一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法

1.本发明涉及水力切割技术应用领域，更具体的涉及一种适用于金属矿薄矿脉坚硬矿体开采的水力切割采矿方法。


背景技术：

2.稀有稀贵金属（金、钼等）是国家战略性矿产资源，其中以薄矿脉（0.8-4m）形式赋存的矿山占 60%以上。薄矿脉赋存条件复杂多变，开采条件差，一方面，多以留矿法（急倾斜）和全面法（缓倾斜）等钻爆法开采，存在采切工程量大，生产不连续，机械化程度低，采场生产能力低，地压防控困难、安全性差，矿石损失贫化大等系列问题；另一方面，采用机械切割开采矿体，但仍存在开采成本高、切割刀具磨损严重等问题，难以在薄矿脉坚硬矿体中进行广泛应用和推广。因此，亟需提出一种适用于薄矿脉高效绿色连续智能化开采的新方法，完善我国薄矿脉金属坚硬矿体高效开采体系。
3.例如，在cn113153293a中公开了一种金属矿脉水射流开采方法，其采用水射流切割分离矿体与废石围岩，在矿体上钻取多个呈阵列分布的定位孔作为炮孔，采用水射流在定位孔周边切割形成导爆缝，导爆缝开口与定位孔连通，通过在定位孔中装填炸药并起爆剥落矿石。该方法属于水力辅助钻爆开采方法范畴，其本质仍是利用炸药冲击波采矿，水力切割仅作为预先造缝卸压的手段。该方法采矿工序繁杂，开采效率较低，同时在后续钻爆开采中难以精准控制炸药当量，易导致矿体超欠挖，不能实现金属矿脉的绿色开采和连续开采。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有采矿方法存在的不足，提供一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，本方法旨在实现金属矿薄矿脉的高效、连续、绿色且智能化开采。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，所述金属矿薄矿脉厚度范围为0.8~1.2m，所述金属矿薄矿脉的坚固性系数f值＞10，所述方法包括如下步骤：s1，矿岩界面识别：利用矿岩界面视觉探测识别装置对金属矿薄矿脉的矿岩界面进行超前识别，并进行三维地质体透视化建模；s2，水力切割矿体：操控在水力切割采矿机上的机械臂前端安装的喷嘴喷出高压磨料水射流，对识别出的矿体边界切割，再对矿体进行网格化切割，以保证采落矿石的块度符合运矿要求；s3，连续运搬出矿：切落的矿石依靠重力与地应力作用落至安装在水力切割采矿机前端的蟹爪处，水力切割采矿机控制蟹爪正转将矿石耙至在蟹爪后端底部铺设的刮板输送机上，通过刮板输送机将矿石运至中部溜井实现溜矿；s4，切割岩石扩帮：利用水力切割采矿机继续操控机械臂进行水力切割岩体，完成
掌子面扩帮工序，保证巷道宽度满足水力切割采矿机的最小行进宽度；s5，尾废均质充填：对扩帮切落的岩石进行就地充填，实现废石不出矿，将采场工作区内所有机械设备悬吊于顶板，并对采空区进行尾废均质充填。
6.优选地，步骤s2中，水力切割采矿机上的机械臂前端安装的喷嘴喷出的高压磨料水射流压力＞50mpa；当高压磨料水射流的出口压力达到100-150 mpa时，喷出的高压磨料水射流的速度达到450-550 m/s；针对坚固性系数f ＞10的硬岩，水力切割采矿机的单次切割深度＞800 mm。
7.优选地，步骤s2中，水力切割采矿机上装配的机械臂为多个，多个机械臂等间距的安装在水力切割采矿机上，每一机械臂的前端均携带有供高压磨料水射流喷出的喷嘴，每一机械臂分别通过一路高压水管接入到形成高压磨料水射流的水力发生装置。
8.优选地，步骤s2中，在对矿体进行网格化切割时，先进行矿石采落，再进行岩石采落；在对矿石进行网格化切割采落之前，先对矿石和岩石轮廓进行切割；在对矿石进行网格化切割采落时，再按照竖切方式和斜切方式交替进行矿石切落，使切落的矿石落矿形状为楔形；在对矿石进行网格化切割采落时，按照横切方式和竖切方式交替进行岩石切落，使切落的岩石落矿形状为方形。
9.优选地，水力切割采矿机上设置有多路对工作面实况画面采集的高清防尘摄像头。
10.优选地，步骤s3中，水力切割采矿机在切割采落矿石后，切落的矿石依靠重力与地应力作用落至水力切割采矿机前端的蟹爪处，通过控制蟹爪正转将矿石耙至在蟹爪后端底板铺设的刮板输送机上，刮板输送机将矿石往采掘工作面的后方连续运搬，并在溜井处进行重力落矿，微型铲运机对落到溜井底部的矿石进行铲装并通过脉外运输平巷运离采矿中段。
11.步骤s4中，掌子面扩帮过程中切落的岩石依靠重力与地应力作用落至安装在水力切割采矿机前端的蟹爪处；步骤s5中，水力切割采矿机控制蟹爪反转，将扩帮切落的岩石往水力切割采矿机的运行前方归拢，被归拢的岩石用作尾废均质充填。
12.本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
13.1.本发明与传统钻爆法和机械切割法相比，利用高压磨料水射流进行水力开采的方式对岩体施工扰动小，射流割缝实现对岩体高地应力的提前释放，降低了岩爆发生的风险，实现对金属矿薄矿脉坚硬矿体的安全开采。
14.2. 本发明利用高压磨料水射流技术，使磨料颗粒和水流经过高压泵加压后，流经高压管路，在射流出口压力达到100-150 mpa，磨料射流速度达到450-550 m/s，针对坚固性系数f＞10以上的硬岩，单次切割深度可达800mm以上，硬岩切割效率得到大大提升，现对金属矿薄矿脉坚硬矿体的高效开采。
15.3.本发明设计的水力切割采矿方法相较钻爆法而言，大大简化了开采流程，核心装备水力切割采矿机具备无人驾驶和远程操控的功能，可随掌子面向前开采自适应推进，
实现对金属矿薄矿脉坚硬矿体的连续开采。
16.4. 本发明水力切割开采过程中由于射流介质的存在，有效降低工作面产生的粉尘和有害气体，开采过程产生的废水废砂进行回收重复利用，实现对金属矿薄矿脉坚硬矿体的绿色开采。
附图说明
17.图1是本发明的流程示意图；图2是本发明的整体空间分布示意图；图3是本发明的水力采矿核心局部示意图；图中，1—金属矿薄矿脉矿体，2—金属矿薄矿脉岩体，3—尾废均质充填体，4—脉外运输平巷，5—人行及材料天井，6—溜井，7—充填井，8—水力发生装置，9—水力切割采矿机，10—微型铲运机；11—移动式充填站；12—矿岩界面视觉识别装置；13—矿岩界面；14—刮板输送机；15—工作面开采方向；16—矿岩运输方向。
具体实施方式
18.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
19.结合图1至图3，本发明的实施例提供了一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其中，所涉及的金属矿薄矿脉厚度范围为0.8~1.2m，岩性质地坚硬，金属矿薄矿脉的坚固性系数f值＞10。该方法具体包括：矿岩界面识别、水力切割矿体、连续运搬出矿、切割岩石扩帮和尾废均质充填五大工序。
20.矿岩界面识别为本发明的第一步工序，该工序利用矿岩界面视觉探测识别装置12对金属矿薄矿脉的矿岩界面进行超前识别，并进行三维地质体透视化建模，为后续水力精准切割采矿提供指导。该工序中涉及到金属矿薄矿脉矿体1、金属矿薄矿脉岩体2、矿岩界面13和矿岩界面视觉识别装置12。矿岩界面视觉识别装置12安设于水力切割采矿机9的机械臂前端，可实现对矿岩界面13的预先识别，为后续水力切割采矿机9的精准切割提供指导。矿岩界面视觉识别装置12进行矿岩界面识别的原理为利用传感器采集到的掌子面矿岩数据来做分析，精准识别出矿岩界面。
21.水力切割矿体是本发明的第二步工序，该工序利用水力切割采矿机9操控携带喷嘴的机械臂切割识别出的矿体边界，再对矿体进行网格化切割，以保证采落矿石的块度符合运矿要求；此外，借助水力切割采矿机9上的矿岩界面视觉识别装置12的智能反馈及自适应调整优势，实现对薄矿脉坚硬矿体的低贫损、高效采矿。实现该工序需要水力发生装置8、人行及材料天井5、水力切割采矿机9和矿岩界面视觉识别装置12；水力发生装置8通过穿过该人行及材料天井5的高压水管与水力切割采矿机9相连，形成对矿体进行水力切割的高压
磨料水射流。水力切割采矿机9的机械臂前端安设有矿岩界面视觉识别装置12，在本步工序中用于水力切割采矿过程中的矿体切割位置等关键信息的反馈。水力发生装置8具体用于将磨料颗粒和水流混合并进行高压加压。
22.水力切割采矿机9可对矿体和岩体进行快速切割，切割速率可自行设置。在本实施例中，水力切割采矿机上的机械臂前端安装的喷嘴喷出的高压磨料水射流压力＞50mpa；当高压磨料水射流的出口压力达到100-150 mpa时，喷出的高压磨料水射流的速度达到450-550 m/s；针对坚固性系数f ＞10的硬岩，水力切割采矿机的单次切割深度＞800 mm；使得对硬岩的切割效率得到大大提升，实现对金属矿薄矿脉坚硬矿体的高效开采。
23.水力切割采矿机9上装配的机械臂为多个，多个机械臂等间距的安装在水力切割采矿机上，每一机械臂的前端均携带有供高压磨料水射流喷出的喷嘴，每一机械臂分别通过一路高压水管接入到形成高压磨料水射流的水力发生装置8。
24.水力切割采矿机9在对矿体进行网格化切割时，先进行矿石采落，再进行岩石采落；在对矿石进行网格化切割采落之前，先对矿石和岩石轮廓进行切割；在对矿石进行网格化切割采落时，再按照竖切方式和斜切方式交替进行矿石切落，使切落的矿石落矿形状为楔形；在对矿石进行网格化切割采落时，按照横切方式和竖切方式交替进行岩石切落，使切落的岩石落矿形状为方形。
25.水力切割采矿机9上设置有多路对工作面实况画面采集的高清防尘摄像头，实现对工作面实况画面的采集，此外，水力切割采矿机支持无人驾驶和远程操控。
26.连续运搬出矿是本发明的第三步工序，在该工序中，切落的矿石依靠重力与地应力作用落至水力切割采矿机前端的蟹爪处，再控制蟹爪正转将矿石耙至在蟹爪后端底板铺设的刮板输送机上，通过刮板输送机将矿石运至中部溜井实现溜矿。实现该工序需要刮板输送机14、溜井6、微型铲运机10和脉外运输平巷4。水力切割采矿机9在切割采落矿石后，切落的矿石依靠重力与地应力作用落至水力切割采矿机前端的蟹爪处，通过控制蟹爪正转将矿石耙至在蟹爪后端底板铺设的刮板输送机14上，刮板输送机14将矿石往采掘工作面后方连续运搬，并在溜井6处进行重力落矿，微型铲运机10对落到溜井6底部的矿石进行铲装并通过脉外运输平巷4运离该采矿中段。
27.刮板输送机14布置于所述水力切割采矿机9的行走方向内侧，实现对矿石的连续运搬。溜井6位于刮板输送机14后端，布置于整个采场中间。
28.切割岩石扩帮是本发明的第四步工序，切割岩石扩帮的目的在于为水力切割采矿机9随工作面开挖前进创造行进空间，该工序具体是利用水力切割采矿机继续操控机械臂进行水力切割岩体，完成掌子面扩帮工序，保证巷道宽度满足水力切割采矿机的最小行进宽度。所述切割岩石扩帮工序中切落的岩石，借助水力切割采矿机9前端装配的蟹爪对岩石进行归拢（水力切割采矿机9控制蟹爪反转，将扩帮切落的岩石往水力切割采矿机的运行前方归拢）。
29.尾废均质充填是本发明的第五步工序，该工序具体为对扩帮切落的岩石进行就地充填，实现废石不出矿，将采场工作区内所有机械设备悬吊于顶板，并对采空区进行尾废均质充填。该工序需要移动式充填站11和充填井7，依靠自流平最终形成尾废均质充填体3。所
述切割岩石扩帮工序中产生的岩石，采用原地充填的方式实现废石不出坑。
30.最后需要指出的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，所述金属矿薄矿脉厚度范围为0.8~1.2m，所述金属矿薄矿脉的坚固性系数f值＞10，所述方法包括如下步骤：s1，矿岩界面识别：利用矿岩界面视觉探测识别装置对金属矿薄矿脉的矿岩界面进行超前识别，并进行三维地质体透视化建模；s2，水力切割矿体：操控在水力切割采矿机上的机械臂前端安装的喷嘴喷出高压磨料水射流，对识别出的矿体边界切割，再对矿体进行网格化切割，以保证采落矿石的块度符合运矿要求；s3，连续运搬出矿：切落的矿石依靠重力与地应力作用落至安装在水力切割采矿机前端的蟹爪处，水力切割采矿机控制蟹爪正转将矿石耙至在蟹爪后端底部铺设的刮板输送机上，通过刮板输送机将矿石运至中部溜井实现溜矿；s4，切割岩石扩帮：利用水力切割采矿机继续操控机械臂进行水力切割岩体，完成掌子面扩帮工序，保证巷道宽度满足水力切割采矿机的最小行进宽度；s5，尾废均质充填：对扩帮切落的岩石进行就地充填，实现废石不出矿，将采场工作区内所有机械设备悬吊于顶板，并对采空区进行尾废均质充填。2.根据权利要求1所述的一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，步骤s2中，水力切割采矿机上的机械臂前端安装的喷嘴喷出的高压磨料水射流压力＞50mpa；当高压磨料水射流的出口压力达到100-150 mpa时，喷出的高压磨料水射流的速度达到450-550 m/s；针对坚固性系数f ＞10的硬岩，水力切割采矿机的单次切割深度＞800 mm。3.根据权利要求1所述的一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，步骤s2中，水力切割采矿机上装配的机械臂为多个，多个机械臂等间距的安装在水力切割采矿机上，每一机械臂的前端均携带有供高压磨料水射流喷出的喷嘴，每一机械臂分别通过一路高压水管接入到形成高压磨料水射流的水力发生装置。4.根据权利要求1所述的一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，步骤s2中，在对矿体进行网格化切割时，先进行矿石采落，再进行岩石采落；在对矿石进行网格化切割采落之前，先对矿石和岩石轮廓进行切割；在对矿石进行网格化切割采落时，再按照竖切方式和斜切方式交替进行矿石切落，使切落的矿石落矿形状为楔形；在对矿石进行网格化切割采落时，按照横切方式和竖切方式交替进行岩石切落，使切落的岩石落矿形状为方形。5.根据权利要求1所述的一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，水力切割采矿机上设置有多路对工作面实况画面采集的高清防尘摄像头。6.根据权利要求1所述的一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，步骤s3中，水力切割采矿机在切割采落矿石后，切落的矿石依靠重力与地应力作用落至水力切割采矿机前端的蟹爪处，通过控制蟹爪正转将矿石耙至在蟹爪后端底板铺设的刮板输送机上，刮板输送机将矿石往采掘工作面的后方连续运搬，并在溜井处进行重力落矿，微型铲运机对落到溜井底部的矿石进行铲装并通过脉外运输平巷运离采矿中段。
7.根据权利要求1所述的一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，其特征在于，步骤s4中，掌子面扩帮过程中切落的岩石依靠重力与地应力作用落至安装在水力切割采矿机前端的蟹爪处；步骤s5中，水力切割采矿机控制蟹爪反转，将扩帮切落的岩石往水力切割采矿机的运行前方归拢，被归拢的岩石用作尾废均质充填。

技术总结
本发明公开了一种适用于金属矿坚硬薄矿脉的水力切割连续采矿方法，包括：S1，矿岩界面识别：利用矿岩界面视觉探测识别装置对金属矿薄矿脉的矿岩界面进行超前识别；S2，水力切割矿体：对识别出的矿体边界切割，再对矿体进行网格化切割；S3，连续运搬出矿；S4，切割岩石扩帮：继续操控机械臂进行水力切割岩体，完成掌子面扩帮工序，保证巷道宽度满足水力切割采矿机的最小行进宽度；S5，尾废均质充填：对扩帮切落的岩石进行就地充填，将采场工作区内所有机械设备悬吊于顶板，并对采空区进行尾废均质充填。本发明利用水力切割采矿机等设备，实现对金属矿薄矿脉坚硬矿体的高效、连续、绿色、智能化开采。化开采。化开采。


技术研发人员：卢义玉 葛兆龙 汤积仁 刘文川 周哲 贾云中 上官剑铭
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/9/14