机械硬岩采矿的现状与未来

机械硬岩采矿的现状与未来

杨超

杨超

新疆煤炭设计研究院有限责任公司新疆乌鲁木齐830000

摘要:在开采煤矿和软质矿物矿山中，全断面巷道掘进机和连续式圆盘采矿机等已彰显出它们优越的能性。而约30年前，该类设备便已被引进到硬质矿山开采中，经过对其进行不断的适应性改进，现也已日趋完善。本文分析了应用这类设备的优点，进而展望了提高其技术性和经济性等方面的前景。

关键词:硬岩；岩爆；采矿；小圆盘刀具；隧道钻机

自工业革命以来，机械化一直是提高劳动生产率的核心问题。在过去的30年里，机械化使采矿工业取得了惊人的进步。而且机械采矿带来的好处已在煤炭、蒸发岩和其他软质矿物的地下开采中得到证明[1]。

机械采矿与自动技术的各种好处向来是主要的推动力，有助于实现在软岩采矿中提高生产率。

强调开发硬岩的机械采矿技术已有30年了，其目的在于取得与软岩开采相似的提高生产率和降低成本。机械采矿有很多益处,特别是在市场条件不断限定某一工业既要保持较高产量和较低成本的同时保持安全高标准之处。

机械采矿其他的益处包括减少地层支护和人工需用量，还可消除炮烟和柴油烟气。这些益处使机械采矿对于硬岩开采的凿岩爆破来说更加成为有吸引力的替代方案。机械采矿有助于全面实施遥控和自动技术，这些技术正在开发以求在地下采矿中达到更高的生产率和改善安全条件。

设备制造商和采矿公司已将矿山开拓列为机械采矿机的重点应用领域。可能的用途包括掘进矿体通路、运输和通风平巷、拉底和探矿平巷。为了使机械破碎岩石堪与规模大、成本低的生产爆破作业相竞争，应当有重大的技术突破。本文就此进行了详细的分析与论述。

1隧道钻进机革命

现有的岩石挖掘技术已从民用地下施工现场发生转变，成为开发机械硬岩采矿工艺的一种门径[2]。在这一点上，隧道钻进机已使民用隧道施工现场革命化。因此，隧道钻进机显然是矿山开拓用途中的候选机械。

这个技术转变的一些早期努力未能如愿以偿，因为使用现有的机器不适合矿山开拓项目的条件和需要。但只要改装一种机器或制造一种新机器以求符合矿山开拓的需要，隧道钻进机的应用就能比常规方法节省费用，缩短工期。

隧道钻进机主要是为挖掘长而直的隧道设计的，都是又大又重的设备。所以，这些钻进机在矿山中的应用限于较长的、没有急转弯的巷道掘进，就像在马格马公司矿山的情形那样。为了回应矿业的需要，隧道钻进机各制造商已开发出多种结构，使机器有较小的转弯半径和更大的系统灵活性，能够应付不利的和不断改变的地层情况。

尽管拥有上述新的特点，在侧重系统灵活性和多功用性的场合,隧道钻进机仍不适合硬岩矿山日常开拓的需要。但在一般要求作长距离掘进的初始矿山开拓活动中，隧道钻进机比凿岩爆破法还是很合算的高效率方案。

硬岩采矿业需要能满足矿山日常开拓需要的机动的挖掘机。这就是能经济地切割硬岩的“连续式采矿机”。矿山开拓计划应按照隧道钻进机的性能和技术限制进行修改，以求使用该机时能取得最大的利益，这一点也很重要。这表示要尽力安排开拓计划，以便更好地适应隧道钻进机挖掘的基本特点。希望这样的系统具备的特点是：既有在矿山中便于移设的机动灵活性，又有高度的可靠性。此外，购置此挖掘机不应使矿山投资太大。

以上设想似乎不太现实。但在过去30年中，为达到这个目标所做的大量研究已取得进展。其中最有名的进展属于包含罗宾斯机动采矿机(RobbinsMobileMiner)公司在内的一个国际财团。

所有这些研究努力已取得一定程度的成就。这些成就证明机械采矿有取代凿岩爆破技术的可能性和多种利益。现场试验还有助于确定为开发能真正经济地开挖硬岩的机动采矿机将来的方向。随着技术的不断进步，这些系统在向硬岩矿业提供机动的和经济的机械挖掘装置方面将充分发挥潜力。

2所需的新钻头技术

对于全面研制机动的硬岩挖掘机来说，最大的障碍是缺少能切割硬岩、使用寿命长、更换费用低的钻头。在研制中的该装置具有必须的功率和力去切割硬岩。

此机动式采矿机和连续采矿机使用大的圆盘刀具能切割硬岩。但这些圆盘刀具需要高水平的力去穿透岩石，从而规定机器要有高的推压力和功率。这意味着机器笨重，因此灵活性下降[3]。全断面移动式巷道掘进机(roadheader)是机动灵活的机器，被用于软岩开采。这些掘进机使用多刮刃钻头，限于在钻头能经济地挖掘的岩石强度中使用。

于是需要的是一种新刀具，它能以较低的力挖掘硬岩，同时因抗磨蚀或抗结构型磨损而有长的使用寿命。

近来致力于改进多刮刃钻头的性能，包括采用有金刚石涂层的碳化物，已初见成效。除非可延长多刮刃钻头寿命的材料研究取得重大突破，否则这种钻头在硬岩中的经济应用是办不到的。

已研究出一些性能增强技术诸如喷水助切割，以求提高多刮刃钻头寿命。虽然在实验室试验中已有些希望，这些技术在现场应用中向来未获成功，从未找到门路交付工业使用。

圆盘刀具能经济地挖掘硬岩，但目前圆盘刀具尺寸大，不适用于硬岩机动采矿机，因为机器重量大限制了机动性。所以设备制造商和研究机构一直在开发较小的圆盘刀具。圆盘刀具力的需用量是其直径的函数。所以尺寸愈小，穿透岩石需要的推压力也就愈低。

目的在于研制一种能经济地挖掘硬岩，需用力又低的刀具。这样做使该机能尽量减轻重量，以求增强其机动性同时降低购置资金。

3小圆盘刀具随时可用于硬岩

在科罗拉多矿业学院的岩土力学研究所中，已发生这样的一个顺利研制小圆盘刀具的事例[4]。在最近几年中，该所进行的设计和测试终于研制出小到82mm的小圆盘刀具。在各种坚硬的磨蚀性岩层中所做的实验室试验与现场试验，已证明这些小圆盘能够切割硬岩，而且力的需用量低，钻头寿命令人满意。这项新技术已可随时用于全断面移动式巷道掘进机、连续式采矿机和一种新开发的鼓式采矿机。

但是，新的、更有效的刀具如小圆盘刀具，不是开发真正硬岩机械采矿机的唯一答案。今天的刀具是通过靠克服岩石的抗压强度作功的破碎作用强行切入岩石的。对于在机械工具作用下岩石的破坏机理还需要有更多的了解和认识。必须加深对岩石与刀具相互作用的理解，才能从岩石的抗拉强度中获益，而抗拉强度只有岩石抗压强度的几分之一。因此，在研制新的刀具结构促使岩石以更有效的方式破坏方面还要做更多的工作。此外，必须改进预测机器性能和挖掘费用的现行技术，使这些技术在与常规方法作比较的情况下，能对机械采矿的经济性进行更准确、更可靠的分析。

4结语

总之，机械硬岩采矿的未来是光明的。硬岩矿业将很快开始得到多年来在软岩机械采矿中受人青睐的相同利益。可是为达到这个目标还需要在设备制造商与矿业中持续有力的参与。这意味着参与的各方要密切的合作，共同承担任一新技术的开发和实施过程中惯有的风险和不确定性，保证该技术得已持续、稳定的发展下去。

参考文献：

[1]李夕兵.硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题[A].中国岩石力学与工程学会、俄罗斯科学院西伯利亚分院矿业研究所、中国辽宁工程技术大学、中国人民解放军理工大学.第一届中俄矿山深部开采岩石动力学高层论坛论文集[C].中国岩石力学与工程学会、俄罗斯科学院西伯利亚分院矿业研究所、中国辽宁工程技术大学、中国人民解放军理工大学:,2011:19.

[2]李夕兵,周健,王少锋,刘冰.深部固体资源开采评述与探索[J].中国有色金属学报,2017,27(06):1236-1262.

[3]J.南特尔,孙作书.新技术在采矿工业中的应用[J].国外金属矿山,1993(10):64-67.

[4]于伟.贺家圪台铝土矿长壁松动爆破综合机械化开采技术研究[D].太原理工大学,2013.