石灰石矿露天采剥机开采技术研究

许前进

(中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队，四川 成都 610052)

0 前 言

我国有着丰富的石灰石矿产资源，其总产量仅次于煤炭。而传统的石灰石露天矿开采工艺较为复杂，不但效率偏低，而且造成大量资源浪费。为解决这一问题，可对采剥机开采技术加以合理应用。本文就石灰石矿露天采剥机开采技术展开分析探讨。

1 露天采剥机的类别性能及适用条件

采剥机是一种能够开采有用矿物，并剥离露天矿表土的采矿机械设备，开采效率高、作业成本低是该设备较为突出的特点，其具备穿爆、破碎以及采装等多种功能，可以连续作业，其应用使露天采矿工艺得到简化，技术效果和经济效益随之显著提升。

1.1 采剥机分类

露天采剥机归属于大型采矿机械设备的范畴，由多个部分组成，包括驾驶室、驱动装置、输送机平衡调节装置、回转支承装置、卸料传送带、履带、刮板、切割滚筒等[1]。根据滚筒的位置及构造不同，可将采剥机分为以下几种类型。

1.1.1 滚筒中置式

这种类型的采剥机采深为0～0.6 m，滚筒位于设备中部以下，机械通过本体产生的垂直压力，使滚筒上的切齿能够对质地坚硬的物料全面切割，随后将物料送至滚筒中部的刮板输送机上，完成物料装载。生产此类采剥机的厂商主要是美国和德国的公司，其中德国某公司在此类采剥机的生产中已经形成系列化产品。

1.1.2 滚筒前置式

这种类型的采剥机，切割滚筒设置在机械设备的前端，能够自由升降，切齿以交错的方式排列，滚筒内有螺旋叶片，可以做横向运动，滚筒升高的高度即为机械的采高，滚筒的长度是采宽，切割深度与推进速度均为可调，转卸载输送机具有较大的运输能力。采高、采宽大是此类采剥机比较突出的特点，最大采高可以达到8.0 m[2]，由此使其得到广泛应用。

1.1.3 斗轮式

这种类型的采剥机原型为轮斗挖掘机，其结构与滚筒前置式采剥机相类似。滚筒上有4排斗轮，以平行的方式布设，位于外侧的两个斗轮后有两条平板式胶带，物料经胶带可转载至主胶带运输机上；位于内侧的斗轮可以直接将物料卸载到主胶带输送机上。此类采剥机的滚筒可调幅度比较小，最大采高为2.0 m，推进速度在4.0～5.0 m/min，生产能力可以达到3 500 m2/h，与中型轮斗式挖掘机接近[3]。

1.2 技术性能

采剥机之所以在露天矿山开采中得到广泛应用，与其自身优良的技术性能有着密不可分的关联，具体体现在如下几个方面。

1.2.1 切割能力强

采剥机的切割力非常强，能够对单轴抗压强度在100 MPa以内的矿岩有效切割，并且可以直接采掘煤、石灰石等矿石。随着采剥机的不断完善，现已能够对抗压强度超过150 MPa的露天矿石进行有效开采[4]。

1.2.2 集多种功能一体

采剥机将多种功能集于一身，包括穿孔、爆破、破碎以及采掘等，机械设备的结构非常紧凑，开采工艺简单，产能高，不需要配套基础设施，前期投入成本少。对中硬以下的矿岩切割时，可将矿石的粒径控制在300 mm以下，无需破碎便可装载，简化工艺的同时，降低生产成本。

1.2.3 更加灵活

采掘机配有专用的动力驱动系统，机动性与灵活性更高，可以单人操作，能快速投入生产，运营费用低，可以为矿山开采企业带来巨大的经济效益。采剥机采用坡度自控系统，能对8°以内的横坡和15°以内的纵坡准确开采。自动化程度高，带有故障自检功能，可有效消除故障隐患，保证作业安全[5]。

1.2.4 回采率高

采剥机上安装的传感器可对矿层分界面有效监测，并且能够选采复合矿层，选采厚度可以达到10 cm，原矿质量随之提高，选矿费用大幅度降低。

1.3 适用条件及开采工艺

采剥机适用于中硬以下的矿岩，此类矿岩主要有煤矿、石灰石矿等；适用于长期选采作业的薄矿层；不可以穿孔爆破的矿床；赋存稳定性高、强度大的矿床。露天采剥机的最佳推进方式为平行推进，此时的工作线相对较长，可用于刨切作业的时间更长；可与配套运输设备配合作业。露天采剥机常用的工作方式有两种，一种是分层法，另一种分区法。

1.3.1 分层法

采剥机分层法开采情况如图1所示。采剥机在平整的场地上作业，以铣削的方式，一层接一层完成采掘作业。这种开采方法并列分条，物料分层采掘，能够与运输车相匹配，分层除了要平行之外，还要确保刨切深度相同。

图1 采剥机分层开采示意图

1.3.2 分区法

分区法就是对矿层厚度分块段采掘，为确保采掘作业面台阶坡面的整体稳定性，重叠的切削层之间要采取交错布设的方式。采剥机在露天开采的过程中以前进的方式作业，回采至条带尽头时，需要调头，所以要在矿段的两端留设出一定的空间，供采剥机转向使用。

2 露天采剥机开采技术在石灰石矿中的应用

石灰石具有一定的脆性，颜色以灰色或灰白色为主，硬度偏低，用坚硬的金属工具能够在石灰岩上刻画出明显的痕迹，其密度为2.6～2.7 t/m3，平行与垂直层理的最大抗压强度分别为120、140 MPa，松散系数约为1.5～1.6.碳酸钙是石灰石的主要化学成分，方解石是矿物的组成形式，约占95%左右[6]。石灰岩常见的结构有四种，分别为粒屑、生物骨架、晶粒以及残余。石灰石矿床主要是由海相沉积或是陆相沉积形成，也有一部分是火山爆发形成。我国的石灰岩矿产非常丰富，各个地质历史时期均有沉积，但从实际情况来看，石灰石露天矿的开采利用率并不是很高，部分矿山的规模较小，技术落后，为改善现状，有必要扩大矿山规模，并引入先进的技术装备，对露天采剥机合理运用，提高石灰石开采作业效率。

2.1 连续开采工艺

在石灰石矿床露天开采中应用采剥机时，可以选择连续开采工艺，这种工艺的优点体现在如下方面：连续作业产能更高，工艺过程容易实现自动化控制，前期投入的资金较多，要求矿床具有较高的赋存量。传统的连续开采工艺以轮斗挖掘机作为主要设备，随着中硬岩矿开采要求的不断提高，轮斗挖掘机已经无法满足开采作业要求，采剥机的出现及其在露天中硬岩矿开采中的应用，为连续开采工艺提供了强有力的支撑。

2.2 划分采区

以采剥机连续开采工艺开采的石灰石露天矿山，具有井田范围大的特点，为确保开采作业效率，需要对采区合理划分，并选择最为适宜的开采程序。具体标准如下：总体运输量和外排量最少，开采作业线路的长度最优；初期剥采比要小，前期基础建设工程量要少；满足石灰石露天矿山连续开采要求，采区之间的连接要便利。石灰石矿露天采剥机开采工作线推进中，较为常用的方式有两种，一种是平行推进，另一种是扇形推进。可以根据石灰石矿的实际情况，对推进方式合理选择，如有必要，也可两种推进方式联合到一起使用，发挥出各自的优势，提高作业效率[7]。

2.3 采剥机选型

采剥机选型是石灰石露天矿连续开采工艺应用中的关键环节，可以采用的选型方法有三种：①以现有的设备作为参照物，通过验算的方法，对采剥机各项参数加以确定；②以矿山实际条件为依据，准确计算出所选采剥机的技术参数；③与国内外类似的矿山做对比，确定采剥机的具体型号。除上述方法外，选择采剥机时，还要遵循以下原则：①在同一个石灰石露天矿开采中，尽可能选用型号相同的采剥机，如果矿床的岩性变化较大，且矿层本身的结构较为复杂时，可以采用不同型号的采剥机；②要保证选用的采剥机与开采工艺相匹配，满足产能要求。采剥机的选型要点如下。

岩石在机械设备作用下产生的破坏现象，主要是由拉伸所引起，破坏过程具有一定的复杂性。岩石本身的强度、裂隙的形成等因素，对于机械设备破岩效率有着直接影响。石灰石露天矿连续开采工艺的特点是作业连续性，而滚筒中置式采剥机无法实现这一目标，所以可将这种类型的采剥机去掉。为确保石灰石开采作业时输送机与转载机的正常运行，可以按照另外两种类型采剥机的性能特点，根据岩矿的硬度及赋存情况，对采剥机的类型合理选择。石灰石归属于中硬度岩矿的范畴，最大抗压强度为140 MPa，Ⅰ类和Ⅱ类石灰石露天矿床的构造较为简单，单抽抗压强度在80 MPa以下，矿层的厚度比较大时，可以选用滚筒前置式采剥机对矿床直接开采。若是矿层较薄，则可选用斗轮式采剥机开采；当矿床的强度超过80 MPa，为提高石灰石的开采效率，可在采剥机作业前，先通过爆破的方法，降低岩石本身的强度，为采剥机切削岩层创造有利条件[8]。应用射流辅助技术时，可选择除滚筒中置式以外两种类型的采剥机，对石灰石矿连续开采。需要注意的是，石灰石矿为Ⅲ类时，不建议连续作业。

2.4 输送机选型与移设

在石灰石露天矿采剥机连续开采工艺中，带式输送机的运输能力与开采作业效率密切相关。所选的带式运输机能力越大，运行越平稳，产能就越高。随着石灰石露天矿开采深度不断加大，运输距离随之增长，选择适宜的带式输送机，对于矿石的安全、经济运输具有重要的现实意义。

2.4.1 带宽与带速的确定

带宽与带速是带式输送机的关键参数，通常情况下，可先对输送机的输送能力合理确定，根据运行环境和作业地点，在运输呢管理确定的基础上，可以按照下式推导出输送机的带宽与带速：

Q=3 600kγhbv

(1)

式中，k为输送机的倾斜系数；γ为物料松散密度,t/m3；h为输送带上的物料高度,m；b为输送带的宽度,m；v为输送带的运行速度,m/s。带宽和运行速度决定了带式输送机的输送能力，当输送能力一定时，可对带宽和带速进行多种方式的匹配，为达到最佳的匹配效果，需要重点考虑以下因素：带式输送机的使用地点、物料的粒径等[9]。

2.4.2 电机功率与托辊

带式输送机运行时，会受到多重阻力，如前进阻力、倾斜阻力以及托辊旋转阻力等，这些阻力与电机功率的选择关系密切。在长距离运输时，托辊的阻力系数取值对电机功率选择具有直接影响，当运行环境比较好时，可以取中间值，若是运行环境较差，则应取最大值。托辊是带式输送机上使用最多的设备之一，比较容易磨损，它的选择与运维费用相关。选择托辊时要以带宽作为依据，但随着运输能力及带速的提升，仅以带宽选择托辊会产生一些问题，因此，在高带速的前提下，可将带速作为托辊的选择依据。

2.4.3 移 设

对于带式输送机而言，移设可按照以下三个部分进行：机头、机架、机尾。其中机头移设时，移设方法的选择主要取决于机头的型式，履带式可选择行走装置移设；轨道式可选用推土机牵引移设；机架通过移设装置连续移设；机尾则可凭借推土机拖曳移设。

2.5 运输系统设计

石灰石露天矿采剥机连续开采工艺的应用，除了能够减少运输费用之外，还能显著提高生产效率，可为矿山企业带来巨大的经济效益。然而，连续开采工艺中，运输系统由不同规格的带式输送机以串联的方式构成，保证运输系统的高效、稳定运行是关键，基于这一前提，必须对运输系统合理设计。具体设计的过程中，要注意以下事项。

2.5.1 合理确定分流站与转载站的位置

设置分流站时，其位置要尽可能距离排土场和贮矿场近一些，标高可以设在靠近端帮的地表。对于开采寿命相对较短的露天石灰石矿，分流站可以选用固定式，反之则应对分流站定期移设；设置转载站时，必须充分考虑物料的运输需要，并以采掘等系统相协调，以地形和地质条件作为参考依据，并在不影响开采的前提下，减少转载站的数量[10]。

2.5.2 出入沟设置

可将出入沟设置在合理的位置处，具体设置时，要综合考虑以下因素：石灰石矿床的赋存情况、连续开采工艺的程序、地面生产系统、排土场的位置等。

2.5.3 输送机布设

可将主提升胶带运输机设置在石灰石矿比较稳定的采场端帮上，尽可能少压矿层；地面胶带输送机布设时，要尽量避开地质条件不良的地段，如采空区、岩溶区、滑坡段等；确保两条并列设置的胶带输送机净距满足维修作业所需的宽度，多条并列布设时，每间隔两条要预留出检修通道，净宽应满足现行规范标准的规定要求。

3 结 论

石灰石矿露天采剥机开采是一项较为复杂且系统的工作，为确保开采效率，要对采剥机及相关设备合理选型，并做好运输系统的设计，为石灰石采掘运输创造有利条件，提高作业效率，改善开采现状，增加矿山企业经济效益。

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