國內外地下礦山現場混裝技術裝備的發展應用與趨勢展望

孫永奪，遲洪鵬，龔 兵

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責任公司，北京 100160)

隨著社會經濟發展，能源需求日益增加，國內外大量露天礦山逐漸轉入地下及深地開采，據預測我國未來將有超過90%以上的礦山轉入地下開采，資源開采難度不斷加大[1-2]。爆破目前仍是世界各國礦山的主要開采方式之一，現場混裝技術作為一種新型安全高效的爆破方式，廣泛應用于國內外各類金屬、煤炭、化工、建材等礦山。地下礦山相比露天礦山開采環境惡劣，存在作業空間有限、通風環境差、地壓災害突出等問題，現場混裝技術與裝備發展應用相對露天礦山較晚。為提高地下礦山高效安全開采，國內外多家民爆研發單位相繼開發出各種適用于地下礦山爆破開采的混裝裝備。近年來國內外地下現場混裝技術與裝備發展迅速，技術水平取得了較大進步。

1 國內外地下現場混裝技術應用情況

1.1 國內應用情況

我國的地下礦山傳統爆破開采仍以人工裝藥方式為主，混裝技術應用相對露天礦普及程度較低。隨著現場混裝技術與裝備的不斷發展，以及國家和行業的鼓勵推廣，各類地下礦用混裝技術裝備相繼開發應用。20世紀70年代，井下壓氣裝藥器以及各種小型裝藥器陸續出現，并開始在國內地下礦山試驗應用[3-4]，隨著技術的不斷發展，裝藥器適用品種從早期的銨油炸藥拓展到乳化炸藥，裝藥速度和穩定性也不斷提高，部分型號參數如表1所示[5]，但是裝藥容量和速度仍然存在一定制約，難以適用于礦山大規模應用。礦冶科技集團有限公司(原北京礦冶研究總院)是我國最早從事混裝技術與裝備研究的單位之一，先后突破一系列關鍵技術和設備限制，于1990年開發了BCJ系列井下中小斷面掘進混裝車，成功實現了我國井下中小斷面爆破人工裝藥向現場混裝方式的轉變[6]。地下現場混裝技術及相關裝備的快速突破和應用主要集中在2015年后，北京礦冶研究總院、山西惠豐、湖南金能、金奧博以及湖南長斧等相繼開發出各型地下礦用現場混裝裝藥車[7-11]，如表2所示。地下現場混裝技術裝備的開發應用大幅提高了爆破裝藥的機械自動化水平，降低了人工作業勞動強度，實現了上向孔、水平掘進等各類地下裝藥應用，在國內各大礦山取得了較好的應用效果。

表1 不同裝藥器性能參數Table 1 The parameters of different charging devices

1.2 國外應用情況

國外礦業發達國家對地下礦用現場混裝技術研究較早，1950 年加拿大沙利文礦研制了早期的背包式銨油炸藥裝藥器，通過壓縮空氣動力裝藥，在南非和北美地區對威克型裝藥器進行了廣泛的推廣應用[12]；隨著裝藥器的發展應用，瑞典阿特拉斯公司將裝藥器改裝到汽車底盤上，逐漸形成了早期的裝藥車概念；1980年蘇聯和美國格特曼公司相繼開發了系列化銨油炸藥混裝車[13]，混裝效率和裝載量進一步提高。Nobel公司開發了Charmec井下裝藥車，配備液壓驅動懸臂和送管裝置，能夠滿足40 m深炮孔裝藥，極大提高了裝藥作業的自動化水平[14]。隨著乳化炸藥混裝技術的發展，澳大利亞Orical公司、南非AEL公司開發了移動裝藥單元設備，適應“小、零、散”裝藥場所[15-16]。21世紀以來國外應用的地下現場混裝車主要由Orical、Atlas、Normet等公司開發，地下混裝車在機械自動化方面取得了較大的發展，實現了混裝作業在安全、高效、自動化水平方面的進一步提高[8]。部分地下車性能參數如表2所示。

表2 不同地下車性能參數Table 2 The parameters of different underground charging trucks

2 地下現場混裝技術裝備特點

2.1 本質安全化

本質安全化是現場混裝技術相比于成品炸藥人工裝藥方式最根本的優勢，乳化基質無雷管感度，配合水環遠距離低壓輸送，裝藥后孔內敏化成為炸藥，實現運輸、裝藥過程本質安全，迅速成為爆破工程推廣應用的新模式。進一步提升混裝技術裝備的安全性，一直是各機構技術研發的重點方向。在井下混裝裝備開發大容量、大行程、低頻次乳膠輸送技術，降低機械摩擦熱集聚爆炸風險[15]；現代化電子信息技術，將溫度、壓力、流量、轉速等參數實時在線監測，實現超限自主響應，以及多重-安全報警和連鎖控制[17]。此外由于地下開采場所地質災害頻發，圍巖和頂板不穩定性突出，尤其是上向中深孔爆破裝藥，降低人員危險作業暴露風險是地下混裝技術裝備研發的一個重要方向。使用送管器自動對孔、送管完成裝藥，減少人員暴露在危險區域，已經成為許多井下混裝車開發配置的新技術[18]。隨著技術創新持續增加，行業本質安全性將進一步提高。

2.2 綠色高效化

地下現場混裝技術使用散裝乳化基質現場敏化裝藥，全程不產生廢棄物，爆破后生成炮煙少，相比成品包裝型炸藥綠色環保，符合國家雙碳發展目標。此外現場混裝技術炮孔利用率高，能夠實現完全耦合裝藥，降低盲炮幾率[19]。在智慧礦山建設發展背景下，地下現場混裝技術通過機械自動化裝藥，適應上向超深孔裝藥，最大分鐘裝藥速度可達數百千克以上，配合多系統裝藥模塊，混裝作業效率成倍提高，相比人工方式高效安全，極大地降低了勞動作業強度。

2.3 機械自動化

爆破開采是礦山生產的重要環節，目前人工裝藥方式在我國井下爆破仍廣泛存在，已成為礦山生產自動化水平最低的工序之一。得益于現場混裝技術的發展應用，地下礦山爆破裝藥機械自動化水平不斷提高，機械化減人效果顯著。隨著工業互聯網和電子傳感等技術發展，現場混裝定員需求進一步降低，裝藥過程自動送、退管，電腦自動計算孔深和控制裝藥等技術已逐步應用[2]，極大地提高了機械自動化水平[17]。

2.4 地下現場混裝車案例

為發展我國地下礦山開采裝備自動化、智能化技術，“十一五”計劃期間，長沙礦山研究院承擔了“智能型井下上向中深孔裝藥技術及裝備”開發研究專項課題，并獲得了多項地下礦山銨油炸藥裝藥設備的發明專利和實用新型專利，推動了我國地下混裝車技術裝備的發展，如圖1所示?！笆濉庇媱澠陂g，北京礦冶研究總院承擔了“地下金屬礦智能采礦爆破技術與裝備”研究課題，成功開發了地下礦山智能現場混裝車，是國內地下現場混裝技術近年來發展的典型代表[20]，如圖2所示，具備地下自主行駛及避障、炮孔底部識別以及輸藥管自動尋孔等模塊功能，自動化程度高，先后在不同海拔高度地區地下礦山試驗應用(如表3所示)，取得了良好的應用效果，可滿足斷面大小不一、高度不同的硐室裝藥要求[21]，極大地推動了我國地下礦山現場混裝技術的智能化發展。

圖1 智能型地下銨油炸藥混裝車Fig.1 The underground intelligent ANFO charging truck

圖2 智能型地下乳化炸藥混裝車Fig.2 The underground intelligent emulsion explosive charging truck

表3 智能現場混裝車在不同礦山裝藥爆速Table 3 The parameters of charging devices in different mines

3 地下礦山現場混裝技術的發展趨勢

3.1 新能源方向

在國家雙碳戰略發展背景下，礦山行業已成為新能源技術發展推廣的重要領域?，F場混裝裝備使用新能源驅動方式具有重要意義，尤其是在地下礦山等相對密閉環境，目前許多地下混裝車采用現場接電的驅動方式，無廢氣排放，噪音小，極大地改善了井下作業環境，但是現場接電工作效率低，行走機構依然靠內燃機驅動。因此開發行走機構與上裝系統均為新能源驅動方式的技術裝備是地下現場混裝下一步發展的重要方向，目前國內外多家民爆機構正在朝新能源方向開展相關研究和試驗應用。

3.2 數字信息化方向

地下礦山爆破開采具有工序復雜、安全風險高等特點，在智慧礦山建設背景下，發展地下現場混裝數字信息化技術是實現礦山數字智慧目標的重要基礎。隨著新一代5G通訊、物聯網、RFID、大數據等技術發展[22]，進一步提高井下現場混裝系統數字信息化水平，綜合運用各種電子傳感與數字通訊技術，實現爆破裝藥全流程生產、質量、安全多層級云平臺管理，推動智慧礦山建設[18]，是國內外各民爆技術研發機構的重要研究方向。

3.3 智能無人化方向

爆破開采是礦山生產的關鍵環節，對礦山綜合能效具有重要影響?，F場混裝技術相比傳統人工裝藥方式在少人減人方面是一次重要技術變革，改善了勞動作業強度、裝藥效率和安全性等[3]。然而地下作業環境、安全等問題依然存在，實現完全智能無人化是混裝技術裝備下一步升級的重要方向，也是國家和民爆行業重點鼓勵發展的方向。我國在智能無人化方面進行了大量的研究。通過圖像識別技術自動尋孔，車載電腦自動計算得到炮孔坐標數據，多自由度機械臂基于路徑優化計算指令實現自主對孔；送管器根據炮孔信息自動完成送管裝藥和退管[20]；此外，井下自主行駛、起爆彈自動裝填以及遠程起爆等技術均已進行了相關研究[23]，為地下現場混裝技術的智能無人化發展奠定了基礎。

4 結論

實現以現場混裝技術為主的爆破開采方式是地下礦山發展的重要方向，未來隨著現場混裝和工業互聯網技術的進一步推廣普及，地下礦山現場混裝技術裝備在綠色低碳、智能無人化及信息化方面將取得更大進步，成為實現智慧礦山建設的重要組成部分。