[发明专利]等离子体切割与机械动态拉剪破岩组合的采掘机及采掘方法

说明书

一种等离子体切割与机械动态拉剪破岩组合的采掘机及采掘方法，包括多悬臂式采掘机本体、等离子电磁复合切割机械臂和岩体拉剪装置；所述多悬臂式采掘机本体的第一悬臂上固定有摇臂截割装置，所述等离子电磁复合切割机械臂固定在摇臂截割装置的活动端上作为摇臂截割装置的截割部，所述多悬臂式采掘机本体的第二悬臂上安装有岩体拉剪装置，本发明利用岩石抗压强度远大于抗拉强度的客观事实，利用等离子体切割硬岩结合机械动态拉剪破岩的技术，从而能够很好的发挥等离子体热能破岩和机械拉剪破岩各自的特性和优势，极大地提高破岩掘进效率。

技术领域

本发明涉及一种等离子体切割与机械动态拉剪破岩组合的采掘机及采掘方法。

背景技术

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭，深部矿产资源开采已然趋于常态。进入深部开采环境的矿山，尤其在矿床埋藏深、岩温高、岩爆倾向大、品位低、开采强度大的条件下，钻爆法破岩依然是硬岩矿山巷道掘进和采矿的主导方法。相比于钻爆法破岩，非爆机械化破岩因具有作业连续、围岩损害小、开挖扰动轻、安全性高等优点。但因深部金属矿岩坚硬致密、且应力高，使得传统机械切割设备难以适应于硬岩矿山开采。

目前非爆机械化破岩装置中，单轴抗压强度小于30MPa的Ⅵ类及以上软岩可以采用连续采矿机、掘锚机实现截割，具备较佳的截割性；单轴抗压强度在30～80MPa的Ⅳ、Ⅴ类中硬岩，可以采用中、重型掘进机实现经济截割；单轴抗压强度在80～120MPa的Ⅲ类硬岩截割难度较大，可以采用超重型掘进机进行掘进；但是单轴抗压强度在120MPa以上的Ⅰ类、Ⅱ类极硬岩已经较难进行机械化掘进。

现有非爆机械化破岩装置有水射流切割、激光切割、刀具旋转切削、刮削、研磨切削等方式破岩，这些装置主要以压剪破岩为主，由于岩石抗压强度要远远大于其抗拉、抗剪强度，因此，改进掘进设备的关键技术和革新凿进破岩方式是实现深部矿山机械化连续回采的必要途径。

近些年来，为了提高掘进机的破岩效率，各个国家采用非常规法辅助破岩，如等离子体、微波、火焰矩、水射流、钻孔劈裂和超临界水燃烧等，这些辅助破岩方式摒弃常规钻头，应用各种方式在井下产生数几千摄氏度的高温，加热岩石使其膨胀、裂解、融化和蒸发。其中，等离子体破岩是一种可以产生强大高压脉冲的破岩方法，可以利用高温等离子体产生冲击应力波，实现对坚硬岩石的快速破碎。这种方法具有破岩效率高、深部硬岩掘进成本低等优点，是目前为止具有潜力、接近工业化的破岩方式。

目前，俄罗斯、美国、欧盟、日本和等国家和地区都对等离子体挖掘技术进行了研究和开发。2013年英国的Exeter大学用SelFrag高压脉冲破碎仪对20种不同的岩石进行脉冲放电破岩实验，确定了高压脉冲的放电次数和放电电压是影响破岩效果的主要因素。美国Petra公司正在研发将多个高达27000摄氏度的等离子炬钻放置在巨大挖掘盘上。2022年清华大学刘晓丽提出热能机械耦合破岩的TBM搭载高压电脉冲装置新技术，通过热能作用和电力学作用，实现等离子体破岩在隧洞工程的应用。这种方式比传统机械式挖掘方案要快很多，成本也更低。但是，目前等离子技术局限于掘进，电力学作用产生千兆级应力，然后通过热能作用诱导岩石高温熔化，对开采深部金属资源在一定程度上具有局限性，无法实现对破碎及熔化后的矿石进行回采，造成矿山资源的浪费。

发明内容

本发明解决现有技术的不足而提供一种采用等离子体切割和岩体拉剪装置协同动作实现快速采掘的等离子体切割与机械动态拉剪破岩组合的采掘机及采掘方法。