石灰石礦露天采剝機開采技術研究

許前進

(中國建筑材料工業地質勘查中心四川總隊，四川 成都 610052)

0 前 言

我國有著豐富的石灰石礦產資源，其總產量僅次于煤炭。而傳統的石灰石露天礦開采工藝較為復雜，不但效率偏低，而且造成大量資源浪費。為解決這一問題，可對采剝機開采技術加以合理應用。本文就石灰石礦露天采剝機開采技術展開分析探討。

1 露天采剝機的類別性能及適用條件

采剝機是一種能夠開采有用礦物，并剝離露天礦表土的采礦機械設備，開采效率高、作業成本低是該設備較為突出的特點，其具備穿爆、破碎以及采裝等多種功能，可以連續作業，其應用使露天采礦工藝得到簡化，技術效果和經濟效益隨之顯著提升。

1.1 采剝機分類

露天采剝機歸屬于大型采礦機械設備的范疇，由多個部分組成，包括駕駛室、驅動裝置、輸送機平衡調節裝置、回轉支承裝置、卸料傳送帶、履帶、刮板、切割滾筒等[1]。根據滾筒的位置及構造不同，可將采剝機分為以下幾種類型。

1.1.1 滾筒中置式

這種類型的采剝機采深為0～0.6 m，滾筒位于設備中部以下，機械通過本體產生的垂直壓力，使滾筒上的切齒能夠對質地堅硬的物料全面切割，隨后將物料送至滾筒中部的刮板輸送機上，完成物料裝載。生產此類采剝機的廠商主要是美國和德國的公司，其中德國某公司在此類采剝機的生產中已經形成系列化產品。

1.1.2 滾筒前置式

這種類型的采剝機，切割滾筒設置在機械設備的前端，能夠自由升降，切齒以交錯的方式排列，滾筒內有螺旋葉片，可以做橫向運動，滾筒升高的高度即為機械的采高，滾筒的長度是采寬，切割深度與推進速度均為可調，轉卸載輸送機具有較大的運輸能力。采高、采寬大是此類采剝機比較突出的特點，最大采高可以達到8.0 m[2]，由此使其得到廣泛應用。

1.1.3 斗輪式

這種類型的采剝機原型為輪斗挖掘機，其結構與滾筒前置式采剝機相類似。滾筒上有4排斗輪，以平行的方式布設，位于外側的兩個斗輪后有兩條平板式膠帶，物料經膠帶可轉載至主膠帶運輸機上；位于內側的斗輪可以直接將物料卸載到主膠帶輸送機上。此類采剝機的滾筒可調幅度比較小，最大采高為2.0 m，推進速度在4.0～5.0 m/min，生產能力可以達到3 500 m2/h，與中型輪斗式挖掘機接近[3]。

1.2 技術性能

采剝機之所以在露天礦山開采中得到廣泛應用，與其自身優良的技術性能有著密不可分的關聯，具體體現在如下幾個方面。

1.2.1 切割能力強

采剝機的切割力非常強，能夠對單軸抗壓強度在100 MPa以內的礦巖有效切割，并且可以直接采掘煤、石灰石等礦石。隨著采剝機的不斷完善，現已能夠對抗壓強度超過150 MPa的露天礦石進行有效開采[4]。

1.2.2 集多種功能一體

采剝機將多種功能集于一身，包括穿孔、爆破、破碎以及采掘等，機械設備的結構非常緊湊，開采工藝簡單，產能高，不需要配套基礎設施，前期投入成本少。對中硬以下的礦巖切割時，可將礦石的粒徑控制在300 mm以下，無需破碎便可裝載，簡化工藝的同時，降低生產成本。

1.2.3 更加靈活

采掘機配有專用的動力驅動系統，機動性與靈活性更高，可以單人操作，能快速投入生產，運營費用低，可以為礦山開采企業帶來巨大的經濟效益。采剝機采用坡度自控系統，能對8°以內的橫坡和15°以內的縱坡準確開采。自動化程度高，帶有故障自檢功能，可有效消除故障隱患，保證作業安全[5]。

1.2.4 回采率高

采剝機上安裝的傳感器可對礦層分界面有效監測，并且能夠選采復合礦層，選采厚度可以達到10 cm，原礦質量隨之提高，選礦費用大幅度降低。

1.3 適用條件及開采工藝

采剝機適用于中硬以下的礦巖，此類礦巖主要有煤礦、石灰石礦等；適用于長期選采作業的薄礦層；不可以穿孔爆破的礦床；賦存穩定性高、強度大的礦床。露天采剝機的最佳推進方式為平行推進，此時的工作線相對較長，可用于刨切作業的時間更長；可與配套運輸設備配合作業。露天采剝機常用的工作方式有兩種，一種是分層法，另一種分區法。

1.3.1 分層法

采剝機分層法開采情況如圖1所示。采剝機在平整的場地上作業，以銑削的方式，一層接一層完成采掘作業。這種開采方法并列分條，物料分層采掘，能夠與運輸車相匹配，分層除了要平行之外，還要確保刨切深度相同。

圖1 采剝機分層開采示意圖

1.3.2 分區法

分區法就是對礦層厚度分塊段采掘，為確保采掘作業面臺階坡面的整體穩定性，重疊的切削層之間要采取交錯布設的方式。采剝機在露天開采的過程中以前進的方式作業，回采至條帶盡頭時，需要調頭，所以要在礦段的兩端留設出一定的空間，供采剝機轉向使用。

2 露天采剝機開采技術在石灰石礦中的應用

石灰石具有一定的脆性，顏色以灰色或灰白色為主，硬度偏低，用堅硬的金屬工具能夠在石灰巖上刻畫出明顯的痕跡，其密度為2.6～2.7 t/m3，平行與垂直層理的最大抗壓強度分別為120、140 MPa，松散系數約為1.5～1.6.碳酸鈣是石灰石的主要化學成分，方解石是礦物的組成形式，約占95%左右[6]。石灰巖常見的結構有四種，分別為粒屑、生物骨架、晶粒以及殘余。石灰石礦床主要是由海相沉積或是陸相沉積形成，也有一部分是火山爆發形成。我國的石灰巖礦產非常豐富，各個地質歷史時期均有沉積，但從實際情況來看，石灰石露天礦的開采利用率并不是很高，部分礦山的規模較小，技術落后，為改善現狀，有必要擴大礦山規模，并引入先進的技術裝備，對露天采剝機合理運用，提高石灰石開采作業效率。

2.1 連續開采工藝

在石灰石礦床露天開采中應用采剝機時，可以選擇連續開采工藝，這種工藝的優點體現在如下方面：連續作業產能更高，工藝過程容易實現自動化控制，前期投入的資金較多，要求礦床具有較高的賦存量。傳統的連續開采工藝以輪斗挖掘機作為主要設備，隨著中硬巖礦開采要求的不斷提高，輪斗挖掘機已經無法滿足開采作業要求，采剝機的出現及其在露天中硬巖礦開采中的應用，為連續開采工藝提供了強有力的支撐。

2.2 劃分采區

以采剝機連續開采工藝開采的石灰石露天礦山，具有井田范圍大的特點，為確保開采作業效率，需要對采區合理劃分，并選擇最為適宜的開采程序。具體標準如下：總體運輸量和外排量最少，開采作業線路的長度最優；初期剝采比要小，前期基礎建設工程量要少；滿足石灰石露天礦山連續開采要求，采區之間的連接要便利。石灰石礦露天采剝機開采工作線推進中，較為常用的方式有兩種，一種是平行推進，另一種是扇形推進。可以根據石灰石礦的實際情況，對推進方式合理選擇，如有必要，也可兩種推進方式聯合到一起使用，發揮出各自的優勢，提高作業效率[7]。

2.3 采剝機選型

采剝機選型是石灰石露天礦連續開采工藝應用中的關鍵環節，可以采用的選型方法有三種：①以現有的設備作為參照物，通過驗算的方法，對采剝機各項參數加以確定；②以礦山實際條件為依據，準確計算出所選采剝機的技術參數；③與國內外類似的礦山做對比，確定采剝機的具體型號。除上述方法外，選擇采剝機時，還要遵循以下原則：①在同一個石灰石露天礦開采中，盡可能選用型號相同的采剝機，如果礦床的巖性變化較大，且礦層本身的結構較為復雜時，可以采用不同型號的采剝機；②要保證選用的采剝機與開采工藝相匹配，滿足產能要求。采剝機的選型要點如下。

巖石在機械設備作用下產生的破壞現象，主要是由拉伸所引起，破壞過程具有一定的復雜性。巖石本身的強度、裂隙的形成等因素，對于機械設備破巖效率有著直接影響。石灰石露天礦連續開采工藝的特點是作業連續性，而滾筒中置式采剝機無法實現這一目標，所以可將這種類型的采剝機去掉。為確保石灰石開采作業時輸送機與轉載機的正常運行，可以按照另外兩種類型采剝機的性能特點，根據巖礦的硬度及賦存情況，對采剝機的類型合理選擇。石灰石歸屬于中硬度巖礦的范疇，最大抗壓強度為140 MPa，Ⅰ類和Ⅱ類石灰石露天礦床的構造較為簡單，單抽抗壓強度在80 MPa以下，礦層的厚度比較大時，可以選用滾筒前置式采剝機對礦床直接開采。若是礦層較薄，則可選用斗輪式采剝機開采；當礦床的強度超過80 MPa，為提高石灰石的開采效率，可在采剝機作業前，先通過爆破的方法，降低巖石本身的強度，為采剝機切削巖層創造有利條件[8]。應用射流輔助技術時，可選擇除滾筒中置式以外兩種類型的采剝機，對石灰石礦連續開采。需要注意的是，石灰石礦為Ⅲ類時，不建議連續作業。

2.4 輸送機選型與移設

在石灰石露天礦采剝機連續開采工藝中，帶式輸送機的運輸能力與開采作業效率密切相關。所選的帶式運輸機能力越大，運行越平穩，產能就越高。隨著石灰石露天礦開采深度不斷加大，運輸距離隨之增長，選擇適宜的帶式輸送機，對于礦石的安全、經濟運輸具有重要的現實意義。

2.4.1 帶寬與帶速的確定

帶寬與帶速是帶式輸送機的關鍵參數，通常情況下，可先對輸送機的輸送能力合理確定，根據運行環境和作業地點，在運輸呢管理確定的基礎上，可以按照下式推導出輸送機的帶寬與帶速：

Q=3 600kγhbv

(1)

式中，k為輸送機的傾斜系數；γ為物料松散密度,t/m3；h為輸送帶上的物料高度,m；b為輸送帶的寬度,m；v為輸送帶的運行速度,m/s。帶寬和運行速度決定了帶式輸送機的輸送能力，當輸送能力一定時，可對帶寬和帶速進行多種方式的匹配，為達到最佳的匹配效果，需要重點考慮以下因素：帶式輸送機的使用地點、物料的粒徑等[9]。

2.4.2 電機功率與托輥

帶式輸送機運行時，會受到多重阻力，如前進阻力、傾斜阻力以及托輥旋轉阻力等，這些阻力與電機功率的選擇關系密切。在長距離運輸時，托輥的阻力系數取值對電機功率選擇具有直接影響，當運行環境比較好時，可以取中間值，若是運行環境較差，則應取最大值。托輥是帶式輸送機上使用最多的設備之一，比較容易磨損，它的選擇與運維費用相關。選擇托輥時要以帶寬作為依據，但隨著運輸能力及帶速的提升，僅以帶寬選擇托輥會產生一些問題，因此，在高帶速的前提下，可將帶速作為托輥的選擇依據。

2.4.3 移 設

對于帶式輸送機而言，移設可按照以下三個部分進行：機頭、機架、機尾。其中機頭移設時，移設方法的選擇主要取決于機頭的型式，履帶式可選擇行走裝置移設；軌道式可選用推土機牽引移設；機架通過移設裝置連續移設；機尾則可憑借推土機拖曳移設。

2.5 運輸系統設計

石灰石露天礦采剝機連續開采工藝的應用，除了能夠減少運輸費用之外，還能顯著提高生產效率，可為礦山企業帶來巨大的經濟效益。然而，連續開采工藝中，運輸系統由不同規格的帶式輸送機以串聯的方式構成，保證運輸系統的高效、穩定運行是關鍵，基于這一前提，必須對運輸系統合理設計。具體設計的過程中，要注意以下事項。

2.5.1 合理確定分流站與轉載站的位置

設置分流站時，其位置要盡可能距離排土場和貯礦場近一些，標高可以設在靠近端幫的地表。對于開采壽命相對較短的露天石灰石礦，分流站可以選用固定式，反之則應對分流站定期移設；設置轉載站時，必須充分考慮物料的運輸需要，并以采掘等系統相協調，以地形和地質條件作為參考依據，并在不影響開采的前提下，減少轉載站的數量[10]。

2.5.2 出入溝設置

可將出入溝設置在合理的位置處，具體設置時，要綜合考慮以下因素：石灰石礦床的賦存情況、連續開采工藝的程序、地面生產系統、排土場的位置等。

2.5.3 輸送機布設

可將主提升膠帶運輸機設置在石灰石礦比較穩定的采場端幫上，盡可能少壓礦層；地面膠帶輸送機布設時，要盡量避開地質條件不良的地段，如采空區、巖溶區、滑坡段等；確保兩條并列設置的膠帶輸送機凈距滿足維修作業所需的寬度，多條并列布設時，每間隔兩條要預留出檢修通道，凈寬應滿足現行規范標準的規定要求。

3 結 論

石灰石礦露天采剝機開采是一項較為復雜且系統的工作，為確保開采效率，要對采剝機及相關設備合理選型，并做好運輸系統的設計，為石灰石采掘運輸創造有利條件，提高作業效率，改善開采現狀，增加礦山企業經濟效益。

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