無底柱分段崩落法開采過程的機(jī)械化應(yīng)用研究

韓鵬舉 ,趙書剛

(1.八鋼礦業(yè)富蘊(yùn)蒙庫鐵礦有限責(zé)任公司,新疆 富蘊(yùn) 836100;2.中冶武勘工程技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430000)

0 引言

2015 年6 月,國家安監(jiān)局下發(fā)了《關(guān)于開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)的通知》,意在從根本上減少煤礦、金屬非金屬礦山、危險(xiǎn)化學(xué)品和煙花爆竹等重點(diǎn)領(lǐng)域的重大事故發(fā)生,實(shí)現(xiàn)“零死亡”目標(biāo)[1-3];2017 年1 月,國務(wù)院印發(fā)《安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》,始終圍繞礦山等高危行業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤皺C(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”,推廣和普及智能裝備在礦山中的應(yīng)用,減少相關(guān)高危崗位的作業(yè)人員數(shù)量[2];同年,國家安監(jiān)總局、國家煤監(jiān)局印發(fā)《單班入井超千人礦井科技減人工作方案》明確提出,要依靠科技進(jìn)步,加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)裝備的研發(fā)、簡化生產(chǎn)工藝、減少生產(chǎn)流程,深入推進(jìn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”[4]。

為響應(yīng)國家相關(guān)政策要求,許多礦山企業(yè)進(jìn)行了不同的探索,夏會(huì)輝等研制了自吸式潛水泵和風(fēng)泵、轉(zhuǎn)載點(diǎn)自動(dòng)噴霧裝置、乳化液泵站自動(dòng)供水裝置等,滿足正常抽水、防塵、供水作業(yè)要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了科技減人的目標(biāo)[5];胡成軍等建立了煤矸分時(shí)分運(yùn)系統(tǒng)、探索應(yīng)用深淺孔聯(lián)合注漿巷修工藝、研發(fā)綜采工作面成套回撤工藝等,大幅減少生產(chǎn)成本和人員數(shù)量[6];蔡德芳等從勞動(dòng)組織方面出發(fā),簡化礦井系統(tǒng),優(yōu)化勞動(dòng)組織,提升四化水平,實(shí)現(xiàn)礦井減人提效目標(biāo)等[7];侯占友等認(rèn)為應(yīng)推進(jìn)勞動(dòng)定額定員管理融入生產(chǎn),并規(guī)范勞動(dòng)用工管理來達(dá)到減人增效的目標(biāo)[8]。隨著礦山機(jī)械化水平不斷提高,減人提效必將成為主流[9]。

蒙庫鐵礦采用豎井-平硐-主斜坡道聯(lián)合開拓,采礦方法為無底柱分段崩落法,礦山生產(chǎn)過程包括鑿巖、爆破、浮石清理、二次破碎、巷道支護(hù)、溜井施工等作業(yè)工序,均以人工施工為主,依靠人工手持式鑿巖機(jī)和撬毛工具等作業(yè)。人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且危險(xiǎn)性較高,工作現(xiàn)場冒頂、碎片飛濺、粉塵、浮石打擊等對操作人員的存在極大安全隱患,并且人工作業(yè)清理浮石不徹底等,易留下事故隱患威脅巷道作業(yè)安全。蒙庫鐵礦針對地下巷道安全風(fēng)險(xiǎn),采取從結(jié)果管理向過程精細(xì)化管控轉(zhuǎn)變,采用過程和結(jié)果“雙管齊下”的方式,控制采掘工藝流程中巷道頂板等的安全風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)化采掘工藝,降低采掘施工安全風(fēng)險(xiǎn),逐步推進(jìn)各工序機(jī)械化作業(yè),確保生產(chǎn)安全進(jìn)行。

1 礦區(qū)概況

蒙庫鐵礦位于阿爾泰山中部的西南山區(qū),是新疆北部一座規(guī)模最大的鐵礦床。礦體厚度最大35.53 m,最小2.89 m,平均12.99 m,厚度分布頻率以5～10 m 居多,總體走向約300°左右,傾向NE,傾角75°～89°。蒙庫鐵礦圍巖主要為角閃變粒巖,僅在礦體西端見少量條帶狀角閃變粒巖,其他礦體圍巖主要為條帶狀角閃變粒巖、角閃變粒巖、黑云角閃片麻巖,圍巖與礦體呈整合接觸關(guān)系。礦床礦石礦物成分復(fù)雜、種類繁多,以磁鐵礦礦石為主,礦體內(nèi)夾石主要分布在1 號礦體中,夾石呈不規(guī)則脈狀、細(xì)脈狀、條帶狀、透鏡狀分布,夾石的組成主要是角閃變粒巖,少量黑云角閃斜長片麻巖、磁鐵石榴石巖、磁鐵變粒巖。礦石普氏系數(shù)f=16～18,巖石f=8～12。

目前開采的1070-938 中段礦體分布于119～134 線之間,埋藏標(biāo)高1 212.5～863 m。屬于掛幫礦體開采,巷道形狀為三心拱,巷道根據(jù)礦體條件采用沿脈走向布置和垂直礦體走向布置,大多巷道沿走向布置。受露天爆破振動(dòng)和風(fēng)化影響,掛幫礦體巷道頂板較不穩(wěn)定,大部分巷道在采礦時(shí),冒頂脫落現(xiàn)象較為頻繁。

2 井下各工序裝備作業(yè)現(xiàn)狀及問題

蒙庫鐵礦的生產(chǎn)過程主要分為巷道掘進(jìn)、爆破回采、浮石清理、二次破碎和巷道支護(hù)等五個(gè)作業(yè)工序,均以人工作業(yè)為主,作業(yè)效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大且存在各種安全問題。

2.1 巷道掘進(jìn)

蒙庫鐵礦井下礦巷道掘進(jìn)鑿巖使用氣腿式手扶鉆機(jī),手持鉆每班需要3～4 人同時(shí)作業(yè),鑿巖時(shí)間為8～10 h,單循環(huán)進(jìn)尺在2.2～2.4 m。操作人員手持鉆機(jī)距作業(yè)面1 米左右,操作人員暴露在作業(yè)面下,發(fā)生冒頂、片幫后,人員面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)較高,人員效率較低,勞動(dòng)強(qiáng)度大。

2.2 爆破回采

蒙庫鐵礦地下礦上向中深孔回采爆破采用BQF-100 型風(fēng)動(dòng)裝藥器,使用膨化硝銨袋裝炸藥,非電導(dǎo)爆管雷管分段起爆。每個(gè)回采進(jìn)路一次爆破1～2排位,每天爆破4～5 個(gè)排位需涉爆人員約18 人,裝藥量約2 t,裝藥時(shí)間約6 h。裝藥過程中返藥量28.52%～31.7%,炸藥單耗0.40 kg/t,大塊率約3.98%。2020 年地下礦在回采爆破作業(yè)過程中出現(xiàn)推排32 次,懸頂5 次,其中因裝藥密度不足造成的爆破故障達(dá)68%。裝藥作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較差、爆破作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。

2.3 浮石清理

地下礦山開采和巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中,爆破后由于巖石受到各種作用力的沖擊,巖體松動(dòng),巷道頂部及兩側(cè)的浮石不穩(wěn)固,在采掘作業(yè)循環(huán)中需要及時(shí)清理不穩(wěn)固、隨時(shí)都有掉落可能的浮石,以確?，F(xiàn)場操作人員及設(shè)備的安全。清理浮石主要是人工手持式撬毛設(shè)備作業(yè)。

人工手持式撬毛設(shè)備清除浮石,勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,而且危險(xiǎn)性比較大,工作現(xiàn)場冒頂、碎片的飛濺、粉塵飛揚(yáng)、巖石突然移動(dòng)等,對操作人員的安全存在極大的隱患,并且受到人力的限制有時(shí)浮巖清理很不徹底,留下事故隱患威脅下道作業(yè)安全。

2.4 二次破碎

地下礦山開采過程中,由于巖性變化、裝藥密度變化、地質(zhì)構(gòu)造(如裂隙、溶洞、小斷層等)影響,會(huì)產(chǎn)生大于入破規(guī)格的礦石塊度,而且大塊量隨產(chǎn)量的提升成倍增加。大塊二次破碎主要是人工手持氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔后,裝藥爆破作業(yè),以達(dá)到二次破碎的效果。

此種作業(yè)通過人工手持氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔、爆破作業(yè)等工序,作業(yè)工序復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且危險(xiǎn)性大,工作現(xiàn)場存在頂板浮石、高壓風(fēng)管斷裂、噪聲、粉塵、振動(dòng)、沖擊波等危險(xiǎn)和危害因素,對操作人員人身安全及職業(yè)衛(wèi)生健康存在極大的隱患,并且受到人力及工序限制破碎作業(yè)不靈活,效率低下。爆破后存在殘余爆破器材等,對鏟裝作業(yè)留下事故隱患,威脅下道工序人員、設(shè)備作業(yè)安全。

2.5 巷道支護(hù)

錨桿支護(hù)使用氣腿式手扶鉆機(jī),操作人員手持鉆機(jī)站在搭設(shè)的平臺(tái)上作業(yè),操作人員暴露在頂板下,發(fā)生冒頂、片幫后,人員面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。作業(yè)期間每班需要2～3 人同時(shí)作業(yè),鑿巖時(shí)間為8～10 h,錨桿施工量約80 m/班。支護(hù)效率較低,人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,質(zhì)量不可控,粉塵、噪音、振動(dòng)等職業(yè)危害突出。

噴漿支護(hù)作業(yè)使用噴漿機(jī)作業(yè),人員手持噴砂管在噴漿作業(yè)面作業(yè),粉塵大,回彈料多,作業(yè)環(huán)境差。噴漿機(jī)上料人員每班4 人,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低。每班5 人作業(yè),作業(yè)時(shí)間8 小時(shí),噴漿約15 m3。

3 開采過程的機(jī)械化應(yīng)用

為消除人工作業(yè)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患,蒙庫鐵礦井下礦礦石開采和巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中,鑿巖、爆破、浮石清理、二次破碎、巷道支護(hù)、溜井施工等工序在作業(yè)過程中,逐步用大型設(shè)備替代人工手工作業(yè)。經(jīng)過多年的實(shí)施,機(jī)械化作業(yè)達(dá)到98%。各工序大型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用,適應(yīng)井下礦生產(chǎn)工藝,符合當(dāng)代礦山發(fā)展趨勢。

3.1 巷道掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車

巷道掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車能夠全面提升本質(zhì)化安全。作業(yè)人員距作業(yè)面距離由1 米增加至8 米,消除了人工鑿巖作業(yè)的安全存在的重大隱患。消除了高壓風(fēng)對人機(jī)傷害和人工鑿巖作業(yè)的安全存在的重大隱患,為下道工序?qū)嵤┨峁┝嘶镜谋Ｕ稀?/p>

通過巷道掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車,平巷掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車全面替代人工鑿巖作業(yè),作業(yè)人員減少1 人/班。2018—2020 年使用鑿巖臺(tái)車后加權(quán)平均可完成260 m/臺(tái)月。在相同進(jìn)尺下,260 m 由人工鑿巖需要3人684 工時(shí)完成(鑿巖工3 人,8 h 作業(yè),進(jìn)尺2.4 m),鑿巖臺(tái)車施工需2 人272 工時(shí)完成(2 人,4 h 作業(yè),進(jìn)尺3 m)。人員減少1 人,效率提升50%,作業(yè)時(shí)間減少412 個(gè)工時(shí),提升勞動(dòng)效率150%。

使用掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車后掘進(jìn)每炮進(jìn)尺由原來的人工鑿巖2.2～2.4 m 提升到3～3.5 m,鉆桿3.7 m 的情況下(開口刷幫),每班次進(jìn)尺為3 m。在鉆桿4.3 m 的情況下(直巷),每班次進(jìn)尺為3～3.5 m,單炮掘進(jìn)米數(shù)提升33%。鑿巖時(shí)間由8 h 減至4 h,減少工序循環(huán)時(shí)間4 h。

鑿巖臺(tái)車能夠全面降低了作業(yè)面粉塵,改善了職工工作環(huán)境。消除了水霧、減少了噪聲以及震動(dòng)對身體的傷害。

3.2 爆破裝藥臺(tái)車

裝藥臺(tái)車在礦山的應(yīng)用,可以大幅減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提升機(jī)械化程度。人員在眉線口下作業(yè)時(shí)間大幅減少,降低裝藥作業(yè)安全隱患,提高裝藥作業(yè)的本質(zhì)安全性。

通過使用裝藥臺(tái)車,在蒙庫鐵礦大幅減少回采爆破人員,裝藥速度約80 kg/min,裝藥量由0.3～0.5 t/h 提升至3.6～4.8 t/h,單排裝藥均在1 h 內(nèi)完成,提高作業(yè)效率。采用自動(dòng)裝藥,裝藥過程中速度、壓力穩(wěn)定,退管速度一致,炮孔內(nèi)裝藥密度均勻,代替人工憑經(jīng)驗(yàn)裝藥,有效提高爆破效果。進(jìn)一步提升井下礦產(chǎn)能。

另外,使用混裝乳化炸藥,作業(yè)過程不產(chǎn)生粉塵、裝藥返藥率≤1%,作業(yè)現(xiàn)場干凈、無粉塵。

3.3 撬毛臺(tái)車

人工撬毛人員暴露在頂板下部,臺(tái)車操作人員在頂棚下操作,安全系數(shù)較人工高。作業(yè)人員距作業(yè)面距離由1 米增加至8 米,消除了人工撬毛作業(yè)的安全存在的重大隱患,提升本質(zhì)化安全[10]。

使用撬毛臺(tái)車,蒙庫鐵礦掘進(jìn)作業(yè)面每2 個(gè)分層配備2 名撬毛工,蒙庫鐵礦掘進(jìn)面至少配備6 名撬毛工,回采作業(yè)面至少配備4 名撬毛工。撬毛臺(tái)車使用后合計(jì)人員可減少6 人,提升。勞動(dòng)效率150%。撬毛臺(tái)車較人工移動(dòng)速度快,靈活性高,處理浮石覆蓋面更廣。

3.4 二次破碎臺(tái)車

人工破碎及二次破碎人員暴露在頂板下部,長時(shí)間近距離接觸大塊等,駕駛室全部采用100 mm×100 mm×10 mm 高強(qiáng)度矩形鋼,頂部采用10 mm 厚度整塊鋼板覆蓋在支撐梁上,內(nèi)有多根加厚矩形鋼管支撐,可抗擊8.9 噸靜壓力。臺(tái)車操作人員在頂棚下操作,安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工。

蒙庫鐵礦二次破碎每班配備4 名鑿巖工。破碎臺(tái)車使用后合計(jì)人員可減少1 人,提升勞動(dòng)效率300%。移動(dòng)破碎臺(tái)車性能穩(wěn)定、操作簡單、安全可靠、適用范圍廣、維護(hù)保養(yǎng)簡單、使用壽命長、工班效率高、靈活性高、覆蓋面積大、可承受高強(qiáng)度的沖擊力,滿足自由撥動(dòng)礦巖的需要,人工二次破碎處理能力20 t/h,臺(tái)車破碎處理能力30 t/h,效率提升50%。

破碎臺(tái)車選用康明斯歐芋排放標(biāo)準(zhǔn)定發(fā)動(dòng)機(jī),在井下通風(fēng)條件不好的情況下有效的降低了排放污染,可達(dá)到無異味,無煙塵。破碎臺(tái)車替換爆破作業(yè),杜絕了二次爆破破碎產(chǎn)生的粉塵、一氧化碳、氮氧化物等有毒有害氣體,大幅減少二次破碎對井下空氣的影響。

3.5 錨桿臺(tái)車、噴漿臺(tái)車

臺(tái)車操作人員在頂棚下或者遙控器操作,遠(yuǎn)離作業(yè)面,安全系數(shù)高,支護(hù)質(zhì)量可控,為下道工序的實(shí)施提高了安全保障。錨桿臺(tái)車和噴漿臺(tái)車的應(yīng)用,在環(huán)保方面能夠全面減少粉塵,達(dá)到回彈料少,作業(yè)環(huán)境明顯改善。

蒙庫鐵礦在各工序均實(shí)施了機(jī)械化減人應(yīng)用,在巷道掘進(jìn)工序中由原有的氣腿式手扶鉆機(jī)替換為巷道掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車。在爆破回采工序中有原有的BQF-100 型風(fēng)動(dòng)裝藥器人工裝藥替換成爆破裝藥臺(tái)車,在浮石清理工序中由原有的人工手持式撬毛設(shè)備替換為撬毛臺(tái)車,在二次破碎工序中由原有的人工手持氣腿式鑿巖機(jī)替換為二次破碎臺(tái)車,在巷道支護(hù)工序中由原有的氣腿式手扶鉆機(jī)和噴漿機(jī)手持噴漿管替換為錨桿臺(tái)車和噴漿臺(tái)車。隨著井下設(shè)備向著大型化、機(jī)械化和智能化的方向不斷發(fā)展,安全效益、效率提升、環(huán)保效益、直接經(jīng)濟(jì)效益等四個(gè)方面的應(yīng)用效益也得到了更具體的顯現(xiàn)。

4 機(jī)械化應(yīng)用效益分析

蒙庫鐵礦采用無底柱分段崩落法開采,其礦石開采和巷道掘進(jìn)工序通過機(jī)械化將大量現(xiàn)場作業(yè)人工減少,降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。在采掘作業(yè)循環(huán)中全面使用掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車、裝藥臺(tái)車、撬毛臺(tái)車、二次破碎臺(tái)車、錨桿臺(tái)車和噴漿臺(tái)車等,形成了一條完整的安全、高效的機(jī)械化作業(yè)線,在提升作業(yè)本質(zhì)化安全,改善作業(yè)環(huán)境,降低人員作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)巷道掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車直接經(jīng)濟(jì)效益:優(yōu)化18人,18 人×6 000 元×12 月=129.6 萬元/年。

(2)爆破裝藥臺(tái)車直接經(jīng)濟(jì)效益:大幅減少勞動(dòng)人員,人工裝藥人員的18 人裝藥人員減少至6人,可代替人員為12 人,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益每年約為12人×1.4 萬元×12 月=201.6 萬元。

(3)撬毛臺(tái)車直接經(jīng)濟(jì)效益:減人人員6 人,6人×6 000 元×12 月=43.2 萬元。

(4)二次破碎臺(tái)車直接經(jīng)濟(jì)效益:節(jié)省炸藥2 t/月,導(dǎo)爆索1 萬米/月,每年節(jié)省(1.38 ×2 +1) ×12=45 萬元。

(5)錨桿臺(tái)車、噴漿臺(tái)車直接經(jīng)濟(jì)效益:減少人員4 人,3 人×1.4 萬元×12 月=50.4 萬元/年。

5 結(jié)論

隨著行業(yè)發(fā)展及內(nèi)外部環(huán)境挑戰(zhàn)加劇,地下礦山開采設(shè)備朝著大型化、機(jī)械化的轉(zhuǎn)變及應(yīng)用,隨之帶來的效益也愈發(fā)凸顯。

(1)大型化、機(jī)械化裝備應(yīng)用,利用大產(chǎn)能先進(jìn)設(shè)備,可以直接減少危險(xiǎn)環(huán)境中人員暴露數(shù)量和時(shí)間,使得礦山可以輕量化組織生產(chǎn),降低人員、材料風(fēng)險(xiǎn),避免重大安全事故發(fā)生。

(2)先進(jìn)裝備應(yīng)用,使得礦山能夠?qū)崿F(xiàn)鉆爆運(yùn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)產(chǎn)能提升,降低生產(chǎn)成本,大大提高企業(yè)應(yīng)對市場能力。

(3)大型裝備應(yīng)用及后續(xù)智能化改造,可以有效改變操作人員長時(shí)間井下密閉、高粉塵環(huán)境作業(yè)時(shí)間,改善作業(yè)條件,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,利于人員身心健康。

技術(shù)發(fā)展日新月異,大型機(jī)械化設(shè)備滿足井下礦生產(chǎn)需求和技術(shù)要求,已形成了一條完整的機(jī)械化作業(yè)線,改善了作業(yè)條件,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,可以在同類礦山推廣應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)減人增效。