張青成

(金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100070)

0 引言

礦產(chǎn)資源屬于不可再生的自然資源，也是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的必備資源。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多礦山淺部礦產(chǎn)資源已開(kāi)發(fā)殆盡，已出現(xiàn)大量由淺部逐漸進(jìn)入深部的礦山。而深部地下礦山開(kāi)采環(huán)境復(fù)雜，存在高應(yīng)力、高溫、高孔隙水的典型“三高”問(wèn)題，若要安全高效開(kāi)采深部礦產(chǎn)資源，就需要革新淺部資源開(kāi)采理念及實(shí)踐技術(shù)。當(dāng)前深部開(kāi)采大多仍采用淺部開(kāi)采方式，即井巷法，該法受制于鑿巖設(shè)備及操作人員水平，礦產(chǎn)資源采出能力低下。多數(shù)淺部礦山巷道掘進(jìn)爆破也存在類(lèi)似難題，即巷道掘進(jìn)的速度與質(zhì)量成為制約開(kāi)采能力的主要因素。因此，革新采礦技術(shù)和配套設(shè)備是面對(duì)當(dāng)前深部復(fù)雜多變開(kāi)采環(huán)境的關(guān)鍵。本文結(jié)合礦山深部巷道掘進(jìn)的特點(diǎn)，基于“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化少人”的指導(dǎo)思路，結(jié)合國(guó)外某銅礦，采用智能鑿巖臺(tái)車(chē)對(duì)井下高溫高壓巷道進(jìn)行爆破掘進(jìn)作業(yè)，試驗(yàn)和工程應(yīng)用結(jié)果表明，該方法具有高效性和穩(wěn)定性，極大地加快了生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)度，避免了一些外界客觀條件的干攏。

1 智能鑿巖臺(tái)車(chē)的由來(lái)

1977 年，挪威Ingenior Thro Funaholmen A/S公司試制出了第一臺(tái)自動(dòng)控制的隧道鑿巖鉆車(chē)，實(shí)現(xiàn)了電腦控制單臂鉆車(chē)定位和鉆孔。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，于 1987年制造出可根據(jù)鑿巖方案來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位和鑿巖，整車(chē)采用激光導(dǎo)向，炮孔鉆鑿已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，可隨時(shí)顯示炮孔的三維坐標(biāo)、鉆進(jìn)速度及工程實(shí)況，極大地減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了作業(yè)質(zhì)量及進(jìn)度。20世紀(jì)70年代末，英國(guó)Perard Torgue Tension研發(fā)出一款具有自動(dòng)鉆孔功能的電腦輔助掘進(jìn)鉆車(chē)，該設(shè)備采用激光導(dǎo)向、內(nèi)置自動(dòng)定位程序，降低了對(duì)專(zhuān)業(yè)操作人員的依賴(lài)。20世紀(jì)80年代初，Secoma研發(fā)出一款Seco-ma70型程序以及配備自動(dòng)鑿巖功能的掘進(jìn)臺(tái)車(chē)；同時(shí)代的日本東洋公司也先后研制出帶有自適應(yīng)控制的THMJ和THCJ等系列型號(hào)的樣機(jī)，可使臺(tái)車(chē)機(jī)械臂的定位誤差達(dá)到5 cm，定位時(shí)間控制在25 s。在此之后，德國(guó)的 Salzgitter機(jī)械公司研制出一款電腦自動(dòng)控制的BW45P型鑿巖機(jī)，實(shí)現(xiàn)了炮孔從定位、開(kāi)孔、停鉆和回退的全自動(dòng)控制，可精確實(shí)現(xiàn)巷道爆破設(shè)計(jì)方案所需要的各類(lèi)炮孔，且孔底誤差僅為1 cm，重新鉆孔定位所耗時(shí)間約為 10 s。法國(guó) Montabert公司的Robtore型鑿巖臺(tái)車(chē)，鑿巖工作均由電腦通過(guò)傳感器和電液閥進(jìn)行檢測(cè)與控制，同時(shí)可儲(chǔ)存大量爆破設(shè)計(jì)圖。20世紀(jì)80年代，Bever公司為通過(guò)電腦控制的掘進(jìn)臺(tái)車(chē)內(nèi)嵌了全自動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)軟件，該軟件將工程質(zhì)量、計(jì)劃進(jìn)度及工程管理等功能集成為一套數(shù)據(jù)系統(tǒng)，尤其是炮孔鉆進(jìn)記錄模塊顯著提升了工程質(zhì)量。芬蘭Tamrock公司于1986年展出了三臂智能鑿巖鉆車(chē)，其電子控制系統(tǒng)ECU與Bever數(shù)據(jù)系統(tǒng)類(lèi)似，鉆機(jī)可根據(jù)巷道斷面炮孔布置情況自動(dòng)定位、鉆孔，并顯示鉆進(jìn)速度等參數(shù)，這些參數(shù)為后續(xù)圍巖條件變化時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)炮孔布置參數(shù)提供了依據(jù)。之后，Robot Boomer型掘進(jìn)臺(tái)車(chē)在瑞典基律納鐵礦應(yīng)用，全部工序完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，且在硬巖中鉆孔速度可達(dá)3.6 m/min，里程碑的事件是該臺(tái)車(chē)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和控制[1-4]，開(kāi)啟了鉆爆智能化的時(shí)代。

2 智能掘進(jìn)臺(tái)車(chē)工程實(shí)踐

某銅礦采深近800 m，礦體圍巖多為石英巖、片麻巖和變質(zhì)花崗巖，巖石普氏系數(shù)約為10，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富。巷道內(nèi)溫度常年45℃左右，同時(shí)該水平承擔(dān)著當(dāng)前東南礦體整體采礦出礦任務(wù)，開(kāi)拓巷道和采切巷道工程量較大，巷道設(shè)計(jì)尺寸為4.5 m×4.5 m。巷道掘進(jìn)工程均采用爆破掘進(jìn)，鑿巖以人工鑿巖臺(tái)車(chē)為主，輔助以風(fēng)動(dòng)式鑿巖機(jī)，這種作業(yè)方式對(duì)于淺部采礦很適用，但隨著采深增加，地溫逐漸升高，圍巖節(jié)理裂隙越來(lái)越發(fā)育，輔助作業(yè)時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。造成鑿巖時(shí)間變長(zhǎng)和炮孔成型質(zhì)量變差，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)的爆破效果和效率。在通風(fēng)井打通之前，井下高溫暫時(shí)無(wú)法解決，嚴(yán)重影響了操作人員的身心健康和工作態(tài)度；在破碎圍巖中進(jìn)行爆破掘進(jìn)，需要操作人員有較豐富的爆破經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)當(dāng)前缺少成熟爆破操作人員和井下高溫的情況，自動(dòng)化和智能化的作業(yè)方式無(wú)疑是首選。

采用智能化作業(yè)方式可以減少人為操作帶來(lái)的誤差和井下作業(yè)人員，也能為礦山工作者提供較舒適的工作環(huán)境。同時(shí)采用智能鑿巖設(shè)備，可以減少巷道測(cè)量放線的工作時(shí)間，也間接減少了鑿巖爆破作業(yè)時(shí)間，降低了輔助工種的工作強(qiáng)度。

2.1 DD422i智能掘進(jìn)臺(tái)車(chē)

DD422i是一款高度自動(dòng)化和智能化的雙臂巷道/隧道掘進(jìn)臺(tái)車(chē)，如圖1所示。

DD422i智能鑿巖臺(tái)車(chē)具備自動(dòng)定位、鉆進(jìn)、移位及微調(diào)孔位等功能，雙臂可獨(dú)立運(yùn)行。同時(shí)根據(jù)巖石條件變化情況，在無(wú)人工輔助的情況下，內(nèi)嵌軟件系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整鉆爆參數(shù)。它的自動(dòng)防卡釬功能能快速解決卡釬等問(wèn)題，對(duì)操作及維修等人員的依賴(lài)性較低。該設(shè)備車(chē)安裝了iSURE智能化設(shè)計(jì)軟件，鉆孔時(shí)可按照定位基準(zhǔn)面保證巷道斷面內(nèi)各類(lèi)型炮孔孔底在同一水平面或設(shè)計(jì)位置，保證了炮孔成型質(zhì)量，該功能保證了爆破方案在工程實(shí)踐中的穩(wěn)定實(shí)施。DD422i智能鑿巖掘進(jìn)臺(tái)車(chē)性能主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 DD422i鑿巖臺(tái)車(chē)

表1 智能掘進(jìn)臺(tái)車(chē)DD422i 性能主要參數(shù)

2.2 DD422i鑿巖臺(tái)車(chē)的應(yīng)用

該銅礦隨著采礦深度的逐年加大，巷道圍巖破損情況越來(lái)越嚴(yán)重，地?zé)崴Φ炔焕麠l件也頻發(fā)，采用半自動(dòng)化臺(tái)車(chē)鉆孔，人工裝填卷狀炸藥等作業(yè)方式已造成生產(chǎn)效率低、成本高等一系列問(wèn)題。針對(duì)上述難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)炮孔高效裝藥，更換包裝炸藥，采用散體或膏體狀的炸藥。試驗(yàn)時(shí)采用 NORMAT公司生產(chǎn)的井下乳化混裝車(chē)對(duì)水平炮孔進(jìn)行裝藥。使用乳化混裝炸藥要注意將乳化混裝炸藥的機(jī)械感度維持在低水平，使其具有良好的輸送性能（流動(dòng)性或黏結(jié)性）[5-8]。為減少炸藥爆炸能對(duì)巷道圍巖造成的不必要破損，周邊孔通常采用徑向和軸向不耦合的裝藥方式來(lái)降低爆炸能和減少炸藥對(duì)周邊圍巖的破壞。但底孔由于鉆孔等外因通常處于有水的環(huán)境中，需采用防水炸藥。因此，巷道鉆爆掘進(jìn)時(shí)，掏槽孔、輔助孔及周邊孔采用混裝乳化炸藥，其余孔采用卷裝炸藥。

采用混裝乳化炸藥進(jìn)行巷道掘進(jìn)爆破時(shí)，炮孔裝填炸藥實(shí)現(xiàn)了徑向耦合裝藥，明顯增大了炸藥使用量，易導(dǎo)致直孔掏槽時(shí)孔底巖石的壓死效應(yīng)或過(guò)粉現(xiàn)象（造成不必要的浪費(fèi)）。因此，采用混裝乳化炸藥進(jìn)行巷道爆破時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

（1）盡量增大空炮孔直徑，使空炮孔容積至少為掏槽體積的10%；

（2）掏槽區(qū)域采用裝藥孔與空孔相互間隔布設(shè)；

（3）增大相鄰炮孔的起爆時(shí)差，若采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管時(shí)，則低段位的雷管應(yīng)跳段使用[5]。

參照過(guò)往研究資料[9-10]，設(shè)計(jì)了爆破試驗(yàn)方案，孔深為4.9 m，鉆頭直徑為45 mm，炮孔總數(shù)為64個(gè)，其中，1號(hào)～4號(hào)炮孔為空孔，5號(hào)～37號(hào)炮孔采用Φ38 mm卷狀炸藥，38號(hào)～57號(hào)炮孔裝填Φ25 mm炸藥，58號(hào)～64號(hào)炮孔裝填Φ38 mm炸藥，巷道鉆爆掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。典型巷道斷面炮孔布置形式如圖2所示。

表2 巷道鉆爆掘進(jìn)參數(shù)

圖2 炮孔布置(單位：mm)

DD422i鑿巖臺(tái)車(chē)在巷道中鑿巖順序?yàn)榈卓住苓吙住筒劭住o助孔，雙臂保持對(duì)稱(chēng)鑿巖。施工工藝流程：

（1）采用iSURE智能化設(shè)計(jì)軟件建立新的巷道項(xiàng)目；

（2）將爆破資料（主要炮孔布設(shè)圖和爆破參數(shù)）輸入iSURE軟件，該軟件可自行根據(jù)巖石各類(lèi)指標(biāo)和炸藥性能參數(shù)，給出巷道鉆爆斷面炮孔布置圖及爆破參數(shù)一覽表等；

（3）在遠(yuǎn)程控制暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可采用移動(dòng)設(shè)備將設(shè)計(jì)資料復(fù)制到智能臺(tái)車(chē)的電控設(shè)備中；

（4）定位采用激光信號(hào)，巷道與臺(tái)車(chē)均安裝激光定位系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車(chē)在巷道中的定位；

（5）先整體后局部的思維來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔定位，即采用激光定位先車(chē)后鉆；

（6）爆破后，采用人工或三維掃描等方式，將鉆爆效果參數(shù)儲(chǔ)存到專(zhuān)家系統(tǒng)中，以期指導(dǎo)下個(gè)循環(huán)的爆破設(shè)計(jì)等。

2.3 試驗(yàn)分析

在一條獨(dú)頭巷道進(jìn)行了 20余次工業(yè)試驗(yàn)，部分試驗(yàn)效果如圖3所示。

統(tǒng)計(jì)20余次爆破試驗(yàn)，DD422i雙臂鑿巖臺(tái)車(chē)在該工程中的單炮孔成孔時(shí)間約為2 min，即鉆速為2.35 m/min，轉(zhuǎn)臂時(shí)長(zhǎng)約為15 min（包括轉(zhuǎn)移和對(duì)中時(shí)間），全斷面成孔時(shí)長(zhǎng)約為120 min，裝藥時(shí)間約為50 min。對(duì)比人工操作的雙臂鑿巖臺(tái)車(chē)的歷史數(shù)據(jù)可知，智能鑿巖臺(tái)車(chē)在轉(zhuǎn)臂時(shí)長(zhǎng)耗時(shí)上幾乎減少了近30 min；采用混裝乳化炸藥裝藥車(chē)裝藥耗時(shí)也縮短了近40 min，整個(gè)流程耗時(shí)節(jié)省約70 min，由于采用了智能化設(shè)備，大大節(jié)省了人力，更降低了工人的工作強(qiáng)度。同時(shí)試驗(yàn)時(shí)的平均進(jìn)尺約為4.51 m，炮孔利用率為92%，人工操作的鑿巖臺(tái)車(chē)的平均進(jìn)尺為3.06 m（炮孔深度為3.4 m），炮孔利用率為90%，對(duì)比可知，智能鑿巖臺(tái)車(chē)在爆破效果方面也有較大優(yōu)勢(shì)。

圖3 巷道爆破效果

3 結(jié)論

（1）智能化的鑿巖臺(tái)車(chē)配合裝藥臺(tái)車(chē)作業(yè)，能很好地適應(yīng)礦巖條件較差（破碎圍巖）和井下高溫作業(yè)環(huán)境，作業(yè)效率高，并改善了爆破效果，也降低了爆破單價(jià)。

（2）智能鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械化作業(yè)線降低了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的依賴(lài)，也解決了當(dāng)前礦山面臨的人工荒難題，同時(shí)踐行了“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”的方針。

（3）智能鑿巖臺(tái)車(chē)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，減少了人工操作帶來(lái)的誤差和誤判，為未來(lái)地下礦山“無(wú)人化”開(kāi)采提供了技術(shù)支持。