矿料机械化连续生产方法与流程

本发明涉及一种矿料机械化连续生产方法，尤其适用于坚硬物料的井下开采。

背景技术：

铝土、铝岩等坚硬物料矿体的现有开采方法为炮采，生产效率低下，矿料贫化率居高不下，输送困难，提炼成本高，也无法保证安全开采，有的甚至严重影响开采经济性，已经不能满足现代化矿井与提炼系统的要求。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种矿料机械化连续生产方法，能提升矿料品位，降低提炼成本，且开采经济性好，能适应条件多变的坚硬物料矿山矿层的井下开采。

本发明的主要技术方案有：

一种矿料机械化连续生产方法，包括如下步骤：

a)于地面对待开采矿体所在区域进行勘探，形成地下矿层模型，获得矿料品位分布情况数据；

b)确定矿料开采设备的主要参数，所述开采设备至少包括滚筒式采矿机、工作面输送机和支护架；

c)挖掘矿井，布设配套开采设备；

d)进行连续开采；

所述步骤d)中，根据矿料品位等级的不同在工作面开采矿壁上划分不同的矿层，利用采矿机对所述工作面开采矿壁按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采，或者，根据矿料品位等级的不同在工作面开采矿壁上划分不同的矿层的同时，还在工作面开采矿壁上横向划分一个或多个工作段，利用采矿机从工作面的一端向另一端行走过程中逐个工作段进行开采，每个工作段内按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采，一个工作面开采完成后，采矿机、工作面输送机和支护架向工作面开采矿壁前进一个步距，准备下一个工作面的开采。

所述步骤d)中，每个工作面或连续多个工作面开采前优选进行一次工作面矿体的成分及含量检测，并依据检测结果按照矿料品位等级在相应工作面开采矿壁上划分不同的矿层。

所述步骤d)中，首次开采前优选先在输送通道和动力通道内实施对待开采矿体的初始弱化处理，随着开采的推进，后续每个工作面或连续多个工作面开采前实施一次近工作面矿体的采前弱化处理。

本发明的有益效果是：

本发明通过对矿体进行初始弱化处理和采前弱化处理，实现了滚筒式采矿机对坚硬物料由难采向可采的转变。

本发明基于矿料品位等级的不同在工作面开采矿壁上划分矿层或者划分矿层和工作段，并针对矿料等级不同的所述矿层进行逐层开采，特别是优选按照矿料品位等级由高到低的顺序逐层开采，大大节约了提炼成本，使高品位物料的品质能更有保证，实现了不同品位矿料的经济性开采。

本发明通过采前弱化、采前成分检测、矿层划分、逐层开采形成了“弱化-检测-分采”的不同品位矿料的总体开采工艺，保证了不同品位矿料特别是高品位矿料的品质，降低提炼成本，提升了开采的利润空间，实现经济性开采，解决了现有的炮采开采不经济、适应条件差的缺陷，实现了从可采到优采的转变，尤其对于坚硬物料开采的改良效果显著，且能够适应条件多变的坚硬物料矿山矿体的开采。

本发明通过“弱化-检测-分采”工艺配合后续的分别输送和分类存储使用，实现了井下不同品位矿料的连续性开采，自动化程度和生产效率都明显提高，安全性好，解决了现有的炮采开采生产效率低、安全生产不易保障等问题。

本发明通过分层开采并优先开采高品位矿料层，保证高品位，兼顾中低品位、少采低品位，再结合不采或快速分离必须开采的废料与岩层，缩减高价值设备的投入，保证高品位矿料的利润，降低开采与输送损耗以及控制系统运行的人力成本。

附图说明

图1为采用本发明的方法进行勘探及钻孔检测的示意图；

图2为采用本发明的方法开采时各通道布置示意图；

图3为采用本发明的方法开采时开采设备的工作面断面示意图；

图4为开采设备的工作面作业正面示意图；

图5为采用弱化装置进行弱化处理作业的示意图；

图6为采用本发明的逐层开采方法对不同品位矿料开采的步骤示意图；

图7为卸料分装机和各料仓的设置与工作方式示意图；

图8为所述滚筒式采矿机的一个实施例的总体结构示意图。

附图标记：1.采矿机；11.机身；12.截割滚筒；2.工作面输送机；21.刮板及链条系统；22.中板；3.支护架；31.底座；32.可调高支撑；33.顶梁组；34.收缩状态时的多级护板；34’.伸展状态时的多级护板；35.顶伸缩；36.底伸缩；41.输送侧弱化装置；410.初始深孔；411.输送侧深孔；421.工作面浅孔；42.工作面弱化装置；43.动力侧弱化装置；431.动力侧深孔；5.侧壁输送机；6.动力装置；7.待开采矿体；711.中间矿层；712.近顶底的矿层；713.顶部和底部的矿层；72.输送通道；73.工作面通道；74.动力通道；80.卸料分装机；81.a级料仓；811.a级仓道；82.b级料仓；821.b级仓道；83.c级料仓；831.c级仓道；84.预留料仓；841.预留仓道；91.深探设备；911.探孔；92.快速检测设备。

具体实施方式

本发明公开了一种矿料机械化连续生产方法，包括如下步骤：

a)于地面对待开采矿体所在区域进行勘探，形成地下矿层模型，获得矿料品位分布情况数据；

b)确定矿料开采设备的主要参数，所述开采设备至少包括滚筒式采矿机1、工作面输送机2和支护架3(参见图2、3)；

c)挖掘矿井，布设配套开采设备；

d)进行连续开采。

该方法的核心是：所述步骤d)中，根据矿料品位等级的不同在工作面开采矿壁上划分不同的矿层，利用采矿机对所述工作面开采矿壁按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采，或者，根据矿料品位等级的不同在工作面开采矿壁上划分不同的矿层的同时，还在工作面开采矿壁上横向划分一个或多个工作段，利用采矿机从工作面的一端向另一端行走过程中逐个工作段进行开采，每个工作段内按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采。

如图8所示，所述采矿机包括机身11和截割机构，所述截割机构的一端角度可调地安装在所述机身上，所述截割机构的另一端设有截割滚筒12。所述截割机构的角度改变时，所述截割滚筒的高度随着发生变化，因此可以通过调节截割机构相对机身的角度，截割不同高度上的矿料层。

利用采矿机针对矿料品位等级不同的所述矿层进行逐层开采，可大大节约提炼成本，提高生产效率。若出现同级矿体或少级变化矿体的分布情况，由于划分成的矿层数量少，分层开采工艺也随之简化。

进一步地，所述步骤d)中，每个工作面或连续多个工作面开采前进行一次工作面矿体成分及含量的检测，依据检测结果按照矿料品位等级在相应工作面开采矿壁上划分不同的矿层。可以使工作面上基于不同矿料品位等级所划分的矿层更符合实际矿料分布情况，是保证不同等级矿料特别是高品位矿料的品质的前提和基础。

下文是采用本发明的矿料机械化连续生产方法的一个实施过程举例。

步骤a)：如图1所示，用可控源音频大地电磁测深法(csamt)，使用深探设备91对地下深部分布矿层进行探测，911为探孔。用x射线荧光光谱法(xrf)，使用快速检测设备92对由地表至矿层离散钻孔取样的矿料品位进行检测，进行拟合处理形成连续的地下矿层模型，同时经过对矿料品位分级后获得矿料品位分布情况数据，形成矿料品位连续分布图。矿料品位分级是根据矿料品位等级对矿料进行划分，所述矿料品位等级主要根据开采矿料的品质要求确定，是对矿料品质高低的人为定义。

步骤b)：根据矿料品位分布情况数据，确定开采设备的主参数和配套参数：根据矿层埋藏深度确定支护架的工作阻力与支护强度，根据可采品位矿层厚度确定滚筒式采矿机的滚筒直径与支护架可调节的高度范围，根据可采品位矿层硬度确定滚筒的截割深度与采矿机截割部的截割动力，根据矿层最大倾角与矿料本身的结合强度确定采矿机牵引动力，根据工作面长度与运输能力确定工作面输送机的输送动力，根据上述主参数确定支护架、采矿机和工作面输送机的配合宽度以及与工作面长度配套的矿料产量及采矿机生产能力。所谓“可采品位矿层”是指适合选用设备开采的矿层，其剔除了那些不能被实际可用的设备在确保矿料品质的前提下开采的矿层。

此外，还根据矿层强硬度确定采矿机开采前对矿体的弱化工艺参数，包括弱化深度和弱化密度，根据矿料产量及采矿机生产能力确定侧壁输送机的输送能力，根据可采品位矿层厚度对于不可避免地需要开采的废料与岩层确定护排一体机的主要参数。侧壁输送机往往由多台不同类型的输送机依次衔接而成，确定侧壁输送机的输送能力时需要确定各级各类型输送机的输送能力。

参见图2、4、5，根据侧壁输送机5与输送侧弱化装置41确定输送通道72的截面，根据采矿机1、工作面输送机2、支护架3与工作面弱化装置42确定工作面通道73的截面，根据开采设备的动力需求与动力侧弱化装置43确定动力通道74的截面。

步骤c)：于矿山或地表下的待开采矿体7分布处开设由地表向地下延伸的输送通道72和动力通道74以及其两端分别连通所述输送通道和动力通道的终端的工作面通道73，使所述输送通道、工作面通道和动力通道从三面围拢待开采矿体。如有相邻两块待开采矿体，它们之间可以共用一个通道，即共用通道针对两个待开采矿体可分别用作输送通道和动力通道，以节省巷道开设成本。开采过程中需要注意对输送通道和/或动力通道进行保护。工作面通道提供采矿机1、工作面输送机2、支护架3的容纳空间，输送通道提供侧壁输送机5的容纳空间。动力通道提供动力装置6的容纳空间。待开采矿体朝向工作面通道的一侧面为工作面开采矿壁。在所述工作面通道内沿通道延伸方向间隔设置多个支护架3，其顶梁组33支撑在工作面开采矿壁顶部垮落的岩层。如图3所示，所述支护架还包括底座31、可调高支撑32、多级护板、顶伸缩机构35和底伸缩机构36，所述顶梁组通过所述可调高支撑32支撑在所述底座的上方。通过改变可调高支撑的高度，使支护架的总体支护高度随工作面矿层厚度变化而变化。

所述多级护板安装在所述顶梁组的底部，通过多级油缸作用能够形成收缩和伸展两种状态。伸展状态时的多级护板34上端连接在所述顶梁组，下端向下延伸到所述工作面输送机的电缆槽的前侧(即工作状态下的近矿壁侧)。收缩状态时的多级护板34’两端均贴近所述顶梁组的下表面。

所述顶伸缩机构和底伸缩机构分别安装在所述顶梁组和底座的前端部，多采用油缸实现前后伸缩，相当于所述顶梁组和底座的前端部的延伸。顶伸缩机构用于及时支护所述支护架与工作面开采矿壁之间的间隙，防止顶部岩层垮落进入矿料影响品质。底伸缩机构前伸即处于推动工作面输送机前行一个步距的状态，当工作面输送机被推动前行一个步距后，降下支护架，减弱对顶岩的支护，底伸缩机构缩回，再拉动支护架前行一个步距。

所述支护架3位于所述工作面输送机的后方，用于为采矿机、工作面输送机提供运行空间。在所述支护架的下方设置工作面输送机2和滚筒式采矿机1。其中工作面输送机在工作面通道内沿通道延伸方向线型铺设，所述工作面输送机各节与各支护架对应。采矿机架设在所述工作面输送机上，并通过位于工作面输送机上的轨道与工作面输送机滑动连接。铺设侧壁输送机，使所述侧壁输送机的大部位于输送通道内，且铺设方向沿着通道的延伸方向。所述侧壁输送机为含有可伸缩结构的输送机，所述侧壁输送机靠近工作面通道的一端为上料端，另一端为卸料端，卸料端固定不动，上料端固定但可移动，通过改变上料端的位置改变侧壁输送机的输送距离。所述工作面输送机靠近所述输送通道的一端为卸料端，所述工作面输送机的卸料端悬伸于所述侧壁输送机的上料端的上方。在所述输送通道和动力通道内靠近工作面通道处分别设置输送侧弱化装置和动力侧弱化装置，在工作面通道的中部设置工作面矿体弱化装置以对矿体进行提前弱化，将上述各设备的动力装置设置于所述动力通道内，提供井下配套开采设备的动力与油液等开采辅助。

所述工作面输送机可以包括中板22和在所述中板上下分布并周向绕行的刮板及链条系统21，所述刮板及链条系统由所述动力装置驱动，可带动所述中板上的矿料向侧面输送机上卸载，中板上与所述刮板及链条系统接触的上表面设置有耐磨层，用以提高输送高磨蚀物料时的耐磨能力。

除此以外，井下还在输送通道内布设护排一体机，所述护排一体机平行于所述侧壁输送机，其前端并排靠近所述侧壁输送机的后端，所述护排一体机的前端设有能够伸出到侧壁输送机后端的上方并与工作面输送机的卸料端平齐的伸缩输送带。

在地面安装卸料分装机80和多个料仓，例如图7所示的a级料仓81、b级料仓82、c级料仓83，它们分别用于储存a级品位、b级品位和c级品位的矿料，所述卸料分装机设置在所述侧壁输送机的卸料端，所述卸料分装机具有多角度定位装置，每个所述料仓设有一个仓道，使每个所述仓道例如图7中的a级仓道811、b级仓道821、c级仓道831的进料端延伸到至少能与所述多角度定位装置的短道的其中一个停留位置相对接的位置处。可以使不同品位等级的矿料分别装进不同的料仓内，实现矿料的分装。预留料仓84及其预留仓道841是设置的冗余储料设备，提高所述坚硬矿料井下开采设备的储料的机动灵活性。

步骤d)：先对工作面矿体的成分及含量检测，并依据检测结果按照矿料品位等级在首个工作面开采矿壁上划分不同的矿层，或者在划分不同的矿层的同时，还在工作面开采矿壁上横向划分一个或多个工作段。

首个工作面开采前，先利用所述输送侧弱化装置41和动力侧弱化装置43分别在输送通道和动力通道内实施对待开采矿体的初始弱化处理。

如图5所示，在输送通道和动力通道内，各自向靠近工作面的矿体中开设若干个初始深孔410，向所述初始深孔中装入炸药进行爆破，实施所述初始弱化处理。所述初始深孔通常平行于所述工作面的延伸方向。每个弱化装置所开设的多个初始深孔间隔分布。根据矿料硬度等不同，同侧的初始深孔可设置不同距离的钻孔间距。

利用采矿机对所述工作面开采矿壁按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采，如图6所示，采矿机在工作面的始端和终端之间的每一次单向行走，都对应开采一定厚度的矿料层，当所述矿层较厚时，有可能需要多次往复行走完成一个矿层的开采。也可以利用采矿机从工作面的一端向另一端行走过程中逐个工作段进行开采，每个工作段内按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐个矿层开采。优选按照矿料品位等级由高到低的顺序进行逐层开采，可以优先保证较高品位矿料的品质。

无论有无工作段的划分，采矿机在一个工作面的开采过程中，都可以保留属于最低矿料品位等级的一定高度的顶部和底部台阶，留到采矿机针对该工作面开采矿壁的最后一次行走过程中进行一次性开采。保留底部台阶可以避免前一个步距开采时留有的低级品位的矿料浮渣混入高一级别品质的矿料中。

由于一般情况下，矿料按照品位等级在工作面开采矿壁上自然呈现出高度方向上分层的现象，并且通常品位等级越高的矿料层越集中在工作面高度方向的中部，越靠近工作面的顶部和底部，矿料层的品位等级越低。以图3为例，中间矿层711的矿料品位等级最高，近顶底的矿层712矿料品位等级居中，顶部和底部的矿层713矿料品位等级最低。保留顶部最低等级矿料和底部台阶，采矿机分层开采的过程中，更多的是从次低等级矿料开采向最高等级矿料开采的切换，相比于从最低等级矿料开采向最高等级矿料开采的切换，矿料装载与传输过程中高品位矿料中因低品位矿料的混入对高品位矿料品质的降低影响会更小。

一个工作面开采完成后，采矿机、支护架、工作面输送机、护排一体机和侧壁输送机的上料端均朝向工作面开采矿壁前进一个步距，准备下一个工作面的开采。

随着开采的推进，后续每个工作面或连续多个工作面开采前进行一次工作面矿体的成分及含量检测，并依据检测结果按照矿料品位等级在相应工作面开采矿壁上划分不同的矿层。连续多个工作面进行一次检测适用于矿料品位分布情况变化不大的场合。

随着开采的推进，后续每个工作面或连续多个工作面开采前实施一次近工作面矿体的采前弱化处理。单次弱化处理优选针对整个工作面长度和7-10m宽度范围内的矿体实施有效的松动，该宽度远大于一个步距，这样就可以连续多个工作面开采实施一次近工作面矿体的采前弱化处理。

所述采前弱化处理是在输送通道和动力通道内，各自向靠近工作面的矿体中开设若干个修正深孔，例如图5所示的输送侧深孔411与动力侧深孔431，然后向所述修正深孔中装入炸药进行爆破或者通入高压水使矿体产生压裂。

之所以称为修正深孔，是因为这类深孔的延伸方向往往不同于初始深孔，初始深孔的延伸方向参照工作面通道的延伸方向确定，因此从输送通道和动力通道各自开设的初始深孔的方向平行，而修正深孔的延伸方向参照的是矿层的起伏走势，为了避免非矿层的顶板的破坏影响安全以及矿料中混入顶底的非矿杂质从而影响矿料品位，修正深孔尽量不穿透矿体以外的顶底，即所述修正深孔优选为全部位于矿料层内且平行于所述工作面，钻孔时往往是以前一次弱化处理时所开设的深孔的延伸方向为基准修正钻孔角度，以得到尽可能深的孔。

由于矿层起伏变化，从输送通道和动力通道内开设的修正深孔往往相互间不贯通。当开设自所述输送通道和动力通道的所述修正深孔不能占据所述工作面开采矿壁的全长时，采前弱化处理还包括在所述工作面通道内，通过工作面弱化装置42向工作面开采矿壁长度方向的中部未弱化段矿体中开设工作面浅孔421，向所述工作面浅孔中装入炸药进行爆破或者通入高压水使矿体产生压裂，实现对未弱化段的弱化处理。从工作面通道内相关设备的安全和防护难度考虑，未弱化段的弱化处理优选采用水力弱化。对未弱化段进行弱化处理时，可以控制所述多级护板处于伸展状态，用于对可调高支撑、工作面输送机和采矿机各自的动力线等加以保护。其他时候，控制所述多级护板处于收缩状态，使多级护板呈较小的厚度状态，以避免支护架下降后与采矿机发生干涉。

通过修正深孔和工作面浅孔实施的弱化可以同时进行。当同时利用修正深孔实施爆破弱化和利用工作面浅孔实施水力弱化时，即实现了爆破弱化与水力弱化相结合。

用于爆破弱化的弱化装置主要包括钻杆，用于水力弱化的弱化装置除包括钻杆外，还包括水泵、孔口密封装置、注水加压管路等。

所述弱化处理可以使预开采的矿体产生裂隙而松动，提高矿层裂隙，降低矿体硬度，使利用滚筒式采矿机实现坚硬物料的开采由难采向可采转变，尤其适用于硬质物料的开采前处理。

采矿机在工作面输送机上往复行走，过程中对工作面开采矿壁进行截割，并将截割下的矿料装入工作面输送机，工作面输送机将矿料卸到侧壁输送机上，侧壁输送机再将矿料运向地面。采矿机、工作面输送机联动实现了工作面的连续的自动开采、自动装料和自动输送，能够明显提高生产效率。

正常矿层开采时，采矿机、工作面输送机、侧壁输送机和卸料分装机联动，当所述采矿机要从对一个矿料品位等级的矿层开采向对另一个矿料品位等级的矿层开采切换时，所述采矿机先向集控中心发出与另一个矿料品位等级相对应的开采准备信号，集控中心接到所述开采准备信号后向卸料分装机发出相应等级矿料分装信号以及向所述采矿机发出相应等级矿料开采许可信号，所述分装信号的控制内容为使所述卸料分装机在第一时长的延时后将出料口切换至与另一个矿料品位等级的料仓相对应，所述采矿机接到所述许可信号后，再开始对另一个矿料品位等级的矿层的开采。

当接收来自工作面的不同品位等级矿料后，通过调整多角度定位装置的短道与不同料仓的仓道对接，可以实现不同品位等级的矿料进入相应的料仓内存储，由此实现不同品位等级矿料的分运、分装。

对于矿层开采过程中当不可避免地需要开采废料与岩层时，采矿机和护排一体机联动，采矿机向集控中心发出废料分离准备信号，集控中心接到所述废料分离准备信号后向护排一体机发出废料隔离信号以及向所述采矿机发出废料分离许可信号，所述废料隔离信号的控制内容为使所述护排一体机在第二时长的延时后将伸缩输送带伸出，接收来自工作面输送机的废料和岩块并向后方抛出，当集控中心接到下一个开采准备信号后，还向护排一体机发出停止废料隔离信号，护排一体机接到停止废料隔离信号后经过第三时长的延时收回伸缩输送带，停止工作。保证高品位、兼顾中低品位、少采低品位、不采或快速分离必须开采的废料与岩层，缩减高价值设备的投入，保证高品位矿料的利润，降低开采与输送损耗以及控制系统运行的人力成本。

本发明提出的“弱化、检测、分层分段开采”工艺提升了矿料品位的同时，降低提炼成本，提高生产效率，开采经济性得到明显提高，可用于含有不同品位矿料的坚硬物料连续开采，而“弱化、检测、分层分段开采、分装”工艺针对不同品位矿料的连续开采和连续输送，生产效率进一步提高，使矿料品位等级的提升更有保障，开采经济性进一步提高。