一種新型地下混裝炸藥車自動(dòng)送管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

田 豐，查正清

（北京礦冶研究總院，北京100160）

一種新型地下混裝炸藥車自動(dòng)送管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

田 豐，查正清

（北京礦冶研究總院，北京100160）

輸藥管自動(dòng)送管系統(tǒng)是地下混裝炸藥車必備的輔助系統(tǒng)之一，北京礦冶研究總院研制了一種新型自動(dòng)送管器及其電液比例控制系統(tǒng)。通過在首鋼礦業(yè)公司杏山鐵礦的應(yīng)用證明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上向扇形炮孔的機(jī)械化送管，可在退管裝藥過程中根據(jù)混裝炸藥輸送速度進(jìn)行比例調(diào)速控制，并且具備孔深探測(cè)等自動(dòng)化功能，系統(tǒng)整體作業(yè)效率能夠滿足地下礦生產(chǎn)實(shí)際需求，可顯著降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

送管器；混裝炸藥車；電液比例控制；乳化炸藥

提高地下采礦工程的機(jī)械化程度，利用增大分段高度等手段降低采準(zhǔn)成本，是目前國內(nèi)外地下礦生產(chǎn)經(jīng)營的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于大多采用崩落采礦法的國內(nèi)地下金屬礦，先進(jìn)、高效的鑿巖鉆孔設(shè)備與落后、低效的人工裝藥爆破之間的矛盾，隨著生產(chǎn)效率的提高而變得越發(fā)明顯。因此，研制實(shí)用、高效的地下礦用混裝炸藥車，已成為近年來炸藥與爆破設(shè)備的熱點(diǎn)研究方向之一［1-4］。

地下礦上向炮孔現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥技術(shù)的關(guān)鍵在于，輸藥管必須從孔底進(jìn)行連續(xù)耦合裝藥，借助混裝炸藥自身的黏性與大氣壓力防止掉藥，輸藥軟管自動(dòng)送管器系統(tǒng)是地下礦混裝炸藥車的必備系統(tǒng)與技術(shù)難點(diǎn)之一。北京礦冶研究總院研制了一套新型履帶式自動(dòng)送管器系統(tǒng)，通過井下應(yīng)用實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上向扇形中深孔的機(jī)械化送管以及退管與裝藥過程的自動(dòng)匹配，可以有效替代人工裝藥，提高裝藥爆破的作業(yè)效率。

1 送管系統(tǒng)的構(gòu)成及主要功能

自動(dòng)送管系統(tǒng)主要由履帶式送管器、輸藥管卷筒、比例液壓控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，其中履帶式送管器與輸藥管卷筒是獨(dú)立設(shè)備，液壓系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)分別與混裝炸藥車的液壓系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行整合。

履帶式送管器是送管系統(tǒng)的核心設(shè)備，其設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。履帶由鏈條與彈性夾塊組成，兩組平行履帶之間有間隙調(diào)節(jié)裝置可夾緊輸藥軟管。履帶由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速來控制送、退管速度。送管器內(nèi)還裝有轉(zhuǎn)速傳感器與壓力傳感器，用于檢測(cè)送管速度、輸送深度與馬達(dá)負(fù)載壓力。

圖1 送管器外形圖Fig.1 Hose pusher

送管器外形尺寸為460mm×300mm×240 mm（長×寬×高），安裝在混裝炸藥車機(jī)械工作臂末端，利用遙控設(shè)備進(jìn)行機(jī)械尋孔。適用輸藥軟管外徑為16～32mm，設(shè)計(jì)最大輸送載荷為2 940N，可用于孔徑80～100mm、孔深40m以內(nèi)、180°范圍內(nèi)任意角度的上向炮孔，速度調(diào)節(jié)范圍為0～20 m/min。

輸藥管卷筒是送管器的輔助設(shè)備，同樣利用液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并采用與送管器相似的方法對(duì)卷筒的方向與轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

電液比例控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各設(shè)備聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵，液壓系統(tǒng)具備的主要功能包括：1）送管器與卷筒均采用比例換向閥進(jìn)行控制，利用車載可編程控制器PLC控制比例閥的方向與閥口開度，利用速度傳感器對(duì)送管器與卷筒的真實(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)送管器與卷筒的轉(zhuǎn)速同步；2）利用流量計(jì)測(cè)量炸藥輸送系統(tǒng)的流量，控制系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)采集的流量數(shù)據(jù)與設(shè)定的炮孔直徑計(jì)算出最佳的退管速度，使裝藥系統(tǒng)與送管系統(tǒng)之間形成穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)比例控制關(guān)系；3）利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)上向送管過程的負(fù)載變化，間接反映炮孔的變形破壞情況［5-7］。

操作人員在車載觸摸式平板電腦上進(jìn)行自控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能設(shè)置，主要參數(shù)包括：1）設(shè)置上向扇形孔各炮孔的設(shè)計(jì)裝藥深度與孔口預(yù)留長度（填塞長度）；2）顯示炮孔的實(shí)際測(cè)量深度，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)設(shè)置的預(yù)留長度計(jì)算出單孔裝藥深度與裝藥量；3）設(shè)定送管器與卷筒的在非裝藥狀態(tài)下的輸送速度。

2 送管系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

自動(dòng)送管系統(tǒng)在首鋼礦業(yè)公司杏山鐵礦進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，杏山鐵礦位于河北省遷安市境內(nèi)，建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石320萬t，采用主副井斜坡道聯(lián)合開拓方式，布置一條主井、一條副井、兩條回風(fēng)井、一條進(jìn)風(fēng)井和一條主斜坡道，階段高度為150m。該礦采用無底柱分段崩落采礦法，分段高度為18.75m，進(jìn)路間距20m，炮孔直徑80～90mm，排距1.9m，一次起爆兩排炮孔，兩排設(shè)計(jì)裝藥量為1 990kg。

送管系統(tǒng)安裝在北京礦冶研究總院新研制的BCJ-41型地下礦用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車，該車采用鉸接式井下專用工程車輛底盤，最大裝藥速度為50 kg/min，乳膠基質(zhì)最大載重量為2.5t，除裝藥系統(tǒng)與自動(dòng)送管系統(tǒng)外，車載設(shè)備還包括液壓系統(tǒng)總成、多自由度送管器機(jī)械工作臂、配電與自動(dòng)化控制系統(tǒng)、生產(chǎn)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 炸藥車整體外觀Fig.2 Overall look of Mixed Loading Truck

裝藥過程中，操作人員站在爆堆上利用無線遙控器控制機(jī)械工作臂使送管器出口對(duì)準(zhǔn)炮孔，并遙控完成送管工序與退管裝藥聯(lián)動(dòng)工序，如圖3所示。

圖3 送管系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Operation of hose pusher system

2.2 送管過程的應(yīng)用效果

送管過程要求兩名工人配合操作，其中一人負(fù)責(zé)使用無線遙控器，另一人負(fù)責(zé)在輸藥管管口安裝起爆彈，并在送管過程中拉緊導(dǎo)爆管防止導(dǎo)爆管打結(jié)。當(dāng)控制系統(tǒng)反饋的送管阻力超壓或輸藥管發(fā)生彎折不能繼續(xù)送管時(shí)，判定為輸藥管已經(jīng)送至炮孔底部。

由于杏山鐵礦采用孔底起爆的方式，為了保證送管過程中起爆彈的安全，送管速度設(shè)定為15 m/min，遠(yuǎn)低于起爆彈安全墜落高度（12m）對(duì)應(yīng)的撞擊速度（15.34m/s）。

分別對(duì)第一排與第二排炮孔進(jìn)行抽樣記錄，第一排抽樣炮孔（1-9＃）的設(shè)計(jì)角度為垂直82°，設(shè)計(jì)孔深25.2m、實(shí)測(cè)孔深26.5m，孔口預(yù)留長度3.5 m；第二排抽樣炮孔（2-6＃）的設(shè)計(jì)角度為垂直82°，設(shè)計(jì)孔深25.2m、實(shí)測(cè)孔深為26.1m，孔口預(yù)留長度8m。

壓力傳感器反饋的馬達(dá)負(fù)載壓力如圖4、5所示，送管速度曲線如圖6、7所示，曲線表明：1）1-9?？椎钠骄?fù)載壓力6.72MPa，2-6?？椎钠骄?fù)載壓力5.68MPa。在炮孔參數(shù)相同的條件下，對(duì)比平均負(fù)載壓力、峰值負(fù)載壓力與峰值出現(xiàn)的次數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)，1-9＃炮孔均明顯高于2-6＃炮孔，峰值送管阻力相差約980N。造成這種現(xiàn)象的主要原因是第一排炮孔受到爆破震動(dòng)影響較大，炮孔變形破壞情況嚴(yán)重，因此馬達(dá)負(fù)載更高。

圖4 1-9?？咨睢?fù)載壓力曲線Fig.4Hole depth and load pressure curve of 1-9＃

2）送管過程的峰值負(fù)載壓力出現(xiàn)在炮孔中段位置上，隨著炮孔深度增加、輸藥管自重增大，壓力曲線的線性增大趨勢(shì)并不明顯。證明影響上向炮孔送管的主要因素是炮孔中段的各種變形破壞，即在送管時(shí)發(fā)生卡管現(xiàn)象。通過馬達(dá)負(fù)載壓力計(jì)算，在卡管位置上的瞬時(shí)阻力可以達(dá)到近1 666N，對(duì)于人工送管來說是很大的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此制約了人工送管很難突破30m孔深，而履帶式機(jī)械送管具備較大的輸送功率，可以實(shí)現(xiàn)40m以上深孔的機(jī)械化送管。

圖5 2-6?？咨睢?fù)載壓力曲線Fig.5 Hole depth and load pressure curve of 2-6＃

圖6 1-9?？咨睢凸芩俣惹€Fig.6 Hole depth and pushing speed curve of 1-9＃

圖7 2-6?？咨睢凸芩俣惹€Fig.7 Hole depth and pushing speed curve of 2-6＃

3）對(duì)比圖6與圖7，當(dāng)送管阻力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，送管器的比例液壓系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證送管速度基本穩(wěn)定保持在15m/min上下。當(dāng)送管阻力突然增大發(fā)生比較嚴(yán)重的卡管情況時(shí)，如圖7中在5m附近發(fā)生了的明顯掉速，這是比例液壓控制系統(tǒng)啟動(dòng)了“防卡管功能”，自動(dòng)降低輸送速度使輸藥管順利通過卡管位置，隨后恢復(fù)正常的送管速度。

2.3 退管裝藥過程的應(yīng)用效果

裝藥前，操作人員需要預(yù)先設(shè)定扇形孔各孔的預(yù)留深度、孔徑、混裝炸藥裝藥速度等參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)的炮孔深度自動(dòng)計(jì)算出各孔的所需裝藥量，以及與裝藥速度和裝藥密度相匹配的退管控制速度。

完成送管工序后，操作人員啟動(dòng)自動(dòng)裝藥程序，送管器、卷筒以及炸藥泵送系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)鎖控制狀態(tài)，輸藥管連續(xù)地邊退出邊裝藥。當(dāng)輸藥管退出到孔口預(yù)留深度時(shí)，炸藥泵送系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，操作人員遙控送管器快速推出輸藥管，完成單孔裝藥全過程。

1-9＃孔的裝藥與退管速度曲線如圖8所示，送管器與卷筒的退管速度如圖9所示。

圖8 裝藥速度與退管速度曲線Fig.8 Hose extracting and charging speed curve

從圖8可知，輸藥管從孔底26.5m至孔口預(yù)留3.5m的退管裝藥過程中，乳膠基質(zhì)流量計(jì)測(cè)得的裝藥速度為48～50kg/min，傳感器測(cè)得送管器的退管速度穩(wěn)定在7m/min。當(dāng)輸藥管退至孔口預(yù)留深度后，炸藥泵送系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，送管器自動(dòng)進(jìn)入快速退管模式以15m/min的速度退出炮孔。

從圖9可知，送管器與卷筒在7～15m/min的調(diào)速退管過程中始終保持速度同步，且響應(yīng)速度較快。

2.4 整體作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)

混裝炸藥車自動(dòng)送管系統(tǒng)在首鋼杏山礦-124 m水平與-143m水平連續(xù)進(jìn)行了多次生產(chǎn)應(yīng)用，累計(jì)裝藥量達(dá)到60t，作業(yè)地點(diǎn)包括回采進(jìn)路與切割巷，其中回采進(jìn)路裝填2排炮孔，每排設(shè)計(jì)12～14個(gè)炮孔，裝藥量2.0～2.5t，總作業(yè)時(shí)間為2.0～2.5h；切割巷裝填1～2排炮孔，每排設(shè)計(jì)9個(gè)炮孔，裝藥量小于1.5t，總作業(yè)時(shí)間約為1.5h。

表1對(duì)某回采進(jìn)路單排扇形孔的送管裝藥效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。表中不包含遙控工作臂尋孔時(shí)間與安裝起爆彈的時(shí)間，尋孔時(shí)間受到環(huán)境與操作熟練程度等因素影響較大，一般第一排炮孔在眉線保護(hù)較好的情況下，總尋孔時(shí)間約為30min，第二排炮孔的總尋孔時(shí)間約為10～15min。當(dāng)眉線破壞情況嚴(yán)重?zé)o法對(duì)孔或由于安全原因，第一排個(gè)別炮孔可能會(huì)被棄用。

圖9 送管器與卷筒的速度曲線Fig.9 Hose pusher and drum speed curve

表1 排面送管裝藥效率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of pushing and charging

4 結(jié)論

自動(dòng)送管系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車實(shí)現(xiàn)地下應(yīng)用的重要輔助工具，北京礦冶研究總院研發(fā)的履帶式自動(dòng)送管系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車在首鋼礦業(yè)公司杏山鐵礦經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論：

1）履帶式送管器可實(shí)現(xiàn)對(duì)上向扇形中深孔的機(jī)械化送管，在送管過程中能夠有效克服炮孔變形產(chǎn)生的輸送阻力，以比較平穩(wěn)的速度完成上向孔快速送管，實(shí)現(xiàn)了井下機(jī)械化裝藥，降低了裝藥工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）送管器比例液壓控制系統(tǒng)能夠根據(jù)裝藥速度自動(dòng)調(diào)節(jié)送管與退管的輸送速度，實(shí)現(xiàn)送管系統(tǒng)與裝藥系統(tǒng)的良好匹配，確保上向炮孔的連續(xù)耦合裝藥。

3）自動(dòng)送管系統(tǒng)具備多種實(shí)用功能，包括自動(dòng)測(cè)量炮孔深度，設(shè)定扇形孔網(wǎng)的各項(xiàng)裝藥參數(shù)，送管與裝藥過程中實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的自動(dòng)連鎖，對(duì)送管速度、流量、裝藥量等各項(xiàng)參數(shù)的控制與統(tǒng)計(jì)記錄等，提高了井下送管裝藥的自動(dòng)化水平。

4）從作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，采用自動(dòng)送管系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車具有較高的工作效率，能夠滿足以杏山礦為代表的地下金屬礦的實(shí)際生產(chǎn)需要，能夠有效降低爆破工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并為地下礦山進(jìn)一步優(yōu)化開采設(shè)計(jì)與生產(chǎn)組織、實(shí)現(xiàn)減員增效提供幫助，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

［1］李 鑫，查正清.分體式井下乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.工程爆破，2012，18（2）：86-88.

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Design and application of a new automatic hose pushing system for Underground Mixed Loading Truck

TIAN Feng，ZHA Zhengqing
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100106，China）

The automatic hose pushing system is one of the necessary auxiliary systems for Underground Mixed Loading Truck.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy has developed a new crawler hose pushing device and its electro-hydraulic proportional control system.The application of this system in Xingshan Underground Iron Mine has proved that it can be used to push mixed explosive loading hose into upward fan holes mechanically，form a proportional speed control with mixed explosive delivery system during the hose extracting and charging process，and had hole depth detection function.The efficiency of this system can satisfy the actual demand of underground mine production，thus it can reduce the labor intensity of workers dramatically.

hose pusher；Mixed Loading Truck；electro-hydro proportional control；emulsion explosive

TD235.2＋2

Α

1671-4172（2015）03-0065-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 （863 計(jì)劃）項(xiàng)目（2011AA060405）

田 豐（1982-），男，工程師，碩士，主要從事炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車機(jī)械設(shè)備方面的研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.014