綜合機(jī)械化開采方法在鋁土礦的應(yīng)用研究

（湖南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410004）

目前我國大部分鋁土礦地下開采主要采用房柱法、壁式崩落法等采礦方法，隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對鋁土礦原礦的需求不斷增加，選用傳統(tǒng)的采礦方法雖然生產(chǎn)工藝比較成熟、成本低、廢石混入率低，但采場生產(chǎn)能力低，勞動強(qiáng)度大，礦石貧化率損失率高，采出率低，回收率僅為30%～50%[1]，且安全隱患高。

近年來我國生產(chǎn)鋁土礦原礦已無法滿足鋁土礦作為生產(chǎn)原料需求，為了實現(xiàn)鋁土礦資源的合理開采，提高鋁土礦資源的產(chǎn)量和回收率，大力發(fā)展走向長壁式綜合機(jī)械化開采技術(shù)，加強(qiáng)鋁土礦走向長壁式綜合機(jī)械化開采方法研究，具有十分重要的意義。

1 鋁土礦開采現(xiàn)狀

由于我國大部分鋁土礦地下開采礦山的規(guī)模仍較小，除貴州瓦廠坪鋁土礦、貴州大竹園鋁土礦規(guī)模較大外，其它基本為15萬t/a以下的中小型地下礦山，由于以前鋁土礦大部分采用露天開采，導(dǎo)致有關(guān)鋁土礦地下開采采礦方法的經(jīng)驗欠缺，由于鋁土礦地質(zhì)條件比一般金屬礦山復(fù)雜，當(dāng)頂板不穩(wěn)固時，會對開采產(chǎn)生影響，會將采場的生產(chǎn)能力限制到一個很低的水平，資源回收率低，并且在開采過程中容易發(fā)生頂板事故。但是鋁土礦的開采也具有很多優(yōu)勢，鋁土礦具有賦存穩(wěn)定，礦體硬度小等特點。

2 走向長壁式綜合機(jī)械化開采方法的應(yīng)用

走向長壁式綜合機(jī)械化開采方法目前在貴州瓦廠坪鋁土礦、貴州大竹園鋁土礦[2]均進(jìn)行了應(yīng)用，下面以貴州瓦廠坪鋁土礦為對象進(jìn)行研究。

2.1 首采工作面概況及開采技術(shù)條件

貴州大竹園鋁土礦井田面積10.13km2，設(shè)計生產(chǎn)能力100萬t/a，首采工作面為1102工作面，工作面位于1240m～1282m標(biāo)高之間，走向長約800m，傾斜長約115m。工作面有3條斷層，斷距為5m～20m，落差基本在8m左右[3]，除此之外，區(qū)內(nèi)主要有節(jié)理、裂隙兩組，呈單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)賦有鋁土礦一層，平均厚2.16m，傾角15°～20°，礦層連續(xù)性好。

礦層直接頂?shù)装寰鶠殇X土質(zhì)泥巖、偶為含炭硅質(zhì)巖、底板為綠泥石巖，不穩(wěn)固；礦層間接頂板為片狀含炭硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖、或含鋁石頁巖，厚十幾厘米至1m～2m，穩(wěn)固性差；間接底板為含鋁石頁巖或綠泥石泥巖、鐵綠石巖。間接底板之下即黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r或韓家店組的紫紅色砂質(zhì)泥巖。

2.2 綜采設(shè)備選型

2.2.1 采礦機(jī)選型

采礦機(jī)選型涉及因素較多，它不光與礦體的厚度、傾角及物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)條件等有關(guān)，還與液壓支架、刮板運輸機(jī)之間的配套關(guān)系有關(guān)，因此，在選型過程中要考慮許多因素，最后經(jīng)綜合分析后確定。采礦機(jī)選型主要根據(jù)滾筒的直徑、截深、轉(zhuǎn)速、生產(chǎn)率、允許的最大牽引速度、牽引力確定。

（1）滾筒的直徑[4]

D=αHmax=0.56×3.0=1.68（m）

式中：D—滾筒的直徑，m；α—螺旋滾筒裝礦效率；對小直徑滾筒，α=0.59～0.63；對大直徑滾筒，α=0.56～0.59；Hmax—最大采高，m，根據(jù)礦體厚度頻率曲線圖（如下圖），采高1.50m～3.0m揭露點出現(xiàn)頻率在25%以上，占礦區(qū)資源儲量的60.28%，同時，試驗投產(chǎn)綜采工作面礦體厚度一般為1.5m～3.0m。

綜采工作面雙滾筒采礦機(jī)滾筒直徑D應(yīng)稍大于最大采高之半，即：

D＞0.5Hmax=0.5×3.0=1.5m

按照滾筒系列化標(biāo)準(zhǔn)及礦體厚度變化情況，該礦確定采礦機(jī)滾筒直徑為1.4m、1.6m、1.8m。

（2）滾筒的截深

截深的選擇要與標(biāo)準(zhǔn)的滾筒系列和選用支架等設(shè)備進(jìn)行配套。為有效地利用地壓的作用，目前我國采礦機(jī)的截深都小于1m。截深過小，會影響采礦機(jī)生產(chǎn)率，截深過大，將使支架的步距增大，頂梁長度、千斤頂行程也要加大，同時采礦機(jī)電機(jī)功率及刮板運輸機(jī)的輸送能力也需增加。為了頂板管理和勞動組織的方便，截深應(yīng)略小于液壓支架推移千斤頂?shù)男谐蹋@樣便于調(diào)整支架。因此，綜合權(quán)衡利弊，該礦選用的截深為0.63m。

（3）滾筒的轉(zhuǎn)速

采礦機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的選擇要能考慮截礦及裝礦兩種工藝，以適應(yīng)不同的地質(zhì)情況，目前大多廠家的采礦機(jī)基本都已匹配好。直徑為1.8m～2.0m的滾筒轉(zhuǎn)速一般為30r/min～40r/min。截割速度一般為3m/s～5m/s，轉(zhuǎn)速一般按下式確定：

V=πDn/6000=3.14×1600×40/6000=3.35m/s

式中：V—截割速度，m/s；D—選定的滾筒直徑，1600mm；n—滾筒轉(zhuǎn)速，40r/min。

（4）采礦機(jī)生產(chǎn)率

采礦機(jī)的生產(chǎn)率主要由礦山地質(zhì)和礦山技術(shù)條件、機(jī)器工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及時間利用率等因素確定，因此采礦機(jī)的生產(chǎn)率一般用理論、技術(shù)和使用生產(chǎn)率來表示。

理論生產(chǎn)率

Q=60HBVqρ=60×2.16×0.63×8.4×2.76=1892.9 2t/h

式中：Q—理論生產(chǎn)率，t/h；H—工作面采高，2.16m；B—滾筒有效截深，0.63m；Vq—的最大牽引速度，m/min；ρ—礦體密度，2.76t/m3。

技術(shù)生產(chǎn)率

Qt=Qkt=1892.92×0.5=946.46t/h

式中：Qt—技術(shù)生產(chǎn)率，t/h；kt—采礦機(jī)技術(shù)上的連續(xù)工作系數(shù)，綜合考慮礦石開采的技術(shù)條件和生產(chǎn)管理水平，取kt=0.50。

實際生產(chǎn)率

Qm=Qtkm=946.46×0.6=567.87 t/h

式中：Qm—實際生產(chǎn)率，t/h；km—采礦機(jī)在實際工作中的連續(xù)工作系數(shù)，綜合考慮礦石開采的技術(shù)條件和生產(chǎn)管理水平，取km=0.60。

（5）采礦機(jī)最大牽引速度

Vqmax=mntmax=3×40×0.07=8.4 m/min

式中：Vqmax—最大牽引速度，m/min；m—螺旋葉片同一截線上的截齒數(shù)，取m=3；tmax—截齒的最大切削厚度，取70mm。

（6）采礦機(jī)功率

N=60BHmaxVqmaxHw/3.6=60×0.63×3.0×2.2/3.6=58 2.12kW

式中：Hw—采礦機(jī)截割礦石的單位能耗，MJ/m3；一般取1.1～4.4，取2.2。

（7）采礦機(jī)牽引力

采礦機(jī)的牽引力與裝機(jī)容量關(guān)系密切，可按下式計算：

F=60Nqηcηq/(KVqmax)=345kN

式中：F—牽引力，kN；Nq—采礦機(jī)牽引功率，78.59kW；K—動載不均衡系數(shù)，取1.4；ηc—牽引系統(tǒng)傳動裝置的傳動效率，取0.95；ηq—牽引系統(tǒng)牽引機(jī)構(gòu)的傳動效率，取0.9。

該礦選用目前國內(nèi)使用相對較為可靠的MG300/730-AWD1型交流電牽引采礦機(jī)，其采高范圍為1.4m～3.5m，適合傾角≤40°，截深630mm、800mm；配套滾筒直徑φ1400mm、φ1600mm、φ1800mm，裝機(jī)功率730kW，牽 引 速 度0m/min～10.3m/min～17.1m/min， 牽 引 力550kN～325kN。

2.2.2 刮板輸送機(jī)

A=0.4×Q刮×16×330/（1.05K）=1005.714kt/a

式中：A—刮板輸送機(jī)的年運輸能力，t/a；0.4—開機(jī)率；Q刮—刮板輸送機(jī)運量，SGZ764/2×375型刮板運輸機(jī)，運輸能力600t/h；K—采礦機(jī)割礦不均衡系數(shù)：礦山地質(zhì)構(gòu)造簡單，礦層結(jié)構(gòu)簡單，取1.2。

2.2.3 綜采工作面支護(hù)設(shè)備選型

（1）工作面頂板管理方式及支架型式

該礦直接頂板圍巖類型為鋁土巖、頁巖，均屬軟質(zhì)巖石，厚2m～3m，抗壓強(qiáng)度4.7MPa～18.1MPa，基本頂按Ⅱ級設(shè)計，屬Ⅰ類不等穩(wěn)定頂板；礦體直接底板是鋁土質(zhì)泥巖及鋁土質(zhì)、灰質(zhì)頁巖等，亦屬軟質(zhì)巖石，抗壓強(qiáng)度8.1MPa～51.2MPa，一般為Ⅱ～Ⅲ類松軟～較軟底板；基本頂按Ⅱ級設(shè)計；根據(jù)礦層頂、底板條件及工作面采礦設(shè)備配套的要求，回采工作面采用全部冒落法管理頂板。結(jié)合工作面回采工藝、采高，該礦選用ZY4800/14/32掩護(hù)式液壓支架，其支撐高度為1.3m～3.2m，工作阻力為4800kN（P=39MPa），初撐力為3880kN（P=31.5MPa），支護(hù)強(qiáng)度為0.70 MPa。

（2）支架支護(hù)強(qiáng)度驗算

合理的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)與頂板壓力相平衡。支護(hù)強(qiáng)度過大，不但增加了支架的重量及投資，而且使運輸、安裝不便；過小會造成頂板過早離層、冒落、下沉，造成頂板管理困難。因此支護(hù)強(qiáng)度的大小應(yīng)根據(jù)采場頂板壓力來確定。由于目前對采場頂板壓力的沒的準(zhǔn)確的定量計算方法，主要用經(jīng)驗公式或?qū)崪y數(shù)據(jù)來確定支架的支護(hù)強(qiáng)度。

支架支護(hù)強(qiáng)度采用下列經(jīng)驗公式計算：

式中：q—液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；H—采高，m，取大值3m；γ—頂板巖石容重，t/m3，平均為2.46t/m3；Kd—頂板周期來壓不動載系數(shù)，取Kd=1.6；Kf—附加阻力系數(shù)，取Kf=1.2；Kp—頂板巖石碎脹系數(shù)，取Kp=1.3；α—礦層傾角，平均為18°。

經(jīng)計算，支護(hù)強(qiáng)度最大值為0.55MPa。

（3）支架額定工作阻力

Fs=PsScBc/Ks=550×1.5×3.9/0.75=4290kN

式中：Fs—液壓支架工作阻力，kN；Sc—液壓支架中心距，取1.5m；Ks—液壓支架的支撐效率，取0.75。

（4）支架初撐力

確定支架初撐力時，對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，應(yīng)取較高的初撐力，一般取工作阻力的80%；對于穩(wěn)定頂板，初撐力一般大于工作阻力的60%，對于周期來壓強(qiáng)烈的頂板，一般取工作阻力的75%。根據(jù)礦體頂板穩(wěn)定性情況，初撐力取工作阻力的75%，即為3217.5kN。

（5）支架結(jié)構(gòu)高度

支架結(jié)構(gòu)高度必須要適應(yīng)礦體厚度變化所需的最大和最小支撐高度，支架高度由下式計算[5]：

Hmax=hmax-S1+0.2=3-0.1+0.2=3.1m；

Hmin=hmin-S2-a-c=1.5-0.2-0.05-0.1=1.15m

式中：Hmax—支架最大結(jié)構(gòu)高度，m；Hmin—支架最小結(jié)構(gòu)高度，m；hmax—最大采高，m；hmin—最小采高，m；S1—支架前柱上方頂板下沉量，一般取0.10m；S2—支架后柱上方頂板下沉量，一般取0.20m；a—支架前移時可縮余量，一般取大于0.05m；c—支架與頂?shù)装彘g的浮礦、廢石厚度，一般取0.10m。

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，為了防止偽頂冒落引起支架空頂現(xiàn)象和一些其它問題，最大結(jié)構(gòu)高度要在計算的基礎(chǔ)上，再增加0.1m～0.3m的富余量，因此，最大結(jié)構(gòu)高度取3.2m。

（6）支架選型

根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度的驗算和支架結(jié)構(gòu)高度等參數(shù)的校核，確定采場選用ZY4800/13/32型掩護(hù)式液壓支架。采場端頭位于采場和沿脈運輸巷的連接處選用與采場支架配套的ZT7500/18/36型端頭支架。

3 結(jié)論

經(jīng)過實踐，走向長壁式綜合機(jī)械化開采方法在瓦廠坪鋁土礦實現(xiàn)了聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，這在中國尚屬首次，標(biāo)志著地下鋁土礦綜合機(jī)械化開采工藝關(guān)鍵技術(shù)正式進(jìn)入工業(yè)化試驗，該技術(shù)將大大提高采場生產(chǎn)能力和資源回收率，降低工人的勞動強(qiáng)度，這是大膽創(chuàng)新取得的成果，對國內(nèi)鋁土礦及非金屬礦開采具有重大意義。