通过穿透块抽采减小成本、改善效率、获得更高的生产率和更安全的工作环境的地下采矿系统的制作方法

本发明一般涉及一种地下采矿系统。本发明特别地、但非专门地应用于煤和钾盐矿开采。

背景技术：

本说明书中对任何现有技术的引用不是并且不应该被认为是承认或以任何形式建议该现有技术形成公知常识的一部分。

进行煤矿开采以从地面抽采位于煤层中的煤。多年来已采用许多技术来抽采煤层，从隧道掘进到大型露天矿井各不相同。两种现代的地下煤矿开采技术包括长壁采矿，以及如下所述的房柱采矿。

长壁采矿是一种地下采矿的形式，其中使用移动的长壁开采煤块。许多液压千斤顶(称为垛)放置在一条长线上以支撑采煤面处的上覆地层(即顶板)。然后通过称为采煤机的机器从采煤面切割煤，所述采煤机在垛前面沿着长壁面前后移动，所述垛连续向前移动以填充当采煤机完成煤切割通过时由采煤机产生的顶板空隙。

尽管建立长壁矿的资本费用非常高，但运营成本通常很低。然而，在沿断层线的中断煤层的情况下长壁运动可能会被堵住，这会不利地大大增加运营成本并导致生产中断。另外，尽管大多数时间采矿人员通常都在完全支撑的顶板(或垛)下工作，但他们仍然需要在通常也在高气流通风区域中的切煤面附近紧靠大型和危险的移动液压和电气设备工作，并且因此暴露于各种采矿和环境危险。

房柱采矿最初的资本密集程度低于长壁采矿。煤层通过称为“矿房”的隧道被分成规则的块状阵列。由矿房界定的煤块是“支柱”。支柱在“第一次工作”期间在产生矿房时支撑上覆地层，并且在“第二次工作”期间一从矿井撤离就可以系统地部分被抽采。由于房柱采矿过程比长壁采矿更加劳动密集并且生产率更低，因此除了不抽采所有煤的事实之外，房柱采矿的总运营成本大幅度地高于长壁采矿。另外，采矿人员需要在受限空间中、紧靠大型危险移动设备、在顶板或煤支撑支护不足的地方工作，并且可能在盲隧道中通风不良地工作。因此与长壁采矿相比，他们暴露于更大程度的采矿和环境危险。

优选实施例提供了一种替代采矿方法，其具有比长壁采矿更低的初始资本成本，而且与房柱采矿相比，具有改善的生产率、更高的采煤程度和大幅减小的运营成本。而且重要的是，采矿人员通常远离切煤面处的采矿过程，并且不会暴露于与长壁或房柱操作中相同程度的采矿或环境危险。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种矿井，其包括：

一个或多个顺槽组，每个顺槽组包括至少两个导洞(headings)；以及

从所述顺槽组延伸的死端掏槽(plungecuts)，每个掏槽具有大致四边形的横截面并且长度大于30米。

有利地，窄长形支柱可以留在相邻的掏槽之间，由此相比于房柱采矿导致每体积更多的材料去除和改善的操作成本。

优选地，在每个顺槽组中，所述至少两个导洞中的一个可以供应空气，而所述至少两个导洞中的另一个可以返回空气。每个顺槽组还可以包括在相邻的导洞之间延伸的一个或多个贯通隧道(“贯通”)，其提供相邻导洞之间的互连连接以用于物流和通风目的。

优选地，所述矿井包括主入口隧道(也称为“主巷道”或简称“主巷”)组，所述顺槽组从所述主入口隧道组延伸。

所述矿井还可以包括在相邻的顺槽组之间的有价值的材料块并且在有价值的材料块中形成所述掏槽。所述矿井还可以包括在从相邻的顺槽组延伸的掏槽之间的支撑柱。

所述掏槽可以是平行的并且从所述顺槽组倾斜地延伸。

根据本发明的第二方面，提供了一种采矿系统，其包括：

矿井；以及

连续采矿机，其联接到挠性传送机系统以便形成掏槽。

有利地，连续采矿机和挠性传送机系统代表比长壁采矿明显更低的初始资本和设备成本。此外，连续采矿机更适应跟随沿着或通过断层线或其他不连续面的中断煤层。

所述连续采矿机可以包括用于在所述掏槽的形成期间进行导航的惯性导航系统。所述惯性导航系统可以包括用于感测包括角度(例如水平线控制)、航向(例如定位)的特性的传感器和确定与先前开采的相邻掏槽的距离的系统。所述连续采矿机可以包括用于检测与被开采的材料相关的特性(例如边界)的伽玛检测装置。所述连续采矿机可以包括惰性气体供给，用于将惰性气体供应到每个掏槽的切割面以避免危险，例如摩擦点火、当甲烷从煤发出时的甲烷点火或在极端事件中的煤尘点火。

所述系统可以包括至少一个通风屏障，用于在其形成期间至少部分地阻塞每个死端掏槽的入口，但允许联接到所述挠性传送机系统的所述连续采矿机进入。所述系统可以包括传感器，用于感测在其形成期间的被阻塞的掏槽中的工作环境的特性。所述特性可以包括所述掏槽中的气体、通风、地层运动或粉尘水平。

所述系统可以包括用于远程操作所述连续采矿机的操作中心(roc)。由于在掏槽中没有采矿人员，因此每个掏槽的顶板不需要加固，导致减小的成本和时间，并且大幅改善安全结果。所述roc可以通过以太网与所述连续采矿机无线通信。

所述系统还可以包括静态传送机(或传送机的系统)，用于将从所述挠性传送机系统接收的材料传送到所述矿井的表面。

根据本发明的第三方面，提供了一种采矿方法，其包括以下步骤：

形成一个或多个顺槽组，每个顺槽组包括至少两个导洞；以及

形成从所述顺槽组延伸的死端掏槽，每个掏槽利用联接到挠性传送机系统的连续采矿机形成并且长度大于30米。

所述方法可以包括形成主入口隧道(“主巷”)，所述顺槽组随后从所述主入口隧道延伸。所述方法可以包括从延伸到相邻的顺槽组之间的一个或多个有价值的材料块中的掏槽抽采有价值的材料。所述方法可以包括在从相邻的顺槽组延伸的掏槽之间形成支撑柱。

联接到挠性传送机系统的所述连续采矿机可以是无人操纵的。因此，每个掏槽的顶板都不需要加固。所述掏槽可以具有接收所述连续采矿机并且至少部分地接收所述挠性传送机系统的深度。所述掏槽可以接收所述挠性传送机系统的大部分。所述掏槽可以：长度大于100m、长度大于200m、长度大于300m、长度大于400m、或长度大于500m。所述掏槽的深度可以在30m至550m之间。因此，相邻的顺槽组可以分开达到800m或以上，大幅度地大于长壁采矿中的顺槽之间的分离，这进一步减小了采矿成本。

所述方法可以包括在其形成期间密封每个死端掏槽。所述方法可以包括在每个密封的掏槽中供应惰性气体(例如二氧化碳或氮)以避免危险，例如摩擦点火、当甲烷从煤发出时的甲烷点火或在极端事件中的煤尘点火。

所述方法可以包括在密封掏槽形成期间对密封掏槽中的工作环境进行远程监测。所述监测可以包括监测所述连续采矿机的采矿机特性。所述采矿机特性可以包括角度(例如水平线控制)和定位(例如航向)。所述监测可以包括监测气体、通风、地层运动、掏槽中的粉尘水平、以及与先前开采的相邻掏槽的距离。

所述方法可以包括在顺槽组的一侧上形成掏槽之前在所述顺槽组的另一侧上形成掏槽。

所述方法可以包括将合适的填充材料(例如具有使得填充物“凝固”以形成中等强度均质材料的性质的胶结型填充物或类似变体)引入开采出的掏槽中。一旦填充材料凝固，所述连续采矿机然后可以继续在先前没有在相邻的掏槽之间开采的有价值的材料内开拓新掏槽。因此除了在从相对的顺槽延伸的掏槽之间的有价值的材料块的中心处的中心主支柱以外，通过该采矿过程可以抽采每个顺槽组之间的几乎所有有价值的材料。这导致比房柱采矿高得多的采煤程度。

根据本发明的第四方面，提供了一种采矿方法，其包括以下步骤：

利用联接到挠性传送机系统的连续采矿机形成一系列死端掏槽，所述掏槽的长度大于30米。

所述方法可以包括在所述掏槽的形成期间接收所述连续采矿机，并且至少部分地接收所述挠性传送机系统。所述方法可以包括在形成所述死端掏槽时密封所述死端掏槽。所述方法可以包括在每个密封的掏槽中供应惰性气体以避免危险，例如摩擦点火、当甲烷从煤发出时的甲烷点火或在极端事件中的煤尘点火。可以在切割面处供应惰性气体。所述方法可以包括远程操作所述连续采矿机。

根据本发明的第五方面，提供了开采地下和露天煤层的方法，其包括以下步骤：

a.提供连续采矿机、连续运输系统和传送机，所述连续运输系统定位在所述连续采矿机和所述传送机之间，从而在所述连续采矿机正在切割时将煤从所述连续采矿机传送到所述传送机，所述连续采矿机能够移动进入煤层；

b.将具有能操作联结的连续运输系统的所述连续采矿机定位在实质上邻近煤层的暴露面的缩回状态，其中所述连续运输系统与所述传送机可操作地关联；

c.将所述连续采矿机和连续运输系统与煤面以大约20至170°的角度延伸到煤层中一距离以形成掏槽，所述距离大致等于所述连续采矿机和所述连续运输系统的至少一半的长度；

d.从所述掏槽缩回所述连续采矿机和所述连续运输系统；以及

e.在步骤(c)和(d)实施之后重复步骤(c)和(d)至少一次以形成一个或多个附加掏槽，每个掏槽通过煤的支柱与相邻掏槽分离。

本文中所述的任何特征可以在本发明的范围内与本文中所述的任何一个或多个其他特征以任何组合的形式组合。

附图说明

本发明的优选特征、实施例和变型可以从为本领域技术人员提供足够的信息来执行本发明的以下具体实施方式辨别。具体实施方式不以任何方式被认为是限制本发明前述发明内容的范围。具体实施方式将参考如下的多个图：

图1是根据本发明的实施例的地下煤矿矿井的平面截面图；

图2是图1的煤矿矿井的透视截面图，示出了通风；

图3是露天矿井的透视图，其中采矿设备在靠近图1的矿井入口的露天矿坑的底部，示出了联接到挠性传送机系统的连续采矿机；

图4是图1的系统的平面截面图，示出了在矿井中形成掏槽的连续采矿机和挠性传送机系统；

图5是图4的系统的透视图，示出了在掏槽的入口处的屏障密封件；

图6示出了图5的屏障密封件的近视图；

图7是图5的系统的侧截面图，示出了在切割面处提供的惰性气体；

图8是图4的系统的平面截面图，示出了远程操作中心(roc)；以及

图9示出了呈现给图8的roc中的操作者的示例性计算机显示屏幕。

具体实施方式

根据本发明的实施例，提供了如图1中所示的地下煤矿矿井10。在矿井10的煤层中形成隧道。进一步阐述，矿井10包括三个主导洞1，和从主导洞1(也称为“主巷道”或简称为“主巷”)垂直延伸的三个间隔开的顺槽17、20的组15。每个顺槽组15包括三个顺槽或分离的导洞17、20。矿井10还包括在相邻顺槽17、20之间延伸以形成矩形支撑柱22的贯通。

矿井10还包括在相邻的顺槽17、20的组15之间的两个煤块(即有价值的材料)。平行死端掏槽25在煤块中形成并且从顺槽17、20的组15倾斜地延伸。有利地，窄长形煤支柱30也留在相邻的掏槽25之间，由此相比于房柱采矿导致每体积更大的材料去除和改善的操作成本。支柱30也提供足够的顶板支撑，使得在掏槽中不需要额外的顶板支撑。在来自相邻的组15的相对的掏槽25之间也形成中心主支柱。

参考图2，每个组15的外顺槽20可以供应新鲜空气，而另一外顺槽17返回排出空气。适当的通风控制装置可以定位在隧道内以控制气流。

参考图3，在该示例中，矿井10形成露天矿坑底部矿井进入系统300的一部分。系统300包括具有到矿井10的入口隧道304的露天矿坑302。系统300还包括联接到挠性传送机系统308(或连续运输系统)的连续采矿机306，用于形成大致矩形(即四边形)掏槽25。有利地，连续采矿机306和挠性传送机系统308代表比长壁采矿明显更低的初始资本成本。此外，连续采矿机306更适应跟随沿着或通过断层线或其他不连续面的中断煤层。

连续采矿机306切入煤层块的表面23，并且将切割的煤从采矿机306的前部传递到后部，在那里它被自动卸载到挠性传送机系统308上。连续采矿机306是从煤层的暴露面切割煤的机器，消除了否则在其他采煤过程中要求的单独的切割、钻孔、爆破和装载操作。通常，连续采矿机306将具有上下移动的旋转切割头，并且当旋转切割头旋转时其从煤层的暴露面切割煤。

挠性传送机系统308从连续采矿机306接收煤。挠性传送机系统308是一类可变长度的连续运输系统，并且包括一系列移动传送机310，其可以联接或断开以适应在煤层中制造的掏槽25的长度。也就是说，可以根据需要改变挠性传送机系统308的长度(即，缩短或伸长)，这取决于连续采矿机306将穿透到煤层中多远。

参考图4，系统300还包括用于传送从挠性传送机系统308连续接收的材料的静态传送机400。因此，煤经由挠性传送机系统308从采矿机306自动转移到静态带式传送机400以将煤最终从矿井取出。完成的掏槽25具有接收连续采矿机306和大部分挠性传送机系统308的深度。掏槽典型地深度在30m至550m之间。因此，相邻的顺槽组可以分开达到800m或以上，大幅大于长壁采矿中的顺槽之间的分离，这进一步减小了采矿成本。

如图5中所示，系统300包括阻挡密封件500，用于在其形成期间阻塞并且至少部分地密封每个死端掏槽25。在图6中可以最佳地看到，密封件包括柔性带从其垂悬的水平杆，并且安装在掏槽35的口部中。在使用中，挠性传送机系统308可以自由地穿过屏障密封件500。

参考图7，连续采矿机306包括惰性气体供给，用于将惰性气体700(例如二氧化碳或氮)供应到每个掏槽25的切割面以避免掏槽25中的危险，例如摩擦点火、当甲烷从煤发出时的甲烷点火或在极端事件中的煤尘点火。系统300还包括传感器，用于感测在其形成期间的密封掏槽25中的工作环境的特性。感测到的特性包括沿着掏槽25的气体或氧含量、通风、地层运动和掏槽25中的粉尘水平。连续采矿机30是无人操纵的，并且在掏槽25中的不太可能发生的塌陷中任何操作者都不会有风险。

连续采矿机306也包括惯性导航系统，用于在掏槽25的形成期间导航。惯性导航系统包括用于感测包括角度(例如水平线控制)或定位(例如航向)的特性的传感器。连续采矿机306也包括伽玛检测装置，用于在挖掘期间检测煤层的边界。

参考图8，系统300包括操作中心(roc)800，用于远程操作连续采矿机306和更大系统300。由于在掏槽25中不存在机器操作者，因此每个掏槽25的顶板不需要加固，导致减小的成本和时间。roc800是有人操纵的并且通过以太网与无人操纵的连续采矿机无线通信。roc有利地限制了与采矿环境有关的操作者的风险，包括噪声暴露、设备风险、粉尘暴露和顶板塌陷。

图9示出了呈现给roc800中的操作者的示例性计算机显示屏幕900。操作者远程监测在其形成期间的密封掏槽25中的工作环境。监测包括监测连续采矿机306的采矿机特性。采矿机特性包括实际角度(例如水平线控制)902和航向(例如定位)904，其与计算机计算的期望角度906和航向908叠加。操作者通过基于矿井10的期望布局将实际角度902与期望角度906对准并且将实际航向904与期望航向908对准，远程控制采矿机306。监测也包括使用掏槽25中的传感器和采矿机306的伽玛检测器监测掏槽25中的气体、通风、地层运动或粉尘水平。

返回图1，简要描述了用于形成矿井10的方法。应当注意地下矿井可以从露天挖掘或从矿井的地面经由一组隧道开拓，所述隧道在顺应的斜坡处向下成角以贯穿地下煤层。

最初，使用连续采矿机306形成主导洞1，然后形成顺槽。

接着，连续采矿机306被联接以拖动挠性传送机系统308。然后采矿机306和系统308首先沿着给定顺槽组15的左顺槽17并且然后沿着右顺槽20顺序地形成掏槽25。首先，在反转离开掏槽25并且回到缩回位置以准备形成相邻的掏槽25之前，采矿机306向前延伸并且形成掏槽25。参考图4，挠性传送机系统308在其形成期间基本上进入每个掏槽25。可以通过改变组成传送机310的数量来改变挠性传送机系统308的长度。另外，正常静态传送机400也可以根据需要膨胀或移动。

本领域技术人员将领会在不脱离本发明的范围的情况下可以制造许多实施例和变型。

例如，掏槽25可以与内衬于顺槽17、20的直煤面23成大约20至170度的任意角度形成。

在一个实施例中，多个连续采矿机306可以同时在各自的煤块中形成掏槽25。

在一个实施例中，挠性传送机系统308可以由位于连续采矿机306和固定传送机400之间的另一种类型的连续运输系统代替。例如，可以使用可变长度连续运输传送机系统(例如，flexiveyor，prairiemachine&parts，saskatoon，sk，加拿大)，或将煤运输到传送机的其他运输机器/系统。

在一个实施例中，掏槽25可以交替地形成于顺槽组15的任一侧，而不是一侧然后另一侧。

在一个实施例中，钾盐可以是被开采的有价值的材料，而不是煤。

在一个实施例中，合适的填充材料(例如具有使得填充物“凝固”以形成中等强度均质材料的性质的胶结型填充物或类似变体)可以被提供到开采出的掏槽25中并允许凝固。转而，然后可以使用连续采矿机306和挠性传送机系统308开采介于中间的支柱30，同时凝固的填充物支撑相邻的顶板地层。

根据法规，本发明已用对于结构或方法特征或多或少特定的语言进行了描述。应当理解本发明不限于所示或所述的具体特征，原因是本文描述的装置包括实施本发明的优选形式。

在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现并不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式以在一个或多个组合方式进行组合。