基于井工金矿石开采的新工艺与装备研制

姜 彪，高启章，杜传坤，李文亮，庞晴晴，曹 正

山东兖矿智能制造有限公司 山东邹城 273500

我 国矿产资源丰富，是世界矿山开采大国，矿山开采主要包含矿石开采、装运、提升，矿石开采是最关键的工序[1]。近年来，我国矿山机械有了很大进步，但与国际同行业设备及工艺相比，还有待进一步完善，主要是采掘和井下铲运设备存在差距[2]。国外采矿装备产品丰富，配套设施完善，具有机械化、无轨化、自动化等特点[3]。我国矿山开采技术逐步向世界先进水平跟进，初步具备井下作业机械化、自动化、连续化、智能化水平。笔者针对山东黄金矿业机械化开采现状及工艺，研制出适合山东黄金矿业开采的机械设备，促进矿山生产向安全、高效、智能化方向发展。

1 矿山开采现状

山东黄金矿区金矿采用巷道开采方式，采矿工艺有 3 种。

(1) 爆破方式开采 采用人工气动钻机钻眼、放炮落矿石，铲运车将金矿石装入矿车，矿车沿轨道运送至主井口。该方式爆破材料保存难度大，且易造成安全事故。

(2) 凿岩台车和气动锚杆钻机作业模式 因不具备装载转运金矿石功能，需与铲运车交替钻孔、装运转载，爆破法落矿石，存在爆破材料的安全隐患。

(3) 矿用掘进机截割作业 大型掘进机截割稳定性好、效率高，但体积大、质量大，巷道空间布置难度大，灵活性差。小型掘进机体积小、质量小，符合巷道开采空间要求，但截割能力不够，效率较低。

山东招远黄金矿区东风矿和灵山矿的开采方式基本相同，不同之处是东风矿自下而上分层开采，而灵山矿自上而下分层开采。按照探明矿藏与水平 45°夹角走向，按埋深分段开采，相邻两中段垂直高度相差约 40 m，水平条带式交替开采，每次开采深度约 25 m，采后不用进行顶板和两侧帮的临时支护。在巷采宽度、高度方面，东风矿为 3.4 m×3.2 m，灵山矿为2.0 m×2.0 m，每采面巷道进尺 2.5～3.0 m；在日产金矿石方面，东风矿约为 2 000 t/d，灵山矿约为 1 000 t/d；采后巷道利用冶金矿渣和水泥适当比例混合膏体充填。开采工艺示意如图 1 所示。

图1 开采工艺示意

针对上述工艺装备并结合山东招远黄金矿区东风矿和灵山矿井下现场状况，根据矿藏赋存条件和生产能力要求，设计研制一种适合巷道开采、功能集成履带式遥控破碎扒装机，可有效解决在较小空间内的金矿石破碎、装载、转运工序工艺交错重叠的问题。

2 方案研究与设计

履带式遥控破碎扒装机集破碎、装载、转运和履带遥控功能于一体，反铲机构扒臂取远处岩石，送入刮板运输机，短板运输机从尾部将岩石卸入矿车或带式运输机，用扒斗清理工作面。扒臂上集成破碎锤，使用时不需拆卸，当遇到大块岩石时，可以用扒臂上的破碎锤进行破碎，改善了工人的工作环境，优化了作业程序，实现了矿石破碎、转载和运输机械化。履带式遥控破碎扒装机需遵循以下设计准则：

(1) 机身窄，机体轻，适应不同工况条件巷道矿石的开采作业，机电液三大系统稳定可靠，元器件可靠性高；

(2) 破碎能力强，机体头部具备钎杆破碎和挖斗扒装功能；

(3) 整机可远距离遥控操作，适应井下中小巷道内施工作业；

(4) 履带行走牵引能力强，能适应泥岩巷道及松软底板，制动可靠。

3 结构及创新点

3.1 结构特点

该履带式遥控破碎扒装机主要由破碎扒装部、底盘、液压泵站、操作台、运输部、电控部等组成，如图 2 所示。履带式遥控破碎扒装机二维结构如图 3 所示，主要技术参数如表 1 所列。

图2 整机结构示意

图3 履带式遥控破碎扒装机二维结构

表1 履带式遥控破碎扒装机的主要技术参数

(1) 破碎扒装部 破碎扒装部相对铲板可前伸2.8 m，工作高度为 2.4 m，适合在中小断面巷道施工。其臂上配有集成式破碎锤，破碎锤和钎杆伸出击落矿石，扒装时破碎锤回缩，挖斗将矿石装载至运输铲板处。

(2) 底盘 底盘是箱型结构，具有良好的刚性、抗弯和抗扭性。重型大坡度底盘履带行走机构的履带板抓地力强，接地比压小，故障率低，性能可靠，行走稳定。

(3) 运输机 结构简单可靠，前进时，可利用铲板将侧边岩石推入输送机，利于装载，挖斗将岩石运到铲板，经刮板机输送至尾部卸入矿车，采用低速大扭矩液压马达驱动，受力均匀，装载效率高，稳定性好。

(4) 操作台 依据人机工程学设计，控制手柄布置合理，操作时更加方便、快捷，控制用先导手柄操作灵活轻便。

(5) 液压泵站 采用大功率柱塞组合变量泵和系统分级过滤模式，确保油液清洁，增加液压系统可靠性，减少维修维护时间，采用水冷方式，性能可靠。

(6) 电控部 包括主电控箱和遥控器装置，主电控箱通过 PLC 程序控制，用于遥控和电液控操纵阀的信号转换，可实现远距离遥控作业控制。

3.2 创新点

(1) 集成设计破碎钎杆和挖斗装置，具有破碎和装载 2 种功能，解决了作业空间狭小限制问题，避免了设备轮换作业，降低了设备难度，提高了工作效率。

(2) 采用手动和遥控 2 种操作方式，实现了中远距离的无线遥控操作，避免作业人员距离钎杆过近造成伤害，安全施工作业效果提高。

(3) 改变了传统井工金矿石采矿模式和工艺，提高了装备开采矿石的自动化水平，推动了智能化和智慧矿山建设。

(4) 替代了爆破施工法，解决了爆破材料限制使用、保存和运输管理难度较大的问题，解决了爆破引起周边围岩的不稳定性破坏，防止了因爆破而导致的冒顶事故。

(5) 后部运输改为输送带运输，输送带架固定在运输巷道侧壁，简化了原有调度矿车运输程序，实现了多采面串联运输，提高了矿石运输和提升能力。

4 结语

该装备的研究和应用可改变山东黄金矿业现有井工金矿石的开采和运输模式，将间断爆破开采模式转变为连续破碎开采作业，且实现连续运输，将多面开采集中串联，降低了车辆管理难度，提升了矿石运输能力和开采效率，减少了对矿石围岩的破坏，降低了对顶板安全性的管理难度，提高了井工矿山的安全生产系数，降低了工人劳动强度，具有较高的推广应用价值和较广的市场应用前景。