深孔爆破降本增效措施應(yīng)用與分析

呂文偉

（國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

大型露天煤礦開采的首要環(huán)節(jié)即為爆破工程，伴隨著露天煤礦大型化、智能化發(fā)展，爆破工程技術(shù)與工藝也在不斷變革。目前，國內(nèi)露天礦鉆孔作業(yè)主要采用牙輪鉆機，孔徑達(dá)到200 mm 以上，采用深孔松動爆破方式破碎礦石和剝離物，主要使用定制化起爆具＋數(shù)碼電子雷管進(jìn)行起爆，現(xiàn)場混裝炸藥車進(jìn)行裝藥作業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場機械化程度較高且作業(yè)流程越來越方便快捷[1-3]。對于不同的露天開采環(huán)境、礦山生產(chǎn)能力、開采工藝及作業(yè)設(shè)備，爆破技術(shù)也不僅包括松動爆破、拋擲爆破，正在向更加精細(xì)化控制爆破技術(shù)發(fā)展，爆破工程成本控制也成為礦山取得經(jīng)濟(jì)效益的重要工作內(nèi)容。姜兆新等[4]以興盛露天煤礦現(xiàn)場問題為背景，分析研究提出對車鏟匹配優(yōu)化、水孔爆破優(yōu)化等方案，取得了降本增效成果；嚴(yán)宏君等[5]以阿舍勒銅礦為研究背景，通過開展充填管道彎頭改裝以及充填材料換樣試驗，獲得了煤渣、廢石、尾礦等廢棄材料組成的充填材料，實現(xiàn)了降本增效的目的；楊文義[6]以勝利露天煤礦具體生產(chǎn)實踐示例，分析了生產(chǎn)調(diào)度在生產(chǎn)組織、降本增效等方面的主要作用，提出了生產(chǎn)優(yōu)化方案，并分析了預(yù)期效果，對礦山提升經(jīng)濟(jì)效益具有一定的借鑒意義；徐洪艷等[7]從礦山管理、技術(shù)層面和智慧礦山3個方面，收集整理了常用的降本增效措施，為露天礦實現(xiàn)降本增效提供了一個宏觀的策略，但未能對實施細(xì)節(jié)做出描述。

綜上，以哈爾烏素露天煤礦為研究背景，結(jié)合大型露天煤礦生產(chǎn)實際，分析了煤炭開采主要生產(chǎn)成本，從管理和技術(shù)2 個方面提出爆破工程降本增效措施，助力大型露天煤礦在生產(chǎn)成本控制和效率提升方面更上一個臺階。

1 大型露天煤礦成本分析

為適應(yīng)煤炭露天開采生產(chǎn)實踐，以哈爾烏素露天煤礦為研究背景，全面分析開采過程中各項成本。該礦地處鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，屬于準(zhǔn)格爾煤田，核定生產(chǎn)能力為35 Mt/a，現(xiàn)階段礦坑采深約200 m，地表賦存約40 m 第四系黃土無需爆破，剝離巖層和采煤臺階均需實施松動爆破，主要進(jìn)行鉆孔-爆破-采掘-運輸-排棄等作業(yè)環(huán)節(jié)，剝離采用單斗挖掘機-卡車間斷開采工藝，采煤采用單斗挖掘機-卡車-半固定式破碎站半連續(xù)開采工藝，年均爆破量約為1 億m3。

1.1 生產(chǎn)成本分析

根據(jù)成本的通用分類，結(jié)合哈爾烏素露天煤礦的成本類型可分為4 類，分別是固定性不可控費用、變動性不可控費用、固定性可控費用和變動性可控費用。固定性不可控費用取決于人員數(shù)量、過去的投入等；變動性不可控費用取決于國家政策、煤炭產(chǎn)量等因素，單位成本相對穩(wěn)定；固定性可控費用主要有上級單位下發(fā)預(yù)算，占比較低，繼續(xù)降低的空間較??；變動性可控費用由礦山自主，可變成本占比較高，具有一定的變動空間。生產(chǎn)成本指標(biāo)分為關(guān)鍵成本指標(biāo)和普通成本指標(biāo)，關(guān)鍵成本指標(biāo)包括運輸設(shè)備柴油、輪胎、電、火工品、鋼絲繩5 項，累計成本約6.98 億元，占自營變動可控成本87%；普通成本指標(biāo)包括輔助設(shè)備柴油、電纜、配件3 項，累計成本約7 456 萬元，約占自營變動可控成本10%。

1.2 爆破成本分析

爆破工程實施過程中涉及的成本支出包括人工費、爆破器材費及車輛使用等費用，人工費包括工程技術(shù)人員費和現(xiàn)場作業(yè)人員費，礦山職工數(shù)量基本確定，近年并無變化，屬固定性不可控費用，在年均爆破成本中占比約為11%；車輛使用費包括現(xiàn)場混裝炸藥車、火工品運輸車、生產(chǎn)指揮車維護(hù)費及燃料消耗費，采坑不斷向前發(fā)展，車輛使用成本相應(yīng)出現(xiàn)增長，屬變動性不可控費用，在年均爆破成本中占比約為1%；爆破器材費包括炸藥、數(shù)碼電子雷管、起爆具、二號巖石乳化炸藥、導(dǎo)爆索、地表連接線、空氣間隔器等，爆破作業(yè)過程中大量使用，對于不同巖層區(qū)域、不同作業(yè)位置、不同生產(chǎn)要求，爆破器材各類成本可進(jìn)行合理的調(diào)控，均有一定的壓縮空間，屬變動性可控費用，在年均爆破成本中占比約為88%。

2 爆破工程降本增效措施

為降低爆破工程產(chǎn)生的生產(chǎn)成本，從生產(chǎn)管理、爆破技術(shù)、智能化建設(shè)3 方面采取相關(guān)措施實現(xiàn)降本增效。

2.1 AEO 管理法

AEO 全面評估優(yōu)化管理法是下列單詞的縮寫：A—Assess，其意為評估；E—Every，分為3 層，其意為每個人、每個工序、每次爆破；O—Optimize，其意為優(yōu)化。旨在持續(xù)推動爆破工程質(zhì)量的提升。

全面評估優(yōu)化管理法，是對爆破作業(yè)人員、作業(yè)工序、爆破質(zhì)量進(jìn)行評估、總結(jié)、優(yōu)化，做到每個人、每道工序、每次爆破都有不同程度的提高。每次爆破工程從開始到結(jié)束，整個過程中的每個人、每道工序、每次爆破效果進(jìn)行評估分析，促使每個人在每次爆破工程中獲得能力的提升、更加合理的績效考核分?jǐn)?shù)，推動爆破工程質(zhì)量的不斷提升。

1）評估。包括3 部分：①班組長對每一次爆破作業(yè)過程中的每個人的工作能力進(jìn)行評估，評估內(nèi)容主要包括作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行能力、緊急情況應(yīng)急能力、風(fēng)險隱患排查能力等；②爆破工程各環(huán)節(jié)（爆破工程包括炮區(qū)準(zhǔn)備、投放起爆具和雷管、裝藥、填充、連線等作業(yè)環(huán)節(jié)）作業(yè)人員互相評估，并要求各環(huán)節(jié)作業(yè)人員定時進(jìn)行交換崗位，保證作業(yè)人員熟悉每個作業(yè)環(huán)節(jié)，評估內(nèi)容包括各環(huán)節(jié)作業(yè)人員施工質(zhì)量、效率、安全隱患排查等；③隊長對班組長進(jìn)行評估，評估內(nèi)容包括班組長對本班次人員以及工作安排的合理性、現(xiàn)場指揮能力、應(yīng)急處置能力、隱患排查能力、爆破工程優(yōu)化能力等。

2）總結(jié)。即每次爆破作業(yè)人員工作能力的總結(jié)，由作業(yè)人員自我進(jìn)行工作執(zhí)行力、效率、隱患排查等工作內(nèi)容進(jìn)行自省和總結(jié)，以及每次爆破工程質(zhì)量的總結(jié)，由班組長進(jìn)行每一次爆破產(chǎn)生的大塊、根底、爆堆形態(tài)等質(zhì)量要素分析評估總結(jié)。

3）優(yōu)化。在總結(jié)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，即為工程質(zhì)量閉環(huán)優(yōu)化，是指每次爆破前進(jìn)行巖性分析、孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計，爆破后進(jìn)行爆破效果分析總結(jié)、反饋優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)。巖性分析主要內(nèi)容為歷次礦區(qū)鉆孔勘探資料、現(xiàn)場臺階坡面巖石分析、鉆機穿孔各項參數(shù)、采掘設(shè)備斗齒損耗參數(shù)等?？拙W(wǎng)參數(shù)設(shè)計主要方法為依據(jù)理論計算公式，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況。爆破效果分析主要內(nèi)容為大塊、根底、爆堆形態(tài)3 個方面?？拙W(wǎng)參數(shù)再優(yōu)化主要考慮爆破效果、炸藥單耗、采掘效率3方面之間的相互關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)。總結(jié)匯總每次爆破工程的實施經(jīng)驗，形成爆破工程從開始到結(jié)束的閉環(huán)優(yōu)化過程，進(jìn)而不斷提升爆破質(zhì)量。如此循環(huán)往復(fù)，可積累大量的爆破工程資料以及施工經(jīng)驗總結(jié)。

2.2 爆破參數(shù)優(yōu)化

1）改變炸藥配比。采用珍珠巖和添加劑代替部分硝酸銨用量。在現(xiàn)場混裝的銨油炸藥中按一定比例加入珍珠粉和添加劑代替一部分硝酸銨用量，有助于炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高炸藥發(fā)生爆炸產(chǎn)生的爆生氣體，加大巖石破碎力度，提高爆破質(zhì)量。珍珠巖代替了一部分原料，不影響正常使用的前提下降低了炸藥生產(chǎn)成本。

2）間隔裝藥。根據(jù)巖石軟硬情況，在保證爆破質(zhì)量條件下，采用間隔裝藥。對于巖石硬度系數(shù)較高的巖層區(qū)域，使用炸藥進(jìn)行重點破碎，巖石硬度系數(shù)較低的巖層區(qū)域，采取少裝藥或者不裝藥。尤其臺階巖層表現(xiàn)為“上軟下硬”或者“上硬下軟”狀態(tài)，通過改變裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥在炮孔內(nèi)分布更加均勻，炸藥的能量利用率得到提高，在相同的孔網(wǎng)參數(shù)條件下，能夠獲得相對較好的爆破塊度，在爆破效果相當(dāng)?shù)臈l件下，可以調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，控制每次爆破的排數(shù)，實現(xiàn)降低炸藥單耗和生產(chǎn)成本[8]。

3）孔底放置間隔器。深孔松動爆破中，在炮孔底部放置空氣間隔器。在保證爆破質(zhì)量條件下，在炮孔底部放置空氣間隔器能夠降低爆炸沖擊波的峰值壓力，減少炮孔周圍巖石的過分破碎。巖石受到爆炸沖擊波作用后，還受到爆炸氣體所形成的壓力波和來自炮孔孔底的反射波作用，2 次應(yīng)力波的壓力波超過巖石的極限破裂強度時，更有利于巖石的破碎。能夠更好地降低爆破振動造成的影響，有利于克服根底，減少超深和臺階底部的破壞作用。有效延長應(yīng)力波在巖石中作用時間，提高爆破有效能量利用率，降低炸藥單耗，降低生產(chǎn)成本[9-10]。

4）優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)。利用以往地勘數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行巖性分類規(guī)劃，對出現(xiàn)爆破質(zhì)量不佳的區(qū)域進(jìn)行重點標(biāo)記，記錄巖性、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥高度等數(shù)據(jù)，建立巖層巖性與爆破參數(shù)分析對比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對不同巖性區(qū)域設(shè)置不同孔網(wǎng)參數(shù)，日常爆破完后做好爆破效果評價分析，總結(jié)經(jīng)驗為之后合理選取孔網(wǎng)參數(shù)，最大限度降低炸藥單耗奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 智能化建設(shè)

1）智能化布孔。結(jié)合露天礦生產(chǎn)實踐特點，運用北斗卡調(diào)布孔系統(tǒng)進(jìn)行布孔作業(yè)，替代了使用石頭塊、塑料袋和量繩的傳統(tǒng)布孔方式。布孔系統(tǒng)包括手持RTK 測量儀、PC 端布孔操作軟件，現(xiàn)場采集到作業(yè)區(qū)域坐標(biāo)信息輸入軟件，在軟件中操作完成孔位布置圖、孔數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)、孔深等鉆孔參數(shù)，隨后將布孔信息下發(fā)至智能鉆機。布孔系統(tǒng)擁有孔位定位精度提高、布孔效率提升等優(yōu)點，能夠在特殊工程位置，提前進(jìn)行采點、打點記錄，將已爆區(qū)域和未爆區(qū)域明確分開，避免了鉆機重復(fù)穿孔和爆破。

2）智能化鉆機。智能化鉆機擁有遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，車載端攝像頭和車載的多個部位的傳感器，可實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境感知、車輛狀態(tài)的感知，通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)阶摱?。座艙端通過5G 網(wǎng)絡(luò)將指令傳輸?shù)讲僮骺刂贫?，實現(xiàn)牙輪鉆機遠(yuǎn)程控制行走、鉆孔作業(yè)等功能。遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)通常由遠(yuǎn)程遙控臺、車載控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)4 大子系統(tǒng)組成，通過通信系統(tǒng)完成另外3 個系統(tǒng)的連接，車載控制系統(tǒng)是主系統(tǒng)中的重點，主要包含車載控制平臺、GPS 高精度定位模塊、車載控制模塊、5G 通信模塊、視頻監(jiān)控模塊，鉆機通過車載定位模塊等能夠精確采集本機位置及姿態(tài)信息（前后傾角、左右傾角、鉆機方位、鉆架立機孔位），反饋信息幫助完成遠(yuǎn)程控制的判斷。

3）智能化爆破。爆破作業(yè)現(xiàn)階段主要由人工現(xiàn)場實施，智能化建設(shè)設(shè)想為人工＋智能化模式，人工作業(yè)部分為爆破區(qū)域警戒標(biāo)識設(shè)置、火工品領(lǐng)用分發(fā)、起爆具和數(shù)碼電子雷管投放、地表連接線聯(lián)網(wǎng)、爆破警戒等工作，智能化作業(yè)部分為現(xiàn)場智能混裝炸藥車裝藥、智能充填機充填等工作?，F(xiàn)場智能混裝炸藥車裝藥取代人工跟車測量孔深裝藥，炸藥車具有自動定位裝置可自主獲取鉆孔坐標(biāo)，由爆破設(shè)計人員在辦公室PC 端完成各個炮孔的裝藥設(shè)計傳輸至車載端，炸藥車自主識別各個炮孔完成裝藥作業(yè)；智能充填機可自主識別炮孔位置完成充填作業(yè)，車載攝像裝置對每個炮孔進(jìn)行拍照識別充填質(zhì)量，并可進(jìn)行多次往返式充填，保證充填質(zhì)量。

智能化手段的加持，將會減少作業(yè)人員數(shù)量且能夠?qū)μ厥鈪^(qū)域?qū)嵤└哔|(zhì)量的工程效果，直接提升布孔、鉆孔和爆破質(zhì)量，間接提高采掘、運輸及輔助環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率且降低了生產(chǎn)成本。

3 應(yīng)用效果

哈爾烏素露天煤礦實施降本增效措施使得爆破工程質(zhì)量、采掘設(shè)備產(chǎn)量、職工職業(yè)技能水平均有提升，且產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。2022 年爆破大塊數(shù)量統(tǒng)計見表1，2022 年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益見表2。

表1 2022 年爆破大塊統(tǒng)計表

表2 2022 年爆破工程降本增效經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計表

1）爆破工程質(zhì)量以大塊率為準(zhǔn)，2022 年大塊率最高為3 月份的0.66，最低為1 月份的0.10，大塊率遠(yuǎn)低于安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2）爆破質(zhì)量提升對后續(xù)采掘環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率具有一定的影響，各鏟產(chǎn)量均有所提升。管理措施直接推動職工職業(yè)技能水平穩(wěn)步上升，促使職工在爆破作業(yè)中各環(huán)節(jié)工作能力均衡發(fā)展，爆破作業(yè)過程中能夠做到安全隱患排查、互相監(jiān)督管理，保證安全作業(yè)。上級單位和各級安全管理部門組織的安全知識考試中，員工及格率達(dá)到95%（及格分＞80 分）。

3）通過實施間隔裝藥、孔底放置空氣間隔器、優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)等技術(shù)措施，2022 年直接經(jīng)濟(jì)效益合計為550 萬元。

4 結(jié)語

以哈爾烏素露天煤礦為工程實例，分析得出爆破工程成本是該露天礦生產(chǎn)成本中占比較大的組成部分，爆破器材成本約為爆破工程成本的88%。提出了AEO 管理法、爆破參數(shù)優(yōu)化、智能化建設(shè)3 項措施。降本增效措施在現(xiàn)場應(yīng)用后，取得了良好的應(yīng)用效果：切實提高了職工安全風(fēng)險辨識和隱患排查能力，促進(jìn)了職工技能和安全水平的提升；降低了因爆破參數(shù)錯誤和作業(yè)能力不足造成大塊的概率，為后續(xù)采掘效率提升奠定了基礎(chǔ)；創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益，對于推動露天礦爆破工程降本增效具有一定的借鑒意義。