加长钻杆长度增大台车巷道掘进循环进尺试验与应用
１ 概述
赞比亚谦比希铜矿使用日趋大型的无轨设备掘进和釆矿，主要巷道断面尺寸大，西矿体开釆方法为进路式上向水平分层充填法，３００ｍ水平中段以下新开釆方案主要开拓釆准巷道断面达到宽×高为４.５ｍ×４ｍ和４.５ｍ×４.５ｍ，釆场进路断面尺寸宽×高达６ｍ×４.５ｍ，这些大断面巷道和釆场进路均使用凿岩台车钻孔爆破掘进和釆矿。大型的凿岩和出渣设备的使用，客观要求增大掘进和釆矿单循环作业量和规模，加长凿岩台车钻孔深度，增加单循环进尺，减少循环次数，从而进一步提高掘进和釆矿效率。由于历史原因，谦比希铜矿目前正在使用的十几台掘进和进路釆矿凿岩台车的推进梁配套钻杆长度为３.７ｍ，平均钻孔深度为３.２ｍ。为适应大断面掘进和进路式釆矿的高效和规模效应需求，改造现有凿岩台车推进梁，增大推进行程，使用加长的配套钻杆，从而增加钻孔深度，优化掌子面布孔爆破参数，达到进一步增加单循环进尺、提高掘进和釆矿效率的目的是十分必要的。
２ 改造台车推进梁配套延长钻杆试验
在谦比希铜矿目前使用的十几台单梁和折叠梁凿岩台车中，与台车推进梁配套的钎杆长度为３.７ｍ。为适应谦比希铜矿大型、高效凿岩和装运设备的使用和巷道、进路釆场断面大的需求，增加钻孔深度以提高巷道和釆场进路掘进单循环进尺，取得钻孔爆破和装运出渣的规模效益，进行了台车推进梁加长改造配套长钻杆试验。推进梁改造加长后配４.３ｍ长的钻杆，比改造前配套的３.７ｍ长的钻杆长约０.５ｍ，在掌子面钻凿的每个炮孔深度可增加０.５ｍ。根据谦比希铜矿现有凿岩台车的具体情况，分别对现有的折叠梁和单梁两种类型台车推进梁进行加长改造。
２．１ 折叠梁凿岩台车推进梁加长改造
对于折叠梁凿岩台车，常规改造需要更换整个推进部分，改造费用大约需要４.５万美元。为充分利用设备原有部件和现场较完备的改造加工条件，降低改造成本，经论证确定不更换整个推进部分，釆用自行加工新增非标零部件的方法进行延长推进梁推进行程配套长钻杆改造。为解决凿岩机推进行程加长导致推进梁端部倾斜加大从而导致钻杆使用寿命缩短难题，釆取了对推进梁折叠部分中间加装加长式夹板，同时将１ｍｍ的夹板间隙预留在下夹板，形成三点保证两个梁的平行度的措施，消除了折叠梁随凿岩机推进而产生的倾斜问题。
改造步骤：首先对推进油缸限位装置移位０.６ｍ（推进梁长度由５.０５ｍ增加到５.６５ｍ），再对移位后推进梁折叠部分增加加长夹板，最后调整折叠部分３块夹板间隙，保证调整间隙为１ｍｍ。这样仅增加了２块夹板，上、下托板各２块及配套垫片等备件材料即完成了推进梁的加长改造并成功控制了推进梁端部倾斜，实现了用加长的４.３ｍ钻杆进行正常钻孔（每孔孔深增加０.５ｍ）作业的功能。增加的备件及材料费用为２１８８美元。
２．２ 单梁凿岩台车推进梁加长改造
现有单梁台车的推进梁长５.０５ｍ，正常改造需要更换整个推进部分，改造费用大约需要７万美元。为降低改造成本，保留推进油缸不更��，自制加长顶杆（比原顶杆加长２５ｃｍ），改变前、后端钢丝绳长度和小托盘位置，改造更换台车推进梁（新推进梁长５.６５ｍ），实现了推进行程的延长。
这样，仅通过更换推进梁、前后钢丝绳及滑块等备件材料，实现了用加长的４.３ｍ钻杆进行正常钻孔（每孔深度增加０.５ｍ）作业的功能，改造增加的备件、材料费用为３１７１８美元。
改造后的折叠梁和单梁台车配加长的４.３ｍ钻杆，分别在谦比希铜矿西矿体开拓釆准巷道掘进和釆场进路釆矿中进行多次钻孔试验，试验统计结果表明，钻进速度和钻具寿命等指标未受改造影响，与改造前无异，实现了加深钻孔的正常钻进。
为提高凿岩台车掘进台效，在１台折叠梁台车和１台单梁台车配套延长钻杆改造试验成功，经实地巷道掘进试验证实提高了单循环进尺的基础上，陆续对另外２台折叠梁台车和６台单梁台车进行了配套延长钻杆改造。改造后的１０凿岩台车投入到谦比希铜矿主、西矿体和东南矿体开拓、釆准巷道和釆场进路掘进施工作业中，大大提高了巷道掘进效率。
３ 巷道掘进钻爆参数优化试验
凿岩台车加长钻杆改造后的试验初期是在谦比希铜矿西矿体４００ｍ水平釆区中段巷、分段巷及釆区斜坡道掘进中进行的。
３．１ 台车掘进作业的矿岩情况和其它原始条件
谦比希铜矿西矿体４００ｍ水平釆区中段运输巷、分段巷及釆区斜坡道布置在矿体下盘的泥质板岩、泥质石英岩、长石石英岩和花岗岩中，围岩平均密度２.６７ｔ／ｍ³，岩石普氏硬度系数ｆ＝８〜１４，中段运输巷和分段巷道断面尺寸宽×高为４.５ｍ×４ｍ，钻爆掘进对比试验是在同样岩性的同一中段运输巷和同一分段巷中进行的。凿岩台车型号为ＢＭ２８１，钻头直径４５ｍｍ，孔径４８ｍｍ，４个不装药孔直径１０２ｍｍ；使用炸药为直径３８ｍｍ、３２ｍｍ、２５ｍｍ三种规格的乳化药卷，分别装入掏槽孔和底孔、辅助孔、周边孔，两种孔深形式对应不同位置炮孔的线装药系数基本相同，即掏槽孔约为０.９４，扩槽孔约０.８７，辅助孔约０.８４，底孔约０.８３。雷管为毫秒延期非电导爆管雷管。
３．２ 短钻杆钻爆掘进试验
用３.７ｍ短钻杆凿岩，掏槽部分的孔深３.４ｍ，辅助孔和周边孔孔深３.２ｍ，根据谦比希铜矿以往台车掘进经验，优化巷道掘进钻孔爆破参数，统计西矿体４００ｍ水平中段运输巷和分段巷掘进生产实际指标。布孔参数见图１，历次掘进实际统计钻爆效果指标平均值见表１。
３．３ 延长钻杆钻爆试验
用改造后的凿岩台车配加长的４.３ｍ钻杆凿岩，掏槽部分孔深４.０ｍ，辅助孔和周边孔孔深３.８ｍ，在西矿体４００ｍ水平中段运输巷和分段巷进行了数月的巷道掘进钻爆参数优化试验，统计记录历次试验参数和爆破效果指标。钻孔布孔参数见图２，历次掘进实际统计钻爆效果指标平均值见表１。
３．４ 试验指标对比
４.３ｍ长钻杆和３.７ｍ钻杆钻孔爆破掘进试验指标对比见表１。
两种炮孔深度形式的钻爆效果表明：４.３ｍ钻杆钻孔纯钻进时间比３.７ｍ钻杆长１４ｍｉｎ，掌子面钻孔辅助作业时间相同，纯钻孔时间差值是总钻孔时间的１０％左右，对钻孔装药爆破、通风、出渣等工序总循环时间的影响很小；４.３ｍ钻杆较３.７ｍ钻杆增加钻孔深度０.５ｍ，优化钻爆参数后，作业面每循环进尺增加０.５ｍ，每循环破岩量增加９ｍ³，增加了约１７％的出渣量，这对于谦比希铜矿使用大型铲运机和卡车在大断面巷道和釆场进路中出渣提高铲装和运输的规模效率非常有利；两种钻孔深度的炮孔利用率指标基本相同，每米进尺炸药消耗量相差１.３ｋｇ／ｍ，每米进尺雷管消耗量相差较大，为２９４个／ｍ。
４ 效益分析
４．１ 设备改造效益
单梁台车改造未更换推进油缸，充分利用钢丝绳托板相当于动滑轮的特点，通过加长推进油缸顶缸解决了推进行程加长问题，实现了配套加长钻杆的功能，降低了改造成本。每台单梁台车改造节约改造成本约３８２８２美元，７台台车的改造节约成本２６７９７４美元；折叠梁台车改造未更换推进梁，仅增加了自行加工的夹板、托板等备件材料，每台节约改造费用４２８８２美元，３台折叠梁台车的改造节约成本１２８６４６美元。１０台凿岩台车改造仅备件材料成本节约达３９６６２０美元。
４．２ 增加循环进尺效益分析
试验效果指标对比表明，在每个掘进循环作业中，因增加钻孔深度增加的钻孔时间为１４ｍｉｎ。试验数据和生产掘进统计表明，每个掘进循环中钻爆工序（凿岩准备、凿岩、装药连线爆破、通风检撬）时间组成约４.５〜５ｈ，因此在钻爆循环中增加的１４ｍｉｎ钻进时间，仅是钻爆循环时间的５％，不影响台车每个班作业完成的工作面数量。谦比希铜矿实行１２ｈ制作业，即每班工作１２ｈ，每天２班作业制。每班每台台车可完成２个工作面的钻爆作业，每月除去设备保养、故障检修等时间每台台车作业２５ｄ。延长钻杆长度改造前，每台每月掘进进尺为２９０ｍ；延长钻杆改造后，每台每月掘进进尺为３４０ｍ，掘进效率提高了１７％。改造完成后的１０台设备每月可多完成掘进进尺５００ｍ。
作业面钻孔深度增加和优化钻爆参数后，每米进尺炸药和雷管消耗量减少。按谦比希铜矿炸药单价１.７美元／ｋｇ，雷管单价１.６美元／个计算，改造后每台台车每月掘进进尺３４０ｍ，炸药雷管消耗降低成本２３７８美元，改造的１０台台车作业，每月降低炸药雷管成本２３７８０美元，每年可减少炸药雷管成本２８.５万美元。
钻孔深度增加提高了掘进循环进尺，每掘进循环进尺增加了０.５ｍ，充分发挥了大型铲运机、卡车的优势和装运的规模效应，总体提高了凿岩、装运设备的台效。按上述的掘进效率提高１７％计算，相当于节省操作工人工资１７％，按谦比希铜矿现行当地操作工工资标准，１０台套掘进设备直接操作人员月工资约４００万克瓦查，折合４１万美元，因生产效率提高每月可减少直接操作人员人工成本为７.１万美元，每年可降低人工成本８５.３２万美元。
４．３ 社会效益分析
改造台车推进部分，加长配套钻杆长度增加钻孔深度，优化钻爆参数，台车掘进单循环进尺增加了０.５ｍ，提高了巷道掘进强度；对于进路式分层充填法釆场，提高了釆矿强度和釆场出矿能力，加快了釆场釆充作业循环。总体提高了掘进和釆矿的生产效率。改造后的１０台凿岩台车，分别应用在谦比希铜矿主矿体、西矿体的开拓、釆准工程掘进和分层充填法釆场开釆以及东南矿体的基建工程。掘进循环进尺的提高，对保证和缩短谦比希铜矿东南矿体基建、主西矿体开拓工程及重点釆场开釆等重点工程工期起到了关键作用。台车推进部分改造及钻爆试验数据和指标对比结果，可为其它类似矿山的巷道掘进、原有凿岩台车改造提供借鉴，为新增凿岩台车设备选型提供参考。
综上所述，对１０台凿岩台车进行的延长钻杆长度的改造，提高了掘进循环进尺，总体提高了掘进和进路式釆矿的生产效率，在节省改造成本、减少雷管炸药消耗、降低人工成本等方面，取得年直接经济效益１５３.５万美元。在提高生产效率、保证和缩短谦比希铜矿重点工程工期等方面取得了良好的社会效益。
５ 结语
针对谦比希铜矿使用大型无轨设备掘进和开釆、巷道和分层充填法釆场进路断面大的实际情况和提高掘进效率的客观需求，对原有的大部分使用３.７ｍ钻杆钻孔的凿岩台车进行自行改造，配套延长的４.３ｍ钻杆，实现了增加钻孔深度的目的，同时节约了改造费用。
通过增加钻孔深度，进一步优化钻爆参数，进行了大量掘进钻爆试验，与原生产中使用３.７ｍ钻杆钻孔的各项钻爆指标对比，平均增加掘进单循环进尺０.５ｍ、降低每米进尺炸药和雷管消耗量１.３ｋｇ和２.９４个。
通过延长钻杆长度增加钻孔深度，增加了掘进循环进尺，提高了凿岩台车的设备台效，充分发挥了大型铲运设备的优势和规模效益，整体提高了掘进生产效率。在节省台车改造成本、减少雷管炸药消耗、降低人工成本等方面，取得了显著的经济效益，在充分发挥大型无轨设备高效的优势，保证和缩短重点工程施工工期等方面取得了良好的社会效益。