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矿山机械

[拼音]:kuangshan jixie

[外文]:mining machinery

直接用于矿物开采和富选等作业的机械,包括采矿机械和选矿机械。探矿机械的工作原理和结构与开采同类矿物所用的采矿机械大多相同或相似,广义说也是一种矿山机械。矿山作业中还应用大量的起重机、输送机、通风机和排水机械。

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。

(1)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。

(2)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,已逐渐被其他钻机代替。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。

(3)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。

(1)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。

(2)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为直径9米的竖井钻机,成井直径为7.5米。

(3)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。锚链牵引借助牵引部分的链轮与固定在运输机上的锚链啮合而实现。无锚链牵引则借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)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。

(1)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,吊升其他重物上下钻台,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、套管和吊升其他重物到钻台上。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,防止发生井喷或其他事故。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。

(2)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。

(3)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。

(4)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(砂子或其他固体颗粒)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。

(1)海洋钻井装置:一般是在海洋钻井平台(图4)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。

(2)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。

(1)跳汰机:借助隔膜、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。

(2)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(图5)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。

(3)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,借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。图6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。

(1)浓缩机:主要由浓缩池和机械刮泥板组成(图7)。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。

(2)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。

(3)离心脱水机:分为过滤离心机和沉降离心机,用于选煤脱水。

(4)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
  1. 宁恩浙主编:《采掘机械》,冶金工业出版社,北京,1980。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 沈阳选矿机械研究所编:《选矿机械》,机械工业出版社,北京,1974。
  5. 袁楚雄等编:《特殊选矿》,中国建筑工业出版社,北京,1982。

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