杏山铁矿巷道掘进效率的影响因素与优化

张 达

（首钢集团有限公司矿业公司杏山铁矿）

为快速适应新的矿业形势，需要积极开展降本增效的课题研究［1-2］。目前首钢矿业公司杏山铁矿巷道掘进过程中存在硬岩爆破效率低、循环进尺少、巷道成型差、工序间相互影响等问题，改善掘进工艺、提高爆破效果，成为矿山亟待解决的问题［3］。

1 杏山铁矿掘进工程概况

1.1 地质条件

杏山铁矿是首钢的第一家地下矿山，位于华北地台北缘燕山沉降带中部迁安隆起西缘的褶皱带南部杏山复向斜构造中，矿石物质组成较简单，属于中硫、低磷、贫磁铁矿石，主要金属矿石矿物为磁铁矿，其次为黄铁矿，矿岩普氏硬度系数为10～14。巷道穿越地段按围岩岩性分级划分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V 级围岩，Ⅱ级围岩岩质坚硬、围岩稳定，Ⅲ级围岩岩质弱风化，裂隙较发育，围岩基本稳定，Ⅳ、V 级围岩裂隙发育，岩体为破碎结构，围岩稳定性差，易掉块［4～5］。

1.2 凿岩装药

目前掘进巷道设计断面规格为4.8 m×3.9 m，由于岩石比较坚硬，巷道断面积不大，采用全断面一次开挖的掘进方案。

中心眼、辅助眼及底眼采用连续装药，周边眼采取不耦合间隔装药，起爆方式为导爆索雷管联合起爆，以减少对围岩的破坏，采用2#岩石乳化药卷φ32 mm×330 mm，每卷质量0.3 kg。起爆器材有半秒延期非电管、毫秒延期非电管和导爆索［6］。

2 影响掘进效率的因素分析

2.1 掘进工艺存在的问题

2.1.1 补炮率高和循环进尺低

掘进补炮率高和循环进尺低是杏山铁矿巷道掘进中一直面临的问题。爆破作业设计不合理，使掘进循环进尺和炮孔利用率低，同时爆破后产生“根底”、“门帘”，导致工作面无法再次正常穿孔爆破，导致补炮率升高。分析造成以上2个问题主要原因：①炮孔质量存在问题，如炮孔间距、穿孔角度、炮孔深度、成孔质量与爆破设计对比存在差距；②爆破工装药质量存在问题，如装入段别与设计不符、炮泥填塞长度与紧密度不合格、周边孔间隔装药的距离不合适等；③设计与现场不匹配，如岩性较硬点位给药量不足，掏槽部位段别、间距设计不合理等［7］。

2.1.2 掘进巷道成型质量差

巷道成型出现质量差的情况后，必然会二次处理。如巷道底板凹凸不平会影响铲运机的出渣运行效率；顶板炮孔之间过渡接茬大、两侧边帮不垂直，造成围岩受力不均、巷道自稳性较差，长期受爆破震动影响极易出现掉块、裂隙发育，给凿岩台车、爆破施工带来较大的安全隐患，无形中也增加了台车处理和人工检撬的工作量。

2.1.3 爆破产生大块

由于工作面孔网参数不能够及时匹配现场岩石硬度和地质结构的复杂多变，设计炸药单耗与岩性不匹配，导致掘进爆破产生大块，不仅严重影响铲运机甩矿效率，后期处理也比较耗时费力。

2.1.4 破碎部位的掘进方式

杏山铁矿各个采区的岩性不尽相同，并且切割巷、进路开口处常常设计在矿岩交接部位，这些部位岩性相对较为破碎、节理松散、成孔较差、台车处理工作面时间较长，在这样的点位作业时，严重影响着掘进效率，并对设备造成一定的损伤［8］。

2.2 施工工序存在的问题

掘进主要施工工序包括穿孔、爆破、出渣三大项，辅助工序包括支护、水电供给、通风排水、溜井运距等。其中掘进的三大项工序是环环相扣。穿孔质量对爆破效果的影响较大，而在实际生产过程中，由于穿孔质量的低下会造成台车反复挪车洗孔、补孔；工作面处理不合格会给爆破施工带来较大的排险工作量和安全隐患；爆破施工时爆破区域内的物资、风水管线撤出不达标导致被爆破损坏，影响下一循环的台车作业；铲运机出渣不彻底、路面平整不彻底影响到台车进入后的正常穿孔时间［9］。

2.3 设备操作存在的问题

杏山铁矿所使用的主体设备均为进口，机械化程度高、操作便捷、精确度高，但是不可避免的缺点就是备品备件的价格昂贵，虽然矿山一直在推行备品备件国产化，但与进口原厂备件相比依然存在一定偏差，掘进台车在穿孔精度、深度方面已经有了明显的下降，随之带来的就是爆破效果差。同时，设备的完好率也在逐年下降。

3 巷道掘进效率提升手段

3.1 爆破参数优化

通过分析掘进爆破补炮率高和循环进尺低的原因后，制定一系列的管控措施。针对岩石硬度较高的3#采场，将中心孔距掏槽空孔的距离由200 mm 缩小到180 mm，并且将掏槽辅助孔采用逐孔起爆的方式，确保掏槽部位的爆破效果［10］；通过观察现场爆破效果，将原有的封孔炮泥改为黏度较高的黏土炮泥，保证了爆破能量的充分利用，在一定程度上降低了大块率，确保爆破质量；针对掘进效率底下的问题，结合现场矿岩情况，通过多次尝试改善循环进尺，最终将循环进尺由2.54 m 提高到了2.9 m，掘进效率得到明显提升，极大降低了二次处理的工作量。

爆破参数优化工作主要采用工程定额法作为基础，选取《矿山井巷工程预算定额》的经验数据，结合杏山铁矿围岩等级进行调整，初步确定掘进爆破炸药单耗指标在2.3～2.4 kg/m³，爆破使用炸药量Q 采用如下公式估算：

式中，q 为掘进炸药单耗，取 2.3kg/ m³；V 为爆破设计方量，m³；S 为巷道断面积，m2；L 为炮孔深度，3.3 m；n为炮孔利用率，按照业界均值85%计。

带入参数计算，得Q=112.2 kg。

按照估算的每炮炸药量，掘进面一次爆破炮孔数量按照以下公式估算：

式中，N 为炮孔数目，个；m 为炸药每卷长度，0.3 m；ɑ为炮孔装药系数，取值0.5～0.8；p 为药卷单根质量，0.33 kg。

带入参数计算，得N=54个。

参考定额参数值，按照围岩等级取爆破最小抵抗线为450～900 mm，将估算的炮孔数量均匀布置于断面上，最终定为55 个，其中掏槽孔9 个，采用直孔五星掏槽，边帮孔8个，辅助孔21个，顶板孔10个，底板孔7个。

实践证明，优化后的爆破设计能够达到生产要求，掘进炸药单耗从2.65 kg/m3下降至2.35 kg/m3，同时每个循环的凿岩时间在6～7 h，正常情况1 个班能够完成1个面的穿孔任务，有效提高了掘进效率。

3.2 工序改善

巷道掘进爆破与回采爆破不同的是穿孔、爆破、出渣三大工序相互影响，环环相扣。通过分析工序间相交的环节，不难发现造成3个工序相互影响的主要因素是施工质量和进度，为了解决该问题，制定《施工质量跟踪台账》，做到每个炮孔都有责任人，台车司机对自己所打的炮孔要签字确认，爆破工装药前进行验孔工作并签字确认，台车作业长和爆破班长也要对岗位的施工质量进行检查并确认，做到分工明确、责任到人。同时制定了《铲运机出渣和文明生产标准》，使出渣工作也能够量化、标准化，目的是让每个环节都有人检查确认施工质量，从而形成了工序互保、环环紧扣的良好工作氛围。通过制定相关规定，使井下施工效率明显提升，凿岩台车台效由77 m/台月提升为112 m/台月，提高幅度达46.4%。

掘进施工辅助工序包括供电、供水、通风、排水、支护、溜井使用等，通过制定更加科学合理的计划，提前将辅助工序准备到位，现场移车的效率明显提升，由之前的6 h 降低为4.5 h。溜井使用避开回采甩矿，此外提前根据月计划提出支护需求量和支护方式，确保支护工作与掘进工作衔接紧密，使掘进效率显著提升。

3.3 强化人员培训

强化管理者深入现场的理念，不但有利于做出高效的决策，还能调动岗位的积极性。掘进现场设备人员较多，合理的组织方式既能降低交叉作业风险，又能有效地提高掘进速度。

适时的根据采场掘进现状，总结存在的质量和趋向问题，定期及不定期的对岗位进行培训和集中讨论，与岗位沟通作业过程中存在的问题，提出整改方案，强调标准化操作的重要意义，改正习惯性违规。

4 结 论

（1）参数优化能有效提高掘进质量。将中心孔距掏槽空孔的距离由200 mm 缩小到180 mm，爆破的大块明显减少；将循环进尺由2.54 m 提高到了2.9 m，掘进效率得到明显提升，有效节约了二次爆破的成本；通过科学计算，将66 炮孔优化为55 个，掘进炸药单耗从2.65 kg/m3下降至2.35 kg/m3。

（2）通过改善施工工序和加强现场管理，凿岩台车台效由77 m/台月提升为112 m/台月，提高幅度达46.4%。