小汪溝鐵礦鑿巖臺車掘進成本優化分析

程 偉

（中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

近年來，國家相關部門針對國內非煤礦山、冶金有色等重點行業領域，開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動［1］，大力推動了國內非煤礦山采用機械化臺車鉆孔，逐漸取代傳統人工手持風鉆鉆孔，提高了鉆孔效率以及作業安全水平。同時，國家自然資源部、礦山安全監察局等發布了《智能礦山建設規范》和《礦山智能化標準體系框架》，加快推進礦山智能化建設步伐［2］。礦山鑿巖設備機械化、智能化是目前礦山的重要研究方向，也是國家大力推進的發展方向。

在我國，絕大多數礦山井巷掘進采用鉆爆法作業。由于設備價格低、運維費用低、操作簡單等特點，采用人工手持氣腿式風動鑿巖機進行鑿巖仍是國內礦井最常使用的方式，但是也存在鑿巖效率低、人工成本高、鉆孔速度慢等問題。相比人工鑿巖，鑿巖臺車具有機械化程度高、鉆孔速度快、炮孔深度大、作業安全等優勢，但存在設備費用高、運維費用高、爆破技術要求高等問題。

穆雪野等［3］針對公路隧道人工鉆爆法施工和機械化鉆爆法施工的不同，分析了兩者在施工工藝流程、鉆孔設備特點及鉆爆施工質量上的區別，最后結合某工程實際情況，從施工成本和工程進度2個方面對比分析了2 種鉆爆法的經濟性。歐陽德［4］針對公路隧道人工鉆爆法施工和機械化鉆爆法施工的不同，對2 種鉆爆法施工技術進行了對比研究，分析了人工鉆爆和鑿巖臺車鉆爆在施工工藝流程上的區別，并從鉆孔設備特點及鉆爆施工質量上進行研究，最后結合某工程實際情況，從施工成本和工程進度兩方面對比分析了2 種鉆爆法的經濟性。本文以遼寧省燈塔市小汪溝鐵礦為例，通過開展人工和鑿巖臺車對比試驗，獲得最優爆破參數，并采用最優化理論分析方法，通過爆破效果指標以及成本對比分析，確定臺車鑿巖掘進爆破最優經濟技術指標范圍。

1 礦山概況

小汪溝鐵礦位于遼寧省燈塔市東南35 km 處的雞冠山鄉廖家村北溝，行政劃分隸屬雞冠山鄉管轄。巷道掘進爆破一直采用人工手持式氣腿鑿巖機進行鉆孔作業，炮孔直徑40 mm，掏槽方式為直孔掏槽，掏槽孔采用3 m×4 m 的矩形布置方式，炮孔深度約2.4 m，所采用乳化炸藥直徑?32 mm，每段延期為500 ms，斷面炮孔總數38 個。單次循環有效進尺約2 m，炮孔利用率約為83%。

目前，采用人工手持式氣腿鑿巖機進行鉆孔作業存在如下問題：

（1）穿孔效率低。由于圍巖硬度大，導致人工勞動強度大，人工鑿巖效率低，掘進速度緩慢。

（2）整體掘進進尺小。人工鑿巖炮孔深度約2.4 m，其爆破進尺只能達到2.0 m。

（3）不符合減員增效目標。1 個鑿巖工作組一般配備3 人，完成1 個斷面鑿巖作業需要6～8 h，每天僅能掘進1個斷面。

（4）工作環境差。鑿巖機噪音和產生的粉塵對員工身體健康帶來影響。

2 臺車鑿巖參數設置

小汪溝鐵礦巖石主要為黑云斜長片麻巖，黑云斜長片麻巖原巖為奧長花崗質雜巖，經多期區域變質改造而成。經室內試驗測定，平均密度為2.68 g/cm3，平均單軸抗壓強度為95.36 MPa，即巖石的普氏系數f=9.5。巷道斷面尺寸為4.1 m×3.6 m，采用開山重工鑿巖臺車，配?45 mm 十字型合金鉆頭，乳化藥卷規格為?32 mm×200 mm，質量150 g。

2.1 爆破參數設置

經多次臺車掘進爆破和參數優化，最終得到小汪溝鐵礦巷道臺車掘進爆破的最優方案，按照推薦方案布置裝藥孔42個，空孔6個，掏槽孔76 mm，空孔直徑為89 mm，其他炮孔直徑為45 mm，其中掏槽孔孔深3.9 m，其他孔深3.8 m，圖1為斷面炮孔布置示意圖。

臺車掘進爆破各孔參數見表1，合計使用裝藥量約108 kg，雷管42支。試驗進尺達到約3.5 m，炮孔利用率達到95%。

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2.2 指標對比

為分析臺車掘進爆破的提升效果，通過多項指標與傳統手持鉆掘進爆破進行橫向對比，人工鑿巖和臺車鑿巖主要指標對比情況見表2。

注：炸藥為8 500元/t，雷管為20元/發。

2 種鑿巖方式的鉆爆效果對比表明，臺車鑿巖的掘進速度比人工鑿巖快1.28 m/min，對于穿孔速度的提升非常明顯，每循環進尺比人工鑿巖多1.5 m，在優化下爆破參數后采用臺車鑿巖能夠顯著提高掘進速度；雖然臺車鑿巖每循環炸藥用量比人工鑿巖多了48 kg，但是由于進尺量大，所以每米進尺炸藥用量基本持平；同樣，雖然臺車鑿巖每循環雷管用量比人工鑿巖多4 發，但每米進尺雷管用量比人工鑿巖少7發；此外，臺車鑿巖掘進爆破每循環破巖實體體積也比人工鑿巖多22.14 m3。

3 成本分析

3.1 人工鑿巖成本

人工鑿巖每班需3 名工作人員，完成1 個斷面穿孔耗時約6 h。人工鑿巖成本包括鉆具、風鉆及配件、電費、人工和空壓機折舊費用。

電費計算公式如下：

式中，A為單位進尺費用，元/m；T為每循環耗時，h；P為風鉆功率，kW；a為電費單價，按0.75 元/（kW·h）計算；L為每循環進尺，m。

計算得到單位進尺電費為168.75元。

人工費用計算公式如下：

式中，B為單位進尺人工費用，元/m；n為每鑿巖班人數；b鑿巖班工人月工資，按18 000 元/月計算；D為每月工作天數，按25 d計算。

計算得到單位進尺人工費用1 080元。

工鑿巖成本見表3，人工鑿巖穿孔單位進尺總費用為1 811.75 元，而且其中成本最高為人工費用，人工鑿巖每循環進尺僅2 m，穿孔時間長，所以造成單位進尺人工費用高。

3.2 臺車鑿巖成本

鑿巖臺車工作中的成本主要包括鉆具成本、運行成本、設備維護成本（零件損耗）和人工成本。

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（1）鉆具成本。鉆具消耗部分主要有鉆桿、鉆頭、釬尾和連接桿。按照各零件壽命和單價計算得到單位鉆米零件損耗價值，根據計算結果可以得到鉆具整體單位鉆米損耗為5.60 元。依據鑿巖臺車掘進爆破試驗得到的平均炮孔利用率，可以計算出鉆具單位進尺損耗費用為5.89 元，即采用鑿巖臺車穿孔開展掘進爆破，巷道每進尺1 m，鉆具損耗5.89 元。

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（2）運行成本。鑿巖臺車的運行成本包括消耗的油料費用（即柴油、機油、液壓油）和電費，油料成本在運行成本中所占比例相對較小，可以忽略不計。巷道每米進尺消耗電費92.14 元。

（3）機械使用和維護成本包括設備折舊費用、零件費用和機械修理費用。該設備為開山重工KJ系列全液壓掘進鉆車，估值為300萬元，每鉆孔8 000鉆米消耗的設備折舊費用、零件費用和機械修理費用估算應是設備估值的2%，即6 萬元，所以單位鉆米機械使用和維護成本為7.5 元/m，計算單位進尺機械使用和維護成本約為342 元/m。

（4）人工成本。此成本主要指臺車司機工資費用，每操作班共需3名操作人員（15 000元/（人×月）），每個月人工費用共45 000 元。礦山每天臺車鑿巖可以完成2個斷面施工，每個月按照25 d計算，月巷道進尺175 m，計算單位巷道進尺人工費用為257.14 元/m。由上可知，臺車鑿巖成本為970.88 元/m。

3.3 對比分析

表5 為人工鑿巖和臺車鑿巖掘進爆破成本對比情況。由表5可知，采用臺車鑿巖能夠顯著降低人工成本，火工品成本都為274 元/m，掘進爆破鉆爆整體工序采用臺車鑿巖成本比人工鑿巖低很多，約為人工鑿巖成本的51%。

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采用臺車鑿巖穿孔提高了掘進循環進尺，每掘進循環進尺增加了1.5 m，月進尺增加了125 m，掘進效率提高了150%，能夠更加充分發揮機械化優勢，從總體上提高鑿巖、裝運設備的臺效。

雖然每循環臺車鑿巖穿孔量相比人工鑿巖增加了76 m，但根據上文穿孔成本分析可知，臺車鑿巖單位進尺費用為970.88 元，人工鑿巖單位進尺費用為1 885.75 元，臺車鑿巖穿孔比人工鑿巖減少了48.5%的成本。

4 臺車掘進爆破最優化分析

根據小汪溝鐵礦鑿巖臺車掘進爆破技術及經濟數據，分析礦山掘進工作面掘進爆破進尺與鑿巖爆破總費用的關系，進而分析在總掘進爆破進尺為多少時，選擇鑿巖臺車掘進能獲取最大的經濟效益。如果采用鑿巖臺車，掘進工作面配備一臺開山重工KJ 系列全液壓掘進鉆車，鑿巖臺車費用約為300 萬元；如果采用人工鑿巖，工作面3 個工人共計使用3 臺氣腿式風動鑿巖機，氣腿式風動鑿巖機費用共計為0.9 萬元，采用臺車鑿巖單位進尺費用為970.88 元，采用人工鑿巖單位進尺費用為1 885.75 元。所以，鑿巖爆破總費用為每單位進尺鑿巖費用加上設備購置費用。掘進爆破進尺為X，則鑿巖臺車爆破總費用為M1=300+0.097 088X，人工鑿巖總費用為M2=0.9+0.188 575X，臺車與人工鑿巖總費用對比如圖2所示。

由圖2 可知，當掘進爆破進尺約為3 269 m 時，使用鑿巖臺車與使用人工鑿巖總費用相等，即當礦山掘進爆破進尺小于3 269 m時，與人工鑿巖相比，使用臺車鑿巖不經濟。此時，礦山應考慮進行爆破參數優化或者采用人工鑿巖。小汪溝鐵礦屬于大型礦山，服務年限達到15 a 以上，年均掘進巷道長度達到3 500 m；相比人工鑿巖，使用掘進臺車，1 a 節約費用就可以收回前期的設備投資。因此，從經濟上分析，采用臺車鑿巖掘進爆破具有更加明顯的成本優勢。

5 結 論

（1）對比爆破效果指標，可以發現，臺車鑿巖能夠顯著提高每循環進尺，相比人工鑿巖每循環進尺增加了1.5 m，提升了巷道掘進效率；并且能夠減少穿孔時間，增加單日巷道進尺，縮短了巷道掘進工期，提高了礦井生產效率。

（2）臺車鑿巖相比于人工鑿巖，單位進尺的穿孔成本減少了約914.87 元，達到了降本增效的目標。

（3）當掘進爆破進尺約為3 269 m 時，使用鑿巖臺車與使用人工鑿巖總費用相等，當礦山掘進爆破進尺小于3 269 m 時，優先選擇人工鑿巖；當進尺大于3 269 m 時，優先選擇臺車鑿巖。小汪溝鐵礦年均掘進巷道長度達到3 500 m，使用臺車鑿巖為宜。