对水压支腿凿岩机采矿的评价(1).pdf

名 茛 爬 钟 ’ r ． 斗 对水压支腿凿岩机采矿的评价 2 【 摘要 】最 近南非矿山介绍的 水压支脑营岩机比常最 风动售 岩机效 率高 速度快且 操作 更简便，这种凿岩机的试验在加章大魁北克进行 根据试验结皋和在矿山进行的实验研究，水压 售岩机艘重新审定，重审考虑选到的酋岩速度 ． 需要的下部支腿构造 剐作用及考虑健康与安全。 该研究表明水压支脯凿岩机的使用在特定条件下可以有助于提高售岩进尺和改善作业环境 。 UATI ON OF THE p ] N n AI ．OF MI N I N G WI T H WA T E R P O WE R F D J A C m, G D R I I ．I S 【A B S T R A C T】Wa t e r p o w e r e d j a d d e g r o c k d r i l ls , in t r o d u d rec e n t l y i n S o u t h Af d c a n mi n e s , a re r e p o r t e d t o b e mo r e e f f i c i e n t , f a s t e r a n d mo re c o mf o r t a b l e t o o D e r a t e t h a n c o n v e n t i o m p n e u ma t i c d r i l l s ． C o mp a r a t iv er in g o f t h e s e d r il l ty p e s w a s p f o r med in Qu e b e c b a s e d on t he t e s t r e s ul t s a nd on t i m e s t udi e s pe r f or m e d i n t he mi n e s ． wa t e r p o we r e d dr a l i n wa s rev i e we d． Th e rev i e w c o r d e r ed t he dr i l l i n g r a t e s a c h i e v e d， th e i nf r a s t r uc t ur e ne e ded ,s i de e f f e c t s a nd he a l th a n d s a f e t y c n s i d e r a t i o r b． This s t ud y s h o ws t ha t t h e a p pl i c a t i o n o f wa t e rpo we r e d d r i l l s ma y 。 u n d e r s p e df c o n d i ti o n s ,h e I p i n c r e a s e the f oo t a ge dr i l l e d a n d m a y i m Dn v e t he wor k i n g e nv i r o n／ ue nt ． 1 简 介 在加拿大， 地下开采的金属矿石． 相当大 比倒是来 自小于 2 m 6 ． 6 英尺的窄矿脉矿 体。 在魁北克， 据估计这种类型的黄金矿床大 约占7 5 岷 其他金属矿床占8 o ％ 1 9 9 0 年N a r d 。 在矿床中常用采矿方法有留矿法、充填法和 倾斜房柱法，这些采矿法有以下主要特点 1 机械化水平低，基本上是风动设备， 如气腿凿岩机 、 耙装机或铲斗后卸装载机 。 f 2 生产效率低．一般大约是 l o ／ 人 班 。 3 采矿成本高．大约是 2 5 加元／ t 。 4 工作条件差，例如工人劳动强度 大，还有噪音、 振动和油雾。 由于以上因素，这些矿仙同那些使用高 效率方法 如深孔露天开采的矿山相竞争 是有困难的，为确保对窄矿脉矿床的继续开 采，要求开发新的更有效的技术 。 在窄矿脉 开采中凿岩速度的改进是一个重要因素，因 为许多矿山矿工不得不依赖老式风动凿岩机， 它的缺点是凿岩速度低、能效低，影响生产 效率和成本．自然也就影响到矿山的利润。 风动凿岩机已到达其性能的极限，并且在今 后工艺上无重大性突破．这是公认的。此外， 风动凿岩机噪音太、振动太，这对矿工的身 体健康是不利的 如耳聋和白手病 ．这些不 良的工作条件进一步影响掘进效率 。 在魁北克，因为许多矿工几乎完全依赖 手持风动凿岩机，当南非水压凿岩机被介绍 后，引起很大的重视．从而开始一项研究以 评价在魁北克矿山本身的条件下应用的可能 性。该文介绍和讨论一些研究结果。 2 南非矿山水压凿岩 在南非利用水能进行深部采矿的设想有 有色矿山 盼日 ． ● 维普资讯 它的使用出于必要和实际上的考虑，随着开 采深度不断增加，通风和降温的需求必须把 降温水输送到井下。水在竖井中每 1 0 0 0 m深 度产生 1 0 M I 的静水压力．通过能量回收和 传输系统 ，可以将静水压能直接转换成机械 能，而不致被损耗．在此产生了动力损失和 载入热能。对南非开采条件如深度在 1 8 0 0 m 以下，用于采场降温所需的水量产生了过剩 的能量 如图 1 。这些能量能有效地供采矿 设备作动力之用，如凿岩机、 扒矿绞车和轻 便绞车。 圈1 水量对开采深度关系图 在该设想下，在 1 9 7 0 年末，采矿研究机 构的南非分院承担了对水压凿岩机使用的研 究工作，到 1 9 9 0 年，研究引入水乳剂支腿凿 岩机以后，出现纯水压凿岩机，与常规液压 凿岩机相比，水压凿岩机以开路方式工作， 所以所有的水通过排出口喷射出用作动力， 到目前为止所设计的水压凿岩机通常以 l 4 ～ 8 M P a 的压力运转，考虑到磨擦损失，在 1 8 0 0 m的深度下可以使用自然水头，开采浅 部时应使用竖井增压泵或移动泵。 南非矿山 w D r i e f o n t c in 和 N o r t h a m矿山进行的 研究和试验已表明水压凿岩机优越于空压凿 岩机．其优点有 1 凿岩速度较快； 2 每米凿岩单位能量消耗少 减少 1 2倍 ； 3 投有废气和油雾； 4 附加降温效果； 5 凿岩成本低 。 根据这些基准，用纯水手持凿岩的技术 已满足设计的指标，并且有助于进一步提高 矿山生产率 这些特征，结合其他动力设备 如水枪 扒矿绞车液压立柱等对水能的 有效利用，证实了水压凿岩机在南非矿山深 部开采中是非常适用的。 3 手持式凿岩机的比较研 究 魁北克地下矿山开采条件同南非矿山相 比是完全不同的，矿山产量低、 矿山开采深 度较浅、 井下不热．因此，象这样应用纯水 凿岩的各个方面需要彻底的重新考虑，为达 到目的，开始一个由比较试验和理论分析组 成的专题研究。 讨论结果以前，为避免混淆，对该文使 用的一些术语做如下定义。 钻孔速度钻孔速度 豫 ， 定义为凿岩 机以全动力和有效推力下运转时．每单位时 间钻孔距离 。 推进速度推进速度 A R ， 叉叫凿岩 速度，是以凿岩循环计算的，它包括钎杆从 一 个孔收回的时间和移动到下一个孔的时间， 也包括更换钎杆或钎头所必须的时间。 进尺进尺 F定义为每天或每班凿 孔总长度， 也可计算作推进速度乘以纯凿岩 时间 包括规定和没规定的间断时间及准备 工作时间 。 研究的第一阶段，进行了两种手持凿岩 技术的比较试验 试验集中在凿岩速度、矿 工身体健康和安全方面，也有凿岩技术对矿 山基础设施的影响。现场试验在魁北克西北 瓦尔道尔的C A N M E T试验矿山进行，参与的 有拉瓦尔大学、采矿研究和开发协会在魁北 克的一个非盈利机构、 C A N M E T采矿研究试 验室和设备厂家。试验包括三种类型空压凿 岩机，分别为 A 、 B ， c 该试验具有魁北克 矿山典型的参数特征，并从南非租借了一台 水压支腿凿岩机 w ， 井下凿岩使用 3 1 ． 6 ra m 对水睚支腿雷岩机采矿的评价 维普资讯 锥形十字形钎头，在具有与石英脉平行的电 气石夹层的花岗闪长岩中进行凿岩，其岩石 抗压强度为 1 0 0 M P a 。 最后 ，水压凿岩机完成约 5 2 m， 三 台风 动凿岩机完成约 1 8 0 m ， 供给风动凿岩机的压 缩空气压力在 0 ． 5 2 -- 0 ． 5 4 M P a 之间，这是在 大 多数 风 动 凿岩 机 厂 家 建 议 的压 力 0 ． 8 2 --0 ． 6 9 M P a 以下，水压凿岩机通过一水 泵装置提供高压水，其位于水压凿岩机附近 并且与供水管道连接，使水压凿岩机进水I l 压力固定在 1 5 M P a 。 因为这次试验由P a r a sz c z a k 等详细描述过 1 9 9 4 年 ，故在此仅列出一些重要结果。 钻孔和推进速度钻孔和推进速度是在 测定时问基础上计算的，结果见表 1 。 表 i 支腿凿岩机试验的推进和钻孔深度 注W为术压凿岩机， 、B 和 c 为风动凿岩机 就加权平均计算的钻孔速度而言，水压 凿岩机比风动凿岩机提高 l o ％～l 5 ％ ； 就推进 速度而言，水压凿岩机比空压凿岩机提高 6 ％ 一 1 2 ％ C除外 。 但是又发现水压凿岩机的凿 岩速度受推进式气腿冲击的影响，即与风动 凿岩机相比是 7 5 0 m m对 l 7 0 m m。 其他没被 考虑到的有凿岩机人机工程以及操作机器的 矿工缺乏经验等因素 。 使用更高的水压可以 进一步提高钻孔速度。据生产厂家资料，水 压从 1 5 M P a 增加到 1 8 M P a 可使钻孔速度提高 3 5 ％。但关于这一点要强调的是所有风动凿 岩机都没有以最佳压力来作业， 这意味着， 即 使水压凿岩机所有有利因素都被考虑到， 其结 果仍远不能达到南非资料中所宣称的 1 0 0 ％ 的提高。 这些差异可能是由于这些作者与南非 所使用的作业过程或方法的不同而造成的。 如排除作者的偏见外， 而不管这些作者如何努 力， 也不能获得足够的关于南非矿山公司研究 机构使用计算凿岩速度的方法的资料。 噪音级噪音级是在靠近凿岩工耳边测 得，图-2 给出由频带测得噪音级。 』 额 带． H 图2 由频带测得噪音级 实验证明了水压凿岩机的优势，特别是 在高噪音级非常有害的低频范围内。水压凿 岩机整个噪音级比风动凿岩机低 1 9 --2 5 d B A ， 这是一个很大的改进．见表 -2 。 表 2 凿岩工耳边噪音级 凿岩机号 噪音级 c rB A 凿岩的用水量用水量是另一项要测定 的参数 。 风动凿岩机用水主要是从孔底排除 岩渣．测得水的使用量是 3 ～5 l ， m _ n 。而对水 压凿岩机而言．因用水做动力，所以必须要 有大量的水 。 试验期间．经测定水 做动力 和排渣的消耗量是 4 2 --5 4 1／ ra in 。水压凿岩 机和风动凿岩机之间在水耗上有这样大的差 异，要采用水压凿岩机除非有足够的手段以 排除额外的水 这将在下面论述 。 4 水压凿岩机潜在的好处 性能如上所述，矿工所关心的问题之 一 是提高凿岩进尺。 在许可凿岩操作时间内． 有一些操作或行为的时间是不受使用的凿岩 设备支配的。显然．象凿岩机从一个炮孔移 到另一个炮 L 、钎头或钎钢的更换及停工吃 饭时间，以及领班巡视等不管是使用水压凿 一 3 8一 有色矿山1 9 9 8 ． 维普资讯 岩机还是风动凿岩机都将占用大约同样的时 间，除非关于人机工程学有重大差别 如凿 岩机的重量 。因此，应使用推进速度或进尺 而不是钻孔速度来评价凿岩技术。为确定钻 孔速度与进尺之间的关系，工时分析已经在 3 个开采地点用支腿凿岩机以不同的凿岩工 序来完成了。这包括以下几个内容 1 在分层充填采场中采矿凿岩； 2 在临近的主平巷掘进凿岩； 3 开拓凿岩 开始于天井 。 工时分析可以估计出每掘 2 ． 4 4 m炮孔后 从一个炮孔到开另一个炮孔移动凿岩机及更 换钎头和钎钢所必须的时间，为进一步计算 做如下假定 1 整个凿岩有效时间 纯凿岩时间 不变，而且不受达到的钻孔速度影响； 2 从一个炮孔到开另一个炮孔移动凿 岩机时间是不变的，而且不受达到的钻孔速 度影响； 3 开凿一定米数后更换钎头 也就是 凿岩机凿岩越快，钎头更换也越 陕 ； 4 速度越快的凿岩机，钎钢也必须常 被更换。 考虑到以上的假定，对不同钻速计算的 进尺，其结果如图3 所示， 在图3 中， 0 ， 0 点符合风动凿岩机在真实条件下达到的钻速 提高 O ％ 。 图3 钻速和进尺提高函数图 可以注意到进尺的提高与钻速提高相比 是较慢的，假定水压凿岩机比风动凿岩机钻 速快 3 0 ％ 通过试验得出来 ，这种凿岩机能 把进尺提高 1 5 ％-2 5 ％ , 如果钻速加倍，进尺 的提高在 3 8 ％--7 0 ％。这些数字说明水压凿 岩机在有利条件下具有潜在的优势。应强调 的是这里没有考虑凿岩的可靠性 。 5 健康和安全方面 改进了工作条件是另一个优点 。由于它 的设计不喷出影响可见性和呼吸器官的油雾， 也降低了噪音级和振动级，使水压凿岩机对 矿工的健康减少了损害 。 虽然很难测定出这 些因素对凿岩进尺和费用的直接影响，但改 进工作条件是肯定有助于提高矿工的工作效 率 。因此， 其重要性是不可低估的。 6 水压凿岩机主要缺点 1 水压的来源 在作者看来，主要缺 点之一是产生凿岩机动力能量的问题。在开 采深的矿山 图 1 ，自然水头压力是足够凿 岩机运行的，而开采浅的矿山 不到 1 5 o o ～ 2 O O O m ， 必须使用竖井升压泵或动态泵设施。 该装置被使用在南非矿山，装置安装在由 3 根钢轨组成的平台上，同时供给 4 ～5 个凿岩 机。在试验期间 1 9 9 4 ， P a r a m za k ， 泵被用 来供给一台水压凿岩机做动力，其重量大约 为 5 0 0 k g 。为了避免压力损失，这些泵应设 置在凿岩机附近。但在留矿法和一些分层充 填采矿法的采场里，移动泵可能是困难的， 似乎是不可能的。 2 其他设备使用的能源除了凿岩机 以外，其他设备使用何种能源 这个问题在 南非已经提出，以水作动力的一些设备已经 介绍过了，当这样的设备不可用时，必须保 留压缩空气设施，为铲运机、后卸式装载机 和喷射砼机等设备提供动力。在同一场地提 供压缩空气和高压水两套系统而造成的额外 费用，与提高生产力是无关的。 对水压支腿凿岩机采矿的评价 维普资讯 3 浪费水水压凿岩机到目 前为止都 是以开路形式设计进行工作的。 这意味着所 有用作动力的水，又在凿岩炮孔里冲渣后反 流出来，为此，进行了水压凿岩机和风动凿 岩机之间的比较．设想的条件如下 ①只用支腿水压凿岩机进行凿岩．矿山 4 个中段产量分别为5 0 0 t／ d、 1 0 0 0 t ／ d、 1 5 00 d 、 2 0 00 Vd。 ②凿岩系数 出白矿山计算数据是每 吨矿石需凿岩 1 ． 1 2 m。 ③现场测得风动和水压凿岩机凿岩所排 放的 别为 4 --5 V m i n 、4 2 --5 4 1 ／ rai n 。 ‘ ■‘ 动凿岩机的推进速度为 4 0 m ／ m in 。 ⑤ 2个中段水压凿岩机的推进速度为 5 0 c r n l m in 和 6 8 a n ／ r I1 ir I， 分别比风动凿岩机的 推进速度高 2 5 ％和 7 0 ％。 根据这些设想，计算出每天凿岩期间排 出水的总量．其结果列于表 3 。象表 3 中所 列出的，根据矿山产量 或要求进尺 ，水压 凿岩机和风动凿岩机相比每天排出的额外水 量是 3 0 --2 0 0 m S 。 从采场和井下排出大量的 水可能造成的问题，这是应该考虑的。 表3 排水总量与凿岩技术功能和推进速度表m S ／ d 4 冷却效果 在深部矿山，冷却能降 低矿工工作场所的高温。而在冬天．加拿大 矿山必须经常往井下送嗳空气以给矿工取暖， 所以对水压凿岩机在井下排出冷水这一点来 说，矿工是肯定不会认可的。 7 结 论 根据可利用的资料和已进行过的研究， 水压凿岩机看来比风动凿岩机有以下优点 1 凿岩速度快，比风动凿岩机大约高 1 0 ％ -3 0 ％ P a ra s z c m k ， 1 9 9 4 ， 这是低于南非 报道的“ 提高 1 0 0 ％或更高” C O M R O , 1 9 9 1 。 2 在南非的条件下，每采 I t 矿石能 耗更低 降低 1 2 倍 ，凿岩成本也更低 减 少 4 O ％ H a r p e r , 1 9 9 2 。 3 噪音级降低 了 1 1 ～1 2 d B A ，振 动级也降低 H a ro e r , 1 9 9 2 ； P a r a s z c z a k ． 1 9 9 4 4 掌子面无油雾。 所有这些优点有助于掌子面进尺的提高， 并且对矿山生产效率有一积极影响，而对采 矿工人来说，晟重要和最基本的判断标准是 生产成本。如上所述，水压凿岩需要某种适 于操作的下部结构 固定的或活动的 。尽管 在南非已取得显著进步 即水枪冲洗采场 、 液压柱及铲运机等都依靠纯高压水 ，水力仍 然不能完全取代压缩空气做动力，北美一些 矿山可能仍然使用压缩空气作装载机和喷射 砼设备的动力 。 如果为凿岩装置专门安置提 供水动力的下部结构，那么全部基建和生产 费用要比常规空压支腿凿岩高出很多。购买 价格是另一个重要因素 。 根据从南非制造厂 家取得的资料来看，水压凿岩机的价格大约 是风动凿岩机的 2 倍。 但是手持水压凿岩机 可以在下述情况中替代传统的风动凿岩机 。 1 深部开采矿山 1 8 0 0 m或更深 下转第5 3 页 一 3 8 一 有色矿山I 9 9 8 ． 2 维普资讯 铅、 锌 、 硫精矿脱水应用以来，滤饼水分降 低了5 ％--1 o ％ ，由此减少了汽车运输的途耗 损失，为矿山创造了良好的经济效益．X Y Z 型压滤机与真空压滤机相比， 节省投资7 9 ％、 节能 6 2 ％以上、生产直接费用降低 5 2 ％以上， 效果是显著 的 。 段建平 大角度输送机在国外的应用 大角度输送在国外已广泛应用，在美国、 非洲 、欧洲 、印度尼西亚 、韩国等已安装了 8 0 多台大角度输送机 。 其原理是在上、F 两个带中间携带物料， 施加于带上的力对物料产生巨大的压力，使 得在一定的设计角度下 ，物料与皮带之间 、 物料与物料之间产生足眵的磨擦力，保证物 料在被输送过程中不下滑 。 安装时，将输送带 下带支承在槽形 托辊上，用压力平衡辊将覆盖带 上带压 在物料上，根据不同的角度、物料性质及其 动力特性等对带施于不同的压力。 所以合理 ‘ 上接第 3 8页 其自然水压头能提供足够压力，且工作地点 的降温也是必要的。 2由于地质和开采条件仅能使用手 持式支腿凿岩机的矿山。 3 ’全新矿山，它可被设计成各种类 型设备都广泛以水力运转的形式 如南非的 N o r t h a m 矿 山 。 ‘ 4全新开采区 在现有的矿山中 ， 它位于离空压站远，且压力损失可能严重影 确定荷载及带宽可保证在输送物料过程中不 漏料 。 在一开始，大角度输送机就被安装处理 各种各样的物料，如煤 、铜矿石、渣 、砂 、 木屑和废料 ，处理能力从 3 0 t ／ h到 4 4 0 0 t ／ h不 等 。 从理论上讲，提升物料的高度是无限的， 但皮带本身的技术性能限制了提升的高度 。 一 般标准结构的皮带可提升 3 3 0 m ， 钢芯带司 更高些，提升角度也可达 9 0 。。此项技术最 大带宽可达 1 2 0 i n 1 i n2 5 ． 4 ram ，处理量可 大于 1 5 0 0 0 t ／ h 。 在前南斯拉夫马伊达皮克 M a j d a n p e k 1 铜矿安装的一台输送机，其输送物料为铜矿 石，提升角度为 3 5 ． 5 。，提升高度 9 3 ． 5 m ， 处理能力为 4 4 0 0 t ／ h 。 在美 国武尔卡 V u l c a n 原料公司的矿 山安装的一台输送机，其输送物料为石灰石． 处理能力 7 2 6 t ／ h ， 提升角度为 6 0 。．提升高 度 4 8 m 张新宽摘译 响凿岩机的生产率，而这里水泵装置也能供 其他设备之用。 这里描述的研究项目已经考虑测定了水 压凿岩机的～些参数。这些参数大多是基于 其生产率得到的，而不是在精确分析凿岩成 本的情况下得到的。为充分评价水压凿岩机 的潜力，还需作连一步的研究。 邱云胜译 王红绪校 动态与文摘 5 3 维普资讯