深部巷道智能化鉆爆技術研究與應用

張青成

(金誠信礦業管理股份有限公司， 北京 100070)

0 引言

礦產資源屬于不可再生的自然資源，也是人類社會發展的必備資源。當前，國內外許多礦山淺部礦產資源已開發殆盡，已出現大量由淺部逐漸進入深部的礦山。而深部地下礦山開采環境復雜，存在高應力、高溫、高孔隙水的典型“三高”問題，若要安全高效開采深部礦產資源，就需要革新淺部資源開采理念及實踐技術。當前深部開采大多仍采用淺部開采方式，即井巷法，該法受制于鑿巖設備及操作人員水平，礦產資源采出能力低下。多數淺部礦山巷道掘進爆破也存在類似難題，即巷道掘進的速度與質量成為制約開采能力的主要因素。因此，革新采礦技術和配套設備是面對當前深部復雜多變開采環境的關鍵。本文結合礦山深部巷道掘進的特點，基于“機械化換人、自動化減人、智能化少人”的指導思路，結合國外某銅礦，采用智能鑿巖臺車對井下高溫高壓巷道進行爆破掘進作業，試驗和工程應用結果表明，該方法具有高效性和穩定性，極大地加快了生產作業進度，避免了一些外界客觀條件的干攏。

1 智能鑿巖臺車的由來

1977 年，挪威Ingenior Thro Funaholmen A/S公司試制出了第一臺自動控制的隧道鑿巖鉆車，實現了電腦控制單臂鉆車定位和鉆孔。經過多年發展，于 1987年制造出可根據鑿巖方案來實現自動定位和鑿巖，整車采用激光導向，炮孔鉆鑿已實現自動定位，可隨時顯示炮孔的三維坐標、鉆進速度及工程實況，極大地減輕了作業人員的勞動強度，保證了作業質量及進度。20世紀70年代末，英國Perard Torgue Tension研發出一款具有自動鉆孔功能的電腦輔助掘進鉆車，該設備采用激光導向、內置自動定位程序，降低了對專業操作人員的依賴。20世紀80年代初，Secoma研發出一款Seco-ma70型程序以及配備自動鑿巖功能的掘進臺車；同時代的日本東洋公司也先后研制出帶有自適應控制的THMJ和THCJ等系列型號的樣機，可使臺車機械臂的定位誤差達到5 cm，定位時間控制在25 s。在此之后，德國的 Salzgitter機械公司研制出一款電腦自動控制的BW45P型鑿巖機，實現了炮孔從定位、開孔、停鉆和回退的全自動控制，可精確實現巷道爆破設計方案所需要的各類炮孔，且孔底誤差僅為1 cm，重新鉆孔定位所耗時間約為 10 s。法國 Montabert公司的Robtore型鑿巖臺車，鑿巖工作均由電腦通過傳感器和電液閥進行檢測與控制，同時可儲存大量爆破設計圖。20世紀80年代，Bever公司為通過電腦控制的掘進臺車內嵌了全自動數據導向系統軟件，該軟件將工程質量、計劃進度及工程管理等功能集成為一套數據系統，尤其是炮孔鉆進記錄模塊顯著提升了工程質量。芬蘭Tamrock公司于1986年展出了三臂智能鑿巖鉆車，其電子控制系統ECU與Bever數據系統類似，鉆機可根據巷道斷面炮孔布置情況自動定位、鉆孔，并顯示鉆進速度等參數，這些參數為后續圍巖條件變化時自動調節炮孔布置參數提供了依據。之后，Robot Boomer型掘進臺車在瑞典基律納鐵礦應用，全部工序完全實現了自動化，且在硬巖中鉆孔速度可達3.6 m/min，里程碑的事件是該臺車可實現遠程診斷和控制[1-4]，開啟了鉆爆智能化的時代。

2 智能掘進臺車工程實踐

某銅礦采深近800 m，礦體圍巖多為石英巖、片麻巖和變質花崗巖，巖石普氏系數約為10，節理裂隙發育，地下水豐富。巷道內溫度常年45℃左右，同時該水平承擔著當前東南礦體整體采礦出礦任務，開拓巷道和采切巷道工程量較大，巷道設計尺寸為4.5 m×4.5 m。巷道掘進工程均采用爆破掘進，鑿巖以人工鑿巖臺車為主，輔助以風動式鑿巖機，這種作業方式對于淺部采礦很適用，但隨著采深增加，地溫逐漸升高，圍巖節理裂隙越來越發育，輔助作業時間也越來越長。造成鑿巖時間變長和炮孔成型質量變差，嚴重影響了巷道掘進的爆破效果和效率。在通風井打通之前，井下高溫暫時無法解決，嚴重影響了操作人員的身心健康和工作態度；在破碎圍巖中進行爆破掘進，需要操作人員有較豐富的爆破經驗。針對當前缺少成熟爆破操作人員和井下高溫的情況，自動化和智能化的作業方式無疑是首選。

采用智能化作業方式可以減少人為操作帶來的誤差和井下作業人員，也能為礦山工作者提供較舒適的工作環境。同時采用智能鑿巖設備，可以減少巷道測量放線的工作時間，也間接減少了鑿巖爆破作業時間，降低了輔助工種的工作強度。

2.1 DD422i智能掘進臺車

DD422i是一款高度自動化和智能化的雙臂巷道/隧道掘進臺車，如圖1所示。

DD422i智能鑿巖臺車具備自動定位、鉆進、移位及微調孔位等功能，雙臂可獨立運行。同時根據巖石條件變化情況，在無人工輔助的情況下，內嵌軟件系統自動調整鉆爆參數。它的自動防卡釬功能能快速解決卡釬等問題，對操作及維修等人員的依賴性較低。該設備車安裝了iSURE智能化設計軟件，鉆孔時可按照定位基準面保證巷道斷面內各類型炮孔孔底在同一水平面或設計位置，保證了炮孔成型質量，該功能保證了爆破方案在工程實踐中的穩定實施。DD422i智能鑿巖掘進臺車性能主要參數見表1。

圖1 DD422i鑿巖臺車

表1 智能掘進臺車DD422i 性能主要參數

2.2 DD422i鑿巖臺車的應用

該銅礦隨著采礦深度的逐年加大，巷道圍巖破損情況越來越嚴重，地熱水害等不利條件也頻發，采用半自動化臺車鉆孔，人工裝填卷狀炸藥等作業方式已造成生產效率低、成本高等一系列問題。針對上述難點，為實現炮孔高效裝藥，更換包裝炸藥，采用散體或膏體狀的炸藥。試驗時采用 NORMAT公司生產的井下乳化混裝車對水平炮孔進行裝藥。使用乳化混裝炸藥要注意將乳化混裝炸藥的機械感度維持在低水平，使其具有良好的輸送性能（流動性或黏結性）[5-8]。為減少炸藥爆炸能對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降低爆炸能和減少炸藥對周邊圍巖的破壞。但底孔由于鉆孔等外因通常處于有水的環境中，需采用防水炸藥。因此，巷道鉆爆掘進時，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行巷道掘進爆破時，炮孔裝填炸藥實現了徑向耦合裝藥，明顯增大了炸藥使用量，易導致直孔掏槽時孔底巖石的壓死效應或過粉現象（造成不必要的浪費）。因此，采用混裝乳化炸藥進行巷道爆破時，要注意以下幾點：

（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）掏槽區域采用裝藥孔與空孔相互間隔布設；

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

參照過往研究資料[9-10]，設計了爆破試驗方案，孔深為4.9 m，鉆頭直徑為45 mm，炮孔總數為64個，其中，1號～4號炮孔為空孔，5號～37號炮孔采用Φ38 mm卷狀炸藥，38號～57號炮孔裝填Φ25 mm炸藥，58號～64號炮孔裝填Φ38 mm炸藥，巷道鉆爆掘進參數見表2。典型巷道斷面炮孔布置形式如圖2所示。

表2 巷道鉆爆掘進參數

圖2 炮孔布置(單位：mm)

DD422i鑿巖臺車在巷道中鑿巖順序為底孔→周邊孔→掏槽孔→輔助孔，雙臂保持對稱鑿巖。施工工藝流程：

（1）采用iSURE智能化設計軟件建立新的巷道項目；

（2）將爆破資料（主要炮孔布設圖和爆破參數）輸入iSURE軟件，該軟件可自行根據巖石各類指標和炸藥性能參數，給出巷道鉆爆斷面炮孔布置圖及爆破參數一覽表等；

（3）在遠程控制暫時無法實現時，可采用移動設備將設計資料復制到智能臺車的電控設備中；

（4）定位采用激光信號，巷道與臺車均安裝激光定位系統，即可實現臺車在巷道中的定位；

（5）先整體后局部的思維來實現鉆孔定位，即采用激光定位先車后鉆；

（6）爆破后，采用人工或三維掃描等方式，將鉆爆效果參數儲存到專家系統中，以期指導下個循環的爆破設計等。

2.3 試驗分析

在一條獨頭巷道進行了 20余次工業試驗，部分試驗效果如圖3所示。

統計20余次爆破試驗，DD422i雙臂鑿巖臺車在該工程中的單炮孔成孔時間約為2 min，即鉆速為2.35 m/min，轉臂時長約為15 min（包括轉移和對中時間），全斷面成孔時長約為120 min，裝藥時間約為50 min。對比人工操作的雙臂鑿巖臺車的歷史數據可知，智能鑿巖臺車在轉臂時長耗時上幾乎減少了近30 min；采用混裝乳化炸藥裝藥車裝藥耗時也縮短了近40 min，整個流程耗時節省約70 min，由于采用了智能化設備，大大節省了人力，更降低了工人的工作強度。同時試驗時的平均進尺約為4.51 m，炮孔利用率為92%，人工操作的鑿巖臺車的平均進尺為3.06 m（炮孔深度為3.4 m），炮孔利用率為90%，對比可知，智能鑿巖臺車在爆破效果方面也有較大優勢。

圖3 巷道爆破效果

3 結論

（1）智能化的鑿巖臺車配合裝藥臺車作業，能很好地適應礦巖條件較差（破碎圍巖）和井下高溫作業環境，作業效率高，并改善了爆破效果，也降低了爆破單價。

（2）智能鑿巖臺車機械化作業線降低了對現場操作人員的依賴，也解決了當前礦山面臨的人工荒難題，同時踐行了“機械化換人，自動化減人”的方針。

（3）智能鑿巖臺車的自動化控制系統和專家庫系統能很好地指導現場作業，減少了人工操作帶來的誤差和誤判，為未來地下礦山“無人化”開采提供了技術支持。