石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺及系统

技术领域

本申请涉及石膏矿山采矿技术，尤其涉及一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺及系统。

背景技术

我国是天然石膏大国，已探明的石膏保有储量约570亿吨，居世界首位，但优质石膏匮乏，石膏资源大部分用于水泥，作为新型建材应用不足。石膏矿以沉积型矿床为主，常形成巨大的矿层或透镜体。众所周知，缓倾斜中厚矿体的开采因无法控制损失率、贫化率，一直是个世界级难题，主要采用房柱法、底盘漏斗法、机械化上向水平分层充填法以及预切顶全面法等方法进行开采。

目前，石膏矿地下开采以房柱法最为普遍和成熟，主要采用爆破法对地下石膏矿山进行开采，具体的，爆破法主要基于化学炸药(炸药和雷管)的钻爆法进行回采，而炸药和雷管等民用爆炸物品属于高危物品，在民用爆炸物品的储存、运输和使用中，由于技术不当或管理疏漏引发的爆破事故也时有发生，是影响矿山安全生产的主要风险点和危险源；同时，爆破噪声、爆破振动、爆破飞石和有害气体及粉尘也对作业人员及周边地表建筑构成了较大的危害，爆破开采技术对围岩损伤较大，易进一步诱发“冒顶片帮”的现象，危及生产安全。

部分矿山也在开展非爆破法以及直接机械化的开采方法，其中，非爆破法主要有静态破碎剂、二氧化碳爆破、岩石劈裂机、液压破碎锤、连续采矿机、高压水射流冲击破岩、微波破岩、热冲击破岩、激光破岩、等离子体液电冲击破岩等，其成熟度不够、实质性的工程应用少，大多为辅助破岩技术，难以单独用于采矿的缺点；而地下矿山由于只有一个自由面，对岩石的钳制作用比较明显，直接进行机械作业，存在效率低、进度慢等问题。

因此，亟需一种机械作业与钻爆法联合的用于石膏矿山开采的采矿工艺，以此来解决上述技术问题。

发明内容

本申请提供一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺及系统，用以解决上述背景技术中记载的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

第一方面，本申请提供一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺，包括：

选取目标石膏矿区，排查并消除所述目标石膏矿区的顶帮浮石处的安全隐患；

确定消除安全隐患后的所述目标石膏矿区的工作面，在所述工作面上开设掏槽孔，将所述掏槽孔爆破成掏槽洞；

获取第一液压破碎装置，将所述第一液压破碎装置的破碎头与所述掏槽洞附近的石膏表面垂直，打开破碎装置直至石膏破碎后，停止破碎操作，得到崩落的石膏岩石；

筛选所述石膏岩石中粒径大于预设阈值的石膏岩石，并采用所述第一液压破碎装置对筛选出的所述岩石进行二次破碎，直至二次破碎后的所述石膏岩石的粒径小于所述预设阈值。

可选的，所述目标石膏矿区的整个矿层向东南倾斜，倾角平缓，平均倾角12°左右，厚24.45～41.06m。

可选的，所述排查并消除所述目标石膏矿区的顶帮浮石处的安全隐患，包括：

获取第二液压破碎装置，将所述第二液压破碎装置的破碎头抵接在所述目标石膏矿区的顶帮浮石处，并将所述液压破碎装置的破碎头分别向所述顶帮浮石处的两侧滑动，直至所述顶帮浮石处无矿块掉落。

可选的，所述第二液压破碎装置的压力为160kg/cm

可选的，所述掏槽孔位于所述工作面的中下部，所述掏槽孔呈桶形。

可选的，所述掏槽孔的孔径为38mm-40mm，所述掏槽孔的深度为2.8m-3.2m，所述掏槽孔的间距为1m-1.2m。

可选的，将所述掏槽孔爆破成掏槽洞，包括：

在所述掏槽孔内安装爆破单元，通过引爆所述爆破单元将所述掏槽孔爆破成掏槽洞。

可选的，所述预设阈值为48cm-52cm。

可选的，所述第一液压破碎装置的压力为180kg/cm

第二方面，本申请提供一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿系统，应用于上述所述的石膏矿山机械化采矿工艺，包括：

第一液压破碎装置、第二液压破碎装置、爆破单元和筛选设备；

其中，所述第一液压破碎装置、第二液压破碎装置均包括有破碎头。

1)本申请提供的石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺，通过对选取的目标石膏矿区的顶帮浮石处的安全隐患进行排查并消除；在消除安全隐患后的目标石膏矿区上确定工作面，在工作面上开设掏槽孔，再将掏槽孔爆破成掏槽洞，采用爆破的方法进行掏槽，创造自由面，比直接使用机械作业生产效率更高，速度更快；将第一液压破碎装置的破碎头与掏槽洞附近的石膏表面垂直，打开破碎装置直至石膏破碎后，停止破碎操作，得到崩落的石膏岩石，其中，与爆破作业相比，采用液压破碎装置可以预先精确的确定矿体分裂方向，分裂形状以及需要的尺寸，精度高，作业可控，不会破坏围岩的结构和稳定性，顶板和两帮的稳定性将大大提高，降低出现安全隐患的概率，且采用液压破碎装置开采地下矿山，大幅减小震动、冲击、噪音、粉尘、飞屑等，周围环境基本不会受到影响，爆破噪声、爆破振动、爆破飞石和有害气体将不复存在，矿区地下空气质量也将大大提高，且液压破碎装置数秒钟可完成石膏破碎过程，并且可连续无间断地工作，效率高，运行及保养成本很低，无需像爆破作业那样采取警戒或其它耗时和昂贵的安全措施，也不再需要购买昂贵的雷管和炸药，井下作业人员也将缩减至5-6人，人员安全性高，劳动强度低；筛选石膏岩石中粒径大于预设阈值的石膏岩石，并采用第一液压破碎装置对筛选出的岩石进行二次破碎，直至二次破碎后的石膏岩石的粒径小于预设阈值，最后对采挖的石膏矿石进行转运，其中，与传统的采用炸药对大块矿石进行二次破碎相比，采用第一液压破碎装置进行二次破碎，没有爆破飞石和爆破噪声的困扰，安全可靠性高，破碎效果可控，没有盲炮风险。本申请采用机械化联合钻爆法对石膏矿山进行开采，不仅降低了民爆物品的使用，还大幅提高了生产效率，而且，由于民爆物品一次性用量的剧减，各类爆破有害效应得到明显减弱，安全性大大提高。

2)本申请提供的石膏矿山机械化联合钻爆法采矿系统对石膏矿山进行开采，兼顾不增加成本和不降低产量，一次性投入小，见效快，提高了采矿的安全率，为其他同类矿山的高效开采与安全绿色生产提供了一条崭新的思路，试验结果对其他同类矿山规模化应用提供了一定的借鉴意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺流程框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，也属于本申请保护的范围。

由于石膏矿地下开采以房柱法最为普遍和成熟，主要采用基于化学炸药的钻爆法进行回采，而炸药和雷管等民用爆炸物品属于高危物品，在民用爆炸物品的储存、运输和使用中，由于技术不当或管理疏漏引发的爆破事故也时有发生，是影响矿山安全生产的主要风险点和危险源；同时，爆破噪声、爆破振动、爆破飞石和有害气体及粉尘也对作业人员及周边地表建筑构成了较大的危害，爆破开采技术对围岩损伤较大，易诱发“冒顶片帮”的现象，危及生产安全。而非爆破开采技术包括静态破碎剂、二氧化碳爆破、岩石劈裂机、液压破碎锤、连续采矿机、高压水射流冲击破岩、微波破岩、热冲击破岩、激光破岩、等离子体液电冲击破岩等技术，上述各非爆破开采技术的优缺点如下所示：

静态破碎剂：具有安全环保、施工简单以及控形容易的优点；具有化学反应时间长、效率低、受雨水和温度影响大、临空面要求高、钻孔数量多、存在喷口和碱性危害、需要人工多、单位综合成本高于炸药爆破以及破碎剂成分影响水泥烧成质量的缺点。

二氧化碳爆破：具有安全环保、威力较大以及耗材易购等优点；具有操作繁琐、效率低、临空面要求高、存在噪音以及少量飞石和单位综合成本高于炸药爆破的缺点。

岩石劈裂机：安全环保、速度快、无易损耗材、可循环使用、可由挖掘机改装、安全环保、速度快以及无易损耗材的优点；具有钻孔质量要求较高和产量低的缺点。

液压破碎锤：具有可循环使用、可由挖掘机改装和无需钻孔的优点；具有存在噪音和少量飞石的缺点。

连续采矿机：具有安全环保、适合较软和中硬矿岩、实现连续采矿和采矿效率高的优点；具有成本高；粉尘大；下井困难；构造复杂、机械和液压系统维护保养要求高、巷道环境要求高以及齿轮等耗材磨损快的缺点。

其它非爆破开采方法(高压水射流冲击破岩、微波破岩、热冲击破岩、激光破岩、等离子体液电冲击破岩等)：具有安全环保的优点；具有技术成熟度不够、实质性的工程应用少，大多为辅助破岩技术，难以单独用于采矿的缺点。

由上可知，非爆破开采技术和钻爆法相比，普遍具有安全环保的优势，避免了雷管炸药危险性高、爆破有害效应多、衍生破坏大等害处，对顶板破坏较轻，在一定程度上改善了传统钻爆法的作业条件和作用效果，但也普遍存在成本高、效率低的问题。

作为地下矿山，采场临空面少，对岩石的钳制作用比较明显。因此，静态破碎剂、二氧化碳爆破、岩石劈裂机等对临空面要求较高的开采技术，在露天矿山应用的效果较好，但在地下矿山效果较差。而且，这些开采技术更适合硬质脆性岩石，石膏的普氏硬度系数为2，属于典型的较软岩。

石膏在强度和变形上具有显著的遇水软化特征，《石膏矿地下开采安全技术规范》(AQ 2015-2008)明确提出：采场不宜采用湿式作业，不允许进行洒水或清洗采场矿壁；石膏矿山不宜采用水力凿岩；溜井中的石膏矿石，每次下班前应放空，以免矿石凝结封堵溜井。因此，高压水射流冲击破岩等以水为介质，连续采矿机等粉尘较多，需要洒水降尘的采矿方法，均不适合石膏矿山。

以采煤机为核心的煤矿综采技术已成为煤矿的主流开采技术，并使煤矿的开采由机械化逐步走向自动化、智能化，部分高价值金属非金属矿山也在引进，并取得了良好的效果。经过考察，适合石膏开采的连续采矿机，每台售价高达数百万元，而且需要使用上千伏的高压电，经测算，单纯回采成本就与普通天然石膏原矿坑口价持平，从经济的角度上来讲，该技术不具有在石膏矿山应用的可行性。

综上，液压破碎锤兼顾了安全、环保、效率和投资回报率，可在现有挖掘机上直接进行改装，综合性价比高，但也面临着临空面不足的问题，因此，计划采用先爆破掏槽，增加岩石的自由临空面，为后续液压作业创造有利的力学结构条件，然后再进行机械化开采。因此，本申请公开了一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺，具体实施方案如下：

参考图1，第一方面，本申请提供一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿工艺，包括：

S101、选取目标石膏矿区，排查并消除目标石膏矿区的顶帮浮石处的安全隐患；这样可以避免采矿过程中目标石膏矿区的顶帮浮石处的矿石掉落，对作业人员造成伤害，因而本申请提高了目标石膏矿区采矿过程的安全性。

S102、确定消除安全隐患后的目标石膏矿区的工作面，在工作面上开设掏槽孔，将掏槽孔爆破成掏槽洞；其中，采用爆破的方法进行掏槽，创造自由面，比直接使用机械作业生产效率更高，速度更快。

S103、获取第一液压破碎装置，将第一液压破碎装置的破碎头与掏槽洞附近的石膏表面垂直，打开破碎装置直至石膏破碎后，停止破碎操作，得到崩落的石膏岩石；其中，采用液压破碎装置开采地下矿山，大幅降低震动、冲击、噪音、粉尘、飞屑等，周围环境基本不会受到影响，爆破噪声、爆破振动、爆破飞石和有害气体将不复存在，矿区地下空气质量也将大大提高，且液压破碎装置数秒钟可完成石膏破碎过程，并且可连续无间断地工作，效率高，运行及保养成本很低，无需像爆破作业那样采取警戒或其它耗时和昂贵的安全措施，也不再需要购买昂贵的雷管和炸药，井下作业人员也将缩减至5-6人，人员安全性高，劳动强度低；与爆破作业相比，采用液压破碎装置可以预先精确的确定矿体分裂方向，分裂形状以及需要的尺寸，精度高，作业可控，不会破坏围岩的结构和稳定性，顶板和两帮的稳定性将大大提高，降低出现安全隐患的概率。

S104、筛选石膏岩石中粒径大于预设阈值的石膏岩石，并采用第一液压破碎装置对筛选出的岩石进行二次破碎，直至二次破碎后的石膏岩石的粒径小于预设阈值。其中，与传统的采用炸药对大块矿石进行二次破碎相比，采用液压破碎锤进行二次破碎，没有爆破飞石和爆破噪声的困扰，安全可靠性高，破碎效果可控，没有盲炮风险。

分别采用钻爆法、液压破碎法和本申请公开的机械化联合钻爆法对目标石膏矿区进行开采试验，并对上述三种方法开采石膏矿区过程中的技术经济情况进行统计，统计结果如表1所示：

表1三种方式的技术经济指标表

由表1可知，在开采工效方面，单纯液压破碎法低于钻爆法，这和此前了解的情况一致，采用机械化联合钻爆法后，工效显著提高，几乎和钻爆法持平。而在直接成本方面，使用破碎锤的成本略低于钻爆法，主要是随着数码电子雷管的推广，雷管成本翻了5倍，同时，钻爆法需要的作业人员和管理人员相对更多。

在一些实施例中，本申请中的目标石膏矿区的整个矿层向东南倾斜，倾角平缓，平均倾角12°左右，厚24.45～41.06m。其中，矿层矿石矿物成分较简单，主要为石膏、硬石膏，一般含有纤维石膏，其含纤膏率为0.9～5.5％。采用机械化联合钻爆法对目标石膏矿区进行开采，此外，目标石膏矿区还可以是其它待开采的石膏矿区。

在一些实施例中，本申请中的排查并消除所述目标石膏矿区的顶帮浮石处的安全隐患，包括：获取第二液压破碎装置，将第二液压破碎装置的破碎头抵接在目标石膏矿区的顶帮浮石处，并将液压破碎装置的破碎头分别沿着顶帮浮石处的两侧滑动，直至顶帮浮石处无矿块掉落。其中，第二液压破碎装置的破碎头抵接在目标石膏矿区的顶帮浮石处并分别沿着顶帮浮石处的两侧滑动的目的是：通过第二液压破碎装置的破碎头产生的破碎压力对目标石膏矿区的顶帮浮石处不断进行敲打，在敲打的过程中顶帮浮石处沉积不稳定的矿块不断发生掉落，直至顶帮浮石处无矿块掉落，提高了石膏矿块开采过程中的安全性。

此外，相比行业内采用人工排查并消除目标石膏矿区存在的安全隐患的方式，本申请采用第二液压破碎装置排查并消除目标石膏矿区存在的安全隐患的安全系数高、效率高、效果好。

在一些实施例中，本申请中的第二液压破碎装置的压力为158k-163kg/cm

优选的，第二液压破碎装置的压力为160kg/cm

在一些实施例中，本申请中的掏槽孔位于工作面的中下部，掏槽孔呈桶形。其中，掏槽孔的位置以及形状的设定可以便于将掏槽孔爆破形成掏槽洞，便于第一液压破碎装置的破碎头通过掏槽洞对石膏矿区进行开采，得到石膏矿块。

在一些实施例中，本申请中的掏槽孔的孔径为38mm-40mm，掏槽孔的深度为2.8m-3.2m，掏槽孔的间距为1m-1.2m。其中，掏槽孔的孔径大小以及深度值是为了防止因掏槽孔过大使得由掏槽孔形成的掏槽洞过大，导致石膏矿区的整体结构不稳定的问题；而掏槽孔过小会使得由掏槽孔爆破形成的掏槽洞过小，掏槽洞过小不利于石膏矿块的开采，使得石膏矿块的开采效率降低。本申请给出的掏槽孔的孔径以及深度值是为了确保在有效开采石膏矿块的同时，还不会破坏石膏矿区的整体稳定性，进而确保了石膏矿块开采过程的安全性。优选的，掏槽孔的孔径为40mm，掏槽孔的深度为3m，掏槽孔的间距为1.2m。

在一些实施例中，本申请中的将掏槽孔爆破成掏槽洞，包括：在掏槽孔内安装爆破单元，通过引爆爆破单元将掏槽孔爆破成掏槽洞。其中，爆破单元可以是雷管、炸药等，目的是将掏槽孔爆破成掏槽洞，因此，本申请在此不对爆破单元作进一步限定。由于石膏矿山地下采场只有一个自由面，岩石的钳制作用比较明显，利用液压破碎装置直接进行机械作业，存在效率低、进度慢等问题，先采用钻爆法进行掏槽，创造较多的自由面，比直接作业生产效率更高，速度更快。

在一些实施例中，本申请中的预设阈值为48cm-52cm。其中，预设阈值的目的是为了将经第一液压破碎装置破碎后的石膏矿块的粒径限定在一个范围内，避免因破碎后的石膏矿块的粒径较大不利于石膏矿块的搬运，提高了破碎后的石膏矿块的运输效率。

在一些实施例中，本申请中的第一液压破碎装置的压力为178-183kg/cm

优选的，第一液压破碎装置的压力为180kg/cm

第二方面，本申请提供一种石膏矿山机械化联合钻爆法采矿系统，应用于上述石膏矿山机械化采矿工艺，包括：第一液压破碎装置、第二液压破碎装置、爆破单元和筛选设备；具体的，爆破单元可以是雷管、炸药等，目的是将掏槽孔爆破成掏槽洞，因此，本申请在此不对爆破单元作进一步限定。第一液压破碎装置和第二液压破碎装置均可以为液压破碎锤。筛选设备可以为无轴滚筒筛、矿石分晒机、矿用振动筛等多种具有筛选功能的设备，在实际筛选过程中可以选择合适型号和规格的筛选设备，本申请在此不对筛选设备的型号和规格作进一步限定。可选的，筛选设备的筛选功能也可以通过人工筛选来实现，而相比人工筛选，筛选设备的筛选结果更为准确，筛选效率更高。

其中，第一液压破碎装置、第二液压破碎装置均包括有破碎头。

本申请提供的石膏矿山机械化联合钻爆法采矿系统的具体工作原理如下：

通过第二液压破碎装置的破碎头抵接在目标石膏矿区的顶帮浮石处，并将液压破碎装置的破碎头分别向顶帮浮石处的两侧滑动，直至顶帮浮石处无矿块掉落，以此来排查并消除目标石膏矿区的顶帮浮石处的安全隐患；确定消除安全隐患后的目标石膏矿区的工作面，在工作面上开设掏槽孔，在掏槽孔内安装爆破单元，通过引爆所述爆破单元将掏槽孔爆破成掏槽洞，通过第二液压破碎装置的破碎头将掏槽孔爆破成掏槽洞；；将第一液压破碎装置的破碎头与掏槽洞附近的石膏表面垂直，启动第一液压破碎装置直至石膏破碎后，停止破碎操作，得到崩落的石膏岩石；通过筛选设备筛选石膏岩石中粒径大于预设阈值的石膏岩石，并采用第一液压破碎装置对筛选出的岩石进行二次破碎，直至二次破碎后的石膏岩石的粒径小于预设阈值，再将小于预设阈值的石膏矿块转运出去。

由于石膏等矿山，由于产品价格不高，应用采矿机进行机采的经济投资回报率不足，通过本申请提供的石膏矿山机械化联合钻爆法采矿系统对石膏矿山进行开采，兼顾不增加成本和不降低产量，一次性投入小，见效快，提高了采矿的安全率，为其他同类矿山的高效开采与安全绿色生产提供了一条崭新的思路，试验结果对其他同类矿山规模化应用提供了一定的借鉴意义。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。