智能Cabletec M型錨索臺(tái)車在謙比希銅礦的應(yīng)用研究

殷駿，李占炎，李輝

（中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦，贊比亞 基特韋 22592）

錨索支護(hù)在地下礦山的采掘工程中已經(jīng)使用了50多年，使用錨索加固巖石的工藝是與鑿巖臺(tái)車同步發(fā)展起來(lái)的，最初Cabolt錨索臺(tái)車是由泰姆洛克公司為解決錨索支護(hù)問(wèn)題所取得的成果。目前，國(guó)內(nèi)外許多礦山都將長(zhǎng)錨索支護(hù)作為地下采場(chǎng)和巷道的主要支護(hù)手段之一。隨著科技的進(jìn)步和礦山企業(yè)發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的礦山支護(hù)設(shè)備和支護(hù)工序流程已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求，尤其是設(shè)備老舊，故障率高，生產(chǎn)作業(yè)工序繁雜。特別是中資海外非洲礦山企業(yè)，由于文化差異、人員教育程度低、作業(yè)技能水平低、工會(huì)等多方面因素對(duì)企業(yè)發(fā)展影響較大，很多礦山企業(yè)開(kāi)始通過(guò)采用新采礦方法和設(shè)備來(lái)提高生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。因此，謙比希銅礦首次引進(jìn)第一臺(tái)Cabletec M型錨索臺(tái)車（如圖1），以機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的錨索臺(tái)車取代傳統(tǒng)錨索注漿支護(hù)作業(yè)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、保障作業(yè)安全，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。

1 工程概況

謙比希銅礦處于非洲贊比亞銅礦帶的中部，原隸屬于贊比亞聯(lián)合銅礦有限 公 司。1998年中國(guó)與贊比亞共同組建了中色非洲礦業(yè)有限公司，恢復(fù)了對(duì)謙比希銅礦的資源開(kāi)發(fā)。礦區(qū)由主礦體、西礦體以及東南礦體組成。西礦體硫化礦體分布在2670線與4620線之間，高程520～1280m。礦體走向112°。走向長(zhǎng)1926m，傾向延伸1425m。傾角25°～33°。礦體平均厚度7.36m，東部和中下部厚度較大，最厚處50m，西部厚度相對(duì)較薄，一般為3～4m。有用組分分布均勻，單工程銅品位1.80%～5.61%，礦體平均品位2.14%，礦體形態(tài)簡(jiǎn)單，呈層狀產(chǎn)出。

礦體產(chǎn)狀穩(wěn)定，但由于賦礦層位為泥質(zhì)板巖，層理節(jié)理發(fā)育，礦體下盤(pán)圍巖為泥質(zhì)石英砂巖、底礫巖及砂層，極其破碎，鉆孔巖芯采取率和RQD值均較低，且礦巖易風(fēng)化，遇水易崩解，采切工程掘支困難。謙比希銅礦西礦體井下巷道支護(hù)方法主要有：管縫錨桿支護(hù)、金屬網(wǎng)條支護(hù)、網(wǎng)片支護(hù)、錨索+注漿支護(hù)等單類或組合式支護(hù)，而西礦體新盤(pán)區(qū)要求管縫錨桿和網(wǎng)片支護(hù)要求一炮一支，錨索注漿支護(hù)要求兩炮一支。其中，在采用傳統(tǒng)錨索注漿支護(hù)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

（1）投入的設(shè)備和人員多。鉆孔需要一臺(tái)Atlas公司S1D鑿巖臺(tái)車，一名操作工和一名幫工來(lái)完成鉆孔作業(yè)，待安裝錨索和注漿時(shí)，需要另配一臺(tái)NORMET升降服務(wù)車和注漿泵，同時(shí)需要3～4名作業(yè)人員人工完成錨索注漿工作，設(shè)備和人工成本投入多。

（2）錨索注漿支護(hù)工序耗時(shí)長(zhǎng)。以單作業(yè)面為例，單獨(dú)鉆孔需要一個(gè)班次才能完成，待鉆孔全部結(jié)束后安排下一個(gè)班次進(jìn)行錨索注漿作業(yè)，待錨索支護(hù)完成后再到下個(gè)班次才可安排采掘生產(chǎn)作業(yè)。因此，作業(yè)面掘進(jìn)完全受錨索支護(hù)影響。因此，謙比希銅礦西礦體新盤(pán)區(qū)為實(shí)現(xiàn)“提質(zhì)增效、降本增效和創(chuàng)新增效”，從瑞典引進(jìn)一臺(tái)自動(dòng)化、智能化設(shè)備Cabletec M型錨索臺(tái)車，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。

2 Cabletec M型錨索臺(tái)車基本配置、結(jié)構(gòu)和性能

2.1 基本配置

Cabletec M型錨索臺(tái)車配置DeutzTCD4.1水冷、電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力傳動(dòng)為Clark 24000型液壓變速箱，四輪驅(qū)動(dòng)，駐車制動(dòng)采用彈簧制動(dòng)液壓釋放式，安全度高，無(wú)塵、隔音封閉式駕駛室，為操作人員提供良好的操作環(huán)境，全景式倒車影像顯示，RCS5最高級(jí)操作控制系統(tǒng)，設(shè)備安裝有校準(zhǔn)激光和ABC Regular軟件系統(tǒng)，配置有Ansul自動(dòng)滅火系統(tǒng)、高壓水清洗裝置、GAR5空壓機(jī)，注漿灌最大容量120kg，錨索卷盤(pán)上可安裝750m長(zhǎng)卷裝錨索，配置RHS10型儲(chǔ)桿器，可一次安裝10根長(zhǎng)度1.2m鉆桿，COP1838ME型鑿巖機(jī)，沖擊功率18kw。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

（1）基本結(jié)構(gòu)組成。Cabletec M型錨索臺(tái)車主要包含兩大功能：鉆孔和錨索注漿，可實(shí)現(xiàn)邊鉆孔邊錨索注漿作業(yè)。設(shè)備本體主要由前后車架、駕駛室、鉆孔臂、注漿臂、推進(jìn)梁、回轉(zhuǎn)裝置、錨索裝置、水泥裝置、卷筒裝置、自動(dòng)滅火裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成，動(dòng)力操作系統(tǒng)由顯示屏、Application模塊、I/O模塊、Resolver模塊、傳感器與線束、配電箱和電纜等組成。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。Cabletec M型錨索臺(tái)車主要用于地下礦山巷道中錨索+注漿支護(hù)施工，是一款多智能型錨索臺(tái)車，具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：①小巧靈活，操作簡(jiǎn)易。Cabletec M型錨索臺(tái)車為適中型設(shè)備，總長(zhǎng)13.2m，井下采礦巷道設(shè)計(jì)端面為6m×4.5m，適合設(shè)備行駛、轉(zhuǎn)彎。定位、鉆孔、注漿、安裝錨索等所有操作集中于一個(gè)操作面板，只需一名操作人員便可完成所有錨索支護(hù)作業(yè)工序。②自動(dòng)化智能化程度高。Cabletec M型錨索臺(tái)車操作臺(tái)集鉆進(jìn)模式、定位模式、水泥/錨索模式、頂尖模式與一體，只需通過(guò)控制面板上2個(gè)操作手柄和各功能按鍵可實(shí)現(xiàn)自主切換，如圖2所示。設(shè)備上配置有壓力、深度、角度等各種類型傳感器，設(shè)備作業(yè)時(shí)各壓力、數(shù)據(jù)和參數(shù)實(shí)現(xiàn)可視化，具有自檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障、報(bào)警等可實(shí)時(shí)顯示并作出提示預(yù)警。③作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)保護(hù)裝置齊全。操作人員可根據(jù)鑿巖巖石狀況，在顯示屏操作界面調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力，以最佳壓力值得到理想的鉆孔效率和質(zhì)量。可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置鉆桿數(shù)量、孔深、安裝錨索長(zhǎng)度等。當(dāng)顯示屏下方彈出任何紅色報(bào)警時(shí)，設(shè)備會(huì)立即停止作業(yè)，同時(shí)操作手柄和按鍵失去操作功能，防止繼續(xù)操作造成重大故障，駕駛室兩側(cè)各裝有紅外檢測(cè)，在設(shè)備作業(yè)過(guò)程中如有其他人員通過(guò)時(shí)，主電機(jī)會(huì)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 Cabletec M型錨索臺(tái)車操作臺(tái)示意圖

2.3 設(shè)備性能

Cabletec M型錨索臺(tái)車由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向柱塞泵，定位操作穩(wěn)定性高，系統(tǒng)最大工作壓力210bar，75kW電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)三聯(lián)軸向柱塞泵，設(shè)備工作環(huán)境溫度0～40℃，在實(shí)際應(yīng)用中具有定位快、鉆孔效率高，其他性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Cabletec M型錨索臺(tái)車性能參數(shù)

3 工程應(yīng)用

3.1 Cabletec M型錨索臺(tái)作業(yè)流程

（1）作業(yè)前準(zhǔn)備。操作人員根據(jù)設(shè)備點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)和交接班制度要求完成對(duì)設(shè)備的全面檢查確認(rèn)后，小心謹(jǐn)慎駕駛設(shè)備至作業(yè)面，在確認(rèn)作業(yè)面安全的前提下利用前后支腿油缸將設(shè)備支撐平穩(wěn)，連接水管、電纜，并按礦山要求進(jìn)行規(guī)范吊掛，一般配電箱和供水管路距離作業(yè)面50m左右。待水電接好后，啟動(dòng)電機(jī)，準(zhǔn)備進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

（2）智能鉆孔。在井下作業(yè)采場(chǎng)T型巷道或交叉連接巷道或高危采場(chǎng)使用Cabletec M型錨索臺(tái)車進(jìn)行作業(yè)，設(shè)計(jì)單孔深6.5m，孔徑51mm，孔間距1.5m，孔排距3.5m，一排4根錨索，在臺(tái)車作業(yè)前已人工將孔位置做好標(biāo)記。鉆孔作業(yè)流程：①選擇鉆進(jìn)模式，進(jìn)入鉆孔操作界面設(shè)置孔深、鉆桿總數(shù)量（實(shí)際儲(chǔ)桿器上安裝數(shù)量）、鉆桿數(shù)量（根據(jù)孔深和鉆桿長(zhǎng)度計(jì)算所需數(shù)量）、選擇鉆頭。②按從左至右，第一個(gè)孔鉆臂定位，手動(dòng)開(kāi)孔。③鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)0.5～1m后，選擇單孔自動(dòng)化（含自動(dòng)沖、清洗功能）。④鉆孔結(jié)束后移動(dòng)鉆臂至下一個(gè)孔定位。

（3）錨索注漿。待所有錨索孔全部鉆完結(jié)束后，選擇水泥/錨索模式。①注漿。注漿前進(jìn)行水泥漿攪拌，水泥灌一次攪拌最大容量為120kg，配置有智能稱重模塊，可設(shè)置水/水泥比例、固定水泥重量、水泥管推進(jìn)速度等。攪拌全程自動(dòng)化，用時(shí)15min左右，水泥管為白色塑料硬質(zhì)管，安裝最佳長(zhǎng)度15～17m，通過(guò)注漿泵將水泥漿泵送至管內(nèi)，再由2組4個(gè)變速馬達(dá)來(lái)控制水泥管的進(jìn)退，將水泥管推進(jìn)至孔底后，單鍵選擇自動(dòng)注漿，系統(tǒng)根據(jù)已設(shè)置孔深到達(dá)孔口處時(shí)自動(dòng)停止注漿。6.5m錨索孔單孔水泥漿用量為25kg，一般第一罐水泥漿除去水泥管內(nèi)剩余，可以滿足3個(gè)錨索孔注漿用量，而第二罐就可一次滿足4個(gè)錨索孔注漿用量。②安裝錨索。卷裝錨索安裝在卷盤(pán)內(nèi)固定在車尾端，錨索總長(zhǎng)734m，采用Φ15.2mm×7鋼索，由兩級(jí)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)裝置驅(qū)動(dòng)錨索前后推動(dòng)，錨索臂前端安裝有錨索剪切裝置。當(dāng)錨索孔注滿水泥漿后，便將錨索推至孔底，一般會(huì)多預(yù)留20cm，理論計(jì)算一卷錨索可滿足109個(gè)錨索孔需求。

3.2 作業(yè)效果

本文根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存記錄選取10個(gè)班次對(duì)錨索孔鉆孔作業(yè)施工進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，詳見(jiàn)表2。

表2 10個(gè)班次錨索孔鉆孔作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

其中，鑿巖沖擊時(shí)間為純鉆孔時(shí)間，不含自動(dòng)接桿和卸桿時(shí)間，由表2得出單孔平均純鉆孔時(shí)間為4.6min，相比傳統(tǒng)錨索孔施工時(shí)間縮短15min，較大的提高了鉆孔施工作業(yè)效率，不僅降低了傳統(tǒng)鉆孔施工中人工接、卸桿存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且顯著提高了錨索孔的成形，沒(méi)有出現(xiàn)孔塌或孔堵現(xiàn)象。而最高效的作業(yè)效率則體現(xiàn)在錨索+注漿環(huán)節(jié)，全自動(dòng)化、智能化操作不受傳統(tǒng)人工作業(yè)工作積極性、工作效率、施工質(zhì)量等影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，單孔注漿+錨索安裝時(shí)間僅為3.5min，因每次水泥漿攪拌需用時(shí)15min，而將攪拌時(shí)間分?jǐn)偟矫總€(gè)錨索孔施工時(shí)間約為3.8min，其他作業(yè)時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 Cabletec M型錨索臺(tái)車完整作業(yè)工序時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

綜合各操作環(huán)節(jié)統(tǒng)計(jì)時(shí)間認(rèn)定，Cabletec M型錨索臺(tái)車完成單根錨索最佳單循環(huán)錨索注漿支護(hù)作業(yè)時(shí)間約為16.3min。所以，Cabletec M型錨索臺(tái)車單臺(tái)設(shè)備就能完成從鉆孔到安裝錨索和水泥注漿的完整支護(hù)工序，有效提高設(shè)備作業(yè)效率、節(jié)省人工、降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

R32MF1.2m鉆桿156.5美金/根，51mm鉆頭71.75美金/個(gè)，7.5m錨索698美金/根，水泥6美金/25kg，通過(guò)與傳統(tǒng)錨索支護(hù)施工工藝對(duì)比，Cabletec M型錨索臺(tái)車經(jīng)過(guò)1年多的工程應(yīng)用效果分析，從鉆具、水泥、鋼索等材料成本消耗統(tǒng)計(jì)分析得出，每年鉆桿可節(jié)約30根，鉆頭50個(gè)，水泥300kg，每年平均節(jié)省成本總費(fèi)用約10萬(wàn)美金。

3.4 操作和維護(hù)中存在問(wèn)題

錨索臺(tái)車推進(jìn)梁上有較多傳感器和控制信號(hào)線，在向上鉆孔作業(yè)中常有泥渣、石塊以及沖洗水流落下，對(duì)裸露在外的部分電氣元器件的使用壽命造成影響，尤其是抓桿機(jī)械手位置傳感器和信號(hào)線故障較高，影響自動(dòng)鉆孔功能。而在注漿作業(yè)中，注漿臂上常有水泥漿灑落，在整個(gè)注漿作業(yè)過(guò)程中就需要有較強(qiáng)責(zé)任心的操作工對(duì)注漿臂隨時(shí)沖洗，否則等水泥凝固后很難清洗干凈。Cabletec M型錨索臺(tái)車RCS 5操作系統(tǒng)、模塊化控制技術(shù)程度高，出現(xiàn)故障時(shí)需要廠家專業(yè)技術(shù)人員和系統(tǒng)秘鑰才能維修處理，受技術(shù)保密限制。

4 智能Cabletec M型錨索臺(tái)車應(yīng)用前景

隨著時(shí)代的進(jìn)步和礦山企業(yè)發(fā)展的需求，許多礦山都將面臨設(shè)備老舊、技術(shù)水平落后、生產(chǎn)成本增加等問(wèn)題，而金屬礦產(chǎn)又屬于不可再生資源，這必將促使礦山企業(yè)通過(guò)提升機(jī)械化、智能化、信息化水平解決生產(chǎn)安全、效率以及資源利用率等問(wèn)題。因此，引進(jìn)新技術(shù)和設(shè)備對(duì)于礦山企業(yè)尤為重要和關(guān)鍵。Cabletec M型錨索臺(tái)車目前在全球已超過(guò)百臺(tái)，它的高性能、高效率為傳統(tǒng)礦山錨索支護(hù)方式帶來(lái)重大便利，對(duì)于礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和利用發(fā)揮著重要的作用。礦山企業(yè)有其存在的作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其對(duì)于地質(zhì)條件差、巖石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的地下礦山，需要多種支護(hù)方式施工作業(yè)，而錨索+注漿支護(hù)尤為重要。Cabletec M型錨索臺(tái)車既能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆孔、注漿、安裝錨索于一體，大幅提高錨索支護(hù)施工作業(yè)效率，又節(jié)約人力成本、降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

另外，礦山生產(chǎn)要注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)，這也對(duì)我國(guó)礦山企業(yè)提出了科學(xué)要求，礦山企業(yè)要建立生態(tài)化的管理體系，在資源開(kāi)采過(guò)程中，避免對(duì)環(huán)境造成破壞，建立生態(tài)綠色的可循環(huán)機(jī)制，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)錨索支護(hù)施工需要設(shè)備數(shù)量多、類型雜，作業(yè)人員多，而Cabletec M型錨索臺(tái)車易操作，性能優(yōu)，只需一名專業(yè)操作人員就能完成鉆孔、錨索安裝和注漿等所有工序，大大節(jié)省了設(shè)備投入和人力成本。傳統(tǒng)錨索支護(hù)施工作業(yè)完成時(shí)間長(zhǎng)，很大程度影響生產(chǎn)銜接，而使用智能Cabletec M型錨索臺(tái)車有效縮短了長(zhǎng)錨索+注漿支護(hù)作業(yè)循環(huán)工序時(shí)間，較大地提高了作業(yè)效率。因智能錨索臺(tái)車高效作業(yè)，極大地加快生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)度，同時(shí)，較大程度減低了人員作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外礦山以機(jī)械化施工代替人力，以自動(dòng)化、智能化的錨索臺(tái)車替代傳統(tǒng)錨索注漿施工工藝已是大勢(shì)所趨。