高应力硬岩镐形截齿截割破岩研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ U D C 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十I 初大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目赢廛瘦壁羞镐形戴齿截割然羞甄庭～ 学科、专业⋯⋯⋯⋯一悉绣王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯奎勇⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯一奎复．基熬接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号 UD C 硕士学位论文 ㈣9 ㈥9 8 6 ㈣9Y 2 1 密级i o ．⋯⋯二⋯一 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 高应力硬岩镐形截齿截割破岩研究 T h eS t u d yo f c u t t i n gh a r dr o c k w i t hh i g hs t r e s sb yt h ec u t t i n gp i c k s 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 李勇 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期2 丑三堇2答辩委员会主席坳 中南大学 2 0 1 2 年2 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 垄墓 日期扯年』月尘日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名鸯耍 导师 摘要 悬臂式掘进机用于硬岩矿石的回采，是未来机械化连续采矿的一个发展方 向。在截割矿岩时，镐形截齿所处的空间位置和物理力学环境不断变化，伴随着 许多不确定因素，需要我们去分析探索其主要影响因素。本文采取了截割头分析、 现场截割试验、实验室模拟试验等方法，对镐形截齿截割破岩过程进行了研究，， 主要内容如下 1 测定了马路坪矿磷矿石的物理力学性质，对矿区的结构面性质进行了 调研，并测定了矿区的地应力状况和分析了采矿工作面的应力环境，得知矿区属 于典型的高应力硬岩，需用诱导致裂思想对其应力进行利用。 2 对镐形截齿进行了研究，分析了其几何参数和质量对截割过程的影响， 研究了截齿的运动形式和受力载荷。对截割头进行了分区，对其上排列的截齿进 行了编号，并分析了截割头的运动形式和所受载荷。从截齿、截割参数、施工工 艺出发分析了影响截割性能的因素。 3 在马路坪矿6 4 0 水平下磷底柱矿房进行了截割回采试验，独头掘进截 割速度很慢，效率不高，截齿磨损大，而沿松动圈截割时，截割速度和效率得到 了提高，截齿的磨损有所降低。由于截割时截深不同和截割时间的不同，截割头 上不同分区的截齿有着不同的磨损形式和磨损量，同一螺旋线上截齿有着不同的 磨损形式和磨损量。独头掘进截割和沿松动圈截割相比，截齿磨损曲线上移，证 明独头掘进时，截齿的耗损增大，基于诱导思想的沿松动圈截割不仅可以提高截 割效率，也可以降低截齿的磨损。 4 对镐形截齿硬岩截割过程进行了P F C 模拟，分析了矿体的应力分布变 化和矿石的截割破坏过程，深化了对截割机理的理解。从截割时截齿所受的三向 力 截割阻力、牵引阻力、侧向力 的平均值和方差出发，分析了不同截割速度、 截割角度、截割深度的截割效果。 关键词悬臂式掘进机，截割头，镐形截齿，截割破岩，截齿磨损 里卫萋2 王茔堕咝童 △垦S 脱￡ A B S T R A C T C a n t i l e v e r e d h e a d i n gm a c h i n ew h i c hc a nb e u s e df o re x p l o i t a t i o no fo r e s i m p r e g n a t e di nh a r dr o c k s ，w h i c hr e p r e s e n t st h ef u t u r eo fm e c h a n i z e dc o n t i n u o u s m i n i n g ．W h e nc u t t i n gr o c k ，t h ec u t t i n gb i t s c h a n g ei nt h el o c a t i o na n dp h y s i c a l m e c h a n i c a le n v i r o n m e n t ，a c c o m p a n i e db ym a n yu n c e r t a i nf a c t o r s ．T h e r e f o r e ．i t i s n e c e s s a r yt os t u d yt h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r s ．I nt h i s p a p e r , t h er o c kf r a c t u r i n g p r o c e s sw a sm o n i t o r e da n di n v e s t i g a t e db yi n c o r p o r a t i n gt h er e s e a r c ht e c h n i q u e so f a n a l y z i n gc u t t i n gh e a dw o r k i n gs c e n a r i o s ，o n ．s i t e c u r i n gt e s t s a n dl a b o r a t o r y s i m u l a t i o nt e s t se t c ．T h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 S u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o n si n t ot h ep h y s i c a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h e M a l u p i n gp h o s p h a t eo r er o c ka n di t ss t r u c t u r ep l a n ep r o p e r t i e sw e r ec o n d u c t e d ．T h e i n s i t us t r e s sc o n d i t i o n so ft h ew h o l em i n ea n dw o r k i n gf a c e sw e r ee v a l u a t e da n d m e a s u r e d ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em i n er o c km a s sC a nb ec h a r a c t e r i s t i c e da sh a r d r o c kw i t hh i g hs t r e s s ，a n dt h ei n d u c e df r a c t u r i n gt h e o r yC a nb ei n t r o d u c e dt h r o u g h u t i l i z i n gt h eh i g hs t r e s s ． 2 T h ep i c k s h a p e dc u r e rW a ss t u d i e d ，a sw e l la st h ee f f e c t so fg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r sa n dq u a l i t yo fc u t t i n gb i t so nc u r i n gp r o c e s s ，a n dt h em o v e m e n t sa n d l o a d i n g so fc u t t i n gb i t s ．T h ec u t t i n gh e a do fr o a d h e a d e rw a sg r o u p e db yi d e n t i f y i n g t h ed i f f e r e n tt e e t h ．T h et o o t hm o v e m e n ta n d l o a d i n gs t a t u sw e r ea n a l y z e d ． 3 T h ec u t t i n gt e s t sw e r ep e r f o r m e dt os t o p et h ep i l l a r si n6 4 0l e v e lo f M a l u p i n g m i n e ．C u t t i n gw i t h o u tf r e ef a c ew a sn o te f f i c i e n t ，w i t hl o wc u t t i n gs p e e da n dh i g h w e a rp r o p o r t i o nw h i l ec u t t i n ga l o n gw i t hl o o s ez o n es a i dc o m p l e t e l yt h eo p p o s i t e A s ar e s u l to fd i f f e r e n tc u t t i n gd e p t ha n dc u r i n gt t i m e ，t h ec u r i n gt e e t hi nd i f f e r e n t g r o u p sd i s p l a y e dv a r y i n gw e a rf o r m sa n dw e a rd e g r e e ．F u r t h e r m o r e ，t h et e e t h a r r a n g e di nas a m es p i r a ll i n ee x h i b i t e dv a r y i n gw e a rf o r m s ．W h e nc o m p a r e dw i t h t h ec u r i n ga l o n gt h el o o s ec i r c l e ，o n h e a d i n gc u t t i n gc u r i n gt o o t hw e a rc u r v e s h i f t s 。p r o v e do nh e a d i n g ，t h ed e p l e t i o no fp i c ki n c r e a s e s ，b a s e do ni n d u c e d t h i n k i n g ，a l o n gt h el o o s ec i r c l ec u t t i n gC a nn o to n l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fc u t t i n g b u tc a na l s or e d u c e st h ew e a ra n dt e a ro ft h e p i c k ． 4 t h ep i c k - s h a p e dc u tt e e t hh a r dr o c kc u t t i n gp r o c e s sP F Cs i m u l a t i o n ．a n d a n a l y s i so ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a n g e so ft h eo r eb o d ya n do r ec u t t i n gf a i l u r e I I p r o c e s s ，d e e p e nu n d e r s t a n d i n go ft h ec u t t i n gm e c h a n i s m ．F r o mt h ec u t t i n gt e e t h s u f f e r e df o r c e c u t t i n gr e s i s t a n c e ，t r a c t i o nr e s i s t a n c e ，l a t e r a lf o r c e ，t h em e a na n d v a r i a n c eo fd e p a r t u r e ，d i f f e r e n tc u t t i n gs p e e d ，c u t t i n ga n g l e ，c u t t i n gd e p t ho ft h e c u t t i n ge f f e c t s K e yw o r d s c a n t i l e v e r e dh e a d i n gm a c h i n e ，c u t t i n gh e a d ，c u t t i n gp i c k ，r o c k c u t t i n g ，c u t t e rw e a r I I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A 】E I S T R A C T ．．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．．⋯．⋯．．．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 项目研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 项目产生背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．2 项目可行性分析及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 机械破岩方法研究现状及掘进机发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 机械破岩现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 国外悬臂式掘进机概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3 国内悬臂式掘进机概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．4 悬臂式掘进机发展方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 镐形截齿破岩研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 1 ．3 ．1 镐形截齿截割破岩研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．3 ．2 截齿工艺性能研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 1 ．3 ．3 截齿破岩研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 1 ．4 本文主要研究内容⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 1 ．4 ．1 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 第二章磷矿石物理力学性质及应力环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 磷矿石的物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．1 矿石物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 矿区地质和结构面性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2 ．1 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．2 ．2 岩体节理构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 马路坪矿地应力测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．1 地应力测量方法与设备准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．3 ．2 地应力测量测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．3 ．3 地应力测量结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 2 ．4 采区工作面应力环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 I V 第三章镐形截齿及截割头研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．1 镐形截齿研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．1 ．1 镐形截齿的破岩理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 3 ．1 ．2 镐形截齿结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 3 ．1 ．3 镐形截齿的运动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 3 ．1 ．4 单个截齿受力及载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 3 ．2 截割头研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．2 ．1 截割头结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 3 ．2 ．2 截割头分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．2 ．3 镐形截齿排列方式及编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．2 ．4 截割头运动方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 3 ．2 ．5 截割头所受载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．2 ．6 掘进机工作方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．3 截割性能主要影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．1 截齿因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 ．3 ．2 截割参数因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 ．3 ．3 施工过程影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第四章高应力硬岩截割现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 独头掘进截割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 ．1 独头掘进截割工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 4 ．1 ．2 独头掘进截割工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 6 4 ．2 基于诱导思想的沿松动圈截割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．1 沿松动圈诱导截割方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．2 ．2 沿松动圈诱导截割工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．2 ．3 松动圈和独头掘进对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．3 镐形截齿截割磨损研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．3 ．1 截齿截割磨损整体情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．3 ．2 截割头各分区截齿磨损分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 4 ．3 ．3 各螺旋线截齿磨损分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．3 ．4 截齿消耗及成本分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 4 ．3 ．5 提高截齿使用寿命的办法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 l 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 第五章镐形截齿截割过程数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 V 5 ．1 P F C 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．1 ．1P F C 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．1 ．2PF C 3 D 的基本特征及功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 截割过程的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 ．1 截割模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．2 ．2 截割模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．2 ．3 截割模拟的加载和输出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．3 截割模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．1 截割过程矿岩颗粒接触力分布分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．3 ．2 截割速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 5 ．3 ．3 截割厚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 5 ．3 ．4 截割角度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 第六章结论和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 V I 第一章绪论 纵观人类社会发展的历史，是一部与大自然抗争，向大自然索取资源，获得 发展的历史。而劳动起了关键的作用，工具的创新使人类在开发自然越来越变得 简单。每一次历史的进步，都是工具和理念创新带来的结果。我国目前处于工业 化发展中期，作为一个制造业大国，我国对资源的依赖性很高，资源作为工业的 基础的对国民经济发展和和谐社会的建设起着举足轻重的作用。矿产资源的消费 强度保持在较高的水平，而我国在珍惜资源和合理利用资源方面存在的问题非常 严峻。据统计，我国矿产资源的综合回收率平均不超过5 0 ％，有色金属矿产资源 综合回收率为3 5 ％，黑色金属矿产资源的综合回收率仅为3 0 ％，比发达国家约 低2 0 个百分点。矿产资源浪费给矿产资源和矿业发展带来危机，从而影响到我 国经济的发展。 严峻的矿产资源形势要求我们提高对矿产资源的综合利用率，而其中最重要 的是提高资源的回采率，降低贫化率。所以必须进行开采理论和采矿装备创新， 从而推动采矿工艺的创新。随着我们资源开发转向深部，开展深部硬岩岩石破碎 理论与技术的研究是采矿工作者未来的主攻方向。深部岩体处于典型的高地应 力、高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰动的特殊复杂力学环境，传 统的爆破开采法开采成本上升，安全性面临严峻挑划卜3 1 。实践证明，基于非爆 机理的机械化连续开采具有安全，高效，连续等优点，非常适合深部硬岩截割采 矿。所以人们对此进行了研究探索，研制了重型悬臂式掘进机、硬岩采矿机等。 由于各个矿石的地质条件和开采利用现状不同，机械化连续开采大规模应用还难 以实现，但其前景十分广阔，值得我们投入资金和人力进行深部高应力硬岩破岩 机理和破岩机械的研究。 1 ．1 项目研究背景及意义 1 ．1 ．1 项目产生背景 贵州开磷集团作为我国西部最大的优质复合磷肥生产商，其磷矿资源储量十 分丰富，矿石品位很高，全国三分之一的优质磷矿石资源赋存于此。自上世纪 6 0 年代建矿开采以来，该集团累计采出矿石量4 0 0 0 多万吨，有效地支撑了国家 的经济发展。与此同时，浅部资源逐渐减少乃至枯竭，集团公司所属的几个矿山 逐渐转向深部开采，其开拓采准工作进, 行N 5 4 0 水平，离地表深度达到了6 0 0 m 左右，集团公司要求矿山生产能力达到4 0 0 万t ／a ，并最终形成6 0 0 万t ／a 的生产 规模，开拓与采准工作量十分繁重。 为了解决繁重的开拓与采准工作，开磷集团矿业总公司于2 0 0 6 年6 月和中 南大学开展合作，在充分调研国内外巷道掘进技术和装备的基础上，引进了2 台悬臂式巷道掘进机。同时选定试验地点，进行了巷道掘进和相关技术的研究。 项目实施三年以来，在巷道施工过程中，出现了多项技术难题，在科研工作人员 的攻关下，都一一得到了解决，从巷道掘进的技术经济指标上看，用掘进机进行 巷道掘进具有非常大的优越性，不失为一种优异的掘进方法，其取得的成果主要 有以下几点 1 第一次将掘进机用于非煤矿山巷道掘进，填补了国内外空白，为类似 的矿山掘进提供了项目实践； 2 在掘进机的选择上，充分分析了矿山岩性与巷道开挖条件，进行了调 研优选，针对矿山的实际情况，给定了掘进机截割巷道时的工作方式、人员组织 和设备管理等、配套设施，获得了掘进机截割巷道供电、供水、通风除尘、废石 装运、巷道支护等一整完整的施工方法和技术。 3 由于切割掘进巷道产尘量高，工人作业环境不是很好，对通风的要求 比较高。我们采用了一种新的半循环通风方案，采用抽出式风筒进行通风，同时 在截割头前端配备高效湿式除尘器，该方法通风除尘效果良好，截割工作面工人 作业环境大为改善，从根本上解决了硬岩矿山悬臂式掘进机巷道掘进中最为头疼 的通风除尘难题。 4 从现场试验结果来看，掘进机在非煤矿山进行巷道掘进非常具有可行 性，掘进速度快、综合成本低、工人作业安全，运用掘进机截割掘进巷道非常有 发展潜力和前途。 5 对于倾角在3 0 。以下的矿体，可以用掘进机进行连续开采，我们可以 以此为基础，进行相关的技术研究，从而探索具有可行性的基于悬臂式掘进机的 连续采矿工艺。 研究成果得到了湖南省科技进步奖，取得了良好的经济效益，由于项目取得 了可喜的成果，我们决定进行更深的探索，不仅用掘进机来进行巷道掘进，而且 想将其应用于矿石的回采，我们有两种思路一是进行掘进机新工艺的研究，二 是提出掘进机采矿方案，把掘进机作为连续采矿的主力机械，主要用于回采工作。 此即硬岩矿山机械连续采矿，该研究有很高的实用价值。 1 ．1 ．2 项目可行性分析及意义 当前矿山开采进入地下，矿石的开采量不断增加、逐步进入深部开采，由此 2 引发了一些技术上的难题。机械化连续采矿技术工艺作为一种新出现的采矿方 法，可以很好地解决这些技术上的难题，可有效改善井下作业工人的工作环境及 作业条件；实现采矿全程机械化、连续化，使矿山的综合生产能力得到很大的提 高；并能有效地缩短回采周期，从而实现对深部地压进行有效的控制及管理；使 矿石开采集中强化，提高开采规模和强度，从而有效降低开采矿石的成本，使开 采经济效益得到提高等。 悬臂掘进机属于部分断面掘进机，具有破碎煤岩、装载运输、调动行走、喷 雾灭尘等功能，移动方便，操作灵活。工作时截割头每次截割工作面岩壁的一部 分，经一定的截割路线掘出所要求的断面形状和尺寸。悬臂式掘进机正常工作时 截割岩石的过程就是利用截割头上的截齿将机械作用力作用在岩石体的表面，使 得岩石块从岩石体上剥离下来的过程。 开磷集团马路坪矿现有E B Z l 6 0 T Y 型掘进机一台，原来主要是用来在红页岩 中掘进巷道，效果较好。本次研究将其扩展应用于磷矿石的回采，磷矿石不同于 红页岩，其硬度系数达到7 - 11 ，属于较典型的硬岩，前期在马路坪矿和青菜冲 矿进行的磷矿石截割试验表明，目前开磷的掘进机在对深部矿岩的独头掘进中效 果很不理想，主要表现为难开掘、进尺慢、截齿损耗大。得出的结论是如果不 能有效地利用深部地压，单凭掘进机本身的性能是不法实现磷矿石的经济合理开 采的。因此，要实现掘进机对硬岩的经济截割，从目前来看，充分发挥深部地压 的作用来诱导致裂硬岩将是一个合理途径。本次试验拟通过先在矿体中用钻爆法 拉一条地压致裂诱导巷道，形成一个自由空间，利用深部地压的能量使靠近临空 面的矿体的内部微裂隙扩展，产生岩体内部损伤而变得易掘。课题组通过诱导巷 道周围矿压的地压监测，获得破碎范围产生和发展的时空规律，为掘进机硬岩采 矿提供理论依据。研究中还要对顶板沉降变形、截齿损耗量、截割矿石量、截割 速度等数据参数进行统计分析研究，综合通风除尘排渣等情况来检验其在深部矿 体中进行连续开采的可行性。 1 ．2 机械破岩方法研究现状及掘进机发展概况 随着人类开发自然、改造自然，出现了一些新的岩石破碎理论和方法。其中 应用的比较多的有爆破法和机械破岩法【4 ，5 J ，比例在9 0 ％以上。同时人们探索了 一些非机具破岩方法【6 】，如超声波法、水射流法、射弹冲击法、水电效应法、 火花放电法、等离子体法、电子束法、激光法、红外线法、热熔法、高频法、电 热核法、微波法及化学破碎法等。这些方法具有很好的破岩性能，但成本太高， 应用条件不成熟，不能大规模推广。通过机械钻孔进行装药爆破的破岩方式由于 综合效率高、成本低应用十分广泛，但该方法，作业不连续，工序复杂，施工组 织困难，且扰动了原岩，破坏周边岩石，支护成本高，破碎岩石块度不均匀。近 年来，机械破岩得到了快速发展，出现了很多采掘机型，广泛地应用于采矿、石 材加工、隧道掘进、石油钻进方面。机械破岩具有连续作业，破岩效率高，生产 成本低，作业安全，劳动条件好，易于实现自动化作业等优点，是一种理想的采 掘工艺。但机械破岩也有其局限性，其最大问题一是机械功率不足，无法满足矿 山大规模回采，二是刀具硬度还不够，极易磨损失效，特别是破碎抗压强度大于 1 5 0 M P a 的硬岩时，机械切削破碎极为困难[ 7 , 8 1 ，刀具成本太高。 1 ．2 ．1 机械破岩现状 机械破岩是通过机械驱动，用刀具直接破碎岩石的技术，如采煤机截煤，掘 进机截割，凿岩机钻孔，牙轮钻机钻孔，破碎机破碎大块等。综观机械破岩设备， 其作业方式具有一定的类似性，都是给破岩刀头提供足够的切割功率，不同的是 输出功率的方式和切割刀头的类型、布置方式、作用方式。 国内外几种常见破岩方法如表1 ．1 所示f 1 8 】，从中我们可以看到，由于岩石情 况不同，所采用的破岩机械和方法也不同，我们应从实际状况出发，选择合理的 机械。 表卜l 机具破岩方法对比表 随着机械化采矿的发展，矿山破岩机械广泛地应用于各类矿山，提高了矿山 自动化水平，提高了工人的作业效率，给矿山创造了巨大的效益。不同的矿山破 岩机械，其工作方式和破岩原理不同，可分为以下三种【9 。2 】冲击破碎、切削破 碎、碾压破碎。下面我们从矿山的实际工作所应用各种破岩机械方法及相应设备 出发，对他们的工作原理和代表机型作简要介绍。 1 冲击破碎 冲击破岩包括矿用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机、碎石机等。冲击破 碎岩石按其破碎实质分为以下几类①凿碎，如凿岩机凿岩钎头冲击式凿岩；② 4 砸碎，如破碎头冲击大块矿岩进行二次破碎；③劈落，如风镐落煤侵入岩体，分 离大块出来；④射击，如吊绳冲击式凿岩，工具高速运动冲击岩石，实现动能到 岩石破碎功的转化，从而破碎岩石。 国内外对冲击破岩进行了大量研究【l3 1 ，南非研制了一种冲击式硬岩采矿 机，该机的旋转臂上搭载有9 个小型冲击破碎机，将其用在窄金矿脉进行回采， 提高了采场的回采能力，能很好的适应较破碎采场，尤其适合长壁法回采。7 0 年代，英国基于液压驱动原理，研发了冲击式破碎机，将其用于软弱岩体的挑顶 作业，如泥岩、砂岩、页岩和粉砂岩，由于这些岩体的抗压强度较小，作业效率 很高。美国H e c i a 矿业公司开发了一种薄矿脉硬岩采矿机【l4 | ，该机主要采用冲 击破碎原理，可进行下向或上向回采，并可以在机器下面出矿。研究表明，在原 岩存在裂隙的地方应用冲击破碎岩石，破岩速度得到提高、能耗有所降低、成本 得到了良好的控制。瑞典铁矿石生产商L K A B 公司和G ．凿岩公司合作，研发了潜 孔冲击机，该机以水为动力的，综合了重型液压凿岩机和风动潜孔冲击器的优点， 大大提高了凿岩速度和钻进深度及能源利用率，改善了炮孔直度和环境。澳大利 亚S D S 公司和美国研制了一种井下液动冲击器，以水或泥浆驱动，提高了钻凿坚 硬岩层的机械钻速，钻进速度最高可以达到2 0 m ／h ，显示了在深井钻进良好的应 用效果和优势。我国著名煤矿业专家田取珍教授，通过对采煤工作面进行力学特 征分析，得到其强度特性，结合对滚筒铣削破煤过程原理的理解，给出了冲击式 采煤机的结构草图，并委托制造商将其生产出来，该机基于煤岩抗拉强度比抗压 强度低的特点，充分利用拉应力破岩。基于冲击原理的采煤机优点如下采煤时 的粉尘很少，井下工作环境良好，保障了安全生产和工人的身体健康；提高了块 煤率，增加了矿井经济效益；降低了能耗。 2 切削破碎 将刀具作用于岩石上，靠刃角作用于岩体，从而从岩石的外层进行分离破 岩的机械破岩，此即切削破岩。切削破碎矿岩包括矿山旋转钻机用的各种钻井钻 头，如金刚石钻头、刮刀钻头、人造金刚石钻头、麻花钻头和煤矿用采煤机采煤、 掘进机截割破岩等。前者属于旋转切削钻进，主要破岩工具是硬质合金或金刚石 聚合片等做成的钻头。后者是利用带有刃口的刮刀切割破碎岩石。按破岩时刀具 运行轨迹的不同，切削破岩方式可分为钻、刨、截、挖等。 南非在1 9 7 0 年研发了线性刮刀切割机，将其用于长壁回采中，硬岩窄矿脉 的回收率大大提高。该回采技术使回采宽度显著降低，顶板的受力状况大为改善， 主要问题是刀具磨损太严重。美国矿业局于1 9 8 3 年采用切割实验的方法，对磨 蚀性硬岩进行研究，研究发现切削宽度和深度的比值与破岩能耗存在联系，切 削宽度与切削深度比增加，刮刀破岩能耗越小；切割效率最高点存在于切削深度 为切削宽度的2 ／3 至1 ／2 中的某值；而随着切削深度增大，切削力增长缓慢。加 拿大H D R R 矿业公司和美国国家矿业局开展合作，基于动静组合破岩的机理， 在切割刀头静载截割岩石的同时，附加低频振动从而提高截割效率，在截割开采 极坚硬矿石时也获得良好的效果。德国W i r t g e n 公司研发了连续式采矿机，主要 用于地表开采，采用滚动式切割，在中等硬度矿岩试验表明，能适应各种矿岩的 开采[ 1 5 , 5 6 1 。2 0 世纪4 0 年代出现了以截齿滚筒破岩的悬臂式巷道掘进机，可以掘 进不同形状的巷道断面，主要用于煤和软岩，也可用于节理非常发育的硬岩，但 因刀具寿命原因，在硬岩截割中应用不大，目前一些国家正致力于提高刀具的强 度和掘进机功率，使之也能用于硬岩。 3 冲击切削破岩 冲击切削破岩是靠冲击压碎和剪切碾碎联合作用破碎岩石，主要设备为牙轮 钻机钻井和全断面井巷钻机掘进，主要破岩刀具是各种滑移型牙轮钻头和钻 掘 进机刀头。 目前，全断面掘进机、竖井及天井钻机已广泛应用于井巷掘进；基于冲击切 削破岩机理的硬岩连续采矿机也获得了相当大的发展【1 6 , 1 7 】。美国R o b b i n s 矿业公 司研发硬岩移动式采矿机，这种采矿机靠履带行走，在其周边上装载着大直径刀 盘，通过其上装载的盘形滚刀径向运动切割破岩。盘刀辗压破岩移动式连续采矿 机是硬岩采掘的一种可行方法，比凿岩爆破法更有竞争力。瑞典A t l a sC o p c o 公 司开发的采矿机利用旋转刀盘一次只切割工作面的一部份，以确保刀盘上的全部 滚刀在钻进摆动过程中都能同