固體鉀鹽地下開采工藝與設備配套技術研究

石 亮 郝萬東 江小軍 張振東 高瑞文 馬進功

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原030006)

由于中國鉀鹽資源嚴重匱乏，嚴重制約著我國農副產品的產量和質量。在資源全球化時代.實施走出去戰略，充分利用“兩種資源”、“兩個市場”，到國外勘查開發鉀鹽礦，建立我國鉀肥基地，是解決我國鉀肥短缺的重要途徑之一［1］。隨著老撾鉀石鹽－光鹵石大型礦床的發現，為解決我國鉀肥短缺問題提供了有效途徑。固體鉀鹽開采方法主要分為旱采和水采，由于礦體賦存條件的特殊性及礦山建設政策的限制性，一般采用水采，該方法雖然技術應用較為簡單，但回收率較低，而且地下采空區無法控制，對地表沉陷產生較大影響。老撾鉀石鹽－光鹵石型礦床，礦體厚度較大，礦石品位較高，屬于優質資源。采用何種開采工藝與設備，提高資源回收率成為研究重點。

連續采煤機作為煤礦巷道掘進及工作面回采的關鍵設備，在煤礦得到廣泛應用，在鉀鹽資源開采中應用較少。本研究以老撾開元礦業鉀鹽礦首采區2盤區1 區段為研究背景，提出了連續采煤機機械化開采工藝;分析了連續采煤機在固體鉀鹽礦床應用中出現的問題，并提出相關解決方法。連續采煤機在鉀鹽礦床開采中的成功應用，不僅提高了機械化水平和資源回收率，也進一步擴大了連續采煤機的應用范圍，為我國連續采煤機機械化開采技術的發展提供了更多的基礎依據。

1 地質條件

龍湖鉀鎂鹽礦區分布于老撾甘蒙他曲縣，該鉀鎂鹽礦床由光鹵石和鉀石鹽組成。其中主要是光鹵石礦，礦層自北向西南緩傾，傾角3° ～23°，按礦石類型自上而下劃分為3 個礦層:上部次生鉀石鹽，礦體連續性較好，總體呈不規則狀南北向展布，礦層平均厚度2.29 m，KCl 平均品位26.07%;中部光鹵石礦，礦體比較連續，呈不規則狀南北向展布，長約7.3 km，寬約5 km，礦層平均厚度19.81 m，KCl 平均品位17.35%;下部原生沉積鉀石鹽礦，礦體連續性差，由5 個相互獨立的小礦體組成，厚度小、品位低，礦層平均厚度2.41 m，KCl 平均品位17.53%。

可開采的鉀石鹽礦層分布在龍湖礦區的南、北、西端，首采區分為3 個盤區，二盤區南北長300 m，東西長260 m，平均厚度為4.61 m，為連續近水平礦體，厚度變化較小，區內構造不發育，平均品位26.51% 。礦層的頂板圍巖主要為黏土巖，其余為鹽巖。黏土巖以青灰色泥巖為主，局部為棕紅色泥巖，鹽巖為白－灰白色石鹽。

2 設備配套

針對不同連續采煤機機型及其配套設備所適應的不同礦層賦存條件、地質條件，分析連采設備與采場條件最佳結合點，連續采煤機械化開采工作面一般配備2 種比較典型的工藝系統，即連續采煤機—梭車工藝系統，連續采煤機—連續運輸工藝系統，前一種屬于間斷式運輸，后者屬于連續式運輸［2］。結合工作面開采技術方案及地質狀況，確定工作面采、落、裝、運、支生產工序選用連續采煤機及其配套設備。在原礦運輸方式上，綜合評工作面的各種因素，采用連續采煤機—間斷運輸工藝系統。設備配置如表1。

表1 工作面設備配置Table 1 Equipment configuration of working face

3 開采工藝

工作面采用條帶式房柱采礦法。掘進時，在區段中部掘進2 條巷道(運輸巷1，運輸巷2)連通盤區運輸巷與盤區回風巷，形成全風壓通風系統，2 條巷道作為原礦主運輸巷道，中間用聯絡巷貫通，聯絡巷間距為50 m。運輸巷道與聯絡巷寬度分別為8 m，無支護?；夭蓵r，在運輸巷兩翼布置礦房，礦方長度為80 m，寬度為8 m，2 個礦房之間留設8 m 的礦柱用于支撐采空區頂板［3-4］。

在保證連續采煤機截割效率的情況下，要提高原礦的運輸效率，應在以下2 個方面進行改進:①提高后配套設備的運輸能力，在使用間斷式運輸工藝條件下即增加梭車的數量;②縮短后配套運輸設備的運行距離，即縮短梭車在連續采煤機與轉載破碎機之間的距離。

基于以上2 個方面的分析，為提高原礦運輸效率，一方面采用2 臺梭車進行運輸，為避免碾壓電纜及梭車交叉的問題，2 臺梭車應運行在不同的軌跡上，另一方面，將梭車的運行距離控制在100 m 范圍內。開采工藝與設備配置如圖1 所示。

圖1 開采工藝與設備配置Fig.1 Configuration of the mining processes and equipment

掘進時，應用連續采煤機雙巷掘進，每隔50 m 開1 條聯絡巷，設備布置完畢后，由連續采煤機、梭車組成掘進系統，2 條巷交替進行作業，即連續采煤機在一條巷掘進完成1 個循環后，把連續采煤機調入到另一頭巷道掘進。采用雙巷掘進不僅保證了工作面有兩個出口，提高了抵御工作面災害的能力，同時增加了工作人員的作業空間，改善了工作面的環境。設備布置與掘進工序見圖2 所示。

圖2 設備布置與掘進工序Fig.2 Equipment arrangement and the tunneling procedures

4 設備適用性分析

4.1 調整截割方式

連續采煤機截割時，包括“切槽”和“采垛”工序，傳統的截割方式，是連續采煤機從上部或底部進刀切入煤體，從上往下或從下往上依次截割(如圖3(a))［5］。以上截割方式適用于煤礦體，但由于固體鉀鹽(光鹵石、鉀石鹽)在性狀上與煤體存在較大差異，表現為韌性大、致密、節理不發育，因此采用以上截割工藝，造成鹽體對連續采煤機施加的能量吸收較小，反作用較大，截割效率低下。

圖3 截割工藝Fig.3 Cutting process

鑒于以上問題，及時調整截割工藝，見圖3(b)。按照以下步驟進行截割，即“T”型進刀法:①將連續采煤機截割頭調整至巷道底板，即降刀;②將截割頭向前切入鹽體，深度約為滾筒直徑，即進刀;③調整截割頭沿著右上方45°退出鹽體，即提刀;④將連續采煤機截割頭調整至巷道頂板切入鹽體，深度約為滾筒直徑，即二次進刀;⑤調整截割頭向下截割鹽體，直至巷道底板。

“T”型進刀法改變了傳統進刀方式，解決了連續采煤機截割鹽體難度大的問題。主要原因分析:首次進刀時，無論從上部還是下部進刀都較為容易，從下部進刀的目的一方面是解除下方對中部鹽體的約束，使中部鹽體存在自由發展空間，另一方面，截割下部和下部礦體時，對整個礦體造成2 次破壞，使礦體內部節理趨向發育。因此，礦體整體性被破壞，截割難度降低，提高了采礦效率。

4.2 截割深度對截割能力的影響

連續采煤機在鉀鹽礦中應用時，滾筒的截割深度由截割滾筒直徑決定，一般情況下，深度約為滾筒直徑的1/2。截割滾筒的直徑對截割能力有較大影響，在其他條件不變的情況下，不同的截割滾筒直徑表現出的截割能力有較大的差異［6］。

連續采煤機的截割能力用截割力表示。截割力即為截割滾筒輸出的扭矩經力臂(截割滾筒半徑)折算后的力均分后作用在單位切入面積上的力。以山西天地煤機裝備有限公司生產的EML340 連續采煤機為例進行分析:截割滾筒直徑分別取1 120 mm 和1 500 m，截割功率2 ×170 kW，截割電機轉速1 484 r/min，截割頭轉速51 r/min。

截割滾筒切入礦體后受到沿截割滾筒切向的阻力，如圖4 所示。截割滾筒輸出的截割力克服該阻力，并與該阻力方向相反。

圖4 截割力Fig.4 Cutting Force

對于1 120 mm 滾筒，工作時切入深度為560 mm。理想狀態假設電機輸出功率傳遞到截割滾筒時無機械損失。

截割滾筒輸出扭矩:

式中，P 為輸出功率;n 為滾筒轉速。

經力臂折算后的力:

式中，r1為滾筒半徑。

截割滾筒切入面積:

S1= πL1D1= 5.8 m2，

式中，L1為切入深度;D1為滾筒寬度。

截割力:

對于1 500 mm 滾筒，工作時切入深度為750 mm。根據上述計算方法，則截割力F02=10 883.2 kN/m。

根據以上分析可知，F01＞F02，在其他條件相同的情況下，1 120 mm 的截割滾筒比1 500 mm 滾筒輸出的截割力大，截割能力表現更強，也就是說，在同一設備的情況下，切入礦體深度越少，截割力越強。因此，采用連續采煤機進行截割礦體時，為保證截割效率，應減少滾筒切入礦體的深度。

5 結 論

(1)連續采煤機機械化開采工藝及設備在固體鉀鹽礦床地下開采中的成功應用，改變了傳統化工礦山的開采方式，不僅提高了機械化水平，降低了工人勞動強度，而且大幅度提高了資源回收率。

(2)連續采煤機后配套運輸設備的選擇應綜合考慮礦層地質條件、礦井產量、設備適應性等因素。

(3)固體鉀鹽礦床開采與煤層開采有著較大的區別，應及時調整開采工藝，提高設備對地質條件的適應性。

［1］ 續培信.老撾萬象鉀鹽礦開采方法探討［J］.中國井礦鹽，2005，36(4):28-31.

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［2］ 王 虹，李志強.短壁機械化開采技術綜述［C］∥短壁機械化開采會議論文集.太原:［s.n.］，2003:1-6.

Wang Hong，Li Zhiqiang. Review of short wall mechanized ming technology［C］∥Proceedings of Short-wall Mechanized Ming Technology.Taiyuan:［s.n.］，2003:1-6.

［3］ 東坡煤礦415 短壁機械化開采工作面設計報告［R］.太原:中國煤炭科工集團太原研究院短壁機械化開采工藝研究所，2012.

Design Report of Dongpo Mine 415 Short-wall Mechanized Mining Working Face［R］.Taiyuan:Research Institute of Short-wall Mining Technology，Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group，2012.

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Tian Ruiyun，Zhang Minquan. Research of parameters of coal pillar in the Section of Bulianta Mine［J］. Shanxi Coal，2002，22(2):14-16.

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Liu Kegong，Xu Jinhai，Miao Xiexing，et al.Application of Short-wall Mechanized Mining［M］.Beijing:Coal Industry Press，2007.