固體鉀鹽地下開(kāi)采工藝與設(shè)備配套技術(shù)研究

石 亮 郝萬(wàn)東 江小軍 張振東 高瑞文 馬進(jìn)功

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原030006)

由于中國(guó)鉀鹽資源嚴(yán)重匱乏，嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在資源全球化時(shí)代.實(shí)施走出去戰(zhàn)略，充分利用“兩種資源”、“兩個(gè)市場(chǎng)”，到國(guó)外勘查開(kāi)發(fā)鉀鹽礦，建立我國(guó)鉀肥基地，是解決我國(guó)鉀肥短缺的重要途徑之一［1］。隨著老撾鉀石鹽－光鹵石大型礦床的發(fā)現(xiàn)，為解決我國(guó)鉀肥短缺問(wèn)題提供了有效途徑。固體鉀鹽開(kāi)采方法主要分為旱采和水采，由于礦體賦存條件的特殊性及礦山建設(shè)政策的限制性，一般采用水采，該方法雖然技術(shù)應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，但回收率較低，而且地下采空區(qū)無(wú)法控制，對(duì)地表沉陷產(chǎn)生較大影響。老撾鉀石鹽－光鹵石型礦床，礦體厚度較大，礦石品位較高，屬于優(yōu)質(zhì)資源。采用何種開(kāi)采工藝與設(shè)備，提高資源回收率成為研究重點(diǎn)。

連續(xù)采煤機(jī)作為煤礦巷道掘進(jìn)及工作面回采的關(guān)鍵設(shè)備，在煤礦得到廣泛應(yīng)用，在鉀鹽資源開(kāi)采中應(yīng)用較少。本研究以老撾開(kāi)元礦業(yè)鉀鹽礦首采區(qū)2盤(pán)區(qū)1 區(qū)段為研究背景，提出了連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械化開(kāi)采工藝;分析了連續(xù)采煤機(jī)在固體鉀鹽礦床應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出相關(guān)解決方法。連續(xù)采煤機(jī)在鉀鹽礦床開(kāi)采中的成功應(yīng)用，不僅提高了機(jī)械化水平和資源回收率，也進(jìn)一步擴(kuò)大了連續(xù)采煤機(jī)的應(yīng)用范圍，為我國(guó)連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展提供了更多的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地質(zhì)條件

龍湖鉀鎂鹽礦區(qū)分布于老撾甘蒙他曲縣，該鉀鎂鹽礦床由光鹵石和鉀石鹽組成。其中主要是光鹵石礦，礦層自北向西南緩傾，傾角3° ～23°，按礦石類(lèi)型自上而下劃分為3 個(gè)礦層:上部次生鉀石鹽，礦體連續(xù)性較好，總體呈不規(guī)則狀南北向展布，礦層平均厚度2.29 m，KCl 平均品位26.07%;中部光鹵石礦，礦體比較連續(xù)，呈不規(guī)則狀南北向展布，長(zhǎng)約7.3 km，寬約5 km，礦層平均厚度19.81 m，KCl 平均品位17.35%;下部原生沉積鉀石鹽礦，礦體連續(xù)性差，由5 個(gè)相互獨(dú)立的小礦體組成，厚度小、品位低，礦層平均厚度2.41 m，KCl 平均品位17.53%。

可開(kāi)采的鉀石鹽礦層分布在龍湖礦區(qū)的南、北、西端，首采區(qū)分為3 個(gè)盤(pán)區(qū)，二盤(pán)區(qū)南北長(zhǎng)300 m，東西長(zhǎng)260 m，平均厚度為4.61 m，為連續(xù)近水平礦體，厚度變化較小，區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，平均品位26.51% 。礦層的頂板圍巖主要為黏土巖，其余為鹽巖。黏土巖以青灰色泥巖為主，局部為棕紅色泥巖，鹽巖為白－灰白色石鹽。

2 設(shè)備配套

針對(duì)不同連續(xù)采煤機(jī)機(jī)型及其配套設(shè)備所適應(yīng)的不同礦層賦存條件、地質(zhì)條件，分析連采設(shè)備與采場(chǎng)條件最佳結(jié)合點(diǎn)，連續(xù)采煤機(jī)械化開(kāi)采工作面一般配備2 種比較典型的工藝系統(tǒng)，即連續(xù)采煤機(jī)—梭車(chē)工藝系統(tǒng)，連續(xù)采煤機(jī)—連續(xù)運(yùn)輸工藝系統(tǒng)，前一種屬于間斷式運(yùn)輸，后者屬于連續(xù)式運(yùn)輸［2］。結(jié)合工作面開(kāi)采技術(shù)方案及地質(zhì)狀況，確定工作面采、落、裝、運(yùn)、支生產(chǎn)工序選用連續(xù)采煤機(jī)及其配套設(shè)備。在原礦運(yùn)輸方式上，綜合評(píng)工作面的各種因素，采用連續(xù)采煤機(jī)—間斷運(yùn)輸工藝系統(tǒng)。設(shè)備配置如表1。

表1 工作面設(shè)備配置Table 1 Equipment configuration of working face

3 開(kāi)采工藝

工作面采用條帶式房柱采礦法。掘進(jìn)時(shí)，在區(qū)段中部掘進(jìn)2 條巷道(運(yùn)輸巷1，運(yùn)輸巷2)連通盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷與盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷，形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，2 條巷道作為原礦主運(yùn)輸巷道，中間用聯(lián)絡(luò)巷貫通，聯(lián)絡(luò)巷間距為50 m。運(yùn)輸巷道與聯(lián)絡(luò)巷寬度分別為8 m，無(wú)支護(hù)。回采時(shí)，在運(yùn)輸巷兩翼布置礦房，礦方長(zhǎng)度為80 m，寬度為8 m，2 個(gè)礦房之間留設(shè)8 m 的礦柱用于支撐采空區(qū)頂板［3-4］。

在保證連續(xù)采煤機(jī)截割效率的情況下，要提高原礦的運(yùn)輸效率，應(yīng)在以下2 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):①提高后配套設(shè)備的運(yùn)輸能力，在使用間斷式運(yùn)輸工藝條件下即增加梭車(chē)的數(shù)量;②縮短后配套運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行距離，即縮短梭車(chē)在連續(xù)采煤機(jī)與轉(zhuǎn)載破碎機(jī)之間的距離。

基于以上2 個(gè)方面的分析，為提高原礦運(yùn)輸效率，一方面采用2 臺(tái)梭車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，為避免碾壓電纜及梭車(chē)交叉的問(wèn)題，2 臺(tái)梭車(chē)應(yīng)運(yùn)行在不同的軌跡上，另一方面，將梭車(chē)的運(yùn)行距離控制在100 m 范圍內(nèi)。開(kāi)采工藝與設(shè)備配置如圖1 所示。

圖1 開(kāi)采工藝與設(shè)備配置Fig.1 Configuration of the mining processes and equipment

掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)用連續(xù)采煤機(jī)雙巷掘進(jìn)，每隔50 m 開(kāi)1 條聯(lián)絡(luò)巷，設(shè)備布置完畢后，由連續(xù)采煤機(jī)、梭車(chē)組成掘進(jìn)系統(tǒng)，2 條巷交替進(jìn)行作業(yè)，即連續(xù)采煤機(jī)在一條巷掘進(jìn)完成1 個(gè)循環(huán)后，把連續(xù)采煤機(jī)調(diào)入到另一頭巷道掘進(jìn)。采用雙巷掘進(jìn)不僅保證了工作面有兩個(gè)出口，提高了抵御工作面災(zāi)害的能力，同時(shí)增加了工作人員的作業(yè)空間，改善了工作面的環(huán)境。設(shè)備布置與掘進(jìn)工序見(jiàn)圖2 所示。

圖2 設(shè)備布置與掘進(jìn)工序Fig.2 Equipment arrangement and the tunneling procedures

4 設(shè)備適用性分析

4.1 調(diào)整截割方式

連續(xù)采煤機(jī)截割時(shí)，包括“切槽”和“采垛”工序，傳統(tǒng)的截割方式，是連續(xù)采煤機(jī)從上部或底部進(jìn)刀切入煤體，從上往下或從下往上依次截割(如圖3(a))［5］。以上截割方式適用于煤礦體，但由于固體鉀鹽(光鹵石、鉀石鹽)在性狀上與煤體存在較大差異，表現(xiàn)為韌性大、致密、節(jié)理不發(fā)育，因此采用以上截割工藝，造成鹽體對(duì)連續(xù)采煤機(jī)施加的能量吸收較小，反作用較大，截割效率低下。

圖3 截割工藝Fig.3 Cutting process

鑒于以上問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整截割工藝，見(jiàn)圖3(b)。按照以下步驟進(jìn)行截割，即“T”型進(jìn)刀法:①將連續(xù)采煤機(jī)截割頭調(diào)整至巷道底板，即降刀;②將截割頭向前切入鹽體，深度約為滾筒直徑，即進(jìn)刀;③調(diào)整截割頭沿著右上方45°退出鹽體，即提刀;④將連續(xù)采煤機(jī)截割頭調(diào)整至巷道頂板切入鹽體，深度約為滾筒直徑，即二次進(jìn)刀;⑤調(diào)整截割頭向下截割鹽體，直至巷道底板。

“T”型進(jìn)刀法改變了傳統(tǒng)進(jìn)刀方式，解決了連續(xù)采煤機(jī)截割鹽體難度大的問(wèn)題。主要原因分析:首次進(jìn)刀時(shí)，無(wú)論從上部還是下部進(jìn)刀都較為容易，從下部進(jìn)刀的目的一方面是解除下方對(duì)中部鹽體的約束，使中部鹽體存在自由發(fā)展空間，另一方面，截割下部和下部礦體時(shí)，對(duì)整個(gè)礦體造成2 次破壞，使礦體內(nèi)部節(jié)理趨向發(fā)育。因此，礦體整體性被破壞，截割難度降低，提高了采礦效率。

4.2 截割深度對(duì)截割能力的影響

連續(xù)采煤機(jī)在鉀鹽礦中應(yīng)用時(shí)，滾筒的截割深度由截割滾筒直徑?jīng)Q定，一般情況下，深度約為滾筒直徑的1/2。截割滾筒的直徑對(duì)截割能力有較大影響，在其他條件不變的情況下，不同的截割滾筒直徑表現(xiàn)出的截割能力有較大的差異［6］。

連續(xù)采煤機(jī)的截割能力用截割力表示。截割力即為截割滾筒輸出的扭矩經(jīng)力臂(截割滾筒半徑)折算后的力均分后作用在單位切入面積上的力。以山西天地煤機(jī)裝備有限公司生產(chǎn)的EML340 連續(xù)采煤機(jī)為例進(jìn)行分析:截割滾筒直徑分別取1 120 mm 和1 500 m，截割功率2 ×170 kW，截割電機(jī)轉(zhuǎn)速1 484 r/min，截割頭轉(zhuǎn)速51 r/min。

截割滾筒切入礦體后受到沿截割滾筒切向的阻力，如圖4 所示。截割滾筒輸出的截割力克服該阻力，并與該阻力方向相反。

圖4 截割力Fig.4 Cutting Force

對(duì)于1 120 mm 滾筒，工作時(shí)切入深度為560 mm。理想狀態(tài)假設(shè)電機(jī)輸出功率傳遞到截割滾筒時(shí)無(wú)機(jī)械損失。

截割滾筒輸出扭矩:

式中，P 為輸出功率;n 為滾筒轉(zhuǎn)速。

經(jīng)力臂折算后的力:

式中，r1為滾筒半徑。

截割滾筒切入面積:

S1= πL1D1= 5.8 m2，

式中，L1為切入深度;D1為滾筒寬度。

截割力:

對(duì)于1 500 mm 滾筒，工作時(shí)切入深度為750 mm。根據(jù)上述計(jì)算方法，則截割力F02=10 883.2 kN/m。

根據(jù)以上分析可知，F(xiàn)01＞F02，在其他條件相同的情況下，1 120 mm 的截割滾筒比1 500 mm 滾筒輸出的截割力大，截割能力表現(xiàn)更強(qiáng)，也就是說(shuō)，在同一設(shè)備的情況下，切入礦體深度越少，截割力越強(qiáng)。因此，采用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行截割礦體時(shí)，為保證截割效率，應(yīng)減少滾筒切入礦體的深度。

5 結(jié) 論

(1)連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械化開(kāi)采工藝及設(shè)備在固體鉀鹽礦床地下開(kāi)采中的成功應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)化工礦山的開(kāi)采方式，不僅提高了機(jī)械化水平，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大幅度提高了資源回收率。

(2)連續(xù)采煤機(jī)后配套運(yùn)輸設(shè)備的選擇應(yīng)綜合考慮礦層地質(zhì)條件、礦井產(chǎn)量、設(shè)備適應(yīng)性等因素。

(3)固體鉀鹽礦床開(kāi)采與煤層開(kāi)采有著較大的區(qū)別，應(yīng)及時(shí)調(diào)整開(kāi)采工藝，提高設(shè)備對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性。

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