采矿机械

 

　　采矿机械是直接开采有用矿物和采准工作所用的机械设备包括开采金属矿石和非金属矿石的采掘机械开采煤炭用的采煤机械开采石油用的石油钻采机械。第一台风动圆片采煤机是由英国工程师沃克设计的约于1868年制造成功。19世纪80年代美国有数百口油井用蒸汽为动力的冲击钻钻凿成功1907年又用牙轮钻机钻凿油井和天然气井并从1937年起将它用于露天矿钻进。

 

　　采掘机械用于井下和露天矿山开采的采掘机械有钻炮孔用的钻孔机械挖装矿岩用的挖掘机械和装卸机械钻凿天井竖井和平巷用的掘进机械。

 

　　钻孔机械分为凿岩机和钻机两类钻机又有露天钻机和井下钻机之分。

 

　　凿岩机用于在中硬以上的岩石中钻凿直径为20～100毫米深度在20米以内的炮孔。按其动力不同可分为风动内燃液压和电力凿岩机其中风动凿岩机应用最广。

 

　　露天钻机按破碎矿岩的工作机构不同分为钢绳冲击钻机潜孔钻机牙轮钻机和旋转钻机。钢绳冲击钻机因效率低已逐渐被其它钻机代替。潜孔钻机用钻杆带动风动冲击器和钻头一起旋转利用风动冲击器的活塞冲击钻头破碎矿岩通常用在中小型矿山中钻直径80～250毫米的炮孔。牙轮钻机用牙轮钻头的辗压作用来破碎矿岩适于在硬矿岩上钻直径150～440毫米的孔它具有效率高劳动强度小的优点在大中型露天金属矿中得到广泛应用。潜孔(或牙轮)钻机由冲击器(或钻头)回转机构提升机构加压装置行走机构排渣系统钻架和钻杆组成。旋转钻机只适于钻较软的矿岩和煤。

 

　　井下钻机钻凿孔径小于150毫米的井下炮孔时除应用凿岩机外还可应用80～150毫米的小直径潜孔钻。在煤或较软矿岩中钻直径70毫米以下的炮孔时一般用电力钻或风钻由电动机(或气动马达)带动钻杆钻孔钻出的岩(煤)屑经钻杆上的螺旋槽排出。

 

　　掘进机械利用刀具的轴向压力和回转力对岩面的辗压作用直接破碎矿岩的成巷或成井机械设备。所用刀具有盘形滚刀楔齿滚刀球齿滚刀和铣削刀具。按掘进巷道的不同分为天井钻机竖井钻机和平巷掘进机。天井钻机专门用于钻凿天井和溜井一般不需进入天井操作用牙轮钻头先钻导向孔用盘形滚刀组成的扩孔器向上扩孔。天井孔径一般为500～2500毫米。竖井钻机专门用于一次钻凿成井由钻具系统回转装置井架钻具提升系统和泥浆循环系统组成。

 

　　图1直径9米的竖井钻机为直径9米的竖井钻机成井直径为7.5米。平巷掘进机它是将机械破岩与排渣等工序结合起来并连续进掘的综合机械化设备主要用于煤巷软矿中的工程隧道和中等硬度以上矿岩的中平巷掘进。

 

　　采煤机械采煤作业已由50年代的半机械化发展到80年代的综合机械化。综合机械化采煤广泛应用浅截深式双(单)滚筒联合采煤机(或刨煤机)可弯曲刮板输送机和液压自移支架等设备使回采工作面的破碎落煤装煤运输支护等环节实现全面的综合机械化。

 

　　双滚筒采煤机是落煤机械。电动机经截割部分减速机把动力传递给螺旋滚筒落煤机器的移动靠电动机经牵引部分传动装置来实现。牵引方式基本上有两种即锚链牵引和无锚链牵引。锚链牵引藉助牵引部分的链轮与固定在运输机上的锚链啮合而实现。无锚链牵引则藉助齿轮与固定在运输机上的齿条啮合实现具有较好的防滑性能。由于采煤机具有两个可调高滚筒可以适应顶底板煤层变化一次可采全高。可弯曲刮板输送机不仅是回采工作面的运煤设备也是采煤机的轨道供采煤机在其上牵引运行同时它还是液压支架自移时的支点。

 

　　液压自移支架(图2液压自移支架)在采煤时用支柱撑起顶梁使支架架体撑紧顶板。在推移输送机时则以支架架体为支点推出推移千斤顶使输送机移动一定的距离然后再将支柱收起缩回顶梁使架体与顶板脱离。这时以输送机为支点缩回推移千斤顶则架体被拉向输送机旁。然后再升起支柱撑起顶梁支撑顶板至此完成一个推移过程。

 

　　石油钻采机械又称石油矿场机械分为陆地石油钻采机械和海洋石油钻采机械。

 

　　陆地石油钻采机械按开采工序分为钻井机械采油机械修井机械和维持油井高产的压裂酸化机械。

 

　　钻井机械为开发石油或天然气而钻探或打生产井的全套机械设备。图3石油钻井机为石油钻井机包括井架绞车动力机泥浆循环系统滑车装置系统转盘井口装置和电气控制系统。井架用于装置天车游动滑车和大钩等吊升其它重物上下钻台悬挂井内钻具进行钻进。绞车安装在井架的钻台上将动力机的动力传递到井口的转盘上以带动钻具旋转钻进。它利用绞车卷筒上缠绕的钢绳带动游动滑车系统进行卷扬起下钻杆套管和吊升其它重物到钻台上。动力机是钻井机械的动力源可由柴油机电动机和柴油机发电机组驱动。在超深井钻井时已采用燃气轮发电机驱动和交流可控硅整流系统。泥浆循环系统包括泥浆泵泥浆池泥浆槽和管路循环系统等用于清除孔底岩渣和冷却钻具。滑车装置系统由滑轮组钢绳大钩等组成以起下钻具和进行卷扬工作。井口装置由套管头油管头防喷器和采油树组成。防喷器在钻井时用以控制井下高压油气水层防止发生井喷或其它事故。采油树装设在井口的油管头上由法兰盘三通四通接头闸门及压力表等组成作用是控制地下油气藏以便在合理条件下进行开采。

 

　　采油机械油井开采后地下油源逐渐消耗油井不能继续维持自喷需要用采油机械将油从地下抽出。采油机械有两种型式有杆抽油设备由地面驱动设备(各种抽油机)井底工作机(抽油泵)和能量传递装置(抽油杆)等组成无杆抽油设备有水电活塞机电力离心沉没泵和振动泵几种。

 

　　修井机械用于井下设备和井身的修理。包括修井机和洗井机。

 

　　压裂酸化机械用于使油气井增产。压裂是在油层渗透率低或天然渗透率较差时将高压液体压入地层内造成人工裂缝或扩展地层的原始裂缝并用支撑剂(砂子或其它固体颗粒)填充裂缝在靠近井眼地带造成高渗透区域从而提高油气井产量。压裂机械包括压裂车混砂厂罐车和井口装置等。酸化是向井内注入酸液利用酸对地层的浸蚀作用提高油层渗透率而增加油气产量。也有用酸液压裂的这种方法较单纯压裂或酸化具有更好效果。

 

　　海洋石油钻采机械与陆地石油钻采机械相似分为钻井装置和采油系统。

 

　　海洋钻井装置一般是在海洋钻井平台

 

　　上安装钻机和采油装置并附有生活设施。平台有固定式和移动式两类。固定式平台只适于浅海钻井有普通钢质导管架式重力型深水全钢结构式和腿柱张紧式4种。移动式平台也有4种形式沉淀式自升式丰潜式平台和钻井船。沉淀式平台的总高度(不包括井架)大于工作地区水深其上为甲板下为浮箱中连管柱。钻井时向浮箱中注水使沉垫下沉到海底钻毕将浮箱中的水排出使沉垫升起。吃水较浅的平台可以拖航一般用在水深20～30米的海区。自升式平台周边有3个以上的桩脚桩脚的高度大于工作区的水深可升降和支于海底。钻井时将平台顶起高出海面钻毕先将平台降到水面收起桩脚便可拖航。半潜式平台的结构与沉淀式平台相似高度(不包括井架)为40～50米。它在10～30米的浅水区可支于海底工作在30～200米的深海区可在半潜状态下工作用锚系定位。钻井船形如普通船舶一般用于水深200米以内的海区浮在水面上工作用锚系等方法定位。有的钻井船采用动力定位的先进技术即不用锚系而用一套声纳电子和机械设备自动测量和调节船位。

 

　　海洋钻井装置与陆地钻井装置的区别是前者由于钻深井和超深井为便于向海底下沉特殊井口设备多采用大直径转盘和可移动转盘同时为适应波浪引起的船体(平台)升降运动减少对钻杆柱的弯曲采用具有万向铰接补心的转盘。

 

　　海洋采油系统分为纯平台采油湿式海底采油干式海底采油和平台与海底混合采油4种系统。使用纯平台采油系统时在平台上钻出生产井后将钻机拆除将采油设备安装在平台上。使用湿式海底采油系统时将海底采油设备安装于一定水深的海底并且直接与海水接触采油。使用干式海底采油系统时也将采油设备安装在海底但采油设备用外罩与海水隔开处于罩中的采油设备密闭保持在一个大气压中与陆上的设备一样维护但成本较高。使用混合采油系统时将平台上的采油设备安装在平台甲板以下一定距离的海水中(或海底)而在平台上设置常规的采油树。

 

　　选矿机械

 

　　选矿是在所采集的矿物原料中根据各种矿物物理性质物理化学性质和化学性质的差异选出有用矿物的过程。实施这种过程的称为选矿机械。选矿机械按选矿流程分为破碎粉磨筛分分选(选别)和脱水机械。

 

　　破碎粉磨筛分分级机械破碎机械常用的有颚式破碎机旋回破碎机圆锥破碎机辊式破碎机和反击式破碎机等。粉磨机械中使用最广的是筒式磨机包括棒磨机球磨机砾磨机和自磨机等。筛分机械中常用的有惯性振动筛和共振筛。水力分级机和机械分级机是湿式分级作业中广泛使用的分级机械。

 

　　分选(选别)机械按作用原理分为重力选矿机械磁选机浮选机和特殊选矿机械。分选机械中出现最早的是重力选矿机械最初的活塞式跳汰机于1830～1840年在德国出现用于金属矿分选。第一台磁选机(带式弱磁选机)于1888年问世。浮选机出现较晚第一台浮选机(机械搅拌式的)出现于1910年。

 

　　重力选矿机械利用矿粒与矸石的密度和粒度的差异在运动介质(空气水悬浮液或重液)中进行分选的设备包括跳汰机重介质选矿机和离心选矿机。跳汰机藉助隔膜活塞或压缩空气使水箱中的水形成水流使置于筛网上的矿粒在脉动水流作用下按密度粒度分层。密度大的矿粒穿过筛网上的床石层聚集在水箱底部成为精矿由排矿口排出。筛网上的中尾矿由筛上排矿装置排出。用于分选金属矿的主要有梯形跳汰机双室可动锥底跳汰机和复振式跳汰机用于选煤的有侧鼓式跳汰机和筛下空气室跳汰机。重介质选矿机用悬浮液或重液作为重介质使矿粒与矸石分离。主要有重介质振动溜槽重介质旋液器斜轮重介质选煤机和立轮重介质选煤机。斜轮重介质选煤机是主要选煤设备之一由分选槽排放重产物的提升轮排煤轮传动装置等部件组成。在上升和水平二股悬浮液流作用下煤与矸石在分选槽内分离煤由排煤轮排出密度较悬浮液大的矸石由提升轮提升并排出。离心选矿机用于回收微细矿泥中的金属矿粒主要由主机与控制机构两部分组成。在主机锥形转鼓高速旋转所产生的离心力场中重矿粒沉积到转鼓壁上成为精矿轻矿粒附在精矿表面受到流膜(矿浆流)作用排出转鼓成为尾矿。它适用于从微细矿泥(74～10微米)中分选出有用矿物在钨锡等选矿厂得到广泛使用。

 

　　磁选机利用各种矿物的磁性差异藉助磁力和机械力对矿物的作用进行分选。磁选机由磁力系统分选装置给矿和排矿装置组成。磁选机种类很多有永磁筒式磁选机电磁平环强磁选机和高梯度强磁选机等。

 

　　浮选机利用矿粒表面物理化学性质的差异对细粒矿物进行分选。矿粒浮选机附有浮选药剂靠压缩空气或机械搅拌使不易被水润湿的矿粒附着在气泡上(正浮选法)升至液面通过排矿装置作为精矿排出易被水润湿的矿粒留在槽体中作为中尾矿排出。

 

　　机械搅拌式浮选机为机械搅拌式浮选机其类型有平叶轮式和棒叶轮式两种。矿用浮选柱和煤用喷射旋流式浮选机则属于无搅拌式浮选机。

 

　　特殊选矿机械特殊选矿机械的类型很多有利用矿粒通过电场时作用在其上的电性(导电性介电常数)差异进行分选的电选机利用矿粒光学特性(颜色反射率透射率)和放射性差异对矿粒进行分选的光电拣选机Ｘ光拣选机和放射性拣选机等。这些机械广泛应用于石棉金刚石和铀等矿物的分选。

 

　　脱水机械湿式选矿所得的精矿需要经过脱水机械处理以使固液体分离。脱水机械可分为浓缩机过滤机离心脱水机和干燥机。浓缩机主要由浓缩池和机械刮泥板组成。矿浆在浓缩池中沉淀经刮泥板刮集到池中心的排矿口排出。过滤机，主要有真空过滤机和压滤机两种其中筒式和盘式真空过滤机是选矿厂使用的主要过滤设备。压滤机具有过滤强度高和固，液体分离率高等优点。离心脱水机分为过滤离心机和沉降离心机用于选煤脱水。干燥机靠蒸发脱水(见干燥器)其结构有筒式和管式两类。设备简单但运转费用高使用场合不多。

 

　　参考书目

 

　　宁恩浙主编《采掘机械》冶金工业出版社北京1980。

 

　　陈玉凡主编《矿山机械》(钻孔机械部分)冶金工业出版社北京1981。

 

　　国外采煤工作面综合机械化设备编译组编《国外采煤工作面综合机械化设备(参考资料)采煤机械》煤炭工业出版社北京1979。