了应对硬岩矿山开采深度加深带来的挑战，开发一种高效的非爆机械化开采方法的很有必要的。

发明内容

本发明的主要目的是针对硬岩矿山难以通过非爆机械化开采这一采矿技术难题，提供一种破岩效率高、应用灵活的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法。

为此，本发明实施例提供的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法，包括如下步骤：

S1：沿矿体走向开挖运输巷道，并垂直于所述运输巷道间隔设定距离开挖切割巷道，从而形成一个待开采的矿柱；

S2：将矿柱靠近运输巷道一侧的临空面作为工作面，在工作面上位于矿柱的底部开挖一条卸压槽；

S3：将卸压槽上方矿体划分为沿矿体走向并排分布的多个长条状矿体，每个长条状矿体的高度为卸压槽顶部到矿体顶板的距离；

S4：沿矿体走向依次对各个长条状矿体进行开采，开采过程中用高频破碎锤在长条状矿体上由下而上破岩，当前长条状矿体开采完成后，破碎相邻的长条状矿体，直至开采完该卸压槽上方全部矿体；

S5：开采作业面向前推进一个长条状矿体的宽度，重复步骤S1-S4，直至矿柱全部开采完成。

具体的，所述卸压槽的高和宽均为50cm，长度为矿柱宽度，每个所述长条状矿体长度和宽度分别为80cm和50cm。

具体的，所述高频破碎锤以45度斜角在对每个所述长条状矿体进行破岩。

具体的，所述卸压槽由悬臂式掘进机开挖获得。

具体的，所述高频破碎锤搭载在挖掘机上的动臂上，所述高频破碎锤包括基座、设置于所述基座上用于破岩的斗齿以及设置于所述基座上对所述斗齿施加高频振动的高频振动器。

具体的，所述基座上还设有液压伸缩预载缸、挡板以及液压收展缸，所述液压伸缩预载缸用于带动所述斗齿前后移动，所述挡板设置在所述斗齿两侧，所述液压收展缸用于带动所述挡板收展以形成挖斗。

具体的，所述基座上还设有向作业面和所述斗齿喷射水雾的水雾喷射机构。

具体的，所述高频振动器、液压伸缩预载缸、液压收展缸和水雾喷射机构均接受智能控制机构的控制。

具体的，所述智能控制机构设置在所述挖掘机的机身上。

本申请实施例提出的硬岩矿山非爆机械化开采方法，是基于矿柱应力释放后矿岩可切割性提高的特点，采用掘进机开挖卸压槽进一步改变待采矿体所受应力环境，通过高频破碎锤并施加高频振动实现硬岩矿山的非爆机械化开采。本申请相较于直接采用巷道掘进机开采具有以下优势：

(1)在工作面底部开挖一条卸压槽，一方面可以释放垂直方向上的应力，提高矿岩的可切割性，另一方面，松动区内矿岩破碎，失去下部岩体支撑后，上方岩体易发生自然垮落。这两方面，均有利于非爆机械开采，更小的力就可以破碎矿岩，提高开采效率；

(2)高频破碎锤的斗齿可以将力直接施加在难采矿岩上，并施加高频振动，单位时间内能对矿岩施加更多功，在破碎坚硬难采矿体方面相较巷道掘进机有着独特优势；

(3)高频破碎锤对矿岩施加的静载和振动可以看作为动静组合破岩，相较于其他破岩设备，更利于矿柱松动区内所存在大量未连通的微裂隙贯通，从而达到高效破岩的效果；

(4)在开挖运输巷道和垂直于运输巷道的多条切割巷道后，临空面矿岩普遍受到单轴围压的限制，在开挖卸压槽后，水平方向上的应力得到释放，卸压槽上部矿体所受应力状态变为低单轴围压状态甚至无围压状态。在实验室试验中，已经证明，低围压状态甚至无围压状态下岩石可切割性高，有利于机械开采；

(5)设计新型高频破碎锤，其中高频振动器和液压伸缩预载缸分别控制施加高频振动和预静载，通过智能控制机构可以确保斗齿已经抵压在矿岩后施加高频振动，避免空打，提高破岩效率；

(6)高频破碎锤上的水雾喷射机构，可以对斗齿降温，也可以减少作业区域的粉尘，对斗齿降温可以避免斗齿因高温而发生的截断破坏，减少斗齿消耗，节约非爆机械化开采的经济成本；

(7)高频破碎锤上设计有液压收展缸，破岩完成后，可以在斗齿两侧伸出挡板，以实现挖掘功能，便于将采下的矿石及时运出作业面，提高开采效率；

(8)该采矿方法更加灵活，开采范围更加精确，可以有效降低开采的贫化率和损失率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例涉及的非爆机械化开采流程图；

图2为本发明实施例涉及的矿柱非爆机械化开采每步长内开采顺序图；

图3为本发明实施例涉及的矿柱非爆机械化开采侧视图；

图4为本发明实施例涉及的待开采矿柱所受应力状态变化示意图；

图5为本发明实施例涉及的高频破碎锤设备设计示意图；

图6为本发明实施例涉及的斗齿与液压收展缸示意图；

图7为本发明实施例涉及的高频破碎锤施加在矿岩时的矿岩受力图；

其中:1、切割巷道；2、卸压槽；3、长条状矿体；4、临空面采矿推进方向；5、破岩方向；6、运输巷道；7、每一开采步长内矿体；8、矿柱采矿推进方向；9、三轴围压应力状态；10、双轴围压应力状态；11、单轴围压应力状态；12、低单轴围压或无围压应力状态；13、挖掘机；14、智能控制机构；15、基座；16、斗齿；17、高频振动器；18、液压伸缩预载缸；19、挡板；20、水雾喷射机构；21、液压收展缸；22、静载荷；23、高频振动。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图1-图4，一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法，包括如下步骤：

S1：沿矿体走向开挖运输巷道6，并垂直于运输巷道6间隔设定距离开挖切割巷道1，从而形成一个待开采的矿柱；

S2：将矿柱靠近运输巷道6一侧的临空面作为工作面，在工作面上位于矿柱的底部开挖一条卸压槽2；

S3：将卸压槽2上方矿体划分为沿矿体走向并排分布的多个长条状矿体3，每个长条状矿体3的高度为卸压槽2顶部到矿体顶板的距离；

S4：沿矿体走向依次对各个长条状矿体3进行开采，开采过程中用高频破碎锤在长条状矿体3上由下而上破岩，当前长条状矿体3开采完成后，破碎相邻的长条状矿体3，直至开采完该卸压槽2上方全部矿体，也即每一开采步长内矿体7；

S5：开采作业面向前推进一个长条状矿体3的宽度，重复步骤S1-S4，直至矿柱全部开采完成。

可以理解的是，在实际设计中，卸压槽2的高和宽均为50cm，长度为矿柱宽度，每个长条状矿体3长度和宽度分别为80cm和50cm。

参见图5-图7，在实际应用中，高频破碎锤搭载在挖掘机13上的动臂上，高频破碎锤包括基座15、斗齿16、高频振动器17、液压伸缩预载缸18、挡板19、液压收展缸21以及水雾喷射机构20；其中，斗齿16、高频振动器17、液压伸缩预载缸18、挡板19、液压收展缸21以及水雾喷射机构20均设置在基座15上，斗齿16用于破岩，高频振动器17用于对斗齿16施加高频振动23，液压伸缩预载缸18用于带动斗齿16前后移动，挡板19设置在斗齿16两侧，液压收展缸21用于带动挡板19收展以形成挖斗，水雾喷射机构20用于向作业面和斗齿16喷射水雾，高频振动器17、液压伸缩预载缸18、液压收展缸21和水雾喷射机构20均接受智能控制机构14的控制，智能控制机构14则设置在挖掘机13的机身上。

上述结构的高频破碎锤高频振动器17可对斗齿16施加高频振动23，液压伸缩预载缸18可以前后伸缩以调整斗齿16位置和对矿岩施加的静载荷22的大小，液压收展缸21可以控制在斗齿16两侧挡板19的收展，破岩完成后，可以在斗齿16两侧伸出挡板19，以实现挖掘功能，水雾喷射机构20可以向作业面和斗齿16喷射水雾，可以减少作业面粉尘并实现对斗齿16的降温；智能控制机构14可以根据采矿需求和作业环境情况，实时智能调控所述高频振动器17的振动载荷参数、液压伸缩预载缸18的伸缩量、液压收展缸21的收展动作、水雾喷射机构20的喷射参数，实现各机构协同作业。

参见图1-图7，以下将结合具体的实例对本发明作进一步的说明：

一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法，包括如下步骤：

步骤一、沿矿体走向开挖运输巷道6，并垂直于运输巷道6每间隔8m开挖切割巷道1，从而形成宽度为8m的半岛型矿柱，开挖所述运输巷道6后，运输巷道6周围矿体会释放垂直于运输巷道6方向上的水平应力，这部分矿体所受的三轴围压应力状态9也会转变为双轴围压应力状态10。在开挖所述切割巷道1后，切割巷道1周围矿体会释放沿运输巷道6方向上的水平应力，靠近切割巷道1与运输巷道6的部分岩体会从双轴围压应力状态10转变为单轴围压应力状态11。而在水平应力释放过程中，会造成垂直方向上的应力集中，进而导致矿体内裂隙发育，形成开挖松动圈。通过开挖运输巷道6和切割巷道1，可以使其形成的半岛型矿柱改变应力状态，促进矿体内裂隙发育，从而有利于非爆机械化开采的进行。

步骤二、矿体在应力集中作用下产生的裂隙，会释放一部分垂直方向应力，但剩余的垂直方向应力仍然会阻碍矿体的开挖。通过悬臂式掘进机在矿体底部开挖一条高和宽均为50cm的卸压槽2，悬臂式掘进机是通过旋转截割的方式破碎矿岩，相较于高频破碎锤只能从上往下对矿岩施加载荷，矿体底板会阻碍破高频破碎锤破岩，悬臂式掘进机的切割头可以朝着自由面旋转破岩，其开挖卸压槽2效率更高。通过开挖所述卸压槽2，可以释放垂直方向应力，并为矿体开挖提供一定的补偿空间。

此时，卸压槽2上方矿体会从单轴围压应力状态11转变为低单轴围压或无围压应力状态12。在低单轴围压或无围压应力状态12下，矿岩可切割性高，有利于高频破碎锤斗齿16侵入矿岩。此外，失去下部矿体支撑后，卸压槽2上部矿体由于存在大量的裂隙，部分矿体会发生自然垮落，有利于提高开采效率。

步骤三、卸压槽2开挖完成后，卸压槽2上方矿体会变为岩石可切割性高的易于开挖矿体。高频破碎锤的作业范围小，因此，将卸压槽2上方矿体划分为多个上下方向的长条状矿体3，以便于高频破碎锤开挖矿柱，长条状矿体3长度和宽度分别为80cm和50cm，高度为卸压槽2顶部到矿体顶板的距离。

步骤四、针对每条长条状矿体3，通过高频破碎锤由下而上破岩，也即，长条状矿体3的破岩方向5由下而上，调整高频破碎锤尖部斗齿16角度与水平面成45°，控制液压伸缩预载缸18伸缩，使斗齿16在未施加高频振动23前就抵压在矿岩上并施加静载荷22，之后控制高频振动器17对斗齿16施加高频振动23。由于矿柱内裂隙发育，岩石可切割性高，在静载荷22和高频振动23作用下，会使得矿体内裂隙连通，剥离矿柱。破岩过程中，斗齿16与矿岩摩擦剧烈，会造成斗齿16高温，极易截断，此时，控制水雾喷射机构20向作业面和斗齿16喷射水雾，以减少作业面粉尘并实现对斗齿16的降温。当长条状矿体3破碎完成后，破碎下来的矿石会堆积在一起，此时，液压收展缸21控制挡板19在斗齿16两侧伸出，形成一个挖斗结构，将堆积的矿石运出作业区域，当矿石运出后，收回所述挡板19。

步骤五、在每一长条状矿体3开采完成后，相邻长条状矿体3会增加一个自由面，有利于机械开采，因此，在每一作业面上，按照作业面采矿推进方向推进，从最左侧长条状矿体3开始作业，每一上下方向的长条状矿体3开采完成后，开挖相邻右侧的长条状矿体3，直至开采完所述卸压槽2上方全部矿体，也即临空面采矿推进方向4为自左向右(沿矿体走向推进)。

步骤六、当卸压槽2上方开采完成后，采矿作业面已经往前推进了50cm。此时，按照矿柱采矿推进方向8推进，开展下一循环开挖作业，重复步骤一至步骤五，直至待开采矿柱全部开采完成。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于，包括如下步骤：

S1：沿矿体走向开挖运输巷道(6)，并垂直于所述运输巷道(6)间隔设定距离开挖切割巷道(1)，从而形成一个待开采的矿柱；

S2：将矿柱靠近运输巷道(6)一侧的临空面作为工作面，在工作面上位于矿柱的底部开挖一条卸压槽(2)；

S3：将卸压槽(2)上方矿体划分为沿矿体走向并排分布的多个长条状矿体(3)，每个长条状矿体(3)的高度为卸压槽(2)顶部到矿体顶板的距离；

S4：沿矿体走向依次对各个长条状矿体(3)进行开采，开采过程中用高频破碎锤在长条状矿体(3)上由下而上破岩，直至开采完该卸压槽(2)上方全部矿体；

S5：开采作业面向前推进一个长条状矿体(3)的宽度，重复步骤S1-S4，直至矿柱全部开采完成。

2.根据权利要求1所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述卸压槽(2)的高和宽均为50cm，长度为矿柱宽度，每个所述长条状矿体(3)长度和宽度分别为80cm和50cm。

3.根据权利要求1所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述高频破碎锤以45度斜角在对每个所述长条状矿体(3)进行破岩。

4.根据权利要求1所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述卸压槽(2)由悬臂式掘进机开挖获得。

5.根据权利要求1-4任一项所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述高频破碎锤搭载在挖掘机(13)上的动臂上，所述高频破碎锤包括基座(15)、设置于所述基座(15)上用于破岩的斗齿(16)以及设置于所述基座(15)上对所述斗齿(16)施加高频振动的高频振动器(17)。

6.根据权利要求5所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述基座(15)上还设有液压伸缩预载缸(18)、挡板(19)以及液压收展缸(21)，所述液压伸缩预载缸(18)用于带动所述斗齿(16)前后移动，所述挡板(19)设置在所述斗齿(16)两侧，所述液压收展缸(21)用于带动所述挡板(19)收展以形成挖斗。

7.根据权利要求6所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述基座(15)上还设有向作业面和所述斗齿(16)喷射水雾的水雾喷射机构(20)。

8.根据权利要求7所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述高频振动器(17)、液压伸缩预载缸(18)、液压收展缸(21)和水雾喷射机构(20)均接受智能控制机构(14)的控制。

9.根据权利要求8所述的深部硬岩矿山非爆破机械化开采方法,其特征在于：所述智能控制机构(14)设置在所述挖掘机(13)的机身上。