無底柱分段崩落法開采過程的機械化應用研究

韓鵬舉 ,趙書剛

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

0 引言

2015 年6 月,國家安監局下發了《關于開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動的通知》,意在從根本上減少煤礦、金屬非金屬礦山、危險化學品和煙花爆竹等重點領域的重大事故發生,實現“零死亡”目標[1-3];2017 年1 月,國務院印發《安全生產“十三五”規劃》,始終圍繞礦山等高危行業領域實施“機械化換人、自動化減人”,推廣和普及智能裝備在礦山中的應用,減少相關高危崗位的作業人員數量[2];同年,國家安監總局、國家煤監局印發《單班入井超千人礦井科技減人工作方案》明確提出,要依靠科技進步,加強先進技術裝備的研發、簡化生產工藝、減少生產流程,深入推進“機械化換人、自動化減人”[4]。

為響應國家相關政策要求,許多礦山企業進行了不同的探索,夏會輝等研制了自吸式潛水泵和風泵、轉載點自動噴霧裝置、乳化液泵站自動供水裝置等,滿足正常抽水、防塵、供水作業要求的同時實現了科技減人的目標[5];胡成軍等建立了煤矸分時分運系統、探索應用深淺孔聯合注漿巷修工藝、研發綜采工作面成套回撤工藝等,大幅減少生產成本和人員數量[6];蔡德芳等從勞動組織方面出發,簡化礦井系統,優化勞動組織,提升四化水平,實現礦井減人提效目標等[7];侯占友等認為應推進勞動定額定員管理融入生產,并規范勞動用工管理來達到減人增效的目標[8]。隨著礦山機械化水平不斷提高,減人提效必將成為主流[9]。

蒙庫鐵礦采用豎井-平硐-主斜坡道聯合開拓,采礦方法為無底柱分段崩落法,礦山生產過程包括鑿巖、爆破、浮石清理、二次破碎、巷道支護、溜井施工等作業工序,均以人工施工為主,依靠人工手持式鑿巖機和撬毛工具等作業。人工作業勞動強度大、效率低且危險性較高,工作現場冒頂、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,并且人工作業清理浮石不徹底等,易留下事故隱患威脅巷道作業安全。蒙庫鐵礦針對地下巷道安全風險,采取從結果管理向過程精細化管控轉變,采用過程和結果“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險,優化采掘工藝,降低采掘施工安全風險,逐步推進各工序機械化作業,確保生產安全進行。

1 礦區概況

蒙庫鐵礦位于阿爾泰山中部的西南山區,是新疆北部一座規模最大的鐵礦床。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系。礦床礦石礦物成分復雜、種類繁多,以磁鐵礦礦石為主,礦體內夾石主要分布在1 號礦體中,夾石呈不規則脈狀、細脈狀、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。受露天爆破振動和風化影響,掛幫礦體巷道頂板較不穩定,大部分巷道在采礦時,冒頂脫落現象較為頻繁。

2 井下各工序裝備作業現狀及問題

蒙庫鐵礦的生產過程主要分為巷道掘進、爆破回采、浮石清理、二次破碎和巷道支護等五個作業工序,均以人工作業為主,作業效率低,勞動強度大且存在各種安全問題。

2.1 巷道掘進

蒙庫鐵礦井下礦巷道掘進鑿巖使用氣腿式手扶鉆機,手持鉆每班需要3～4 人同時作業,鑿巖時間為8～10 h,單循環進尺在2.2～2.4 m。操作人員手持鉆機距作業面1 米左右,操作人員暴露在作業面下,發生冒頂、片幫后,人員面臨的安全風險較高,人員效率較低,勞動強度大。

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 型風動裝藥器,使用膨化硝銨袋裝炸藥,非電導爆管雷管分段起爆。每個回采進路一次爆破1～2排位,每天爆破4～5 個排位需涉爆人員約18 人,裝藥量約2 t,裝藥時間約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過程中出現推排32 次,懸頂5 次,其中因裝藥密度不足造成的爆破故障達68%。裝藥作業現場環境較差、爆破作業人員勞動強度大。

2.3 浮石清理

地下礦山開采和巷道掘進作業過程中,爆破后由于巖石受到各種作用力的沖擊,巖體松動,巷道頂部及兩側的浮石不穩固,在采掘作業循環中需要及時清理不穩固、隨時都有掉落可能的浮石,以確保現場操作人員及設備的安全。清理浮石主要是人工手持式撬毛設備作業。

人工手持式撬毛設備清除浮石,勞動強度大、效率低,而且危險性比較大,工作現場冒頂、碎片的飛濺、粉塵飛揚、巖石突然移動等,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浮巖清理很不徹底,留下事故隱患威脅下道作業安全。

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、地質構造(如裂隙、溶洞、小斷層等)影響,會產生大于入破規格的礦石塊度,而且大塊量隨產量的提升成倍增加。大塊二次破碎主要是人工手持氣腿式鑿巖機鉆孔后,裝藥爆破作業,以達到二次破碎的效果。

此種作業通過人工手持氣腿式鑿巖機鉆孔、爆破作業等工序,作業工序復雜、勞動強度大,而且危險性大,工作現場存在頂板浮石、高壓風管斷裂、噪聲、粉塵、振動、沖擊波等危險和危害因素,對操作人員人身安全及職業衛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不靈活,效率低下。爆破后存在殘余爆破器材等,對鏟裝作業留下事故隱患,威脅下道工序人員、設備作業安全。

2.5 巷道支護

錨桿支護使用氣腿式手扶鉆機,操作人員手持鉆機站在搭設的平臺上作業,操作人員暴露在頂板下,發生冒頂、片幫后,人員面臨的安全風險較高。作業期間每班需要2～3 人同時作業,鑿巖時間為8～10 h,錨桿施工量約80 m/班。支護效率較低,人員勞動強度大,質量不可控,粉塵、噪音、振動等職業危害突出。

噴漿支護作業使用噴漿機作業,人員手持噴砂管在噴漿作業面作業,粉塵大,回彈料多,作業環境差。噴漿機上料人員每班4 人,勞動強度大,效率低。每班5 人作業,作業時間8 小時,噴漿約15 m3。

3 開采過程的機械化應用

為消除人工作業帶來的安全風險和隱患,蒙庫鐵礦井下礦礦石開采和巷道掘進作業過程中,鑿巖、爆破、浮石清理、二次破碎、巷道支護、溜井施工等工序在作業過程中,逐步用大型設備替代人工手工作業。經過多年的實施,機械化作業達到98%。各工序大型機械設備的應用,適應井下礦生產工藝,符合當代礦山發展趨勢。

3.1 巷道掘進鑿巖臺車

巷道掘進鑿巖臺車能夠全面提升本質化安全。作業人員距作業面距離由1 米增加至8 米,消除了人工鑿巖作業的安全存在的重大隱患。消除了高壓風對人機傷害和人工鑿巖作業的安全存在的重大隱患,為下道工序實施提供了基本的保障。

通過巷道掘進鑿巖臺車,平巷掘進鑿巖臺車全面替代人工鑿巖作業,作業人員減少1 人/班。2018—2020 年使用鑿巖臺車后加權平均可完成260 m/臺月。在相同進尺下,260 m 由人工鑿巖需要3人684 工時完成(鑿巖工3 人,8 h 作業,進尺2.4 m),鑿巖臺車施工需2 人272 工時完成(2 人,4 h 作業,進尺3 m)。人員減少1 人,效率提升50%,作業時間減少412 個工時,提升勞動效率150%。

使用掘進鑿巖臺車后掘進每炮進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),每班次進尺為3 m。在鉆桿4.3 m 的情況下(直巷),每班次進尺為3～3.5 m,單炮掘進米數提升33%。鑿巖時間由8 h 減至4 h,減少工序循環時間4 h。

鑿巖臺車能夠全面降低了作業面粉塵,改善了職工工作環境。消除了水霧、減少了噪聲以及震動對身體的傷害。

3.2 爆破裝藥臺車

裝藥臺車在礦山的應用,可以大幅減輕工人勞動強度,提升機械化程度。人員在眉線口下作業時間大幅減少,降低裝藥作業安全隱患,提高裝藥作業的本質安全性。

通過使用裝藥臺車,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 內完成,提高作業效率。采用自動裝藥,裝藥過程中速度、壓力穩定,退管速度一致,炮孔內裝藥密度均勻,代替人工憑經驗裝藥,有效提高爆破效果。進一步提升井下礦產能。

另外,使用混裝乳化炸藥,作業過程不產生粉塵、裝藥返藥率≤1%,作業現場干凈、無粉塵。

3.3 撬毛臺車

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

使用撬毛臺車,蒙庫鐵礦掘進作業面每2 個分層配備2 名撬毛工,蒙庫鐵礦掘進面至少配備6 名撬毛工,回采作業面至少配備4 名撬毛工。撬毛臺車使用后合計人員可減少6 人,提升。勞動效率150%。撬毛臺車較人工移動速度快,靈活性高,處理浮石覆蓋面更廣。

3.4 二次破碎臺車

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

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

破碎臺車選用康明斯歐芋排放標準定發動機,在井下通風條件不好的情況下有效的降低了排放污染,可達到無異味,無煙塵。破碎臺車替換爆破作業,杜絕了二次爆破破碎產生的粉塵、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 錨桿臺車、噴漿臺車

臺車操作人員在頂棚下或者遙控器操作,遠離作業面,安全系數高,支護質量可控,為下道工序的實施提高了安全保障。錨桿臺車和噴漿臺車的應用,在環保方面能夠全面減少粉塵,達到回彈料少,作業環境明顯改善。

蒙庫鐵礦在各工序均實施了機械化減人應用,在巷道掘進工序中由原有的氣腿式手扶鉆機替換為巷道掘進鑿巖臺車。在爆破回采工序中有原有的BQF-100 型風動裝藥器人工裝藥替換成爆破裝藥臺車,在浮石清理工序中由原有的人工手持式撬毛設備替換為撬毛臺車,在二次破碎工序中由原有的人工手持氣腿式鑿巖機替換為二次破碎臺車,在巷道支護工序中由原有的氣腿式手扶鉆機和噴漿機手持噴漿管替換為錨桿臺車和噴漿臺車。隨著井下設備向著大型化、機械化和智能化的方向不斷發展,安全效益、效率提升、環保效益、直接經濟效益等四個方面的應用效益也得到了更具體的顯現。

4 機械化應用效益分析

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工序通過機械化將大量現場作業人工減少,降低了安全風險。在采掘作業循環中全面使用掘進鑿巖臺車、裝藥臺車、撬毛臺車、二次破碎臺車、錨桿臺車和噴漿臺車等,形成了一條完整的安全、高效的機械化作業線,在提升作業本質化安全,改善作業環境,降低人員作業勞動強度的同時實現可觀的經濟效益。

(1)巷道掘進鑿巖臺車直接經濟效益:優化18人,18 人×6 000 元×12 月=129.6 萬元/年。

(2)爆破裝藥臺車直接經濟效益:大幅減少勞動人員,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,產生經濟效益每年約為12人×1.4 萬元×12 月=201.6 萬元。

(3)撬毛臺車直接經濟效益:減人人員6 人,6人×6 000 元×12 月=43.2 萬元。

(4)二次破碎臺車直接經濟效益:節省炸藥2 t/月,導爆索1 萬米/月,每年節省(1.38 ×2 +1) ×12=45 萬元。

(5)錨桿臺車、噴漿臺車直接經濟效益:減少人員4 人,3 人×1.4 萬元×12 月=50.4 萬元/年。

5 結論

隨著行業發展及內外部環境挑戰加劇,地下礦山開采設備朝著大型化、機械化的轉變及應用,隨之帶來的效益也愈發凸顯。

(1)大型化、機械化裝備應用,利用大產能先進設備,可以直接減少危險環境中人員暴露數量和時間,使得礦山可以輕量化組織生產,降低人員、材料風險,避免重大安全事故發生。

(2)先進裝備應用,使得礦山能夠實現鉆爆運關鍵環節產能提升,降低生產成本,大大提高企業應對市場能力。

(3)大型裝備應用及后續智能化改造,可以有效改變操作人員長時間井下密閉、高粉塵環境作業時間,改善作業條件,減輕勞動強度,利于人員身心健康。

技術發展日新月異,大型機械化設備滿足井下礦生產需求和技術要求,已形成了一條完整的機械化作業線,改善了作業條件,減輕了勞動強度,可以在同類礦山推廣應用以實現減人增效。