國(guó)內(nèi)外地下礦山現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)裝備的發(fā)展應(yīng)用與趨勢(shì)展望

孫永奪，遲洪鵬，龔 兵

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 100160)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求日益增加，國(guó)內(nèi)外大量露天礦山逐漸轉(zhuǎn)入地下及深地開(kāi)采，據(jù)預(yù)測(cè)我國(guó)未來(lái)將有超過(guò)90%以上的礦山轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采，資源開(kāi)采難度不斷加大[1-2]。爆破目前仍是世界各國(guó)礦山的主要開(kāi)采方式之一，現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)作為一種新型安全高效的爆破方式，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各類(lèi)金屬、煤炭、化工、建材等礦山。地下礦山相比露天礦山開(kāi)采環(huán)境惡劣，存在作業(yè)空間有限、通風(fēng)環(huán)境差、地壓災(zāi)害突出等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)與裝備發(fā)展應(yīng)用相對(duì)露天礦山較晚。為提高地下礦山高效安全開(kāi)采，國(guó)內(nèi)外多家民爆研發(fā)單位相繼開(kāi)發(fā)出各種適用于地下礦山爆破開(kāi)采的混裝裝備。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)與裝備發(fā)展迅速，技術(shù)水平取得了較大進(jìn)步。

1 國(guó)內(nèi)外地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)應(yīng)用情況

1.1 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

我國(guó)的地下礦山傳統(tǒng)爆破開(kāi)采仍以人工裝藥方式為主，混裝技術(shù)應(yīng)用相對(duì)露天礦普及程度較低。隨著現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展，以及國(guó)家和行業(yè)的鼓勵(lì)推廣，各類(lèi)地下礦用混裝技術(shù)裝備相繼開(kāi)發(fā)應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，井下壓氣裝藥器以及各種小型裝藥器陸續(xù)出現(xiàn)，并開(kāi)始在國(guó)內(nèi)地下礦山試驗(yàn)應(yīng)用[3-4]，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，裝藥器適用品種從早期的銨油炸藥拓展到乳化炸藥，裝藥速度和穩(wěn)定性也不斷提高，部分型號(hào)參數(shù)如表1所示[5]，但是裝藥容量和速度仍然存在一定制約，難以適用于礦山大規(guī)模應(yīng)用。礦冶科技集團(tuán)有限公司(原北京礦冶研究總院)是我國(guó)最早從事混裝技術(shù)與裝備研究的單位之一，先后突破一系列關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備限制，于1990年開(kāi)發(fā)了BCJ系列井下中小斷面掘進(jìn)混裝車(chē)，成功實(shí)現(xiàn)了我國(guó)井下中小斷面爆破人工裝藥向現(xiàn)場(chǎng)混裝方式的轉(zhuǎn)變[6]。地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)及相關(guān)裝備的快速突破和應(yīng)用主要集中在2015年后，北京礦冶研究總院、山西惠豐、湖南金能、金奧博以及湖南長(zhǎng)斧等相繼開(kāi)發(fā)出各型地下礦用現(xiàn)場(chǎng)混裝裝藥車(chē)[7-11]，如表2所示。地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)裝備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用大幅提高了爆破裝藥的機(jī)械自動(dòng)化水平，降低了人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了上向孔、水平掘進(jìn)等各類(lèi)地下裝藥應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)各大礦山取得了較好的應(yīng)用效果。

表1 不同裝藥器性能參數(shù)Table 1 The parameters of different charging devices

1.2 國(guó)外應(yīng)用情況

國(guó)外礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)地下礦用現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)研究較早，1950 年加拿大沙利文礦研制了早期的背包式銨油炸藥裝藥器，通過(guò)壓縮空氣動(dòng)力裝藥，在南非和北美地區(qū)對(duì)威克型裝藥器進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用[12]；隨著裝藥器的發(fā)展應(yīng)用，瑞典阿特拉斯公司將裝藥器改裝到汽車(chē)底盤(pán)上，逐漸形成了早期的裝藥車(chē)概念；1980年蘇聯(lián)和美國(guó)格特曼公司相繼開(kāi)發(fā)了系列化銨油炸藥混裝車(chē)[13]，混裝效率和裝載量進(jìn)一步提高。Nobel公司開(kāi)發(fā)了Charmec井下裝藥車(chē)，配備液壓驅(qū)動(dòng)懸臂和送管裝置，能夠滿(mǎn)足40 m深炮孔裝藥，極大提高了裝藥作業(yè)的自動(dòng)化水平[14]。隨著乳化炸藥混裝技術(shù)的發(fā)展，澳大利亞Orical公司、南非AEL公司開(kāi)發(fā)了移動(dòng)裝藥單元設(shè)備，適應(yīng)“小、零、散”裝藥場(chǎng)所[15-16]。21世紀(jì)以來(lái)國(guó)外應(yīng)用的地下現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)主要由Orical、Atlas、Normet等公司開(kāi)發(fā)，地下混裝車(chē)在機(jī)械自動(dòng)化方面取得了較大的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了混裝作業(yè)在安全、高效、自動(dòng)化水平方面的進(jìn)一步提高[8]。部分地下車(chē)性能參數(shù)如表2所示。

表2 不同地下車(chē)性能參數(shù)Table 2 The parameters of different underground charging trucks

2 地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)裝備特點(diǎn)

2.1 本質(zhì)安全化

本質(zhì)安全化是現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)相比于成品炸藥人工裝藥方式最根本的優(yōu)勢(shì)，乳化基質(zhì)無(wú)雷管感度，配合水環(huán)遠(yuǎn)距離低壓輸送，裝藥后孔內(nèi)敏化成為炸藥，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、裝藥過(guò)程本質(zhì)安全，迅速成為爆破工程推廣應(yīng)用的新模式。進(jìn)一步提升混裝技術(shù)裝備的安全性，一直是各機(jī)構(gòu)技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。在井下混裝裝備開(kāi)發(fā)大容量、大行程、低頻次乳膠輸送技術(shù)，降低機(jī)械摩擦熱集聚爆炸風(fēng)險(xiǎn)[15]；現(xiàn)代化電子信息技術(shù)，將溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)超限自主響應(yīng)，以及多重-安全報(bào)警和連鎖控制[17]。此外由于地下開(kāi)采場(chǎng)所地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，圍巖和頂板不穩(wěn)定性突出，尤其是上向中深孔爆破裝藥，降低人員危險(xiǎn)作業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)是地下混裝技術(shù)裝備研發(fā)的一個(gè)重要方向。使用送管器自動(dòng)對(duì)孔、送管完成裝藥，減少人員暴露在危險(xiǎn)區(qū)域，已經(jīng)成為許多井下混裝車(chē)開(kāi)發(fā)配置的新技術(shù)[18]。隨著技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)增加，行業(yè)本質(zhì)安全性將進(jìn)一步提高。

2.2 綠色高效化

地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)使用散裝乳化基質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)敏化裝藥，全程不產(chǎn)生廢棄物，爆破后生成炮煙少，相比成品包裝型炸藥綠色環(huán)保，符合國(guó)家雙碳發(fā)展目標(biāo)。此外現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)炮孔利用率高，能夠?qū)崿F(xiàn)完全耦合裝藥，降低盲炮幾率[19]。在智慧礦山建設(shè)發(fā)展背景下，地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)通過(guò)機(jī)械自動(dòng)化裝藥，適應(yīng)上向超深孔裝藥，最大分鐘裝藥速度可達(dá)數(shù)百千克以上，配合多系統(tǒng)裝藥模塊，混裝作業(yè)效率成倍提高，相比人工方式高效安全，極大地降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。

2.3 機(jī)械自動(dòng)化

爆破開(kāi)采是礦山生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，目前人工裝藥方式在我國(guó)井下爆破仍廣泛存在，已成為礦山生產(chǎn)自動(dòng)化水平最低的工序之一。得益于現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，地下礦山爆破裝藥機(jī)械自動(dòng)化水平不斷提高，機(jī)械化減人效果顯著。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和電子傳感等技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)混裝定員需求進(jìn)一步降低，裝藥過(guò)程自動(dòng)送、退管，電腦自動(dòng)計(jì)算孔深和控制裝藥等技術(shù)已逐步應(yīng)用[2]，極大地提高了機(jī)械自動(dòng)化水平[17]。

2.4 地下現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)案例

為發(fā)展我國(guó)地下礦山開(kāi)采裝備自動(dòng)化、智能化技術(shù)，“十一五”計(jì)劃期間，長(zhǎng)沙礦山研究院承擔(dān)了“智能型井下上向中深孔裝藥技術(shù)及裝備”開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)課題，并獲得了多項(xiàng)地下礦山銨油炸藥裝藥設(shè)備的發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利，推動(dòng)了我國(guó)地下混裝車(chē)技術(shù)裝備的發(fā)展，如圖1所示。“十二五”計(jì)劃期間，北京礦冶研究總院承擔(dān)了“地下金屬礦智能采礦爆破技術(shù)與裝備”研究課題，成功開(kāi)發(fā)了地下礦山智能現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)，是國(guó)內(nèi)地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)近年來(lái)發(fā)展的典型代表[20]，如圖2所示，具備地下自主行駛及避障、炮孔底部識(shí)別以及輸藥管自動(dòng)尋孔等模塊功能，自動(dòng)化程度高，先后在不同海拔高度地區(qū)地下礦山試驗(yàn)應(yīng)用(如表3所示)，取得了良好的應(yīng)用效果，可滿(mǎn)足斷面大小不一、高度不同的硐室裝藥要求[21]，極大地推動(dòng)了我國(guó)地下礦山現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)的智能化發(fā)展。

圖1 智能型地下銨油炸藥混裝車(chē)Fig.1 The underground intelligent ANFO charging truck

圖2 智能型地下乳化炸藥混裝車(chē)Fig.2 The underground intelligent emulsion explosive charging truck

表3 智能現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)在不同礦山裝藥爆速Table 3 The parameters of charging devices in different mines

3 地下礦山現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 新能源方向

在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略發(fā)展背景下，礦山行業(yè)已成為新能源技術(shù)發(fā)展推廣的重要領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)混裝裝備使用新能源驅(qū)動(dòng)方式具有重要意義，尤其是在地下礦山等相對(duì)密閉環(huán)境，目前許多地下混裝車(chē)采用現(xiàn)場(chǎng)接電的驅(qū)動(dòng)方式，無(wú)廢氣排放，噪音小，極大地改善了井下作業(yè)環(huán)境，但是現(xiàn)場(chǎng)接電工作效率低，行走機(jī)構(gòu)依然靠?jī)?nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此開(kāi)發(fā)行走機(jī)構(gòu)與上裝系統(tǒng)均為新能源驅(qū)動(dòng)方式的技術(shù)裝備是地下現(xiàn)場(chǎng)混裝下一步發(fā)展的重要方向，目前國(guó)內(nèi)外多家民爆機(jī)構(gòu)正在朝新能源方向開(kāi)展相關(guān)研究和試驗(yàn)應(yīng)用。

3.2 數(shù)字信息化方向

地下礦山爆破開(kāi)采具有工序復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，在智慧礦山建設(shè)背景下，發(fā)展地下現(xiàn)場(chǎng)混裝數(shù)字信息化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字智慧目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。隨著新一代5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)、RFID、大數(shù)據(jù)等技術(shù)發(fā)展[22]，進(jìn)一步提高井下現(xiàn)場(chǎng)混裝系統(tǒng)數(shù)字信息化水平，綜合運(yùn)用各種電子傳感與數(shù)字通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爆破裝藥全流程生產(chǎn)、質(zhì)量、安全多層級(jí)云平臺(tái)管理，推動(dòng)智慧礦山建設(shè)[18]，是國(guó)內(nèi)外各民爆技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)的重要研究方向。

3.3 智能無(wú)人化方向

爆破開(kāi)采是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)礦山綜合能效具有重要影響?，F(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)相比傳統(tǒng)人工裝藥方式在少人減人方面是一次重要技術(shù)變革，改善了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度、裝藥效率和安全性等[3]。然而地下作業(yè)環(huán)境、安全等問(wèn)題依然存在，實(shí)現(xiàn)完全智能無(wú)人化是混裝技術(shù)裝備下一步升級(jí)的重要方向，也是國(guó)家和民爆行業(yè)重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的方向。我國(guó)在智能無(wú)人化方面進(jìn)行了大量的研究。通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)尋孔，車(chē)載電腦自動(dòng)計(jì)算得到炮孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)，多自由度機(jī)械臂基于路徑優(yōu)化計(jì)算指令實(shí)現(xiàn)自主對(duì)孔；送管器根據(jù)炮孔信息自動(dòng)完成送管裝藥和退管[20]；此外，井下自主行駛、起爆彈自動(dòng)裝填以及遠(yuǎn)程起爆等技術(shù)均已進(jìn)行了相關(guān)研究[23]，為地下現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)的智能無(wú)人化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)以現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)為主的爆破開(kāi)采方式是地下礦山發(fā)展的重要方向，未來(lái)隨著現(xiàn)場(chǎng)混裝和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣普及，地下礦山現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)裝備在綠色低碳、智能無(wú)人化及信息化方面將取得更大進(jìn)步，成為實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的重要組成部分。