（矿业工程专业论文）马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究.pdf

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，除了沦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在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 面番声 日期：垫甲；年也月丛日 关于学位论文使用授权说明 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，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：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：弛导师签名敬日期：丝雹 年卫月盟日 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 摘要 矿产资源是不可再生性资源，随着开采的逐步深入，对矿石资源的开发利 用逐步向深部矿体、复杂难采矿体、低品位矿体开采。采用地下开采和应用有 轨运输的方式，除了增加施工成本和生产能力上不去之外，在安全管理上难度 也会增大。因此利用无轨设备进行开采是采矿业发展的重要途径。然而，由于 无轨开采在国内投用时间不长，特别是在化工矿山，现存的开拓工程和回采工 艺设计可照搬使用的不多，再加上各个地方的地质条件又不完全一样，因矿旖 法，实事求是地选择和优化开采工艺设计显得非常必要，它不仅关系到矿山生 存和发展的问题，而且还关系到大型设备能否全部投入使用、生产能力能否增 大、回收率是否提高、人工劳动强度是否可以降低、生产成本是否可以下降等 一系列问题。因此，对马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计进行研究具有重 要的现实意义。 本论文主要结合马路坪矿矿体赋存条件进行研究，针对无轨设备推广应用 过程中存在的问题进行完善。论文既有实践上的发展，又有工艺上的创新，是 理论在实践中的应用。 论文共分五个部分：第一部分为综述，主要介绍谋题的来源及研究本课题 的目的和意义、国内外无轨开采现状及马路坪矿无轨开采存在的问题及解决途 径等：第二部分为马路坪矿无轨开拓工程设计研究，主要对无轨开拓斜坡道位 置、巷道断面、坡度、炮眼布置及深度、装药形式、支护工艺等进行研究；第 三部分为采准巷道断面、施工工艺、支护及采矿方法的设计与完善；第四部分 为采场回采工艺及采矿装备选择：第五部分为工程实践和结论。 关键词：化工矿山；无轨设备；开拓系统；支护技术；回采工艺：设计 中南大学工程硕士论文 一一 d e s i g no f t r a c k l e s sd e v e i o p m e n ts y s t e ma n d e x t r a c t i o n t e c h n o l o g y f o rm a l u p i n gm i n e a b s t r a c t m m e 耐d e d o s l t sa r e 帅s u b s 乜n n a ir e s o u r c e sw i d l 血ed e v c l o p m e n co f m g ，m i l l m g h a s at e n d e n c yt o w 甜d s 血ed 印o s i t sa td e p 血a i l dw i 血1 0 w e r 掣a d e c 。s tw i l lm c r e a s e sa n d p r o d u c t l o n 、v l l ld e q 田a s e sb yu s m gu n d e r g r o u n dm i m i 培a d 昀c k 唧砌o n o f 。心sa j s o ， s a f b 时m a l l a 驴e n tw i l lb e c o m em o r et o u c h gi na b o v cm i i l i gp a t t c ma c c o r d i l l g l y u s i n g 仕a c k l e s se q l l l p m 印tl s 龃i p o r t a d t 印p r o a c h t oi m p r o v e 豳ga c 丘们h e sh o w e v e b e c a i l s et h e h i s t o r yo f u s m g 劬c 】c l e s 5e q l l i p m e l l ti sn o ts o1 0 n g ，p a 而c 1 】引yf o r 山em i l l em c h e i c a li n d u s 仃y ， 幽e r ea r ef e ws u c c e s s 丘丑c a s e s0 f m i n m g d 吖e l o p m e 工1 rs ) ，s t e ma i l dr e 眦tt c c h n o l o g y 吐1 a cc a i lb e c o p i e d ，s i l l c e 血eg e 0 1 0 百c a lc o n 出t i o n sa v a r i o u sa td i 丘b r e n td i s 砸c t sh f 乱山es e l e c n o na 刀d o p t i m i z a n o no f m 证i 1 1 9p a r a m e t e r sa 碍v e r yu n p o r 扭址i t n o to r d yc o n c e m sw i 山m m e l l 南p e n o d a n dd c v e l o p m e n b u ta l s o 吐1 ee 矗b c to fu s m gi a r g es c a l ee q u i p m e n tt h ep r o d u c n 坼廿l e e ) ( 叻c d o np e r c e n t a g e ，t h el d b o rs 协m g 血皿d 出ec o s t 7e 七cmt h e 谢_ 1 0 l em i n i n g p r o c e s st l e r e f o r e ， i tl sv e r ys i g i i i f i c a n tt 0i n v e s 6 驴恤血e 咖l d e s sd e v e l 印e n ts y s 把锄d 咖c t i o nt c c h l l i q u e s f o r 吐1 ec a 5 eo f m a l u p i i i gm m e i n 1 e 血e s i s ，出e 咖s 虹g a 矗叽d e a 】sw i 血出ep r a 血c a lg e o l o 孕c a lc o n d 缸0 1 1 s s e v 盯a l p r o b l 唧sd l 由gt h e1 1 s i f l g 仃a c i d e s se q m p m 衄tp r d c e s s l s s u c c e s s 矗l l 】y s o l v e dt b e r es o m e p r o g r e s si 1 1 吐l e o r ya 1 1 dp r a c t i c ei i l 廿l e 面v e s n g a d o n t h e 血c s l sc o n s i 剐笃o f 盘v ep 缸乜p a r 七o r l el sar e v l e wo fw h i c h 血es o 眦e ，g o a l sa n d m e 锄i i 】go f m e p 画e c 匕l h e p r e s 耐s i n 劬o n o f 批k l e s sc q ! u l p m e n t u s i n g o v e r t l l e w o i 埘a n d 吐l e p r o b l e mo fm a l u p i l l gm i n e ，a r ep s 僦p 吐附oi s t h ed e s i g no f 也e 衄c h e s sd e v e l o p m e d t s y s t e mo fm 甜珥) i n gm 疏，缸c l u d i l l gd e t 廿l j i l a t i o no fd r i rp o s i 石o n ，c r o s s s e c 矗o n a la r e 4s l o p e a n 酉e ，h o l ep a 曲口na n dd e p t te x p l o s i v ed l a r g e ，s 印p o r 七t e c h i q u e sa n ds o 皿p a r t 出碡e 王s 出e d e s i g no f s e c d 伽【a la r e ao fm j i i i n gc r o s s c u to p e r a 石皿a n d 出e i n i n gm e t h d da sw e a st 1 1 e l r 皿p r o v e m 印t p a r 七f 0 时i s 血es e l c c 乜皿o fe ) r 眦血g o r ea n d m 曲缸ge 叫m 印t j n5 0 p ep mf i v e i s 出ef r a c n c e 孤dc o n c h l s i o no f 出ew h o l e p r o j e c t k e yw o r d s ：m l n eo fc h e m 王c a 王面d u s 在y ：扛甚c k k s se 则p 专d e v e l o p m ts y s t e m ；翮讲) o r t t e c h n i q u e ；e x t 嗯c 矗o nt e c h n o l o g yo f o 兜；d e s l g “ 幸南欠拳工簏二i 士论文 第一章综述 1 1 课题来源 马路坪矿系贵州开磷集团矿业总公司下属的三大矿之一，年生产能力为1 0 0 万吨。矿区距省城贵| j 曰9 6 公里，距县城开阳2 3 公里。矿区为一背斜构造，该 背斜为洋水短轴背斜，北起息烽温泉地区，南至开阳白马洞附近，南北长2 6 公 里，东西宽6 8 公里。在大地区域构造单元上位于江南古陆以西，鄂湘黔沉降 带黔中隆起西北部边缘，介于开阳、息烽两复式向斜之间，按地质学概念属于 新夏系第隆起南西端第二级构造单元。矿区主要断裂构造呈正s s w 向， 与区域构造线一致。 矿山总部、生活区和主要工业场地集中于洋水沟沟谷地带和河床的两侧， 属该区域最低地带，并处于洋水背斜构造轴核部。矿山开拓工程和采矿活动主 要在前震旦系板溪清水江组上部地层、震旦系下统南沱组地层、上统陡山沱组 及灯影组中进行。 矿层主要呈致密块状、粒状、细晶条状磷块岩，矿体呈稳定层状产出，结 构单一，矿石性脆，受地质应力作用，“x ”节理发育、平行解理发育，小断裂 较多，矿体较为破碎。在矿层中，距底板o 8 1 5 m 处存在一光滑平直的白云质 薄层，厚度2 1 0 姗左右，是矿层中的薄弱面，严重影响矿体稳定性，一经揭 露，沿此面极易滑落大块，遇水更加速其片帮、垮塌，生产过程中对入生设备 威胁较大。矿体倾角在3 0 。4 0 。之间，厚度为6 8 m 。矿体凿岩爆破性均较好， 属于不稳固层，f = 4 1 0 。 该矿自1 9 5 8 年开始建设以来，共生产磷矿石1 5 0 0 多万吨，其开拓形式是 平巷溜井开拓，开拓工程的旌工断面是按小断面电机车运输方式进行的，施工 的最大断面是1 2 8 m 2 ，采矿方法采用低分段空场采矿法，小断面采准巷道木棚 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 支护，t 2 g 出矿，端部退聚。该方法通过多年的实践证明，生产能力较低，且 安全方面也不易得到保证，道路维修工作量大，矿石损失率高。由于矿产资源 足不可再生性资源，所以随着开采的逐步深入，矿区最低水平面以上的矿石将 随着枯竭，向深部开采己成必经之路。在矿区最低水平而以下进行开采再用有 轨运输，势必会增加施工成本，除生产能力上不去之外，在安全管理上的难度 也会增大。于是集团公司在1 9 8 5 年与法国索法明公司起在当时的青菜冲矿进 行采矿试验，试验时引进了大型无轨设备，该试验于1 9 8 7 年结束，并国家科技 进步一等奖。试验成功之后，集团公司相继在南延保产工程和马路坪矿北延保 产工程进行无轨开采，无轨设备仅有国产的柳工铲运机，开拓工程断面已由原 来的7 5m 2 增大到1 52 5m 2 。紧接着，1 9 9 2 年国家投资4 5 个亿的一期延深工 程正式开工，采矿逐渐向深部开采进行，占总投资1 5 的国外大型无轨设备的 引进，需要旌工大量的无轨开拓工程和用大型设备进行回采，让设备和施工工 艺相适应。众所周知，工艺的改进要求更新设备，设备的更新又促进工艺的发 展：工艺不能适应设备，则设备的效能就会发挥不出来，甚至造成浪费；设备 不能满足工艺要求，则生产能力就不能提高。因此，无论是开拓工程还是回采 工艺都必须与大型无轨设备的正常使用相适应，才能提高矿山生产效率和生产 能力。然而，由于无轨开采在国内投用时间不长，特别是在化工矿山投用更少， 现存的开拓工程和回采工艺设计可照搬使用的不多，再加上各个地方的地质条 件又不完全一样，因矿施法，实事求是地选择和优化开采工艺设计显得非常必 要，它不仅关系到矿山生存和发展的问题，而且还关系到大型设备是否能全部 投入使用、生产能力是否能提高、回收率是否提高、人工劳动强度是否可以降 低、生产成本是否可以下降等一系列问题。因此，选择马路坪矿无轨开拓工程 与回采工艺设计研究课题，对马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计进行研究。 1 2 国内外无轨开采工艺技术及装备评述 中南大学工程硕士论文 1 2 1 国内外无轨开采工艺技术综述 一、国外无轨开采工艺技术综述 在困外，以铲运机为主体的无轨设备不断推出，促进了采矿技术的进步， 采矿技术的进步，反过来又带动了无轨设备的更新和发展。在主要产金国，无 轨采矿技术得到普遍重视，风动凿岩被液压凿岩取代，铲运机、井下卡车、液 压碎石机、锚杆台车或剪式升降车都已成为常规设备。辅助作业陆续实现机械 化，因而大大提高了劳动生产率，改善了作业条件。如南非采金公司面对着矿 床开采条件恶化和采矿成本上升的趋势，仍在积极引进、推广无轨采矿技术： 兰德方丹金矿1 9 8 6 年无轨采矿的矿量已达8 0 n 国外应用房柱法的矿山普遍采用先进的采掘设备。据对西方主要矿山的统 计，应用无轨设备的矿山占很大比例，如加拿大有1 l 座矿山使用，英国有1 0 座矿山使用。凿岩作业一般采用装有1 4 个凿岩机臂的无轨凿岩台车；采场运 搬大都采用轮胎式铲运机，广泛地使用辅助机械进行采场顶板管理和锚杆护顶， 从而保障了回采作业的安全。由于装备先进的采、装、运设各，采场综合生产 能力、采矿工效明显较我国的高 2 1 0 在市场疲软时期，西方大多数矿业公司竭力削减采矿成本，科技进步在激 烈的竞争中发挥了关键的作用。露天采矿装运设备的大型化和地下采矿装运设 备的无轨化为当代采矿现代化的重要标志。将当代高新技术引入传统的采矿工 业，把现代采矿技术与无限电通信、定位、遥控、自动化、过程控制等高新技 术结合起来，是西方工业化国家为进一步提高矿山劳动生产率、改善矿山安全 和作业条件、缩短采矿周期、降低采矿成本、提高矿山整体效益的重要手段。 如美国佛罗里达磷矿劳动生产率高达企业全员实物6 0 吨( 人- 日) 左右吼 目前，几乎绝大多数的采矿方法都可使用无轨自行设备进行回采。世界部 分矿l ij 的各种采矿法应用无轨自行设备的情况列于f 表i 1 忆 马路坪矿无轨开拓工程与回_ 袅工艺设计研究 袭1 1世界部分矿f l f 不同采矿法应用无轨自行设备概况 使用矿山占使用矿山使用无轨自行设占使用无轨设备 【采矿方法 数量总数的备的矿山数矿山总数 阶段空场法 6 63 5 46 03 71 房柱法 3 71 9 93 62 22 = - 向分层充填法 3 31 773 82 35 无底柱分段崩落法1 5 8l1 274 留矿法1 58 1743 其它采矿方法 2 01 08955 1 8 61 0 01 6 2 l o o 据不完全统计，1 9 7 6 年世界上产量大于1 5 万吨的6 l o 介矿山中，使用无 轨开采的矿山约为2 0 0 个( 见表1 2 ) 。由表中可以看出，一些采矿业发达的国 家采用无轨自行设各的矿山数量已超过该国矿山总数的三分之二。特别是近年 来，随着老矿山的改造和新矿山的投产，无轨开采的矿山数量在不断上升。 表1 - 2 1 9 7 6 年部分国家无轨开采矿山数量 国家名称矿山总数无轨开采矿山数 占该国矿山总数的 加拿大1 0 77 4 6 9l - 美国6 64 87 27 法国4 l3 9 9 5 澳大利皿2 41 6 6 6 。6 瑞典2 52 0 8 0 南非6 66 9 赞比亚86 7 5 合计3 3 72 0 9 6 2 二、国内无轨开采技术综述 我国地下矿山使用无轨铲运机始于1 9 7 5 年，最初由寿王坟铜矿使用从波 兰引进的5 台2 m 3 l 1 0 1 型地下柴油机，较原有设备优越许多。随后在凡口、 红透山、小寺沟、丰山、铜绿山、金川、小铁山、金厂峪、焦家、铜坑、锡铁 中南大学工程硕士论文 山等矿山使用，成为矿山的主要出矿设备，从而为提高地下矿山开采强度创造 了有利条件。 据调查，我国原冶金部、中国有色金属工业总公司、黄金局和化工部所属 的矿山，目前已使用的铲运机有5 3 种，型号共8 0 0 余台，斗容0 3 8 6 1 m 3 。其 中以柴油机为动力源的占总数的7 0 f 5 1 。 近年来，我国地下采矿凿岩、采、装、运设备也在向大型、高效、无轨化 方向发展。如我国已使用了高阶段大直径深孔凿岩设备，采场出矿已使用振动 出矿机和组合出矿机，采场综合生产能力达9 0 0 l o o o 吨天，最高可达2 4 1 8 吨 天。我国已使用电力铲运机斗容达3 61 m 3 ，在地下开采中已开始使用无轨辅 助作业设备，如维修车、装药车、运人车等。我国地下采矿方法也发生了变革， 如斜坡道和自行设各在地下采矿应用：研究应用了堑沟、平底底柱，完善简化 了底部出矿结构；已成功地使用大直径深孔阶段崩落法，在深孔爆破、采场地 压显现规律、高阶段放矿规律研究方面都取得了可借鉴的成果6 1 。 当前，化工矿山地下采矿工艺与装备总的还很落后，加上技术力量缺、管 理差，不少矿山的采矿方法尚不能适应生产发展的需要。这突出表现在采场生 产能力普遍偏低、矿石损失严重、经济效益差。很重要的一条原因就在于采矿 方法与矿床开采条件不相适应。 新浦磷矿主矿体位于淤泥沙层之下，倾角为3 5 4 3 ，平均厚度9 2 9 米，原 设计采用低分段崩落法，在回采第一中段的四年多时间里，曾发生淤泥流沙溃 入事故达4 9 次，矿石损失率高达6 8 5 ，并严重危害职工生命安全。经研究改 进，对于第二中段厚度1 0 米以下的矿段，近期改用了保留永久顶柱和连续间柱 的浅孔房柱法。直接工效为6 1 3 吨工班，矿石损失率2 2 1 4 ，杜绝了淤泥流 砂溃入采场的事故；对于厚度在1 0 米以上的矿段，该矿则改用了上向深孔落矿 的阶段矿房法，但是矿石损失率高达6 0 。由于均采用1 4 千瓦电耙出矿，采场 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 生产能力偏低n 1 2 2 国内外无轨开采装备综述 地下矿山使用无轨自行设备开采矿床，简称无轨开采( t m c h e s sm i n i n g ) 。 无轨自行设备是指具有不用轨道的行走机构( 轮胎或履带) 的设备。根据不同 的用途，无轨自行设各分为主要无轨自行设备( 凿岩台车和铲运机等) 和辅助 无轨自行设备( 如装药车和喷浆车等) 。无轨开采包括：1 、在掘进和回采过程 中使用无轨设备自行作业：2 、在主要运输水平采用无轨自行设备运输矿石：3 、 应用无轨自行设备将地下采出矿石运到地面：4 、用无轨自行设备将人员、材料 和其它设备从地面送到地下各作业点。 原有的地下采矿设备，地下“第一代矿山”的主要采矿设备是手持式( 或 支架式) 凿岩机、轨轮式装岩机、电耙和有轨矿车运输。这套设备持续了一个 多世纪，曾对矿山生产发展起过重大作用。但是，这些设备的技术生产能力低， 设备的机动性差，辅助作业基本上不能机械化。随着采矿工业的发展，采矿设 备与工艺之间的矛盾目益突出，其中以对采场生产能力有较大影响，而且劳动 繁重的出矿环节尤其显著。 在房柱法采场，矿石的爆堆分散，用电耙出矿效率低，限制了采场生产能 力的提高。于是在2 0 世纪4 0 年代末期和5 0 年代初期，一些新型的无轨自行出 矿设备相继问世，小型的短臂电铲、柴油铲、履带式和轮胎式装载机及汽车等 陆续出现。无轨自行设备虽具有优越性，但是由于当时设备并不完善，品种较 少，柴油无轨自行设备的废气净化尚未得到解决，所以未能大规模推广。但是， 这种出矿设备的能力比电耙大，其机动性适合采矿工艺的特点。 1 9 8 5 年，第一台轮胎式柴油装运机在房柱法采场出现：大约在同一时期， 气动的轮胎式装运机在上向分层充填法采场试验成功。早期用于房柱法采场的 履带式多机凿岩台车，逐渐改进为轮胎式双机或三机凿岩台车。1 9 6 2 年，第一 幸南天学工程颀士论文 台外形低矮、车身铰接、四轮驱动的柴油铲运机问世，无轨自行设备进入一个 新的发展时期。 至今，据彳i 完全统计，世界上已有上万台无轨自行设备装运设备( 包括气 动、电动和柴油的) 。适合井f 运输的汽车已发展到载重量4 0 5 0 吨的级别( 见 表l 一3 ) 。出现了多种多样的凿岩台车，如：掘进台车、回采台车、锚杆台车和 二次破碎台车等。各种辅助车辆均已完善，其中有装药车、喷浆车、撬顶升降 台车、辅助运输车和压路机等。无轨自行装运设备的应用，推动了地下开采的 全盘机械化，使地下采矿进入“第二代矿山”时期。 表1 3 地下矿山常用的无轨自行装运设备 设备名称卸载方式铲斗客积m 3车厢容积d 正卸 前端式装载机 15 45 侧卸 底卸 1734 2 9 6 装运机翻卸l 1 7 55 1 4 推卸 l 1687 铲运机前卸 o 7 6 1 0 翻卸 2 0 5 07 3 7 卡车载重量厂r 推卸 1 m 0 54 9 2 4 4 国内有色金属矿山机械化程度低，仅个别大、中型矿山引进国外液压凿岩 台车、锚杆台车、装药车及大型铲运机。凡口铅锌矿采用先进的采矿设备，采 场凿岩主要采用引进大直径潜孔钻机( r q c 3 0 6 型) ，兼用国产凿机( d q l 5 0 j ) 钻凿大直径1 6 5 m m 炮孔。深孔崩矿采矿法采用驴1 0 0 型潜子l 钻机，钻孔径 1 1 0 m m 炮孔。小寺沟铜矿( 应用有底柱阶段崩落采矿法) 实现了地下无轨化作 业，所需设备全部为国产的，在全国地下矿山中处于领先地位。为提高采场生 产能力，装运是重要的一环。铲运机将在我国大、中型地下矿山中得到推广应 用。振动放矿机价格便宜，使用方便、安全，出矿效率高，因此，在我国有色 2 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 矿l 中能采用重力放矿的，均采用振动放矿机进行放矿，这是适合我斟日前矿 i i i 生产实际的设备，预计将会得到很大的发展。 在矿山装备方面，金川、凡l | 等2 0 多个有条件的矿山，用铲运机代替电耙 出矿，目前已推广1 3 0 台左右。出矿效率提高到5 0 1 0 0 。地下采矿、掘进 作业的全液压凿岩设备相继在凡口、金川、白银小铁山、汝城等矿山采用。凡 口矿采用大直径深孑l 凿岩设备，钻孔效率比b a 1 0 0 钻机提高l5 倍以上，同时 也大大改善了作业条件。汝城钨矿采用国内研制的全液压中深孔掘进台车，不 但掘进成本降低了，而且掘进效率高。天井钻机( 直径在0 5 2 5 m ) 在凡口、 金川、云锡等矿山开始得到推广应用，提高了天井掘进速度、改善了天井掘进 作业环境。振动放矿机推广了近1 0 0 0 台，电动耙罐也在1 0 多个矿山应用。国 内研制的铲插式样装岩机、梭车、轻型凿岩台车配套成龙在l o 多座矿山中应用。 少数矿山开始使用服务车、锚杆台车、撬顶机等。 在国内外地下开采的金属矿山中，已经广泛采用铲运机完成装载与运输作 业。在采场和巷道顶板不稳固、作业条件危险的区段，采用遥控铲运机，操作 人员可以在地表或安全处遥控设备，从而实现安全作业。同时可以回收残留在 采场中的矿石和矿柱，提高矿石回收率：采用无线电遥控铲运机，一位操作人 员可以控制2 台以上的机器，大大提高生产效率 8 】o 当前，化工矿山地下采矿工艺与装备总的还很落后，技术设备远远落后子 国内外同行业水平。重点化学矿山的技术装备大体上相当于国内冶金矿山6 0 年 代初的水平，有相当数量的中小型矿山还停留在手工劳动、土法开采。劳动生 产率比国外同类先进矿山低几十倍，有的甚至于达到百倍。以全国大型露天采 矿基地之一的昆阳磷矿为例，7 0 年代设备价值占总量的3 9 ，数量约占5 0 ， 设备技术：状况落后，无一达到国内先进水平。 宜昌磷矿现有国营矿山的采矿技术及矿山装备，基本上已经形成一种模式。 中南大学工程硕士论文 聚矿方法采_ r ；房柱法；开拓系统多为平硐石门溜井，次为平硐一盲斜井：凿岩及 掘进普遍采用7 6 5 5 气腿式凿岩机：井巷掘进采用7 耙斗装岩机，采场运搬采用 1 5 k w 或1 3 k w 电耙：中段采用3 吨电机车或人工推车：主平硐采用3 吨或1 0 吨电机车；溜井放矿部分采用振动放矿技术。矿山装备相当于国际2 0 世纪4 0 年代水平，从而导致矿山经济效益不佳，矿山职工工资福利偏低，技改缺资金 投入的低水平维持状况 ”。 贵州开磷集团自1 9 8 9 年与法国索发明公司进行采矿试验获得成功后，即开 始购进国产铲运机在马路坪矿进行无轨开采，截止至今集团公司已拥有大型无 轨设备5 4 台套，马路坪矿占2 6 台套，其主要装备、种类及主要技术参数( 见 表1 4 ) 。 国外的采矿工艺和采掘装备相辅相成。为研制小型采掘设备，实现缓倾斜、 薄矿脉采矿机械化，南非与瑞典a t l a s 公司合作研制低结构s t o m e eh 2 5 2 型全 液压双机凿岩台车，它与手持式凿岩机相比，提高效率l o 倍。为扩大无轨采矿 在急倾斜、薄矿脉中的应用，法国采矿设备公司研制出了c t 5 0 0 h f 微型电动铲 运机，使无轨采矿最小采幅从2 米减为1 1 1 5 米，出矿效率比电耙提高1 倍。 在掘进方面，芬兰t a m r o c k 公司制造了m i c r o m a t i ch 1 0 2 型单机凿岩台车， 宽仅12 米，重仅2 5 吨，配一台7 0 k 凿岩机，可用于掘进和采矿，还可向上打 杆柱孔，一机多用。 国外矿山装运设备有两种形式：一种是铲运机，另一种是装载机配卡车。 大多数矿山普遍使用铲运机，其型号有l d 4 5 0 型、s t 5 a 型式。少数矿山使用 装载机配卡车，其型号为j o y 爪式装载机配基鲁纳卡车。l d 4 5 0 型铲运机的斗 容量为l o 吨，其装运效率达1 0 0 0 1 2 5 0 吨台班。天井、溜井的掘进，广泛 使用吊罐式天井握进机开凿。据认为1 人操作多臂台车是发展方向，它可实现 完全自动化，而凿岩机嗓音对人影响可降低，工人在封闭司机室中操作，还消 4 垦熊坪矿无轨毋拓工程与回采工艺设计研究 嗡，灰i k 和潮湿的危軎。双机台车效率为3 0 0 米台班，单帆台车为6 0 l o o 米台班。 采场装运几乎全部使用无轨装运设备。如瑞典地下矿山自2 0 世纪7 0 年以 来，都在极力推行以无轨设备进行采矿和装运的现代技术。瑞典生产矿山弓设 备制造厂的协调配合极为密切，矿山向制造厂提供试验场地，而制造厂为矿山 提供高效耐用的设备。 国外地下采掘装备发展特点是向高效、一机多能( 采、装、运) 联合机组 和一次成井、成巷的联合掘进机组方向发展，可节省在工作面调换、凿岩与装 运设备的时间，减少采掘设备数量，从而形成采、装、运联合机组。如前苏联 在耙爪式装岩机上安装两个钻臂，可装高旋转式冲击凿岩机。瑞典在自行式装 运机上安设两个凿臂，装完岩石后便可继续凿岩。法国研制三臂凿岩台车与耙 斗式装载机和中间运输机构成采、装、运联合机组。平巷掘进用全断面联合掘 进机发展较快，共有7 个国家2 1 个厂家制造全断面岩巷联合掘进机。其中美国 约占一半以上，技术水平以美国、德国、日本和瑞典较高。 目前，国外已有9 个国家1 7 个工厂生产各种型号液压凿岩机7 0 多种。瑞 典a a s c o p o c 公司研制的新型l o p l 2 8 凿岩台车。此种液压凿岩台车具有功率 大，速度快，在大断面巷道掘进中更显现了突出特点。为适应中、小断面巷道 掘进，法国生产c t h l 0 2 f 型钻车的宽度只有l 米。e i m c o s e c o m a 公司生产的 a t h 一1 2 一l f 凿岩台车，安装一台9 0 k g 的r p h 2 0 0 型液压凿岩机，适用断面2 2 m 2 的小巷道掘进。瑞典生产的巧3 0 、n 记8 6 型凿岩台车适用于较大和特大断 面。使用高效凿岩台车及液压凿岩机时，必须有高效的装运机械与此配套。英 国维布斯特公司生产2 0 0 0 、3 0 0 0 系列履带液压台车，具有切、钻、装、支护多 种功能。 中r 崭大学工程硕士论文 表1 - 4 马路坪矿无轨开采装备情况 【序号殴备名称 型号凿孔孔径凿孔深度数量( 台) i 1电动铲运机t o r 0 4 0 0 e 4 l 2 瓦格纳铲运机s t 一6 c 4 3 柳工铲运机 d z l 5 02 4 浅孔凿岩台车b o o m e r h 2 8 14 1 n m28 4 8 m2 5 中深孔凿岩台车s i m b am 3 5 7 5 l m mm a x3 2 m2 l 6 深孔锚杆台车r o b o r rh 3 9 5 31 3 2 4 2 n l n l2 l 7 掘进锚扦台车p l u t o n l 7 3 7 b3 2 4 5 m m1 8 装药台车p t 6 i l k 6 7 0 01 9辅助服务台车l 1 0喷浆机 转型6 合计2 6 1 2 3 马路坪矿无轨开采技术概述 继集团公司1 9 8 8 年完成国家“七五”科技攻关项目“青菜冲矿缓倾 斜、倾斜中厚矿体地下采矿方法”工业性试验研究之后，马路坪矿于1 9 8 9 年 1 0 月在北延保产工程开始试行无轨开采，当时使用的无轨运输设备主要有柳州 工程机械厂生产的d z 一5 0 型铲运机和解放牌1 4 2 汽车，掘进凿岩采用7 6 5 5 汽 腿式凿岩机，回采中深孔采用9 0 g 施工，喷浆机选用潮湿转v 型。采矿方法为 低分段空场采矿法，其开拓方式为斜坡道溜井开拓，斜坡道布置形式为折返式， 支护形式采用锚喷网支护。斜坡道布置在矿体底板与矿体之间，铲运机通过斜 坡道或联络道直接进到采场作业面，将矿石运到溜井或调车场装车，然后汽车 将矿石运到地藤堆矿场，同时汽车还将人员和施工材料运到工作面。折返式斜 坡道布置较简单，但是分层回采时矿石损失率大，而且在溜井未能形成之前， 汽车或铲运机上斜坡道需要调头次数多。 1 9 9 2 年国家投资的马路坪矿一期延深工程开工，引进大量国外进口设备， 有铲运机、浅孔凿岩台车、锚杆台车等等，同时由于有轨开采部分又接近闭坑， 矿体开采均在水平面以下，如果说再不推行无轨开采而仍用有轨开采的话，不 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 仪= | ! 生产能力上不去，而且还要增加施工和开采成本，安全生产也难以得到保 证。因此在选择马路坪矿段延深开采方案时，采用了无轨开采，引进了大量的 无轨设备。由于无轨开采在国内起步较晚，成熟的经验较少，特别是在化工矿 山使用无轨开采的单位更是屈指可数，因而在开采工艺设计及旌工可参照的资 料就少，开采工艺不能完全适应无轨设备，无轨设备的功效未能得到发挥。 1 3 开展本课题研究的意义 1 3 1 未来矿山开采的发展趋势 随着人类社会的快速发展和繁荣进步，对矿产品的需求会起来越多：另一 方面，由于矿产资源的不可再生性，现有的正在开采的矿产资源会起来越少， 甚至有的地方会出现枯竭，未来矿山开采的对象将逐渐转移到地下深部矿体、 复杂难采矿体、低品位矿体、海洋或其它星球上的矿体。这些开采条件的变化 势必引起采矿方法、地压控制、开采成本、开采效益、损失贫化指标、作业环 境与安全、采矿生产能力等许多问题。现代无轨开采技术是解决上述技术难题 的有效方法之一。 材料科学、矿山机械设备、岩体力学等与矿山相关的科学迅速发展、高效 率的采矿方法和采矿工艺需要不断创新，各种采、掘、运、出矿设备的发明闯 世，将使矿山逐步向大型化、无轨化迈进，从而为实现矿山无轨开采奠定了坚 实的基础。 无轨开采的发展和实践证明，它是比有轨开采更为先进的现代化采矿技术。 无轨自行设备不但提高了出矿效率，而且促进回采工艺、采矿方法、掘进和运 输系统的发展，提高了矿山全员劳动生产率，因此，体现了当代采矿设备的发 展的一个方向。无轨开采的主要优点有：( 1 ) 以无轨运输为基础的斜巷开拓， 能加快矿床开拓工作，缩短矿山投产的时间：( 2 ) 无轨采矿的采场生产能力大， 易实现强化开采：( 3 ) 无轨运矿减少矿石装卸点的数量及相应的设旋和人员， 中南太晕工程硕士论文 简化装卸硐室的结构减少矿石的倒运和中转，避免轨道运输水平的大量投资， 并能节省数量可观晌轨道铡材；( 4 ) 无轨出矿简化采准布置和采场底部结构， 减少运输巷道和溜井的数量，消除难以机械化掘进的小断面巷道：( 5 ) 无轨掘 进能加快巷道的掘进速度，提高掘进工效，并使采场的分段与分层巷道的掘进 条件得到大大的改善：( 6 ) 无轨自行设备的效率高，机动灵活，一机多能，有 些设备掘进与回采能通用，从而减少采、装、运设备的总数，提高设备的利用 率，简化设备的利用率，弦少备品备件的库存。( 7 ) 无轨开采实现了地下开采 的全面机械化和集中作业，便于生产的组织和管理，减少待采储量，缩短新阶 段的准备时间。( 8 ) 显著减少井下生产工人的数量。( 9 ) 由于手工劳动大大减 少，从而使事故减少，生产的安全程度提高，并有利于文明生产。( 1 0 ) 使矿山 全员劳动生产率有较大幅度的提高，最终使矿山减少经营费用，降低生产成本， 增加企业盈利。一些矿山仅使用大型高效率的无轨自行设备，便能完成全矿的 生产任务。 1 3 2 马路坪矿采矿技术存在的问题及解决途径 马路坪矿现有采矿技术不能满足大型无轨设备配套使用的需要，设备效率 不能完全发挥出来。从开始使用无轨开采以来，设备使用情况较好的仅仅是铲 运机，其余设备均不能投入正常使用，具体体现在以下几个方面： 1 、开拓工程布置设计不合理。( 1 ) 主运输大巷离矿体距离较近，在施工 采准巷道和对矿石进行回采落矿时，爆破冲击波对运输大巷影碥较大，在未能 达到使用年限的情况下，就发生破坏，造成维护费用增大。( 2 ) 选用螺旋式斜 坡道作为运输大巷与采准、采场的连接通道，重叠部分过多，而且未考虑加强 支护，造成斜坡道破坏。( 3 ) 支护形式成旧，劳动强度大。( 4 ) 斜坡道坡度不 合理，造成投资增加，费用增大。( 5 ) 施工工艺技术落后，不能适应大型设备 作业，劳动生产率低。 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 2 、采准巷道断丽不能适应无轨设备施工要求。有轨开采时采用的采准巷 道断面仅能适用于t 2 g 运矿作业或电耙运输，无法实现无轨丌采：“采矿试验” 成果建议推广的采准巷道断面较大，施工步骤多，且采准支护效果不理怨，使 h j 较多的断面仅能满足铲运机运行，其余台车无法使用，对于3 米以内的假顶 无法实现有效锚固，回采中深孔也只能用过去的9 0 g 作业。 3 、回采段高及回采参数不合理，矿石损失率高，且回采过程中安全性较差。 4 、大型无轨设备不能形成配套使用。 解决上述存在的采矿技术问题，需要采取以下措旋或途径进行解决： ( 1 ) 加强地质资料预测的准确性，优化开拓工程设计布置，对巷道支护形 式、凿爆参数、施工工艺进行研究，使之达到使用要求； ( 2 ) 结合矿体赋存条件，优化采准巷道断面，更好地发挥大型无轨设备配 套使用的作用； ( 3 ) 优化回采工艺参数，提高矿石回收率： ( 4 ) 优化旌工工艺技术，提高开拓工程施工质量。 1 3 3 本课题的意义 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究的意义在于解决原有开拓工 程设计不合理、施工质量差、劳动强度大、施工效低，原有采矿工艺存在贫损 大、回收率低、安全性差等问题；进一步提高巷道施工质量和服务年限，充分 发挥大型无轨设备的潜能，实现大型无轨设备配套作业，从而提高劳动生产率 和降低劳动强度及降低施工成本。为地下深部开采提供保证和探索积累经验， 使矿山逐步向大型化、无轨化方向迈进。总之，对矿山建设和发展具有十分重 要的意义。 1 4 本课题研究的主要内容 结合马路坪矿生产建设的实际情况和现场存在的问题，本课题主要从以下 中南大学工程硕士论文 几方面进行研究： 1 、对马路坪矿无轨开拓工程设计进行研究，重点对开拓斜坡道布置设计 和施工工艺进行研究，探索出适用于无轨设备配套作业的断面形式和运行坡度， 进一步提高开拓工程施工质量； 2 、对无轨采准巷道与施工工艺设计进行研究，对过去和现有的采准巷道 施工工艺进行阐述和评价以及分析存在的问题，为解决这些问题研究新的采准 巷道断面和旌工步骤，为实现有效控制顶板创造条件： 3 、对采场回采工艺与装备设计进行研究，重点对马路坪矿矿体赋存条件 下的采矿方法进行选择和研究，对过去和现有的采矿工工艺进行总结分析，查 找不足和存在的问题，研究出适用于大型设备作业的回采工艺参数； 4 、对上述研究进行实践与总结，总结研究取得的效果及存在的不足。 马路坪矿无轨开拓工程与回秉工艺设计研究 第二章马路坪矿无轨开拓工程设计研究 2 1 矿山地质概述 马路坪矿的岩层概况如下： ( i ) 紫红色页岩。紫红色页岩层理清楚，稳固性差，卢3 4 ，揭露后易风 化垮塌，凿爆性较好。 ( 2 ) 灰绿色石英砂岩。灰绿色石英砂岩致密坚硬，中等稳固，仁l o 1 2 ， 不易风化，凿爆性差，爆破性较好，厚度一般为1 5 2 0 米。 ( 3 ) 灰绿色薄层粉砂质、泥质页岩。灰绿色薄层粉砂质、泥质页岩风化后 为褐黄色，易垮落，普氏系数f = 3 5 ，属不稳固岩层。该层通常发育在接触矿 层的底板砂岩之间，常常与砂岩互层产出。 ( 4 ) 灰白色、微红色含锰粘土质白云岩。灰白色、微红色含锰粘土质自云 岩节理发育，较破碎，厚度在o1 1 米，间夹泥质页岩，普氏系数 ：6 8 ，凿爆 性较好，爆破性差，易垮落，属不稳固岩层。 ( 5 ) 南沱组。南沱组上部紫红、灰红色粉砂质页岩夹薄层至中厚层灰紫色 粉砂层，中部为冰碛砾层，下部紫红色粉砂质页岩f = 4 5 ，稳固性较差，揭露 后易风化垮塌，凿爆性较好。 ( 6 ) 陡山沱组。陡山沱组顶部黄灰色泥岩夹磷砂质砾岩或相变为细晶自云 岩，磷块岩与硅岩互层，下部黄灰色薄层至中厚层含磷砂质自云岩，间断有灰 绿色中厚层细至中粒含砾砂岩，f 8 ，不易风化，凿爆性较差，爆破性好。 由于上述地层都为隔水层，故掘进中不会出现较大涌水现象，只在较大的 断层破碎带有可能出现滴水现象，局部地段会出现滴水和淋水现象。 矿体赋存条件的条件如下： ( 1 ) 矿层。矿石以致密磷块岩为主，p 2 0 5 含量平均为3 3 ，9 ，有害杂质含 量较低，矿层结构单一，无夹层，多处发现小于l 米断层。在离底板i 5 。i 8 ，1 中南大学工程硕士论文 米处有一明显的白云质薄层，是矿层巾的一个弱面，矿体层理节理发育，严重 影响矿体的稳固性，矿体水平厚度8 n 米，倾角4 1 。4 5 。，普氏系数为4 l o ， 凿爆性好。 ( 2 ) 矿层直接顶板。矿层直接顶板为泥( 矽) ，白云质沉积层，由页岩、 含锰自云岩、同生角砾白云岩沉积组成，不稳固、易风化脱落，酱氏系数为l 4 ， 厚度3 5 米局部大于5 米，其厚度变化无规律。 ( 3 ) 矿层顶板。顶板为灯影组自云岩，厚度较大，由细晶白云岩、藻白云 岩等组成，稳定程度为中等稳固到稳固，普氏系数为3 一u 5 ，凿岩性好，爆破陛 差。 ( 4 ) 矿层底板。矿层底板为灰绿色泥质石英砂岩。矿体与石英砂岩间有 层灰绿色粉砂质页岩软弱层，矿体沿着此层易发生片帮，石英砂岩厚度为1 0 2 0 米，中等稳固，易风化破碎，普氏系数为7 9 ，凿岩爆破性较差。紫色页岩和 砂质页岩，厚度为4 2 7 3 米，不稳固，易风化破碎，普氏系数2 3 ，凿岩爆破 性好。 ( 5 ) 水文地质情况。矿体内淋水较大，特别是遇涌水裂隙，给采准施工和 回采带来较大影响。 2 2 无轨斜坡道布置设计 2 2 1 无轨斜坡道位置的选择 根据无轨斜坡道的作用，它可以直通地表，也可以不直通地表，仅在井下 各主要阶段或各分段间互相连通，有的作为主要运输斜坡道运送矿石，有的作 为主要运输斜坡道( 通行无轨车辆或运送材料、人员) 。按线路形式分为：直线 式斜坡道、折返式斜坡道、螺旋式斜坡道；按使用性质分：生产干线、生产支 线、联络线、辅助线斜坡道等，其作用和性质不同，布置形式也就不同。一般 情况下，斜坡道应布置在矿体下盘，距矿体3 0 5 0 米。但是由于其承担的任务 马路坪矿无轨开拓工程与回采工艺设计研究 不同，具体布置可根据岩体稳固状况、地表、地形特征及工业场地位置等因素 综合考虑。若它用于主要运输，服务年限较长，则应布置在矿体开采的的崩落 带以外，并尽可能布置在距矿体3 0 5 0 米的下盘岩体中；若它不直接通地表， 仅作为采区( 或采场) 的联络道，则可根据具体情况布置在矿体底板或顶板或 侧翼，甚至可布置在矿体。 日本中龙铅锌矿矿床东西氏3 千米，延深6 0 0 米，倾角4 0 。6 0 。；矿山 规模4 1 万影年，主要采用水平充填采矿法回采，中段高4 0 米：从地表开凿的 斜坡道作为永久