诱导巷道条件下悬臂式掘进机切割性能现场试验研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ U DC 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 串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 诱曼糕觥王蕊熊勰热。 切割性能现场试验研究 学科、专业 。⋯⋯⋯⋯⋯。鑫煎王程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯赢缝坚⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务。⋯⋯⋯⋯⋯．盎兰燕⋯。j 蕊攮⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号 U D C 硕士学位论文 密级 编号 诱导巷道条件下悬臂式掘进机切割性能现场试验研究 I n s i t eI n v e s t i g a t i o no nt h ec u t t i n gc a p a c i t yo fc a n t i l e v e r e db o r i n g 一 一一 一 m a c h i n eu n d e ri n d u c e dr o a d w a yc o n d i t i o n s 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导教师 贺锋坚 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期州≯．5 ． ／ 答辩委员会主 中南大学 2 0 1 2 年0 4 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。 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。 导师 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 矿山机械化连续开采能极大地提升矿山一线工人的安全保障，降低工作强度，大幅度 地提高生产效率。受非煤矿山矿岩硬度和金属材料耐磨性能等因素的制约，机械化连续开 采这一采矿方式一直未能应用在非煤矿山的矿石开采中； 悬臂式掘进机是一种集切割、装载及转运、通风降尘等功能为一体的大型高效联合作 业设备，能实现矿体及巷道的连续掘进。在高地应力的条件下，地下岩体开挖会引起围岩 应力场的较大变化，围岩应力在开挖方向卸荷松驰，从而使围岩中产生新的节理裂隙，原 有的微裂隙扩展，降低围岩的硬度系数。 本文通过在开磷集团马路坪矿深部高地应力矿体中预拉诱导巷道，利用深部地压的能 量使诱导巷道的高帮矿体内部微裂隙扩展，产生岩体内部损伤而变得易掘。通过对诱导巷 道矿体的地压监测，获得破碎范围产生和发展的时空规律；通过矿岩节理裂隙调查，进一 步验证高地应力对高帮矿体的致裂作用。在高帮矿体矿岩节理裂隙发展到一定程度后，利 用马路坪矿现有的E B Z l 6 0 T Y 掘进机对高帮矿体进行切割试验，观察记录切割过程，统计掘 进机钻进切割、底部横切、切割效率等数据。通过与E B Z l 6 0 T Y 掘进机在无诱导巷道高地应 力矿体切割试验比较分析，得出在高地应力矿体中，诱导巷道存在的前提下，掘进机能高 效安全地切割巷道围岩。 关键词机械化连续开采，悬臂式掘进机，高地应力，诱导巷道，切割试验 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T A B S T R A C T T h em e c h a n i z e dc o n t i n u o u s m i n i n gm e t h o dc a ni m p r o v et h es a f e t y f o r m i n e r s ，r e d u c et h e w o r k i n gi n t e n s i t y a n d g r e a t l y b o o s tt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ．B e c a u s eo ft h eh i g h th a r d n e s so fr o c k sa n dp o o rw e a rr e s i s t a n c eo f r o c k - c u t t i n gt o o l s ，t h em e c h a n i z e dc o n t i n u o u sm i n em e t h o di sn o ta p p l i e df o r n o n - c o a lm i n e r a l sm i n i n g ． C a n t i l e v e r e db o r i n gm a c h i n ei sas e to f j o i n tw o r k i n gr i g s ，c a p a b l eo fc u t t i n g r o c k s ，l o a d i n g a n d t r a n s p o r t i n g r o c k b l o c k ，v e n t i l a t i n g a n d s u p p r e s s i n g d u s t s i m u l t a n e o u s l y ．T h e r e f o r e ，c o n t i n u o u se x c a v a t i o nt ob o t ht h eo r eb o d ya n d r o a d w a y c a nb ea c h i e v e d ．U n d e rh i g hc r u s t a Is t r e s s ，t h eu n d e r g r o u n dr o c ke x c a v a t i o nw i l l c a u s es i g n i f i c a n tc h a n g e so ft h es t r e s si nt h es u r r o u n d i n gr o c k ．S t r e s si nt h e s u r r o u n dr o c kw o u l du n l o a da n dr e l e a s ea l o n gt h ee x c a v a t i o nd i r e c t i o n ，a n ds o m e n e wi o i n t sa n df r a c t u r e si nt h es u r r o u n d i n gr o c kw i l lb er e d u c e d ．F u r t h e r m o r e ，t h e p r o p a g a t i o no ft h eo r i g i n a lm i c r o c r a c kw i l lr e s u l ti nt h ed e c r e a s eo ft h eh a r d n e s s c o e f f i c i e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c k ． I nt h i s p a p e r ，ai n d u c i n gr o a d w a yi se x c a v a t e db yb l a s t i n gi nt h ed e e p l y b u r i e do r eb o d yw i t hh i g hs t r e s si n K a i l i n ’G r o u pM a l u p i n gm i n e ．T h es t o r a g e p r e s s u r ee n e r g yi nh i g hs r e s sr o c km a s sr e s u l t si nt h ed a m a g ea c c u m u l a t i o na n dS O t h er o c k m a s sa r ee a s yt od i g ．T h ee m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n to fb r o k e nz o n ew e r e o b t a i n e d b ym o n i t o r i n g t h e s t r e s so ft h es u r r o u n d r o c k ．T h r o u g h i n v e s t i g a t i o no nj o i n t sa n d ．f r a c t u r e si ni n d u c e dr o a d w a y , t h ee f f e c t so fh i g hs t r e s s o nt h et h ef r a c t u r i n go ft h ew a l lo fo r e b o d yw e r ev e r i f i e d ．W h e nt h ej o i n t sa n d f r a c t u r e si no r eb o c k s d e v e l o p e dt o ac e r t a i n d e g r e e ，t h eh e a d i n gm a c h i n e E B Z16 0 T Yw a su s e df o rc u t t i n go r e b o d y ，T h ec u t t i n gp r o c e s sw a sr e c o r d e da n d t h er e l a t e dc u t t i n gd a t as u c ha sl o n g i t u d i n a ld r i l l i n g ，t r a n s v e r s ec u t t i n ga n dw o r k i n g e f f i c i e n c yw e r ec o l l e c t e d ．C o m p a r e dw i t ht h ee x c a v a t i o nr e s u l t so fo r eb o d yi n c o n v e n t i o n a lr o a d w a y s ，t h eo r e b o d yC a nb em i n e dw i t hh i 曲e f f i c i e n c ya n ds a f e t y i nt h ep r e s e n c eo fa ni n d u c i n gr o a d w a y ． K e y w o r d s c o n t i n u o u sm e c h a n i z e dm i n i n g ，c a n t i l e v e r e db o r i n gm a c h i n e ， h i 曲s t r e s s ，i n d u c e dr o a d w a y , c u t t i n gt e s t I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I E j 录⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 机械化连续采矿现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 软岩 煤 机械化连续开采技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．1 ．2 硬岩掘进研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．1 ．3 悬臂式掘进机硬岩掘进应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯’⋯⋯⋯。5 1 ．2 试验研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 - 3 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 1 ．3 ．1 试验地点地质状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 1 ．3 ．2 试验岩体应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 1 。3 3 试验目的及思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第二章悬臂式掘进机截割破岩理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 悬臂式掘进机的国内外发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．1 国内外悬臂式掘进机发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．2 悬臂式掘进机先进技术概况及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 悬臂式掘进机破岩理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．2 ．1 切割破岩研究现状⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．2 ．2 截割头运动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 1 3 截割头切割时受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．2 。4 镐形截齿破岩分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．2 ．5 镐齿切割运动及平均负荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 2 _ 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 第三章诱导巷道围岩地压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．1 诱导巷道高帮矿体破碎范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 3 3 ．1 ．1 围岩探测仪简介及地压测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．1 ．2 监测过程及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 3 ．2 诱导巷道项板沉降位移量监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 _ 3 诱导巷道高帮矿岩表面破坏形貌调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 。4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 第四章诱导巷道高帮矿体节理裂隙调查及岩体质量评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 j 中南大学硕士学位论文目录 4 ．1 岩体节理统计的理论依据⋯．⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 诱导巷道高帮矿体节理裂隙调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 工程岩体评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．5 0 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 第五章悬臂式掘进机切割高地应力矿体试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．1 试验器材准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．1 ．1 E B Z l 6 0 T Y 悬臂式掘进机概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．1 ．2 E B Z l 6 0 T Y 悬臂式掘进机的常规掘进作业步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 无诱导巷道悬臂式掘进机独头掘进试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 ．1 试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 5 ．2 ．2 独头掘进试验切割情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 ．3 试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．3 悬臂式掘进机切割诱导巷道高帮体试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ．1 试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 - 3 ．2 悬臂式掘进机切割过程工况统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．3 试验分析总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 第六章结语与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯7 7 感谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 中南大学堡主学垡鲨一墨二童丝 _ - _ ●_ - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ ●_ _ _ - ●- _ _ - _ _ _ ●，_ l _ ●_ _ ●_ _ _ _ l _ _ _ - ●- _ _ 一 第一章绪论 随着经济的不断发展，各行各业的生产规模和生产能力都在不断扩大加快。整个经济 社会对矿产资源的需求也在迅速增加，因丙矿山开采需要增速增效才能满足社会的要求。 矿业正朝着机械化连续开采的方向向前发展。由于科学技术的进步，用于矿山开采的技术 与设备均得到极大地发展，煤矿等软岩矿山已经将机械化连续开采广泛的运用在生产一线， 由于非煤矿山矿岩岩石强度较大及矿脉形状不是很规整等原因，机械化连续开采一直未能 在非煤矿山实现真正意义上地运用。 随着地下矿山开采规模的不断扩大、开采深度的不断增加，在矿山的日常生产中出现 了较多的技术难题，利用悬臂式掘进机进行非爆连续开采，能有效的解决这些难题。它不 仅可以让井下作业环境变得更人性化，减轻矿山一线工人的工作强度，同时能够使矿山的 生产实现连续作业，极大的提高了采场的生产能力；还能有效地对深部地压进行控制和管 理，有利于进行大规模、高强度地开采，从雨达到降低矿石的开采成本，提高开采豹经济效 益等目的，实现深部地下矿山的安全高效开采‘o 】 1 ．1 机械化连续采矿现状 连续采矿首先出现于煤炭开采。因为煤矿是沉积矿床，产状平缓、规则，硬度不大， 可用机械连续切割，因此，2 0 世纪初，人们就开始研制可用于煤炭开采的连续采煤机1 7 - 8 ] 。 经过2 0 - 3 0 年的努力，煤炭开采实现了连续采矿例。现在世界上年产千万砘级的大型和超 大型露天煤矿中，已经采用巨型斗轮式挖掘机与大型胶带运输机配套的超大型露天煤矿的 “连续采煤系统”，每天可采煤数万吨。 年产数百万吨级以上的大型地下煤矿，主要设备是大型采 刨 煤机配自行式掩护支 架、刮板运输机、胶带运输机，所用的采矿法是长壁式采矿法，刮板运输机可以输送大块 度的煤块，但成本比较高，一般用于担负工作面的短距离输送，工作面外的长距离输送则 采用胶带输送机原煤转运到胶带运输机之前要破碎一次，因此，在刮板运输机的端部配 置有碎煤机。如此配置的采煤设备和采矿方法，称为“综合机械化采煤法矽 简称综采法 ， 在煤矿开采实现连续采矿之后，人们开始思考地下金属矿的连续采矿问题。法、英等 矿业发达国家的～些专家，从长远目标出发，极力推崇用类似采煤祝的连续切割枧械采矿， 认为在采矿过程中，与其优化爆破技术，不如不用炸药，并提出以连续切割矿岩设备来取 代传统的、基于爆破的金属矿采矿工艺Ⅵ。一些外国公司也投入巨资开发机械切割破岩的 采矿机。尔后，有移动式采矿机 类似隧道掘进机 ，磨蚀性射流凿岩的钻进型采矿机等 问世。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 采用机械化破岩的连续采矿，具有如下优越性；①形成切截空间不需施爆，可明显提 高矿岩工程的稳固性；②用机械切割可准确地开采目标矿石，使矿石的贫化率降低；③用 连续切割方法采矿，落矿的块度小，适于带式运输机连续运输送，运输系统可以大大筒化； ④采用机械化连续切割矿岩，使采掘工程各工序 如切割、落矿、装载、运搬 在同一个 空间内平行连续进行，机械化程度高，是一种高效的采掘方式。 但是，用掘进机等机械实现连续采矿的可行性，受到两方面的挑战一是采矿机的采 掘作业受金属矿床形态多变及复杂地质条件的限制；而是金属矿岩坚硬，采矿机的切割头 寿命相对较短、费用太高。在英、法国等西方矿业开采发达国家投入了大量的人力物力并 经过数十年的工作后，研究虽然在理论意义上取得了很大的成功，工业实验用机也取得一 定的成功，但由于金属矿的硬度太高，传绕刀具切割效率低、刀具磨损快．产生的直接成 本偏高，因此硬岩连续采矿机始终没有得到产业界的接受，也没有获得真正意义上的工业 应用。目前在开采硬岩连续采矿机中所取得的技术和相关经验，已经用在开采钾盐矿等中 硬矿体的连续采矿机的开发中，并获得很大的成功，已经生产出多种开采中硬矿体的连续 采矿机，并在国外一些大型矿山得到工业应用 采矿和掘进 L 1 H o 我国的三一重型装备股 份公司于2 0 0 5 年也开始生产这类连续采矿 掘进 机，并在煤矿的掘进施工中得到应用， 并计划在磷矿等矿山中应用于矿石开采引。 诚然，硬岩连续切割采矿机要大规模投入工业应用尚需时1 B ，但是入{ i ] 对其前景仍然 看好，因为它为实现无人矿井迈出新的一步，这也是澳洲、西欧、北欧仍继续投入巨资开 发研究的重要原因。 正是由于用硬岩连续切割采矿机实现金属矿的连续采矿尚需时日，国内外相继开展了 基于爆破和其他非切割落矿技术的金属矿连续采矿工艺和设备的试验研究，这就逐步形成 了广义的连续采矿 “间断连续” 开采理念“采用切割与劈裂相结合”的连续开 采设备及相关工艺；露天矿山的“间断连续采矿工艺和设备”。目前机械化程度很高 的无轨开采方法和工艺、自然崩落法等采矿技术也开始朝着“连续开采”方向发展。 总的来说，目前，地下金属矿山的连续采矿方式可分为二类 第一类“单一采矿机的连续采矿”。这是基于菲爆破破岩的狭义的连续开采理念， 即借助机械切割破岩的连续采矿。采矿机的作业是直行采掘方式，破岩 落矿 、装载 出 矿 、运矿工艺在同一空间平行连续进行，它类似于隧道掘进机的作业方式。本研究即是 基于该种连续采矿方式对掘进机在开磷集团采矿中的应用进行研究。 第二类“采装运机组与一步骤回采方法配套的连续采矿”。这是基于爆破破岩的～ 种广义连续采矿理念。它是一步骤回采的采矿方法和高效率的采、装、运设备组成的采矿 系统。在大矿段中采用阶段连续推进的回采顺序，回采过程中，采、装、运工艺在不同空 间平行连续作业。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 ．1 软岩 煤 机械化连续开采技术 1 露天煤矿连续采煤生产线 目前世界上年产千万吨级以上的大型和超大型露天煤矿的开采技术主要体现在设备及 其操作控制系统上，配置的设备一般为巨型斗轮式挖装机配长距离输送的大型胶带机。 斗轮式挖装机担负将煤从工作面采出、适当破碎和短距离输送的任务，最后将煤传送到大 型胶带机上；大型胶带机则担负着将原煤输送到数公里至数百公里外的煤场、港口、车站 或发电厂的任务。这种斗轮式挖装机是一个极其庞大的设备，自重数干吨，每天可采煤数 万吨，与配套的大型胶带机共同组成了超大型露天煤矿的连续采煤系统。 卜1 巨型斗轮式挖装机 2 地下煤矿连续开采技术 目前年产数百万吨级至千万吨级的大型地下煤矿主要配置的设备是大型采 刨 煤机 配自行式掩护支架、刮板运输机、胶带运输机，所用的采矿法是长壁式采矿法，即“综合 机械化采煤方法 简称综采 ”。采煤时，原煤是源源不断地从工作面采出并运输到地表 或井下煤仓，各项工序连续不中断的进行。 卜2 煤矿综采工作面 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 ．2 硬岩掘进研究现状 硬岩掘进可供参考的资料与试验数据不多，日本 1 2 5 型掘进机所作的现场及实验室试 验，主要用于在花岗岩 火成岩 和砂岩 沉积岩 中所进行实验研究，其结果如下 1 切削能力与切削转矩 掘进机切削转矩与切削能力的关系如图1 - 3 所示。从图卜3 可以看出，在具有足够的 推力和移动力情况下，对于同一切入深度来说，增加少量的转矩能使切岩能力大大增加。 对于不同的切入深度，切削转矩与切削能力的比率是不一样，深度越大，其切削能力随切 削转矩的变化而产生的变化量越大。 2 开挖能力与齿刀消耗 切削能力 图卜3 切削转矩与切削能力的关系 ， ‘矗一． 一 矽岩| ， ／ ‘⋯．1 ．．．． - - - _ ．／- n 。u 估笪盐；浅 ／ 一≯怜 1‘、J J 7 、叫 ．、j 。‘∥ 暑删曲始√ - 4{7 一． 一￡Ⅷ【 K 柚 ／{k’．．_ 划 {＼。． ／{ 哨耗量 ／ ．．＼， ， l ， 3 0 5 01 0 0 3 0 05 0 01 0 0 0 5 0 0 0 抗压强度 彬，c 脚2 ∥ 图卜4S 1 2 5 型掘进机的开挖能力和齿刀消耗 掘进机的开挖能力和齿刀消耗量如图卜4 所示，坐标中采用的是不等距坐标系，其主 要是由于实验所测数据的波动范围过大，同时也可比较直观的表示出截割曲线关系。从图 4 ，释堆妊欺＼茳_【．。v删耀罂R归 1 R 勰避士f 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 4 可以看出，实际作业中，S 1 2 5 型掘进机开挖能力曲线在抗压强度为4 0 0 k g f ／c m 2 处有一 个转折，这也是齿刀消耗量的转折点。超过这一点，开挖能力迅速下降，齿刀消耗也迅速 增大。其原因为齿刀加在岩石上的推力不够，即掘进机的推进力不够。在实验室进行模拟 实验并给予足够的推进力的情况下，由图中估算曲线可以看出，开挖能力曲线转折点向硬 岩侧移动，这也意味着该掘进机可以开挖抗压强度为1 0 0 0k g f ／c m 2 的硬岩。 室内试验中没有调查截齿消耗量，但推测其在具有足够推进力的情况下，曲线转折点 也会向硬岩侧移动。增加掘进机推进力，其实也就是提高掘进机输出功率，其正是掘进机 重型化发展的一个目的。 1 ．1 ．3 悬臂式掘进机硬岩掘进应用现状 悬臂掘进机属于部分断面掘进机，工作时截割头每次只能截割工作面岩壁的一部分， 要经若干次循环截割才能掘出所要求的断面形状和尺寸，其具有破碎煤岩、装载运输、调 动行走、喷雾灭尘等功能，移动方便，操作灵活。 硬岩具有岩石硬度系数大，不易非爆开挖，而悬臂式掘进机移动灵活，性价比高，没 有类似采煤机和T B M 等机器应配备的大量后续设备。因此选择悬臂式掘进机作为非煤矿山 机械化连续开采是合理的。 悬臂式掘进机目前主要用于煤巷和半煤巷的掘进，小部分被运用在硬岩巷道的掘进中。 据查阅国内外资料，中国三一重工生产的E B Z 系列掘进机在矿山硬岩中的掘进中，取得的 效果不错，见表卜l 。 1 - 1 部分悬臂式掘进机硬岩掘迸应用情况 机型地点 断面尺寸 1 1 m 岩石硬度 进尺情况 累积迸尺 m 最大日迸尺 皿 E B Z 3 1 8 1 - t 铜川矿务局5 ．3X 4 。1 5 E B Z 2 6 0 H 中煤平朔 5 ．5X5 ．0 E B Z 2 6 0 H神华大柳塔5 ．0X5 ．0 E B Z 2 6 0 I t龙煤七台河4 ．2X3 , 7 E B Z 2 0 0 H 塔山煤矿5 ．0 3 , 4 E B Z 2 0 0 [ , t 淮南望蜂岗 4 ．8 X 3 ．8 F I l F 8 ～1 0 F 7 - 1 2 F 2 - 1 0 F 8 - 1 0 F 6 ～8 。5 E B Z 2 0 0 ] t同煤四台矿3 ．8 X 2 ．7F 8 ～1 0 5 2 5 D 5 2 5 记 b 尬 2 甜 筋 粥 姗 黝 蚴 咖 潲 舢 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 试验研究背景 贵州开磷集团有限责任公司是一家国有大型化工骨干企业，拥有科研、采矿、化工、 经贸、建筑安装等业务，是我国三大磷矿石生产基地之一，也是我国西南部边陲贵州省的 重点骨干企业。 开磷集团矿业公司地处贵州省开阳县金中镇境内，是我国化工优质磷肥生产的重要基 地。随着矿山浅部矿床开采完毕，公司下属6 个矿出中己有多个矿山开拓采准进入到 6 0 0 m , - - 8 0 0 水平，距地表深度达5 0 0 m - 6 0 0 m 。开磷矿业总公司所拥有的矿区面积达8 5k m 2 ，矿区矿段由三个矿段组成分别是马路坪矿段、青菜冲矿段及用沙坝矿段。矿区魄资源 极其丰厚，磷矿石储量有4 ．1 3 亿吨，而且矿石中的P 2 0 5 平均含量为3 3 ．7 3 ％。全国7 8 ％的 优质磷矿石在开磷矿区，开磷的发展在我国磷化工业的发展中有着举足轻重的地位。 为适应国家经济发展对磷矿石资源的迅猛需求，开磷集团高瞻远瞩信心十足地确立了 “三步走“ 的发展目标，在未来的三个五年时间使整个开磷集团的销售收入在第一个五年 计划末达到2 0 亿元，第二个五年计划末达到5 D 亿元和第三个五年计划末达到10 0 亿元。 为了能顺利的实现这些目标，开磷集团凭借自身拥有的优秀资源优势，通过引进先进的生 产技术设备，改革薪资水平提高员工的积极性，重拾当年集团公司开疆辟土的决心和毅力， 公司上下齐心将在短期内使开磷集团矿山生产能力达到4 0 0 万以，并最终形成6 0 0 万如 的生产规模。 大规模地提高矿山的生产能力必然需要对现有的生产工艺进行改进。公司矿山现在使 用的开采方法是传统的凿岩爆破法，此种方法是建立在机械钻孑L 、往孔内装入待爆炸药的 常规爆破破岩采矿方式。在开磷集团矿山过去的生产中，钻爆法以其综合效率高的特点在 较长时期内占据着相当重要的地位。但该方法对原岩的扰动性大，易造成周边岩石破坏， 存在支护困难，破碎岩石块度不均匀，必须依靠钻孔、装药和爆破等多种工序操作，而且 装药和爆破过程实现机械化和自动化难度较大，此外钻爆法的效率相对来说也是较低的。 钻爆法的这些缺点使其很难成为提高矿山生产链力的首先方法， 贵州开磷是我国优质磷化工基地，其得天独厚的资源赋存优势与矿山已有的悬臂式掘 进机设备为机械化连续开采提供了充分良好的试验条件。 开磷集团马路坪矿拥有的E B Z l 6 0 T Y 型悬臂式掘进机原来主要是用来在矿山的红页岩 中开拓掘进巷道，工作中反应效果较好。本次试验研究将其扩展应用于矿山磷矿石的回采， 磷矿石不同于红页岩，其硬度系数达到7 一1 1 ，属于较典型的硬岩。2 0 1 0 年8 月在马路坪矿 和青菜冲矿进行的磷矿石切割试验表明，目前开磷的悬臂式掘进机在对深部矿岩的独头掘 进效果很不理想，主要表现为难开掘、进尺谩、截齿损耗大和工作环境恶劣等状况。前期 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 试验研究得出的结论是如果不能有效地利用深部地压，单凭悬臂式掘进机本身的切割性 能是无法经济有效地在磷矿石的开采中实现机械化连续开采。因此，要实现悬臂式掘进机 对硬岩的经济切割，充分利用深部地压诱导致裂硬岩将是一个合理途径。 1 。3 试验方案 本次试验研究拟先在高地应力矿体中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内部微裂隙扩展u j 。，产生岩体内部损伤雨变得易 掘。通过对诱导巷道高帮矿体 卸荷岩体【1 4 ‘1 8 】 的地压监测，获得其破碎范围产生和发展 的时空规律。通过对高帮矿体矿岩节理裂隙调查验证高地应力对诱导巷道高帮矿体的致裂 作用，为试验的成功提供进一步的保障。 通过与2 0 1 0 年8 月悬臂式掘进机作独头掘进时统计的相关数据进行比较分析，检验其 在深部高地应力矿体中进行连续开采的可行性，为悬臂式掘进机硬岩采矿提供理论依据。 1 ．3 ．1 试验地点地质状况 本次悬臂式掘进机切割高地应力矿体试验选取的试验地点为马路坪矿6 4 0 中段北运输 大巷3 盘区底柱矿房，矿体为下磷矿体，真厚为6 “ - - 7 m ， 矿石为青灰色、灰色、地表风化后略带蓝色，为粒状，假鲕状、管状、锥状体结构等， 矿石硬脆，较为坚硬，属中等稳固～不稳固，F 7 ～1 1 ，矿体倾角为3 5 。【l 圳。 1 ．3 ．2 试验岩体应力分析 卸荷导致岩体变形破坏的现象，在工程实践中随处可见。处于地下的岩体中各项工程 的开挖也是岩体某个方向上的应力得到了解除卸载。岩体卸荷导致的强烈扩容，是岩石破 坏的主要因素，这种扩容体现出一种达到岩石极限强度后，岩体中应力迅速降低的特性， 根据相关理论分析，岩石的扩容变形与地应力的大小方向有较大的关系L Z ⋯。 地应力在深部岩体被开挖后，对周围岩体中的节理裂隙有很大的作用，同时也会产生 新的节理裂隙面。节理裂隙面原来的应力状态是压剪应力状态，随着时间的变化，这种 应力状态会慢慢的拉剪应力状态u 厶∞j 。根据断裂力学的相关理论，对处于压剪和拉剪切应 力作用下的节理裂隙扩展变化时的应力强度等因素分析比较，可以看出岩体中原有的节理 裂隙在卸荷条件下会更快的边宽变长。 岩体中巷道 或其他空间 开挖后，整个岩体附近的地应力场都会发生变化，地应力 会产生新的平衡M o ’驯J 。高帮矿体在诱岛巷道开挖的过程中，卸荷程度也是影响高帮矿体的 变形的另一个重要因素。这种变形，可以从岩体的临空面向外变形和岩体内部裂隙发育程 度表现出来，同时随着时间的推移，变形的程度也会不断增加，直至岩块的自然脱落。 在埋藏较深的岩体中，地应力的值相应较大，自然在巷道等空间开挖后，周围的岩体 变形也大。采用钻爆法等方法开挖的空间，由于卸荷速度极快，因此开挖空间周围岩体变 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 形也快。而埋藏较浅的岩体中，若存在开挖空闻，周围岩体中地应力较小，岩体的变形扩 容也会较少，岩体内部因开挖后地应力作用所产生的节理裂隙也会相对较少。 试验中诱导巷道的开挖，使诱导巷道高帮矿体的法向载荷卸载，成为卸荷矿体。对卸 荷岩体的理论分析有利探寻诱导巷道高帮矿体破碎范围时空发展的规律。 1 ．3 ．3 试验目的及思路 试验基于悬臂式掘进机破岩功率集中、机动性好、集切割、装载及转运、通风降尘等 功能为一体等优越性畿，以充分利用地压作用实现悬臂式掘进杌的硬岩切害0 为目的，选择 合适的试验方式进行现场监测及开挖试验研究，为悬臂式掘进机机械化连续采矿设计提供 必要的现场和理论依据。 试验进行之前，延长马路坪矿6 4 0 中段北运输大巷3 盘区底柱矿房1 、2 石门，穿越 矿层直至顶板。然后进行预拉诱导巷道的开挖，在开挖过程中开始布置测点进行地压监测。 诱导巷道开挖结束后共布置三个测点监测，主要测试临空面高帮附近矿体破碎范围随时间 和空间的变形规律，同时为监控采场的安全情况对顶板进行定期沉降变形监测。试验方案 图如图卜5 。 2 l 1 ．石门 2 ．预拉诱导巷道 3 ．机掘巷道 4 ．掘进机准备空间 5 ．预拉诱导巷道断面参数图 Ⅲ一Ⅲ 图1 - 5 悬臂式掘进机切割试验方案图 对测点监测一段时间，待矿体裂隙区发展到一定范围后 以超声波围岩裂隙探测仪监 测数据为准