CN116988792B - 一种煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝土矿开采技术领域，具体为一种煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，包括如下步骤：确定长壁工作面并进行开采设备布置；台式钻机自运输平巷一侧开始成列打孔，打孔完毕后装入石墨棒组件，封孔；将石墨加热机与石墨棒组件连接，通电致裂矿体，落矿；液压支架收缩推移油缸向前移架，随后伸出推移油缸推动刮板输送机前移；矿物由刮板输送机向运输平巷方向运输；石墨加热机、台式钻机归位；继续回采。本发明通过石墨加热方式进行硬水铝矿破岩、落矿，准备时间短，落矿速度快，减少了爆破开采方式引起的粉尘，进而减少喷雾降尘，使得开采出的铝土矿石中水含量极低，便于后续的冶炼。
Description
技术领域
本发明涉及铝土矿开采技术领域，具体为一种煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺。
背景技术
现有铝土矿硬度在4-7之间的占85％，一水硬铝石铝土矿（硬水铝矿）约占铝土矿资源的98%。铝土矿主要采用空场法，崩落法和充填法进行采矿。目前已知的硬岩开采方法中，有的需要提前对工作面进行贯通打孔，通过物理化学方法降低岩体的强度，之后对降低强度后的工作面使用滚筒破碎等方法将岩石采出，本质上还是切割岩体使岩体掉落，在开采过程中需要辅助喷水降尘。铝土矿破碎后呈土状与块状的结合态，考虑到后续冶炼要求，需要铝土矿料拥有较低的含水率，对喷雾降尘提出进一步的要求。同时降低岩体强度开采前的准备工作多，开采方法较为繁琐。
现有专利CN111119896A公示的铝土矿开采方法，通过设置长壁工作面，爆破落矿进行长壁开采，利用长壁工作面形成矿体连续性开采可提高工作效率，但爆破产生的粉尘需进行喷雾降尘不利于后续冶炼，且受铝土矿硬度大影响，矿体回收效率低；专利CN113503150A公示的一种铝土矿原位溶浸开采方法，适用于埋藏深、远离地下水的矿层，需要对矿层进行改造，根据铝土矿中黏土含量还需爆破增渗或者水力压裂，前期准备时间长，提取溶浸液后在地面需要萃取分离；专利CN113153291A公示的一种缓倾斜硬岩液压致裂综合机械化连续采矿方法，采用液压致裂降低矿体强度，使其满足采矿机切削落矿，但需布置大量切割平巷和钻孔致裂矿体；论文“铝土矿综合机械化开采及应用研究”，进行了铝土矿综合机械化开采试验，但仍存在设备损坏和零部件磨损重的情况，开采成本较高。上述采矿方法虽然适用于铝土矿等硬岩的开采，但是开采过程中准备时间长，致裂后仍需进一步对矿体的剥离，无法实现真正意义的连续性开采。
发明内容
针对现有技术中铝土矿，尤其是硬水铝矿，长壁开采准备工作时间长，开采效率低的技术问题，本发明基于岩石抗拉强度远低于抗压强度的特点，利用可膨胀石墨受热体积膨胀这一特征，通过石墨加热膨胀致裂钻孔落矿，实现铝土矿，尤其是硬水铝矿，长壁工作面真正意义的连续开采。
具体的，本发明提出一种煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，包括以下步骤：
步骤1：在硬水铝矿层采矿区域掘进回风平巷和运输平巷，并开切眼连通，形成长壁工作面；
步骤2：在切眼中布置液压支架、刮板输送机、石墨加热机和台式钻机，所述石墨加热机和台式钻机自运输平巷向回风平巷方向依次以骑行方式布置在刮板输送机上，所述液压支架通过推移油缸与刮板输送机连接；
步骤3：台式钻机自运输平巷一侧开始成列打孔直到回风平巷侧，打孔完毕后装入石墨棒组件并采用封孔装置封孔；
步骤4，石墨加热机行进到装有石墨棒组件的一列钻孔，将弱电配电箱与石墨棒组件连接，通电致裂矿体，落矿；如此依次致裂后一列钻孔直至左侧回风平巷侧；
滞后落矿工作一定距离，液压支架收缩推移油缸向前移架，随后伸出推移油缸推动刮板输送机向前移动至矿壁；
步骤5，矿物运输
矿物由刮板输送机向运输平巷方向运输；
步骤6：当石墨加热机到达左侧末端压裂结束后，更改行进方向向右行驶回到最初位置，同时停留的台式钻机跟随石墨加热机回到最初位置；
步骤7：循环步骤3-6，直至采完整个长壁工作面。
优选的，步骤1中，所述运输平巷与运输下山连接，所述回风平巷与轨道下山连接；所述轨道下山下端通过绕道与上部煤层轨道大巷相连，上端通过斜巷与上部煤层回风大巷相连；所述运输下山下端通过斜巷与上部煤层运输大巷相连，在运输下山下端设置铝土矿石仓，运输下山上端通过斜巷与上部煤层回风大巷相连。
优选的，步骤2中，自运输平巷与切眼交界处，在运输平巷内依次布置转载机、破碎机、带式输送机，所述刮板输送机与转载机连接。
优选的，步骤3中，所述钻孔水平布置，孔底向运输平巷侧偏斜。
优选的，步骤3中，打孔完毕后台式钻机在回风平巷一侧临时停靠。
优选的，所述石墨棒组件包括感应线圈、壳体和可膨胀石墨棒，所述可膨胀石墨棒位于所述壳体内，所述壳体整体呈圆柱形，所述感应线圈自壳体外端开始螺旋缠绕在壳体外周直至壳体里端，然后再引出至外端。
优选的，所述壳体整体呈圆柱形并在周向一侧设置有平面部分，沿轴向在壳体弧形部分外部螺旋设置第一凹槽，沿轴向在壳体平面部分外部设置平直的第二凹槽，所述感应线圈自壳体外端开始螺旋缠绕在壳体外周直至壳体里端并且位置与第一凹槽相对应，然后自第二凹槽引出至外端。
优选的，所述感应线圈两端分别设置有接线。
优选的，所述第一凹槽、第二凹槽的尺寸大于感应线圈的径向尺寸。
优选的，所述感应线圈上喷涂有高温绝缘漆。
优选的，所述壳体由99.5%氧化铝陶瓷带钢制成，成型过程加入氧化钇。
优选的，所述平面部分厚度比壳体弧形部分薄，在石墨棒组件放入钻孔时，要将平面部分朝向空区方向。
优选的，步骤4中，落矿后形成的空区由液压支架及时伸出护帮板进行支护，并在液压支架收缩推移油缸向前移架前收回。
本发明实现的有益效果如下：1.本发明的煤下硬水铝矿层开采，在对原上部煤层的井巷工程充分利用的基础上，在硬水铝矿层新开掘两条下山，并充分利用原有回采设备，降低了成本，同时大大缩短了矿井开拓、准备时间，可以尽快投产。
2.本发明通过石墨加热方式进行硬水铝矿破岩、落矿，准备时间短，落矿速度快，减少了爆破开采方式引起的粉尘，进而减少喷雾降尘，使得开采出的铝土矿石中水含量极低，便于后续的冶炼。
3.本发明通过台式钻机、石墨加热机、液压支架、刮板输送机的四机配套，辅以转载机、破碎机、带式输送机的协调配合进行机械化开采，提高了硬水铝矿开采效率。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺实施例中工作面设备布置的俯视图；
图2为本发明煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺实施例中工作面设备布置的侧视图；
图3为本发明煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺实施例中工作面钻孔布置示意图；
图4为本发明煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺实施例中石墨棒组件示意图；
图5为本发明煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺实施例中壳体示意图；
图6为本发明煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺实施例中石墨棒组件致裂矿体示意图；
图中：1、回风平巷；2、运输平巷；3、台式钻机；4、石墨加热机；5、液压支架；6、转载机；7、破碎机；8、带式输送机；9、切眼；10、刮板输送机；11、长壁工作面；12、护帮板；13、铲板；14、推移油缸；15、钻孔；16、石墨棒组件；17、接线；18、封孔装置；19、感应线圈；20、壳体；21、可膨胀石墨棒；22、平面部分；23、第一凹槽；24、第二凹槽；25、裂隙。
具体实施方式
下面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。
以山西某矿为例，矿内上部为煤层，下部为硬水铝矿层，所述硬水铝矿层呈层状、似层状，平均厚度2.0m，倾角5~10°，距上部煤层56~58m，平均埋深200m，直接顶板为黏土岩及硬质耐火黏土矿，直接底板为黏土岩、山西式铁矿及峰峰组灰岩，矿体普氏系数8~13，铝硅比平均6以上，具有很高的开采价值。
该矿上部的煤层开拓方式为斜井开拓，主斜井为主要运输通道，副斜井用于下料行人进风，回风立井用于回风，运输大巷、轨道大巷和回风大巷布置在煤层底板中；在上部煤层开采接近尾声时，在硬水铝矿层内布置一条轨道下山和一条运输下山，轨道下山下端通过绕道与上部煤层轨道大巷相连，上端通过斜巷与上部煤层回风大巷相连；运输下山下端通过斜巷与上部煤层运输大巷相连，在运输下山下端设置铝土矿石仓，运输下山上端通过斜巷与上部煤层回风大巷相连，如此完成下部硬水铝矿层的开拓与准备工作。
在硬水铝矿层内掘进运输平巷2与回风平巷1，回风平巷与轨道下山连接，运输平巷与运输下山连接，确定工作面范围后设置切眼9形成硬水铝矿层长壁工作面，硬水铝矿层长壁工作面内的部分开采设备使用上部煤层开采时的设备，包括液压支架5、转载机6、破碎机7、带式输送机8、刮板输送机10等设备。硬水铝矿层通过副斜井-轨道大巷-绕道-轨道下山进风，污风通过轨道下山-斜巷-回风大巷-回风立井出风，轨道下山靠近回风平巷位置处设置风门，形成完整通风系统。开采出的铝土矿石通过带式输送机从运输平巷通过运输下山运输到铝土矿石仓中，然后在依次自斜巷-运输大巷-主斜井运出，形成完整的运矿系统。
本发明的煤下硬水铝矿层开采，在对原上部煤层的井巷工程充分利用的基础上，在硬水铝矿层新开掘两条下山，并充分利用原有回采设备，降低了成本，同时大大缩短了矿井开拓、准备时间，尽快投产，投入较低的成本能尽快获得更大的收益。
具体的，如图1-图6所示，本发明的一种煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，包括：
步骤1，确定长壁工作面范围
如图1所示，在硬水铝矿层的采矿区域（采区内）掘进两条平巷巷道，包括回风平巷1和运输平巷2，确定工作面范围后在两条平巷之间设置切眼9，形成长壁工作面11；所述运输平巷2与运输下山连接，所述回风平巷1与轨道下山连接；
步骤2，布置长壁工作面
如图1-2所示，自运输平巷2与切眼9交界处，在运输平巷2内依次布置转载机6、破碎机7、带式输送机8；在切眼9中布置液压支架5、刮板输送机10、石墨加热机4和台式钻机3；所述刮板输送机10与转载机6连接，所述石墨加热机4和台式钻机3自运输平巷2向回风平巷方向依次以骑行方式布置在刮板输送机10上；
步骤3，打孔，装石墨棒组件，封孔
如图1、图3、图6所示，台式钻机3自运输平巷2一侧开始打孔直到回风平巷1侧，打孔完毕后装入石墨棒组件16并采用封孔装置18封孔；具体的，在距离底板400mm，距离右侧（运输平巷左帮煤壁）400mm的位置开始打孔，在垂直方向上每隔400mm打一个钻孔，每列共计施工4个钻孔；水平方向上，按照列间距400mm继续依次打孔，直到打孔到回风平巷1一侧，此时台式钻机3在回风平巷一侧临时停靠；打孔形成的钻孔15直径为80mm，深度为600mm，钻孔15水平布置，但孔底向运输平巷2侧偏斜，偏斜后的钻孔15在水平面上与矿壁壁面呈一定角度α，α取60~90°这便于矿体破碎后大部分落在刮板输送机上。
滞后打孔工作一定距离，即当台式钻机3打孔完成向回风平巷1方向行进一定距离（约5-10m）后，向钻孔15中装入石墨棒组件16，然后对钻孔15进行封孔处理，封孔采用中低温封孔；所述石墨棒组件16的直径小于所述钻孔15的直径。
如图4-5所示，所述石墨棒组件16包括接线17、感应线圈19、壳体20和可膨胀石墨棒21，所述可膨胀石墨棒21位于所述壳体20内部，所述壳体20整体呈圆柱形并在周向一侧设置有平面部分22，沿轴向在壳体弧形部分外部螺旋设置有第一凹槽23，沿轴向在壳体平面部分22外部设置有平直的第二凹槽24，所述感应线圈19自壳体20外端开始螺旋缠绕在壳体20外周直至壳体里端并且位置与第一凹槽23相对应，然后自第二凹槽24引出至外端，所述感应线圈19两端分别设置有接线17；所述第一凹槽23、第二凹槽24的尺寸大于感应线圈的径向尺寸，所述第一凹槽和第二凹槽可以起到限制感应线圈19位置的作用，同时也尽可能防止壳体受热膨胀与钻孔内部壁面接触而被压坏。其中，所述感应线圈19上喷涂有高温绝缘漆，减小感应线圈19的温度，减少加热过程中故障率；所述壳体20由99.5%氧化铝陶瓷带钢制成，成型过程加入稳定剂氧化钇，减缓氧化铝陶瓷的晶界生长速度，防止晶粒长大，提高材料的抗拉强度和延展性，增加外壳的延展性，使其可以产生一定形变更好的贴合钻孔；同时由氧化铝陶瓷制成的外壳绝缘性能强、隔热性能好，能隔绝大部分感应加热时内部高温的传递，保护外部线圈不会过热。所述平面部分22厚度比壳体弧形部分薄，当内部可膨胀石墨棒21膨胀到一定程度时壳体在平面部分破裂，因此在石墨棒组件16放入钻孔时，要将平面部分22朝向空区方向。
步骤4，落矿、支护顶板、移架、推移刮板输送机
将石墨加热机4行进到装有石墨棒组件16的一列钻孔15附近后，将其弱电配电箱与该列钻孔处的接线17连接，通电致裂矿体，落矿；落矿后形成的空区由液压支架5及时伸出护帮板12进行支护；按照这种方式依次致裂后一列钻孔直至左侧回风平巷1侧；
通电致裂后的矿体大部分直接落在刮板输送机10上，其余部分落在已经落矿的右侧空区，滞后落矿工作一定距离后，液压支架5收起护帮板12，然后通过收缩推移油缸14向前移架支护工作面暴露的顶板，随后伸出推移油缸14推动刮板输送机10向前移动至矿壁，保证剩余的矿物及时到刮板输送机10上；按照这种方式依次推移液压支架5与刮板输送机10直至左侧回风平巷1侧；
如此完成一个循环，完成一次进尺；
其中，如图6所示，石墨棒组件16致裂落矿的机理为：通电后石墨棒组件16的可膨胀石墨棒21由于电阻率低、导电性好，在外围缠绕的感应线圈19的磁场作用下产生涡流，可膨胀石墨棒21温度迅速升高并膨胀产生膨胀压力；可膨胀石墨棒21的膨胀压力作用于壳体使壳体变形并与钻孔贴合，然后可膨胀石墨棒21继续膨胀并向钻孔孔壁施加压力，钻孔孔壁周向矿体下产生裂隙25，进而致裂钻孔，被致裂的矿体后侧为刮板输送机侧、右侧为空区，因此会向这两侧落矿，钻孔的偏斜方向也利于向该两侧落矿。
步骤5，矿物运输
落矿后的矿物由刮板输送机10向运输平巷2方向运输，经转载机6再运输到破碎机7，破碎后由带式输送机8从运输平巷2运输至铝土矿石仓。
步骤6：当石墨加热机4到达左侧末端压裂结束后，更改行进方向向右行驶回到最初位置，同时停留的台式钻机3跟随石墨加热机4回到最初位置。
步骤7：循环步骤3-6，直至采完整个长壁工作面。
虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在硬水铝矿层采矿区域掘进回风平巷和运输平巷，并开切眼连通，形成长壁工作面；
步骤2：在切眼中布置液压支架、刮板输送机、石墨加热机和台式钻机，所述石墨加热机和台式钻机自运输平巷向回风平巷方向依次以骑行方式布置在刮板输送机上，所述液压支架通过推移油缸与刮板输送机连接；
步骤3：台式钻机自运输平巷一侧开始成列打孔直到回风平巷侧，打孔完毕后装入石墨棒组件并采用封孔装置封孔；
步骤4，石墨加热机行进到装有石墨棒组件的一列钻孔，将弱电配电箱与石墨棒组件连接，通电致裂矿体，落矿；如此依次致裂后一列钻孔直至左侧回风平巷侧；
滞后落矿工作一定距离，液压支架收缩推移油缸向前移架，随后伸出推移油缸推动刮板输送机向前移动至矿壁；
所述石墨棒组件包括感应线圈、壳体和可膨胀石墨棒，所述可膨胀石墨棒位于所述壳体内，所述壳体整体呈圆柱形，所述感应线圈自壳体外端开始螺旋缠绕在壳体外周直至壳体里端，然后再引出至外端；
步骤5，矿物运输
矿物由刮板输送机向运输平巷方向运输；
步骤6：当石墨加热机到达左侧末端压裂结束后，更改行进方向向右行驶回到最初位置，同时停留的台式钻机跟随石墨加热机回到最初位置；
步骤7：循环步骤3-6，直至采完整个长壁工作面。
2.根据权利要求1所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，步骤1中，所述运输平巷与运输下山连接，所述回风平巷与轨道下山连接；所述轨道下山下端通过绕道与上部煤层轨道大巷相连，上端通过斜巷与上部煤层回风大巷相连；所述运输下山下端通过斜巷与上部煤层运输大巷相连，在运输下山下端设置铝土矿石仓，运输下山上端通过斜巷与上部煤层回风大巷相连。
3.根据权利要求1或2所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，步骤2中，自运输平巷与切眼交界处，在运输平巷内依次布置转载机、破碎机、带式输送机，所述刮板输送机与转载机连接。
4.根据权利要求1所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，所述钻孔水平布置，孔底向运输平巷侧偏斜。
5.根据权利要求1或4所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，步骤3中，打孔完毕后台式钻机在回风平巷一侧临时停靠。
6.根据权利要求1所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，所述感应线圈两端分别设置有接线；所述感应线圈上喷涂有高温绝缘漆。
7.根据权利要求1所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，所述壳体整体呈圆柱形并在周向一侧设置有平面部分，沿轴向在壳体弧形部分外部螺旋设置第一凹槽，沿轴向在壳体平面部分外部设置平直的第二凹槽，所述感应线圈自壳体外端开始螺旋缠绕在壳体外周直至壳体里端并且位置与第一凹槽相对应，然后自第二凹槽引出至外端；所述第一凹槽、第二凹槽的尺寸大于感应线圈的径向尺寸。
8.根据权利要求7所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，所述壳体由99.5%氧化铝陶瓷带钢制成，成型过程加入氧化钇。
9.根据权利要求8所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，所述平面部分厚度比壳体弧形部分薄，在石墨棒组件放入钻孔时，将平面部分朝向空区方向。
10.根据权利要求1所述的煤下硬水铝矿综合机械化开采工艺，其特征在于，步骤4中，落矿后形成的空区由液压支架及时伸出护帮板进行支护，并在液压支架收缩推移油缸向前移架前收回。
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