程 偉

（中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

近年來，國家相關(guān)部門針對(duì)國內(nèi)非煤礦山、冶金有色等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域，開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)［1］，大力推動(dòng)了國內(nèi)非煤礦山采用機(jī)械化臺(tái)車鉆孔，逐漸取代傳統(tǒng)人工手持風(fēng)鉆鉆孔，提高了鉆孔效率以及作業(yè)安全水平。同時(shí)，國家自然資源部、礦山安全監(jiān)察局等發(fā)布了《智能礦山建設(shè)規(guī)范》和《礦山智能化標(biāo)準(zhǔn)體系框架》，加快推進(jìn)礦山智能化建設(shè)步伐［2］。礦山鑿巖設(shè)備機(jī)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(jìn)的發(fā)展方向。

在我國，絕大多數(shù)礦山井巷掘進(jìn)采用鉆爆法作業(yè)。由于設(shè)備價(jià)格低、運(yùn)維費(fèi)用低、操作簡單等特點(diǎn)，采用人工手持氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行鑿巖仍是國內(nèi)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(tái)車具有機(jī)械化程度高、鉆孔速度快、炮孔深度大、作業(yè)安全等優(yōu)勢，但存在設(shè)備費(fèi)用高、運(yùn)維費(fèi)用高、爆破技術(shù)要求高等問題。

穆雪野等［3］針對(duì)公路隧道人工鉆爆法施工和機(jī)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(shè)備特點(diǎn)及鉆爆施工質(zhì)量上的區(qū)別，最后結(jié)合某工程實(shí)際情況，從施工成本和工程進(jìn)度2個(gè)方面對(duì)比分析了2 種鉆爆法的經(jīng)濟(jì)性。歐陽德［4］針對(duì)公路隧道人工鉆爆法施工和機(jī)械化鉆爆法施工的不同，對(duì)2 種鉆爆法施工技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了人工鉆爆和鑿巖臺(tái)車鉆爆在施工工藝流程上的區(qū)別，并從鉆孔設(shè)備特點(diǎn)及鉆爆施工質(zhì)量上進(jìn)行研究，最后結(jié)合某工程實(shí)際情況，從施工成本和工程進(jìn)度兩方面對(duì)比分析了2 種鉆爆法的經(jīng)濟(jì)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(tái)車對(duì)比試驗(yàn)，獲得最優(yōu)爆破參數(shù)，并采用最優(yōu)化理論分析方法，通過爆破效果指標(biāo)以及成本對(duì)比分析，確定臺(tái)車鑿巖掘進(jìn)爆破最優(yōu)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)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(xiāng)廖家村北溝，行政劃分隸屬雞冠山鄉(xiāng)管轄。巷道掘進(jìn)爆破一直采用人工手持式氣腿鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，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(shù)38 個(gè)。單次循環(huán)有效進(jìn)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(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)存在如下問題：

（1）穿孔效率低。由于圍巖硬度大，導(dǎo)致人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工鑿巖效率低，掘進(jìn)速度緩慢。

（2）整體掘進(jìn)進(jìn)尺小。人工鑿巖炮孔深度約2.4 m，其爆破進(jìn)尺只能達(dá)到2.0 m。

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

（4）工作環(huán)境差。鑿巖機(jī)噪音和產(chǎn)生的粉塵對(duì)員工身體健康帶來影響。

2 臺(tái)車鑿巖參數(shù)設(shè)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(zhì)雜巖，經(jīng)多期區(qū)域變質(zhì)改造而成。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測定，平均密度為2.68 g/cm3，平均單軸抗壓強(qiáng)度為95.36 MPa，即巖石的普氏系數(shù)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(tái)車，配?45 mm 十字型合金鉆頭，乳化藥卷規(guī)格為?32 mm×200 mm，質(zhì)量150 g。

2.1 爆破參數(shù)設(shè)置

經(jīng)多次臺(tái)車掘進(jìn)爆破和參數(shù)優(yōu)化，最終得到小汪溝鐵礦巷道臺(tái)車掘進(jìn)爆破的最優(yōu)方案，按照推薦方案布置裝藥孔42個(gè)，空孔6個(gè)，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(tái)車掘進(jìn)爆破各孔參數(shù)見表1，合計(jì)使用裝藥量約108 kg，雷管42支。試驗(yàn)進(jìn)尺達(dá)到約3.5 m，炮孔利用率達(dá)到95%。

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2.2 指標(biāo)對(duì)比

為分析臺(tái)車掘進(jìn)爆破的提升效果，通過多項(xiàng)指標(biāo)與傳統(tǒng)手持鉆掘進(jìn)爆破進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，人工鑿巖和臺(tái)車鑿巖主要指標(biāo)對(duì)比情況見表2。

注：炸藥為8 500元/t，雷管為20元/發(fā)。

2 種鑿巖方式的鉆爆效果對(duì)比表明，臺(tái)車鑿巖的掘進(jìn)速度比人工鑿巖快1.28 m/min，對(duì)于穿孔速度的提升非常明顯，每循環(huán)進(jìn)尺比人工鑿巖多1.5 m，在優(yōu)化下爆破參數(shù)后采用臺(tái)車鑿巖能夠顯著提高掘進(jìn)速度；雖然臺(tái)車鑿巖每循環(huán)炸藥用量比人工鑿巖多了48 kg，但是由于進(jìn)尺量大，所以每米進(jìn)尺炸藥用量基本持平；同樣，雖然臺(tái)車鑿巖每循環(huán)雷管用量比人工鑿巖多4 發(fā)，但每米進(jìn)尺雷管用量比人工鑿巖少7發(fā)；此外，臺(tái)車鑿巖掘進(jìn)爆破每循環(huán)破巖實(shí)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(gè)斷面穿孔耗時(shí)約6 h。人工鑿巖成本包括鉆具、風(fēng)鉆及配件、電費(fèi)、人工和空壓機(jī)折舊費(fèi)用。

電費(fèi)計(jì)算公式如下：

式中，A為單位進(jìn)尺費(fèi)用，元/m；T為每循環(huán)耗時(shí)，h；P為風(fēng)鉆功率，kW；a為電費(fèi)單價(jià)，按0.75 元/（kW·h）計(jì)算；L為每循環(huán)進(jìn)尺，m。

計(jì)算得到單位進(jìn)尺電費(fèi)為168.75元。

人工費(fèi)用計(jì)算公式如下：

式中，B為單位進(jìn)尺人工費(fèi)用，元/m；n為每鑿巖班人數(shù)；b鑿巖班工人月工資，按18 000 元/月計(jì)算；D為每月工作天數(shù)，按25 d計(jì)算。

計(jì)算得到單位進(jìn)尺人工費(fèi)用1 080元。

工鑿巖成本見表3，人工鑿巖穿孔單位進(jìn)尺總費(fèi)用為1 811.75 元，而且其中成本最高為人工費(fèi)用，人工鑿巖每循環(huán)進(jìn)尺僅2 m，穿孔時(shí)間長，所以造成單位進(jìn)尺人工費(fèi)用高。

3.2 臺(tái)車鑿巖成本

鑿巖臺(tái)車工作中的成本主要包括鉆具成本、運(yùn)行成本、設(shè)備維護(hù)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(jià)計(jì)算得到單位鉆米零件損耗價(jià)值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到鉆具整體單位鉆米損耗為5.60 元。依據(jù)鑿巖臺(tái)車掘進(jìn)爆破試驗(yàn)得到的平均炮孔利用率，可以計(jì)算出鉆具單位進(jìn)尺損耗費(fèi)用為5.89 元，即采用鑿巖臺(tái)車穿孔開展掘進(jìn)爆破，巷道每進(jìn)尺1 m，鉆具損耗5.89 元。

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（2）運(yùn)行成本。鑿巖臺(tái)車的運(yùn)行成本包括消耗的油料費(fèi)用（即柴油、機(jī)油、液壓油）和電費(fèi)，油料成本在運(yùn)行成本中所占比例相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。巷道每米進(jìn)尺消耗電費(fèi)92.14 元。

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

（4）人工成本。此成本主要指臺(tái)車司機(jī)工資費(fèi)用，每操作班共需3名操作人員（15 000元/（人×月）），每個(gè)月人工費(fèi)用共45 000 元。礦山每天臺(tái)車鑿巖可以完成2個(gè)斷面施工，每個(gè)月按照25 d計(jì)算，月巷道進(jìn)尺175 m，計(jì)算單位巷道進(jìn)尺人工費(fèi)用為257.14 元/m。由上可知，臺(tái)車鑿巖成本為970.88 元/m。

3.3 對(duì)比分析

表5 為人工鑿巖和臺(tái)車鑿巖掘進(jìn)爆破成本對(duì)比情況。由表5可知，采用臺(tái)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(jìn)爆破鉆爆整體工序采用臺(tái)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(tái)車鑿巖穿孔提高了掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺，每掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺增加了1.5 m，月進(jìn)尺增加了125 m，掘進(jìn)效率提高了150%，能夠更加充分發(fā)揮機(jī)械化優(yōu)勢，從總體上提高鑿巖、裝運(yùn)設(shè)備的臺(tái)效。

雖然每循環(huán)臺(tái)車鑿巖穿孔量相比人工鑿巖增加了76 m，但根據(jù)上文穿孔成本分析可知，臺(tái)車鑿巖單位進(jìn)尺費(fèi)用為970.88 元，人工鑿巖單位進(jìn)尺費(fèi)用為1 885.75 元，臺(tái)車鑿巖穿孔比人工鑿巖減少了48.5%的成本。

4 臺(tái)車掘進(jìn)爆破最優(yōu)化分析

根據(jù)小汪溝鐵礦鑿巖臺(tái)車掘進(jìn)爆破技術(shù)及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，分析礦山掘進(jìn)工作面掘進(jìn)爆破進(jìn)尺與鑿巖爆破總費(fèi)用的關(guān)系，進(jìn)而分析在總掘進(jìn)爆破進(jìn)尺為多少時(shí)，選擇鑿巖臺(tái)車掘進(jìn)能獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。如果采用鑿巖臺(tái)車，掘進(jìn)工作面配備一臺(tái)開山重工KJ 系列全液壓掘進(jìn)鉆車，鑿巖臺(tái)車費(fèi)用約為300 萬元；如果采用人工鑿巖，工作面3 個(gè)工人共計(jì)使用3 臺(tái)氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)費(fèi)用共計(jì)為0.9 萬元，采用臺(tái)車鑿巖單位進(jìn)尺費(fèi)用為970.88 元，采用人工鑿巖單位進(jìn)尺費(fèi)用為1 885.75 元。所以，鑿巖爆破總費(fèi)用為每單位進(jìn)尺鑿巖費(fèi)用加上設(shè)備購置費(fèi)用。掘進(jìn)爆破進(jìn)尺為X，則鑿巖臺(tái)車爆破總費(fèi)用為M1=300+0.097 088X，人工鑿巖總費(fèi)用為M2=0.9+0.188 575X，臺(tái)車與人工鑿巖總費(fèi)用對(duì)比如圖2所示。

由圖2 可知，當(dāng)掘進(jìn)爆破進(jìn)尺約為3 269 m 時(shí)，使用鑿巖臺(tái)車與使用人工鑿巖總費(fèi)用相等，即當(dāng)?shù)V山掘進(jìn)爆破進(jìn)尺小于3 269 m時(shí)，與人工鑿巖相比，使用臺(tái)車鑿巖不經(jīng)濟(jì)。此時(shí)，礦山應(yīng)考慮進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化或者采用人工鑿巖。小汪溝鐵礦屬于大型礦山，服務(wù)年限達(dá)到15 a 以上，年均掘進(jìn)巷道長度達(dá)到3 500 m；相比人工鑿巖，使用掘進(jìn)臺(tái)車，1 a 節(jié)約費(fèi)用就可以收回前期的設(shè)備投資。因此，從經(jīng)濟(jì)上分析，采用臺(tái)車鑿巖掘進(jìn)爆破具有更加明顯的成本優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

（1）對(duì)比爆破效果指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)，臺(tái)車鑿巖能夠顯著提高每循環(huán)進(jìn)尺，相比人工鑿巖每循環(huán)進(jìn)尺增加了1.5 m，提升了巷道掘進(jìn)效率；并且能夠減少穿孔時(shí)間，增加單日巷道進(jìn)尺，縮短了巷道掘進(jìn)工期，提高了礦井生產(chǎn)效率。

（2）臺(tái)車鑿巖相比于人工鑿巖，單位進(jìn)尺的穿孔成本減少了約914.87 元，達(dá)到了降本增效的目標(biāo)。

（3）當(dāng)掘進(jìn)爆破進(jìn)尺約為3 269 m 時(shí)，使用鑿巖臺(tái)車與使用人工鑿巖總費(fèi)用相等，當(dāng)?shù)V山掘進(jìn)爆破進(jìn)尺小于3 269 m 時(shí)，優(yōu)先選擇人工鑿巖；當(dāng)進(jìn)尺大于3 269 m 時(shí)，優(yōu)先選擇臺(tái)車鑿巖。小汪溝鐵礦年均掘進(jìn)巷道長度達(dá)到3 500 m，使用臺(tái)車鑿巖為宜。