无底柱分段崩落法开采过程的机械化应用研究

韩鹏举 ,赵书刚

(1.八钢矿业富蕴蒙库铁矿有限责任公司,新疆 富蕴 836100;2.中冶武勘工程技术有限公司,湖北 武汉 430000)

0 引言

2015 年6 月,国家安监局下发了《关于开展“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动的通知》,意在从根本上减少煤矿、金属非金属矿山、危险化学品和烟花爆竹等重点领域的重大事故发生,实现“零死亡”目标[1-3];2017 年1 月,国务院印发《安全生产“十三五”规划》,始终围绕矿山等高危行业领域实施“机械化换人、自动化减人”,推广和普及智能装备在矿山中的应用,减少相关高危岗位的作业人员数量[2];同年,国家安监总局、国家煤监局印发《单班入井超千人矿井科技减人工作方案》明确提出,要依靠科技进步,加强先进技术装备的研发、简化生产工艺、减少生产流程,深入推进“机械化换人、自动化减人”[4]。

为响应国家相关政策要求,许多矿山企业进行了不同的探索,夏会辉等研制了自吸式潜水泵和风泵、转载点自动喷雾装置、乳化液泵站自动供水装置等,满足正常抽水、防尘、供水作业要求的同时实现了科技减人的目标[5];胡成军等建立了煤矸分时分运系统、探索应用深浅孔联合注浆巷修工艺、研发综采工作面成套回撤工艺等,大幅减少生产成本和人员数量[6];蔡德芳等从劳动组织方面出发,简化矿井系统,优化劳动组织,提升四化水平,实现矿井减人提效目标等[7];侯占友等认为应推进劳动定额定员管理融入生产,并规范劳动用工管理来达到减人增效的目标[8]。随着矿山机械化水平不断提高,减人提效必将成为主流[9]。

蒙库铁矿采用竖井-平硐-主斜坡道联合开拓,采矿方法为无底柱分段崩落法,矿山生产过程包括凿岩、爆破、浮石清理、二次破碎、巷道支护、溜井施工等作业工序,均以人工施工为主,依靠人工手持式凿岩机和撬毛工具等作业。人工作业劳动强度大、效率低且危险性较高,工作现场冒顶、碎片飞溅、粉尘、浮石打击等对操作人员的存在极大安全隐患,并且人工作业清理浮石不彻底等,易留下事故隐患威胁巷道作业安全。蒙库铁矿针对地下巷道安全风险,采取从结果管理向过程精细化管控转变,采用过程和结果“双管齐下”的方式,控制采掘工艺流程中巷道顶板等的安全风险,优化采掘工艺,降低采掘施工安全风险,逐步推进各工序机械化作业,确保生产安全进行。

1 矿区概况

蒙库铁矿位于阿尔泰山中部的西南山区,是新疆北部一座规模最大的铁矿床。矿体厚度最大35.53 m,最小2.89 m,平均12.99 m,厚度分布频率以5～10 m 居多,总体走向约300°左右,倾向NE,倾角75°～89°。蒙库铁矿围岩主要为角闪变粒岩,仅在矿体西端见少量条带状角闪变粒岩,其他矿体围岩主要为条带状角闪变粒岩、角闪变粒岩、黑云角闪片麻岩,围岩与矿体呈整合接触关系。矿床矿石矿物成分复杂、种类繁多,以磁铁矿矿石为主,矿体内夹石主要分布在1 号矿体中,夹石呈不规则脉状、细脉状、条带状、透镜状分布,夹石的组成主要是角闪变粒岩,少量黑云角闪斜长片麻岩、磁铁石榴石岩、磁铁变粒岩。矿石普氏系数f=16～18,岩石f=8～12。

目前开采的1070-938 中段矿体分布于119～134 线之间,埋藏标高1 212.5～863 m。属于挂帮矿体开采,巷道形状为三心拱,巷道根据矿体条件采用沿脉走向布置和垂直矿体走向布置,大多巷道沿走向布置。受露天爆破振动和风化影响,挂帮矿体巷道顶板较不稳定,大部分巷道在采矿时,冒顶脱落现象较为频繁。

2 井下各工序装备作业现状及问题

蒙库铁矿的生产过程主要分为巷道掘进、爆破回采、浮石清理、二次破碎和巷道支护等五个作业工序,均以人工作业为主,作业效率低,劳动强度大且存在各种安全问题。

2.1 巷道掘进

蒙库铁矿井下矿巷道掘进凿岩使用气腿式手扶钻机,手持钻每班需要3～4 人同时作业,凿岩时间为8～10 h,单循环进尺在2.2～2.4 m。操作人员手持钻机距作业面1 米左右,操作人员暴露在作业面下,发生冒顶、片帮后,人员面临的安全风险较高,人员效率较低,劳动强度大。

2.2 爆破回采

蒙库铁矿地下矿上向中深孔回采爆破采用BQF-100 型风动装药器,使用膨化硝铵袋装炸药,非电导爆管雷管分段起爆。每个回采进路一次爆破1～2排位,每天爆破4～5 个排位需涉爆人员约18 人,装药量约2 t,装药时间约6 h。装药过程中返药量28.52%～31.7%,炸药单耗0.40 kg/t,大块率约3.98%。2020 年地下矿在回采爆破作业过程中出现推排32 次,悬顶5 次,其中因装药密度不足造成的爆破故障达68%。装药作业现场环境较差、爆破作业人员劳动强度大。

2.3 浮石清理

地下矿山开采和巷道掘进作业过程中,爆破后由于岩石受到各种作用力的冲击,岩体松动,巷道顶部及两侧的浮石不稳固,在采掘作业循环中需要及时清理不稳固、随时都有掉落可能的浮石,以确保现场操作人员及设备的安全。清理浮石主要是人工手持式撬毛设备作业。

人工手持式撬毛设备清除浮石,劳动强度大、效率低,而且危险性比较大,工作现场冒顶、碎片的飞溅、粉尘飞扬、岩石突然移动等,对操作人员的安全存在极大的隐患,并且受到人力的限制有时浮岩清理很不彻底,留下事故隐患威胁下道作业安全。

2.4 二次破碎

地下矿山开采过程中,由于岩性变化、装药密度变化、地质构造(如裂隙、溶洞、小断层等)影响,会产生大于入破规格的矿石块度,而且大块量随产量的提升成倍增加。大块二次破碎主要是人工手持气腿式凿岩机钻孔后,装药爆破作业,以达到二次破碎的效果。

此种作业通过人工手持气腿式凿岩机钻孔、爆破作业等工序,作业工序复杂、劳动强度大,而且危险性大,工作现场存在顶板浮石、高压风管断裂、噪声、粉尘、振动、冲击波等危险和危害因素,对操作人员人身安全及职业卫生健康存在极大的隐患,并且受到人力及工序限制破碎作业不灵活,效率低下。爆破后存在残余爆破器材等,对铲装作业留下事故隐患,威胁下道工序人员、设备作业安全。

2.5 巷道支护

锚杆支护使用气腿式手扶钻机,操作人员手持钻机站在搭设的平台上作业,操作人员暴露在顶板下,发生冒顶、片帮后,人员面临的安全风险较高。作业期间每班需要2～3 人同时作业,凿岩时间为8～10 h,锚杆施工量约80 m/班。支护效率较低,人员劳动强度大,质量不可控,粉尘、噪音、振动等职业危害突出。

喷浆支护作业使用喷浆机作业,人员手持喷砂管在喷浆作业面作业,粉尘大,回弹料多,作业环境差。喷浆机上料人员每班4 人,劳动强度大,效率低。每班5 人作业,作业时间8 小时,喷浆约15 m3。

3 开采过程的机械化应用

为消除人工作业带来的安全风险和隐患,蒙库铁矿井下矿矿石开采和巷道掘进作业过程中,凿岩、爆破、浮石清理、二次破碎、巷道支护、溜井施工等工序在作业过程中,逐步用大型设备替代人工手工作业。经过多年的实施,机械化作业达到98%。各工序大型机械设备的应用,适应井下矿生产工艺,符合当代矿山发展趋势。

3.1 巷道掘进凿岩台车

巷道掘进凿岩台车能够全面提升本质化安全。作业人员距作业面距离由1 米增加至8 米,消除了人工凿岩作业的安全存在的重大隐患。消除了高压风对人机伤害和人工凿岩作业的安全存在的重大隐患,为下道工序实施提供了基本的保障。

通过巷道掘进凿岩台车,平巷掘进凿岩台车全面替代人工凿岩作业,作业人员减少1 人/班。2018—2020 年使用凿岩台车后加权平均可完成260 m/台月。在相同进尺下,260 m 由人工凿岩需要3人684 工时完成(凿岩工3 人,8 h 作业,进尺2.4 m),凿岩台车施工需2 人272 工时完成(2 人,4 h 作业,进尺3 m)。人员减少1 人,效率提升50%,作业时间减少412 个工时,提升劳动效率150%。

使用掘进凿岩台车后掘进每炮进尺由原来的人工凿岩2.2～2.4 m 提升到3～3.5 m,钻杆3.7 m 的情况下(开口刷帮),每班次进尺为3 m。在钻杆4.3 m 的情况下(直巷),每班次进尺为3～3.5 m,单炮掘进米数提升33%。凿岩时间由8 h 减至4 h,减少工序循环时间4 h。

凿岩台车能够全面降低了作业面粉尘,改善了职工工作环境。消除了水雾、减少了噪声以及震动对身体的伤害。

3.2 爆破装药台车

装药台车在矿山的应用,可以大幅减轻工人劳动强度,提升机械化程度。人员在眉线口下作业时间大幅减少,降低装药作业安全隐患,提高装药作业的本质安全性。

通过使用装药台车,在蒙库铁矿大幅减少回采爆破人员,装药速度约80 kg/min,装药量由0.3～0.5 t/h 提升至3.6～4.8 t/h,单排装药均在1 h 内完成,提高作业效率。采用自动装药,装药过程中速度、压力稳定,退管速度一致,炮孔内装药密度均匀,代替人工凭经验装药,有效提高爆破效果。进一步提升井下矿产能。

另外,使用混装乳化炸药,作业过程不产生粉尘、装药返药率≤1%,作业现场干净、无粉尘。

3.3 撬毛台车

人工撬毛人员暴露在顶板下部,台车操作人员在顶棚下操作,安全系数较人工高。作业人员距作业面距离由1 米增加至8 米,消除了人工撬毛作业的安全存在的重大隐患,提升本质化安全[10]。

使用撬毛台车,蒙库铁矿掘进作业面每2 个分层配备2 名撬毛工,蒙库铁矿掘进面至少配备6 名撬毛工,回采作业面至少配备4 名撬毛工。撬毛台车使用后合计人员可减少6 人,提升。劳动效率150%。撬毛台车较人工移动速度快,灵活性高,处理浮石覆盖面更广。

3.4 二次破碎台车

人工破碎及二次破碎人员暴露在顶板下部,长时间近距离接触大块等,驾驶室全部采用100 mm×100 mm×10 mm 高强度矩形钢,顶部采用10 mm 厚度整块钢板覆盖在支撑梁上,内有多根加厚矩形钢管支撑,可抗击8.9 吨静压力。台车操作人员在顶棚下操作,安全系数远远高于人工。

蒙库铁矿二次破碎每班配备4 名凿岩工。破碎台车使用后合计人员可减少1 人,提升劳动效率300%。移动破碎台车性能稳定、操作简单、安全可靠、适用范围广、维护保养简单、使用寿命长、工班效率高、灵活性高、覆盖面积大、可承受高强度的冲击力,满足自由拨动矿岩的需要,人工二次破碎处理能力20 t/h,台车破碎处理能力30 t/h,效率提升50%。

破碎台车选用康明斯欧芋排放标准定发动机,在井下通风条件不好的情况下有效的降低了排放污染,可达到无异味,无烟尘。破碎台车替换爆破作业,杜绝了二次爆破破碎产生的粉尘、一氧化碳、氮氧化物等有毒有害气体,大幅减少二次破碎对井下空气的影响。

3.5 锚杆台车、喷浆台车

台车操作人员在顶棚下或者遥控器操作,远离作业面,安全系数高,支护质量可控,为下道工序的实施提高了安全保障。锚杆台车和喷浆台车的应用,在环保方面能够全面减少粉尘,达到回弹料少,作业环境明显改善。

蒙库铁矿在各工序均实施了机械化减人应用,在巷道掘进工序中由原有的气腿式手扶钻机替换为巷道掘进凿岩台车。在爆破回采工序中有原有的BQF-100 型风动装药器人工装药替换成爆破装药台车,在浮石清理工序中由原有的人工手持式撬毛设备替换为撬毛台车,在二次破碎工序中由原有的人工手持气腿式凿岩机替换为二次破碎台车,在巷道支护工序中由原有的气腿式手扶钻机和喷浆机手持喷浆管替换为锚杆台车和喷浆台车。随着井下设备向着大型化、机械化和智能化的方向不断发展,安全效益、效率提升、环保效益、直接经济效益等四个方面的应用效益也得到了更具体的显现。

4 机械化应用效益分析

蒙库铁矿采用无底柱分段崩落法开采,其矿石开采和巷道掘进工序通过机械化将大量现场作业人工减少,降低了安全风险。在采掘作业循环中全面使用掘进凿岩台车、装药台车、撬毛台车、二次破碎台车、锚杆台车和喷浆台车等,形成了一条完整的安全、高效的机械化作业线,在提升作业本质化安全,改善作业环境,降低人员作业劳动强度的同时实现可观的经济效益。

(1)巷道掘进凿岩台车直接经济效益:优化18人,18 人×6 000 元×12 月=129.6 万元/年。

(2)爆破装药台车直接经济效益:大幅减少劳动人员,人工装药人员的18 人装药人员减少至6人,可代替人员为12 人,产生经济效益每年约为12人×1.4 万元×12 月=201.6 万元。

(3)撬毛台车直接经济效益:减人人员6 人,6人×6 000 元×12 月=43.2 万元。

(4)二次破碎台车直接经济效益:节省炸药2 t/月,导爆索1 万米/月,每年节省(1.38 ×2 +1) ×12=45 万元。

(5)锚杆台车、喷浆台车直接经济效益:减少人员4 人,3 人×1.4 万元×12 月=50.4 万元/年。

5 结论

随着行业发展及内外部环境挑战加剧,地下矿山开采设备朝着大型化、机械化的转变及应用,随之带来的效益也愈发凸显。

(1)大型化、机械化装备应用,利用大产能先进设备,可以直接减少危险环境中人员暴露数量和时间,使得矿山可以轻量化组织生产,降低人员、材料风险,避免重大安全事故发生。

(2)先进装备应用,使得矿山能够实现钻爆运关键环节产能提升,降低生产成本,大大提高企业应对市场能力。

(3)大型装备应用及后续智能化改造,可以有效改变操作人员长时间井下密闭、高粉尘环境作业时间,改善作业条件,减轻劳动强度,利于人员身心健康。

技术发展日新月异,大型机械化设备满足井下矿生产需求和技术要求,已形成了一条完整的机械化作业线,改善了作业条件,减轻了劳动强度,可以在同类矿山推广应用以实现减人增效。