石灰石礦露天采剝機(jī)開采技術(shù)研究

許前進(jìn)

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì)，四川 成都 610052)

0 前 言

我國(guó)有著豐富的石灰石礦產(chǎn)資源，其總產(chǎn)量?jī)H次于煤炭。而傳統(tǒng)的石灰石露天礦開采工藝較為復(fù)雜，不但效率偏低，而且造成大量資源浪費(fèi)。為解決這一問(wèn)題，可對(duì)采剝機(jī)開采技術(shù)加以合理應(yīng)用。本文就石灰石礦露天采剝機(jī)開采技術(shù)展開分析探討。

1 露天采剝機(jī)的類別性能及適用條件

采剝機(jī)是一種能夠開采有用礦物，并剝離露天礦表土的采礦機(jī)械設(shè)備，開采效率高、作業(yè)成本低是該設(shè)備較為突出的特點(diǎn)，其具備穿爆、破碎以及采裝等多種功能，可以連續(xù)作業(yè)，其應(yīng)用使露天采礦工藝得到簡(jiǎn)化，技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益隨之顯著提升。

1.1 采剝機(jī)分類

露天采剝機(jī)歸屬于大型采礦機(jī)械設(shè)備的范疇，由多個(gè)部分組成，包括駕駛室、驅(qū)動(dòng)裝置、輸送機(jī)平衡調(diào)節(jié)裝置、回轉(zhuǎn)支承裝置、卸料傳送帶、履帶、刮板、切割滾筒等[1]。根據(jù)滾筒的位置及構(gòu)造不同，可將采剝機(jī)分為以下幾種類型。

1.1.1 滾筒中置式

這種類型的采剝機(jī)采深為0～0.6 m，滾筒位于設(shè)備中部以下，機(jī)械通過(guò)本體產(chǎn)生的垂直壓力，使?jié)L筒上的切齒能夠?qū)|(zhì)地堅(jiān)硬的物料全面切割，隨后將物料送至滾筒中部的刮板輸送機(jī)上，完成物料裝載。生產(chǎn)此類采剝機(jī)的廠商主要是美國(guó)和德國(guó)的公司，其中德國(guó)某公司在此類采剝機(jī)的生產(chǎn)中已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品。

1.1.2 滾筒前置式

這種類型的采剝機(jī)，切割滾筒設(shè)置在機(jī)械設(shè)備的前端，能夠自由升降，切齒以交錯(cuò)的方式排列，滾筒內(nèi)有螺旋葉片，可以做橫向運(yùn)動(dòng)，滾筒升高的高度即為機(jī)械的采高，滾筒的長(zhǎng)度是采寬，切割深度與推進(jìn)速度均為可調(diào)，轉(zhuǎn)卸載輸送機(jī)具有較大的運(yùn)輸能力。采高、采寬大是此類采剝機(jī)比較突出的特點(diǎn)，最大采高可以達(dá)到8.0 m[2]，由此使其得到廣泛應(yīng)用。

1.1.3 斗輪式

這種類型的采剝機(jī)原型為輪斗挖掘機(jī)，其結(jié)構(gòu)與滾筒前置式采剝機(jī)相類似。滾筒上有4排斗輪，以平行的方式布設(shè)，位于外側(cè)的兩個(gè)斗輪后有兩條平板式膠帶，物料經(jīng)膠帶可轉(zhuǎn)載至主膠帶運(yùn)輸機(jī)上；位于內(nèi)側(cè)的斗輪可以直接將物料卸載到主膠帶輸送機(jī)上。此類采剝機(jī)的滾筒可調(diào)幅度比較小，最大采高為2.0 m，推進(jìn)速度在4.0～5.0 m/min，生產(chǎn)能力可以達(dá)到3 500 m2/h，與中型輪斗式挖掘機(jī)接近[3]。

1.2 技術(shù)性能

采剝機(jī)之所以在露天礦山開采中得到廣泛應(yīng)用，與其自身優(yōu)良的技術(shù)性能有著密不可分的關(guān)聯(lián)，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1.2.1 切割能力強(qiáng)

采剝機(jī)的切割力非常強(qiáng)，能夠?qū)屋S抗壓強(qiáng)度在100 MPa以內(nèi)的礦巖有效切割，并且可以直接采掘煤、石灰石等礦石。隨著采剝機(jī)的不斷完善，現(xiàn)已能夠?qū)箟簭?qiáng)度超過(guò)150 MPa的露天礦石進(jìn)行有效開采[4]。

1.2.2 集多種功能一體

采剝機(jī)將多種功能集于一身，包括穿孔、爆破、破碎以及采掘等，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常緊湊，開采工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)能高，不需要配套基礎(chǔ)設(shè)施，前期投入成本少。對(duì)中硬以下的礦巖切割時(shí)，可將礦石的粒徑控制在300 mm以下，無(wú)需破碎便可裝載，簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。

1.2.3 更加靈活

采掘機(jī)配有專用的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)動(dòng)性與靈活性更高，可以單人操作，能快速投入生產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，可以為礦山開采企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。采剝機(jī)采用坡度自控系統(tǒng)，能對(duì)8°以內(nèi)的橫坡和15°以內(nèi)的縱坡準(zhǔn)確開采。自動(dòng)化程度高，帶有故障自檢功能，可有效消除故障隱患，保證作業(yè)安全[5]。

1.2.4 回采率高

采剝機(jī)上安裝的傳感器可對(duì)礦層分界面有效監(jiān)測(cè)，并且能夠選采復(fù)合礦層，選采厚度可以達(dá)到10 cm，原礦質(zhì)量隨之提高，選礦費(fèi)用大幅度降低。

1.3 適用條件及開采工藝

采剝機(jī)適用于中硬以下的礦巖，此類礦巖主要有煤礦、石灰石礦等；適用于長(zhǎng)期選采作業(yè)的薄礦層；不可以穿孔爆破的礦床；賦存穩(wěn)定性高、強(qiáng)度大的礦床。露天采剝機(jī)的最佳推進(jìn)方式為平行推進(jìn)，此時(shí)的工作線相對(duì)較長(zhǎng)，可用于刨切作業(yè)的時(shí)間更長(zhǎng)；可與配套運(yùn)輸設(shè)備配合作業(yè)。露天采剝機(jī)常用的工作方式有兩種，一種是分層法，另一種分區(qū)法。

1.3.1 分層法

采剝機(jī)分層法開采情況如圖1所示。采剝機(jī)在平整的場(chǎng)地上作業(yè)，以銑削的方式，一層接一層完成采掘作業(yè)。這種開采方法并列分條，物料分層采掘，能夠與運(yùn)輸車相匹配，分層除了要平行之外，還要確保刨切深度相同。

圖1 采剝機(jī)分層開采示意圖

1.3.2 分區(qū)法

分區(qū)法就是對(duì)礦層厚度分塊段采掘，為確保采掘作業(yè)面臺(tái)階坡面的整體穩(wěn)定性，重疊的切削層之間要采取交錯(cuò)布設(shè)的方式。采剝機(jī)在露天開采的過(guò)程中以前進(jìn)的方式作業(yè)，回采至條帶盡頭時(shí)，需要調(diào)頭，所以要在礦段的兩端留設(shè)出一定的空間，供采剝機(jī)轉(zhuǎn)向使用。

2 露天采剝機(jī)開采技術(shù)在石灰石礦中的應(yīng)用

石灰石具有一定的脆性，顏色以灰色或灰白色為主，硬度偏低，用堅(jiān)硬的金屬工具能夠在石灰?guī)r上刻畫出明顯的痕跡，其密度為2.6～2.7 t/m3，平行與垂直層理的最大抗壓強(qiáng)度分別為120、140 MPa，松散系數(shù)約為1.5～1.6.碳酸鈣是石灰石的主要化學(xué)成分，方解石是礦物的組成形式，約占95%左右[6]。石灰?guī)r常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有四種，分別為粒屑、生物骨架、晶粒以及殘余。石灰石礦床主要是由海相沉積或是陸相沉積形成，也有一部分是火山爆發(fā)形成。我國(guó)的石灰?guī)r礦產(chǎn)非常豐富，各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期均有沉積，但從實(shí)際情況來(lái)看，石灰石露天礦的開采利用率并不是很高，部分礦山的規(guī)模較小，技術(shù)落后，為改善現(xiàn)狀，有必要擴(kuò)大礦山規(guī)模，并引入先進(jìn)的技術(shù)裝備，對(duì)露天采剝機(jī)合理運(yùn)用，提高石灰石開采作業(yè)效率。

2.1 連續(xù)開采工藝

在石灰石礦床露天開采中應(yīng)用采剝機(jī)時(shí)，可以選擇連續(xù)開采工藝，這種工藝的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：連續(xù)作業(yè)產(chǎn)能更高，工藝過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，前期投入的資金較多，要求礦床具有較高的賦存量。傳統(tǒng)的連續(xù)開采工藝以輪斗挖掘機(jī)作為主要設(shè)備，隨著中硬巖礦開采要求的不斷提高，輪斗挖掘機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足開采作業(yè)要求，采剝機(jī)的出現(xiàn)及其在露天中硬巖礦開采中的應(yīng)用，為連續(xù)開采工藝提供了強(qiáng)有力的支撐。

2.2 劃分采區(qū)

以采剝機(jī)連續(xù)開采工藝開采的石灰石露天礦山，具有井田范圍大的特點(diǎn)，為確保開采作業(yè)效率，需要對(duì)采區(qū)合理劃分，并選擇最為適宜的開采程序。具體標(biāo)準(zhǔn)如下：總體運(yùn)輸量和外排量最少，開采作業(yè)線路的長(zhǎng)度最優(yōu)；初期剝采比要小，前期基礎(chǔ)建設(shè)工程量要少；滿足石灰石露天礦山連續(xù)開采要求，采區(qū)之間的連接要便利。石灰石礦露天采剝機(jī)開采工作線推進(jìn)中，較為常用的方式有兩種，一種是平行推進(jìn)，另一種是扇形推進(jìn)。可以根據(jù)石灰石礦的實(shí)際情況，對(duì)推進(jìn)方式合理選擇，如有必要，也可兩種推進(jìn)方式聯(lián)合到一起使用，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)，提高作業(yè)效率[7]。

2.3 采剝機(jī)選型

采剝機(jī)選型是石灰石露天礦連續(xù)開采工藝應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以采用的選型方法有三種：①以現(xiàn)有的設(shè)備作為參照物，通過(guò)驗(yàn)算的方法，對(duì)采剝機(jī)各項(xiàng)參數(shù)加以確定；②以礦山實(shí)際條件為依據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出所選采剝機(jī)的技術(shù)參數(shù)；③與國(guó)內(nèi)外類似的礦山做對(duì)比，確定采剝機(jī)的具體型號(hào)。除上述方法外，選擇采剝機(jī)時(shí)，還要遵循以下原則：①在同一個(gè)石灰石露天礦開采中，盡可能選用型號(hào)相同的采剝機(jī)，如果礦床的巖性變化較大，且礦層本身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，可以采用不同型號(hào)的采剝機(jī)；②要保證選用的采剝機(jī)與開采工藝相匹配，滿足產(chǎn)能要求。采剝機(jī)的選型要點(diǎn)如下。

巖石在機(jī)械設(shè)備作用下產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象，主要是由拉伸所引起，破壞過(guò)程具有一定的復(fù)雜性。巖石本身的強(qiáng)度、裂隙的形成等因素，對(duì)于機(jī)械設(shè)備破巖效率有著直接影響。石灰石露天礦連續(xù)開采工藝的特點(diǎn)是作業(yè)連續(xù)性，而滾筒中置式采剝機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，所以可將這種類型的采剝機(jī)去掉。為確保石灰石開采作業(yè)時(shí)輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的正常運(yùn)行，可以按照另外兩種類型采剝機(jī)的性能特點(diǎn)，根據(jù)巖礦的硬度及賦存情況，對(duì)采剝機(jī)的類型合理選擇。石灰石歸屬于中硬度巖礦的范疇，最大抗壓強(qiáng)度為140 MPa，Ⅰ類和Ⅱ類石灰石露天礦床的構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，單抽抗壓強(qiáng)度在80 MPa以下，礦層的厚度比較大時(shí)，可以選用滾筒前置式采剝機(jī)對(duì)礦床直接開采。若是礦層較薄，則可選用斗輪式采剝機(jī)開采；當(dāng)?shù)V床的強(qiáng)度超過(guò)80 MPa，為提高石灰石的開采效率，可在采剝機(jī)作業(yè)前，先通過(guò)爆破的方法，降低巖石本身的強(qiáng)度，為采剝機(jī)切削巖層創(chuàng)造有利條件[8]。應(yīng)用射流輔助技術(shù)時(shí)，可選擇除滾筒中置式以外兩種類型的采剝機(jī)，對(duì)石灰石礦連續(xù)開采。需要注意的是，石灰石礦為Ⅲ類時(shí)，不建議連續(xù)作業(yè)。

2.4 輸送機(jī)選型與移設(shè)

在石灰石露天礦采剝機(jī)連續(xù)開采工藝中，帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力與開采作業(yè)效率密切相關(guān)。所選的帶式運(yùn)輸機(jī)能力越大，運(yùn)行越平穩(wěn)，產(chǎn)能就越高。隨著石灰石露天礦開采深度不斷加大，運(yùn)輸距離隨之增長(zhǎng)，選擇適宜的帶式輸送機(jī)，對(duì)于礦石的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.4.1 帶寬與帶速的確定

帶寬與帶速是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，通常情況下，可先對(duì)輸送機(jī)的輸送能力合理確定，根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和作業(yè)地點(diǎn)，在運(yùn)輸呢管理確定的基礎(chǔ)上，可以按照下式推導(dǎo)出輸送機(jī)的帶寬與帶速：

Q=3 600kγhbv

(1)

式中，k為輸送機(jī)的傾斜系數(shù)；γ為物料松散密度,t/m3；h為輸送帶上的物料高度,m；b為輸送帶的寬度,m；v為輸送帶的運(yùn)行速度,m/s。帶寬和運(yùn)行速度決定了帶式輸送機(jī)的輸送能力，當(dāng)輸送能力一定時(shí)，可對(duì)帶寬和帶速進(jìn)行多種方式的匹配，為達(dá)到最佳的匹配效果，需要重點(diǎn)考慮以下因素：帶式輸送機(jī)的使用地點(diǎn)、物料的粒徑等[9]。

2.4.2 電機(jī)功率與托輥

帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到多重阻力，如前進(jìn)阻力、傾斜阻力以及托輥旋轉(zhuǎn)阻力等，這些阻力與電機(jī)功率的選擇關(guān)系密切。在長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)，托輥的阻力系數(shù)取值對(duì)電機(jī)功率選擇具有直接影響，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境比較好時(shí)，可以取中間值，若是運(yùn)行環(huán)境較差，則應(yīng)取最大值。托輥是帶式輸送機(jī)上使用最多的設(shè)備之一，比較容易磨損，它的選擇與運(yùn)維費(fèi)用相關(guān)。選擇托輥時(shí)要以帶寬作為依據(jù)，但隨著運(yùn)輸能力及帶速的提升，僅以帶寬選擇托輥會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，因此，在高帶速的前提下，可將帶速作為托輥的選擇依據(jù)。

2.4.3 移 設(shè)

對(duì)于帶式輸送機(jī)而言，移設(shè)可按照以下三個(gè)部分進(jìn)行：機(jī)頭、機(jī)架、機(jī)尾。其中機(jī)頭移設(shè)時(shí)，移設(shè)方法的選擇主要取決于機(jī)頭的型式，履帶式可選擇行走裝置移設(shè)；軌道式可選用推土機(jī)牽引移設(shè)；機(jī)架通過(guò)移設(shè)裝置連續(xù)移設(shè)；機(jī)尾則可憑借推土機(jī)拖曳移設(shè)。

2.5 運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石灰石露天礦采剝機(jī)連續(xù)開采工藝的應(yīng)用，除了能夠減少運(yùn)輸費(fèi)用之外，還能顯著提高生產(chǎn)效率，可為礦山企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。然而，連續(xù)開采工藝中，運(yùn)輸系統(tǒng)由不同規(guī)格的帶式輸送機(jī)以串聯(lián)的方式構(gòu)成，保證運(yùn)輸系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行是關(guān)鍵，基于這一前提，必須對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要注意以下事項(xiàng)。

2.5.1 合理確定分流站與轉(zhuǎn)載站的位置

設(shè)置分流站時(shí)，其位置要盡可能距離排土場(chǎng)和貯礦場(chǎng)近一些，標(biāo)高可以設(shè)在靠近端幫的地表。對(duì)于開采壽命相對(duì)較短的露天石灰石礦，分流站可以選用固定式，反之則應(yīng)對(duì)分流站定期移設(shè)；設(shè)置轉(zhuǎn)載站時(shí)，必須充分考慮物料的運(yùn)輸需要，并以采掘等系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，以地形和地質(zhì)條件作為參考依據(jù)，并在不影響開采的前提下，減少轉(zhuǎn)載站的數(shù)量[10]。

2.5.2 出入溝設(shè)置

可將出入溝設(shè)置在合理的位置處，具體設(shè)置時(shí)，要綜合考慮以下因素：石灰石礦床的賦存情況、連續(xù)開采工藝的程序、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、排土場(chǎng)的位置等。

2.5.3 輸送機(jī)布設(shè)

可將主提升膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)置在石灰石礦比較穩(wěn)定的采場(chǎng)端幫上，盡可能少壓礦層；地面膠帶輸送機(jī)布設(shè)時(shí)，要盡量避開地質(zhì)條件不良的地段，如采空區(qū)、巖溶區(qū)、滑坡段等；確保兩條并列設(shè)置的膠帶輸送機(jī)凈距滿足維修作業(yè)所需的寬度，多條并列布設(shè)時(shí)，每間隔兩條要預(yù)留出檢修通道，凈寬應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。

3 結(jié) 論

石灰石礦露天采剝機(jī)開采是一項(xiàng)較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工作，為確保開采效率，要對(duì)采剝機(jī)及相關(guān)設(shè)備合理選型，并做好運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為石灰石采掘運(yùn)輸創(chuàng)造有利條件，提高作業(yè)效率，改善開采現(xiàn)狀，增加礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

[ID:013285]