基于井工金礦石開采的新工藝與裝備研制

姜 彪，高啟章，杜傳坤，李文亮，龐晴晴，曹 正

山東兗礦智能制造有限公司 山東鄒城 273500

我 國礦產(chǎn)資源豐富，是世界礦山開采大國，礦山開采主要包含礦石開采、裝運(yùn)、提升，礦石開采是最關(guān)鍵的工序[1]。近年來，我國礦山機(jī)械有了很大進(jìn)步，但與國際同行業(yè)設(shè)備及工藝相比，還有待進(jìn)一步完善，主要是采掘和井下鏟運(yùn)設(shè)備存在差距[2]。國外采礦裝備產(chǎn)品豐富，配套設(shè)施完善，具有機(jī)械化、無軌化、自動化等特點(diǎn)[3]。我國礦山開采技術(shù)逐步向世界先進(jìn)水平跟進(jìn)，初步具備井下作業(yè)機(jī)械化、自動化、連續(xù)化、智能化水平。筆者針對山東黃金礦業(yè)機(jī)械化開采現(xiàn)狀及工藝，研制出適合山東黃金礦業(yè)開采的機(jī)械設(shè)備，促進(jìn)礦山生產(chǎn)向安全、高效、智能化方向發(fā)展。

1 礦山開采現(xiàn)狀

山東黃金礦區(qū)金礦采用巷道開采方式，采礦工藝有 3 種。

(1) 爆破方式開采 采用人工氣動鉆機(jī)鉆眼、放炮落礦石，鏟運(yùn)車將金礦石裝入礦車，礦車沿軌道運(yùn)送至主井口。該方式爆破材料保存難度大，且易造成安全事故。

(2) 鑿巖臺車和氣動錨桿鉆機(jī)作業(yè)模式 因不具備裝載轉(zhuǎn)運(yùn)金礦石功能，需與鏟運(yùn)車交替鉆孔、裝運(yùn)轉(zhuǎn)載，爆破法落礦石，存在爆破材料的安全隱患。

(3) 礦用掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè) 大型掘進(jìn)機(jī)截割穩(wěn)定性好、效率高，但體積大、質(zhì)量大，巷道空間布置難度大，靈活性差。小型掘進(jìn)機(jī)體積小、質(zhì)量小，符合巷道開采空間要求，但截割能力不夠，效率較低。

山東招遠(yuǎn)黃金礦區(qū)東風(fēng)礦和靈山礦的開采方式基本相同，不同之處是東風(fēng)礦自下而上分層開采，而靈山礦自上而下分層開采。按照探明礦藏與水平 45°夾角走向，按埋深分段開采，相鄰兩中段垂直高度相差約 40 m，水平條帶式交替開采，每次開采深度約 25 m，采后不用進(jìn)行頂板和兩側(cè)幫的臨時支護(hù)。在巷采寬度、高度方面，東風(fēng)礦為 3.4 m×3.2 m，靈山礦為2.0 m×2.0 m，每采面巷道進(jìn)尺 2.5～3.0 m；在日產(chǎn)金礦石方面，東風(fēng)礦約為 2 000 t/d，靈山礦約為 1 000 t/d；采后巷道利用冶金礦渣和水泥適當(dāng)比例混合膏體充填。開采工藝示意如圖 1 所示。

圖1 開采工藝示意

針對上述工藝裝備并結(jié)合山東招遠(yuǎn)黃金礦區(qū)東風(fēng)礦和靈山礦井下現(xiàn)場狀況，根據(jù)礦藏賦存條件和生產(chǎn)能力要求，設(shè)計(jì)研制一種適合巷道開采、功能集成履帶式遙控破碎扒裝機(jī)，可有效解決在較小空間內(nèi)的金礦石破碎、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)工序工藝交錯重疊的問題。

2 方案研究與設(shè)計(jì)

履帶式遙控破碎扒裝機(jī)集破碎、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)和履帶遙控功能于一體，反鏟機(jī)構(gòu)扒臂取遠(yuǎn)處巖石，送入刮板運(yùn)輸機(jī)，短板運(yùn)輸機(jī)從尾部將巖石卸入礦車或帶式運(yùn)輸機(jī)，用扒斗清理工作面。扒臂上集成破碎錘，使用時不需拆卸，當(dāng)遇到大塊巖石時，可以用扒臂上的破碎錘進(jìn)行破碎，改善了工人的工作環(huán)境，優(yōu)化了作業(yè)程序，實(shí)現(xiàn)了礦石破碎、轉(zhuǎn)載和運(yùn)輸機(jī)械化。履帶式遙控破碎扒裝機(jī)需遵循以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

(1) 機(jī)身窄，機(jī)體輕，適應(yīng)不同工況條件巷道礦石的開采作業(yè)，機(jī)電液三大系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，元器件可靠性高；

(2) 破碎能力強(qiáng)，機(jī)體頭部具備釬桿破碎和挖斗扒裝功能；

(3) 整機(jī)可遠(yuǎn)距離遙控操作，適應(yīng)井下中小巷道內(nèi)施工作業(yè)；

(4) 履帶行走牽引能力強(qiáng)，能適應(yīng)泥巖巷道及松軟底板，制動可靠。

3 結(jié)構(gòu)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該履帶式遙控破碎扒裝機(jī)主要由破碎扒裝部、底盤、液壓泵站、操作臺、運(yùn)輸部、電控部等組成，如圖 2 所示。履帶式遙控破碎扒裝機(jī)二維結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖3 履帶式遙控破碎扒裝機(jī)二維結(jié)構(gòu)

表1 履帶式遙控破碎扒裝機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

(1) 破碎扒裝部 破碎扒裝部相對鏟板可前伸2.8 m，工作高度為 2.4 m，適合在中小斷面巷道施工。其臂上配有集成式破碎錘，破碎錘和釬桿伸出擊落礦石，扒裝時破碎錘回縮，挖斗將礦石裝載至運(yùn)輸鏟板處。

(2) 底盤 底盤是箱型結(jié)構(gòu)，具有良好的剛性、抗彎和抗扭性。重型大坡度底盤履帶行走機(jī)構(gòu)的履帶板抓地力強(qiáng)，接地比壓小，故障率低，性能可靠，行走穩(wěn)定。

(3) 運(yùn)輸機(jī) 結(jié)構(gòu)簡單可靠，前進(jìn)時，可利用鏟板將側(cè)邊巖石推入輸送機(jī)，利于裝載，挖斗將巖石運(yùn)到鏟板，經(jīng)刮板機(jī)輸送至尾部卸入礦車，采用低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動，受力均勻，裝載效率高，穩(wěn)定性好。

(4) 操作臺 依據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，控制手柄布置合理，操作時更加方便、快捷，控制用先導(dǎo)手柄操作靈活輕便。

(5) 液壓泵站 采用大功率柱塞組合變量泵和系統(tǒng)分級過濾模式，確保油液清潔，增加液壓系統(tǒng)可靠性，減少維修維護(hù)時間，采用水冷方式，性能可靠。

(6) 電控部 包括主電控箱和遙控器裝置，主電控箱通過 PLC 程序控制，用于遙控和電液控操縱閥的信號轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)控制。

3.2 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 集成設(shè)計(jì)破碎釬桿和挖斗裝置，具有破碎和裝載 2 種功能，解決了作業(yè)空間狹小限制問題，避免了設(shè)備輪換作業(yè)，降低了設(shè)備難度，提高了工作效率。

(2) 采用手動和遙控 2 種操作方式，實(shí)現(xiàn)了中遠(yuǎn)距離的無線遙控操作，避免作業(yè)人員距離釬桿過近造成傷害，安全施工作業(yè)效果提高。

(3) 改變了傳統(tǒng)井工金礦石采礦模式和工藝，提高了裝備開采礦石的自動化水平，推動了智能化和智慧礦山建設(shè)。

(4) 替代了爆破施工法，解決了爆破材料限制使用、保存和運(yùn)輸管理難度較大的問題，解決了爆破引起周邊圍巖的不穩(wěn)定性破壞，防止了因爆破而導(dǎo)致的冒頂事故。

(5) 后部運(yùn)輸改為輸送帶運(yùn)輸，輸送帶架固定在運(yùn)輸巷道側(cè)壁，簡化了原有調(diào)度礦車運(yùn)輸程序，實(shí)現(xiàn)了多采面串聯(lián)運(yùn)輸，提高了礦石運(yùn)輸和提升能力。

4 結(jié)語

該裝備的研究和應(yīng)用可改變山東黃金礦業(yè)現(xiàn)有井工金礦石的開采和運(yùn)輸模式，將間斷爆破開采模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)破碎開采作業(yè)，且實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸，將多面開采集中串聯(lián)，降低了車輛管理難度，提升了礦石運(yùn)輸能力和開采效率，減少了對礦石圍巖的破壞，降低了對頂板安全性的管理難度，提高了井工礦山的安全生產(chǎn)系數(shù)，降低了工人勞動強(qiáng)度，具有較高的推廣應(yīng)用價值和較廣的市場應(yīng)用前景。