CN116556941A - 一种破碎硬岩连续采矿设备及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种破碎硬岩连续采矿设备，包括截割机构以及破碎机构。破碎机构包括钻具系统、超临界二氧化碳系统以及微波系统。先由钻具系统对矿体凿岩钻孔和振动致裂，然后由超临界二氧化碳系统向矿体的凿岩钻孔和裂缝内喷射超临界二氧化碳，再由微波系统发射微波加热喷射的超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变而使矿体预破碎，最后由截割机构将预破碎后的矿体截割，直至完成开采。本采矿设备对于岩石坚固性系统系数f大于等于8的硬岩或超硬岩矿体，预先采取凿岩钻孔、喷射超临界二氧化碳和微波照射后对矿体进行预破碎，经过预破碎后降低了矿体强度，可显著提高硬岩或超硬岩矿体的可截割性，有利于实现该类矿体非爆机械化连续开采。

Description

一种破碎硬岩连续采矿设备及其应用方法

技术领域

本发明涉及硬岩采矿设备领域，尤其涉及一种破碎硬岩连续采矿设备及其应用方法。

背景技术

目前，主导硬岩矿体回采的传统钻爆法日益暴露出安全性差、作业连续性差、生产效率低、矿石损失贫化率大、爆破衍生破坏大、机械化及智能化程度低等严重缺陷，与现代工业所要求的安全、高效、绿色、智能、低碳等原则相悖，亟需改进传统的回采工艺。

目前，非爆机械化连续开采主要应用于岩石坚固性系数f小于8的较硬岩或软岩矿体，其具有衍生破坏小、超欠挖可控、安全性高、工人劳动强度低、人员需求少、生产效率高等优点。但是对于岩石坚固性系数f大于等于8的硬岩或超硬岩矿体，当采用机械化开采时，刀具磨损严重、粉尘大、作业环境差、破岩效率低、开采成本高，影响矿山的经济效益。为克服非均质硬岩或超硬岩条件给非爆机械化开采带来的挑战，实现非爆机械化开采的自感知和自决策，需设计出一种安全、高效、精确且适合金属矿山非均质硬岩或超硬岩条件的非爆机械化智能采矿设备及其应用方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种安全、高效、智能的破碎硬岩连续采矿设备及其应用方法。

本发明的技术方案如下：一种安装在机台上用于截割矿体的截割机构，其特征在于，还包括安装在机台上的破碎机构；

破碎机构包括：钻具系统、超临界二氧化碳系统以及微波系统；

先由钻具系统对矿体凿岩钻孔和振动致裂，然后由超临界二氧化碳系统向矿体的凿岩钻孔和裂缝内喷射超临界二氧化碳，再由微波系统发射微波加热喷射的超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变而使矿体预破碎，最后由截割机构将预破碎后的矿体截割，直至完成开采。

进一步地，所述钻具系统包括钻具以及用于驱动钻具前后移动的钻具伸缩装置；

所述超临界二氧化碳系统包括超临界二氧化碳喷射装置以及用于驱动超临界二氧化碳喷射装置前后移动的喷射系统伸缩装置；

所述微波系统包括用于发射微波的微波照射器以及用于制造微波的微波产生系统。

进一步地，所述破碎机构还包括用于驱动钻具系统、超临界二氧化碳系统、微波系统运动的运动系统，所述运动系统包括：俯仰摆动装置、悬臂、垂直摆动装置、水平摆动装置以及托架，所述俯仰摆动装置驱动悬臂沿垂直面摆动，所述垂直摆动装置与悬臂连接，驱动托架在垂直面摆动，所述水平摆动装置驱动托架在水平面摆动，钻具系统、超临界二氧化碳系统、微波系统安装在托架上。

进一步地，所述截割机构包括：截割头俯仰摆动装置、截割头悬臂、截割头伸缩装置以及刀盘，所述截割头悬臂与截割头俯仰摆动装置连接，所述截割头伸缩装置的一端与截割头悬臂连接，另一端与所述刀盘连接。

进一步地，所述截割机构的下方设有铲装机构，铲装机构连接运输机构。

进一步地，所述破碎机构与截割机构的下方分别安装有滑轨机构。

进一步地，所述破碎机构并排设有两套。

进一步地，所述机台的下方设有行走机构。

本发明还提供一种应用如上所述采矿设备的应用方法，包括如下步骤：

S1、将矿体在竖向上设若干个分层，每个分层分为若干条垂直矿体走向的矩形采矿进路，沿平行于矿壁方向将待开采的采矿进路划分为尺寸相同的若干段；

S2、在每层矿体的一端掘进两个采矿进路，作为该采矿设备的初始工作空间；

S3、利用钻具系统对第一段矿体进行钻凿监测孔和振动致裂，采集凿入效率、凿速、轴推力、转速，并将采集到的数据实时传送至计算机，计算机通过设定的程序计算岩石坚固性系数f，标定难采矿体范围边界并定量其难采程度，编制矿体可截割性云图；

S4、当f≥8时，将超临界二氧化碳射入到凿岩钻孔及周围裂缝中，根据矿体难采程度和f的大小，确定超临界二氧化碳喷射量；

S5、利用微波系统加热超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变，达到相变致裂的效果，形成广泛的微观和宏观裂缝网，根据矿体难采程度和f的大小，定量微波功率密度、强度及照射时间；

S6、当第一段矿体被预破碎完后，控制破碎机构沿其前进方向行走至下一段矿体处并对此段矿体进行预破碎，同时截割机构正好行走至第一段矿体处并对第一段矿体进行截割，破碎机构和截割机构同时工作；

S7、在第一段矿体下角利用截割机构对矿体自下而上截割，直至截割完成；

S8、将截割机构的实际开采表现反馈至计算机，然后验证并改进钻具系统、超临界二氧化碳系统和微波系统的工作方法及具体参数，实现精准预破碎和截割；

S9、当f＜8时，计算机控制截割机构开始工作，工作步骤为S3→S6→S7→S8；

S10、重复循环依次操作步骤S3至S9直至该条采矿进路被完全回采完；

S11、重复循环依次操作步骤S3至S10直至该分层的所有采矿进路被回采完；

S12、重复循环依次操作步骤S2至S11直至一个采场内的矿体被回采完。

进一步地，在实施步骤S3之前，调整破碎机构和截割机构的位置以确保破碎机构和截割机构工作的范围相同。

采用上述方案，本发明具有如下有益效果：

1、相对于传统的开采设备，本采矿设备对于岩石坚固性系统系数f大于等于8的硬岩或超硬岩矿体，预先采取凿岩钻孔、喷射超临界二氧化碳和微波照射后对矿体进行预破碎，经过预破碎后降低了矿体强度，可显著提高硬岩或超硬岩矿体的可截割性，有利于实现该类矿体非爆机械化连续开采；

2、伴随着设备的行走，可依次对矿体进行预破碎、截割作业，层层叠加、组合破岩，并能够及时对截落的矿石进行铲运，将预破碎、截割、铲运等功能集于一身，该设备功能集成化程度高；

3、本发明对矿体进行板条式往复截割，预破碎、截割等采矿作业协同连续，提高了设备的生产效率和生产能力；

4、首先对待截割矿体凿岩钻孔和振动致裂，将采集到的监测数据，实时传送至计算机，计算机通过设定的程序计算岩石坚固性系数f，识别出难采矿体的分布位置并定量其难采程度，形成矿体可截割性云图。该原位监测感知矿岩可截割性的方法便捷、简单，在凿岩钻孔过程中即可获得，形成的可截割性云图更加立体直观地表明待开采矿体的可截割性情况，便于实现数字化开采，为后续操作提供精确的定位和定量服务；

5、根据矿体可截割性的量化结果及分布情况来确定钻孔参数、喷射超临界二氧化碳参数、微波照射参数和截割参数，不同的硬岩条件采用不同的开采方案，提高了开采效率，减少了资源消耗。

附图说明

图1为本发明破碎硬岩连续采矿设备的俯视图。

图2为本发明破碎硬岩连续采矿设备的正视图。

图3为图1中Ⅰ-Ⅰ方向的剖视图。

图4为图1中Ⅱ-Ⅱ方向的剖视图。

图5为本发明采矿设备应用方法的流程示意图。

图6为本发明采矿设备应用方法开采过程的平面示意图。

图7为本发明截割机构截割矿体的工艺路线图。

图中标号：

机台1、行走机构2；

破碎机构3、钻具系统31、钻具311、钻具伸缩缸312、超临界二氧化碳系统32、超临界二氧化碳喷射装置321、喷射系统伸缩缸322、微波系统33、微波照射器331、微波产生系统332、运动系统34、俯仰摆动装置341、悬臂342、垂直摆动装置343、水平摆动装置344、托架345；

截割机构4、截割头俯仰摆动装置41、截割头悬臂42、截割头伸缩装置43、刀盘44、截割头前端刀盘441、截割头外围刀盘442、

滑轨机构5、导轨51、滑块52；

铲装机构6、皮带运输机构7、前端输送结构71、后端输送结构72；

采矿进路100、掏槽钻进截割200、已采完的采矿进路300。

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“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1与图2，本发明公开的这种破碎硬岩连续采矿设备，包括：机台1、行走机构2、破碎机构3以及截割机构4。

行走机构2设于机台1的底部，为履带式行走机构，其包括：驱动轮、马达、履带架、张紧轮、履带板等，采用两台液压马达分别驱动，通过减速机、履带及驱动链轮实现行走。

请结合参阅图3，破碎机构3安装在机台1的左端，用于对矿体进行预破碎以提高矿体的可截割性，便于后续截割机构4对矿体进行截割。破碎机构3包括：钻具系统31、超临界二氧化碳系统32、微波系统33以及运动系统34。钻具系统31用于对矿体钻凿监测孔和振动致裂，超临界二氧化碳系统32用于向矿体的凿岩钻孔及周围裂缝内喷射超临界二氧化碳，微波系统33发射微波用以加热超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变，超临界二氧化碳受热会气化膨胀，从而使矿体预破碎。运动系统34用于驱动钻具系统31、超临界二氧化碳系统32及微波系统33运动，钻具系统31、超临界二氧化碳系统32及微波系统33都垂直于矿壁自由面布置。

其中，钻具系统31包括钻具311以及用于驱动钻具311前后移动的钻具伸缩缸312，钻具伸缩缸312安装在钻具311的后端。

超临界二氧化碳系统32包括超临界二氧化碳喷射装置321以及用于驱动超临界二氧化碳喷射装置321前后移动的喷射系统伸缩缸322，喷射系统伸缩缸322安装在超临界二氧化碳喷射装置321的后端。

微波系统33包括用于发射微波的微波照射器331以及用于制造微波的微波产生系统332，微波产生系统332安装在微波照射器331的后端。

运动系统34包括：俯仰摆动装置341、悬臂342、垂直摆动装置343、水平摆动装置344以及托架345，钻具系统31、超临界二氧化碳系统32、微波系统33安装在托架345上。俯仰摆动装置341用于驱动悬臂342在垂直面摆动。垂直摆动装置343与悬臂342连接，驱动托架345在垂直面摆动。水平摆动装置344驱动托架345在水平面摆动。托架345上设有燕尾槽从左侧至右侧依次托着微波系统33、钻具系统31和超临界二氧化碳系统32。

本实施例中，破碎机构3并排设有两套，提高预破碎作业效率。

请参阅图4，截割机构4安装在机台的右端，用于截割经破碎机构3处理后的矿体，其包括：截割头俯仰摆动装置41、截割头悬臂42、截割头伸缩装置43以及刀盘44。截割头悬臂42与截割头俯仰摆动装置41连接，截割头俯仰摆动装置41驱动截割头悬臂42在垂直面摆动。截割头伸缩装置43的一端与截割头悬臂42连接，另一端与刀盘44连接，截割头伸缩装置43用于驱动刀盘44前后移动。刀盘44包括截割头前端刀盘441和截割头外围刀盘442，截割头前端刀盘441为用于安装各类刀具截割前端矿体的半圆球刀盘，截割头外围刀盘442为用于截割曲面周围矿体的圆柱体刀盘。

破碎机构3与截割机构4的下方分别安装有滑轨机构5，滑轨机构5包括导轨51以及滑块52，破碎机构3的俯仰摆动装置341安装在滑轨机构5上且悬臂342与滑轨机构5铰接，截割机构4的截割头俯仰摆动装置41安装在滑轨机构5上且截割头悬臂42与滑轨机构5铰接。通过设置滑轨机构5能够调节破碎机构3及截割机构4的左右位置。

截割机构4的下方设有铲装机构6，铲装机构6与皮带运输机构7连接，铲装机构6用于将截割后的矿体铲出并将铲出的矿体送入皮带运输机构7中，由皮带运输机构7将铲出的矿体运输出去。在本实施例中，铲装机构6采用低速大扭矩液压马达直接驱动。皮带运输机构7采用分体焊接结构，包括前端输送结构71和后端输送结构72，前端输送结构71位于机台1内部，由下至上输送，后端输送结构72位于机台1后端上部，前端输送结构71与后端输送结构72全部采用耐磨钢板。

先由钻具系统31对矿体凿岩钻孔和振动致裂，然后由超临界二氧化碳系统32向矿体的凿岩钻孔和裂缝内喷射超临界二氧化碳，再由微波系统33发射微波加热喷射的超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变而使矿体预破碎，最后由截割机构4将预破碎后的矿体截割，直至完成开采。

机台1上设有人机交互界面，用于控制设备的钻孔参数(孔排距、孔间距、孔深、轴推力、转速等)、喷射超临界二氧化碳参数(温度、压力、浓度、体积等)、微波照射参数(微波功率密度、强度及照射时间等)、截割参数(截割速度、截割厚度、截割角度、截割功率等)、铲运参数(铲装速度、运输速度等)及行走参数(行走路径、行走速度等)。

请参阅图5与图6，本实施例还公开一种应用上述采矿设备的应用方法，包括如下步骤：

S1、将矿体在竖向上设若干个分层，每个分层分为若干条垂直矿体走向的矩形采矿进路100，采矿进路100断面宽2.5～3.5m、高3～4m，沿平行于矿壁方向将待开采的采矿进路100划分为尺寸相同的若干段，宽为3～4m、高为3～4m、进深为2.5～3.5m。

S2、在每层矿体的一端采用悬臂式掘进机或钻爆法掘进两个采矿进路，作为该采矿设备的初始工作空间。在矿壁头端调整破碎机构3和截割机构4在滑轨机构5上的位置，确保破碎机构3和截割机构4工作的范围相同，从而确保每段破碎的矿体和每段截割的矿体的尺寸相同，方便连续作业。

S3、保持设备平行于矿壁前进，利用钻具系统31对第一段矿体进行钻凿监测孔和振动致裂，钻孔的排距为0.8～1.0m、间距为0.8～1.0m，采集凿入效率、凿速、轴推力、转速等数据，并将采集到的数据实时传送至计算机，计算机通过设定的程序计算岩石坚固性系数f，识别出难采矿体的分布位置，标定难采矿体范围边界并定量其难采程度，编制矿体可截割性云图，体现待开采矿体各区域的可截割性，为后续操作提供矿体可截割性的精确定位和定量服务。

S4、计算机的信号发射器发射岩石坚固性系数f的信息，当f≥8时，计算机通过运动控制器一控制超临界二氧化碳系统32开始工作，将超临界二氧化碳射入到凿岩钻孔及周围裂缝中，根据矿体难采程度和f的大小，确定超临界二氧化碳喷射量。

S5、计算机通过运动控制器二控制微波系统33加热超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变，达到相变致裂的效果，形成广泛的微观和宏观裂缝网，降低了矿体的强度，改善矿体的可截割性，根据矿体难采程度和f的大小，定量微波功率密度、强度及照射时间。

S6、当第一段矿体被预破碎完后，通过行走机构2控制破碎机构3沿其前进方向行走至下一段矿体处并对此段矿体进行预破碎，同时截割机构4正好行走至第一段矿体处并对第一段矿体进行截割，破碎机构3和截割机构4同时工作。

S7、请参阅图7，在第一段矿体下角利用截割头前端刀盘441冲击、旋转进行由矿壁向矿体水平深度的掏槽钻进截割200，再利用截割头外围圆周刀盘442旋转进行横向和纵向摆动截割，对矿体自下而上截割，直至截割完成。

S8、将截割机构4的截割速度、截割厚度、截割效率、截割利用率、矿石块度、刀具磨损及粉尘情况等实际开采表现反馈至计算机，基于物联网、大数据、自学习、自适应等智能控制技术，验证并改进钻具系统、超临界二氧化碳系统32和微波系统33的工作方法及具体参数，实现精准预破碎和截割。

S9、当f＜8时，计算机通过控制运动控制器三控制截割机构4开始工作，工作步骤为S3→S6→S7→S8。

S10、重复循环依次操作步骤S3→S4→S5→S6→S7→S8→S9直至该条采矿进路100被完全回采完,300为已采完的采矿进路。

S11、重复循环依次操作步骤S3→S4→S5→S6→S7→S8→S9→S10直至该分层的所有采矿进路100被回采完。

S12、重复循环依次操作步骤S2→S3→S4→S5→S6→S7→S8→S9→S10→S11直至一个采场内的矿体被回采完。

计算机对整个预破碎和截割全流程进行综合管控，在不断的循环过程中，对数据不断学习，以提高开采过程决策的精准度。

综上所述，本发明是一种机械化、自动化、智能化、集成化程度高，作业连续、生产能力大、生产效率高、设备工时利用率高、回采安全性高的破碎硬岩连续采矿设备，解决了非匀质硬岩矿体的非爆机械化连续开采的难题。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种破碎硬岩连续采矿设备，包括安装在机台上用于截割矿体的截割机构，其特征在于，还包括安装在机台上的破碎机构；

破碎机构包括：钻具系统、超临界二氧化碳系统以及微波系统；

先由钻具系统对矿体凿岩钻孔和振动致裂，然后由超临界二氧化碳系统向矿体的凿岩钻孔和裂缝内喷射超临界二氧化碳，再由微波系统发射微波加热喷射的超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变而使矿体预破碎，最后由截割机构将预破碎后的矿体截割，直至完成开采。

2.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述钻具系统包括钻具以及用于驱动钻具前后移动的钻具伸缩装置；

所述超临界二氧化碳系统包括超临界二氧化碳喷射装置以及用于驱动超临界二氧化碳喷射装置前后移动的喷射系统伸缩装置；

所述微波系统包括用于发射微波的微波照射器以及用于制造微波的微波产生系统。

3.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述破碎机构还包括用于驱动钻具系统、超临界二氧化碳系统、微波系统运动的运动系统；

运动系统包括：俯仰摆动装置、悬臂、垂直摆动装置、水平摆动装置以及托架，所述俯仰摆动装置驱动悬臂沿垂直面摆动，所述垂直摆动装置与悬臂连接，驱动托架在垂直面摆动，所述水平摆动装置驱动托架在水平面摆动，钻具系统、超临界二氧化碳系统、微波系统安装在托架上。

4.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述截割机构包括：截割头俯仰摆动装置、截割头悬臂、截割头伸缩装置以及刀盘，所述截割头悬臂与截割头俯仰摆动装置连接，所述截割头伸缩装置的一端与截割头悬臂连接，另一端与所述刀盘连接。

5.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述截割机构的下方设有铲装机构，铲装机构连接运输机构。

6.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述破碎机构与截割机构的下方分别安装有滑轨机构。

7.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述机台的下方设有行走机构。

8.根据权利要求1所述的破碎硬岩连续采矿设备，其特征在于，所述破碎机构并排设有两套。

9.一种应用如权利要求1-8任一项采矿设备的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将矿体在竖向上设若干个分层，每个分层分为若干条垂直矿体走向的矩形采矿进路，沿平行于矿壁方向将待开采的采矿进路划分为尺寸相同的若干段；

S2、在每层矿体的一端掘进两个采矿进路，作为该采矿设备的初始工作空间；

S3、利用钻具系统对第一段矿体进行钻凿监测孔和振动致裂，采集凿入效率、凿速、轴推力、转速，并将采集到的数据实时传送至计算机，计算机通过设定的程序计算岩石坚固性系数f，标定难采矿体范围边界并定量其难采程度，编制矿体可截割性云图；

S4、当f≥8时，将超临界二氧化碳射入到凿岩钻孔及周围裂缝中，根据矿体难采程度和f的大小，确定超临界二氧化碳喷射量；

S5、利用微波系统加热超临界二氧化碳使其迅速升温、快速相变，达到相变致裂的效果，形成广泛的微观和宏观裂缝网，根据矿体难采程度和f的大小，定量微波功率密度、强度及照射时间；

S6、当第一段矿体被预破碎完后，控制破碎机构沿其前进方向行走至下一段矿体处并对此段矿体进行预破碎，同时截割机构正好行走至第一段矿体处并对第一段矿体进行截割，破碎机构和截割机构同时工作；

S7、在第一段矿体下角利用截割机构对矿体自下而上截割，直至截割完成；

S8、将截割机构的实际开采表现反馈至计算机，然后验证并改进钻具系统、超临界二氧化碳系统和微波系统的工作方法及具体参数，实现精准预破碎和截割；

S9、当f＜8时，计算机控制截割机构开始工作，工作步骤为S3→S6→S7→S8；

S10、重复循环依次操作步骤S3至S9直至该条采矿进路被完全回采完；

S11、重复循环依次操作步骤S3至S10直至该分层的所有采矿进路被回采完；

S12、重复循环依次操作步骤S2至S11直至一个采场内的矿体被回采完。

10.根据权利要求9所述的应用方法，其特征在于，在实施步骤S3之前，调整破碎机构和截割机构的位置以确保破碎机构和截割机构工作的范围相同。