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1、凿岩机械气动工具，2009（1）1前言我国建有县级以上国有金属矿山900多座，纳入统计的各种类型和规模的金属矿山达16000多座。国内爆破工艺与技术己跻身国际先进水平，特别是去年由长沙矿山研究院设计，在柿竹圆多金属矿成功地实施了308 t炸药量的地下钻孔爆破世界第一爆，使我国金属矿山的爆破工艺与技术迈上了一个新的台阶。近年来在金属矿凿岩装备方面也取得了一定的进展，自主研制和生产能力都有了较大提高。总体上国内凿岩设备机型少，矿山所采用的凿岩设备落后。大多数露天矿山使用的仍是国内七十年代研制的常规气压潜孔钻机或牙轮钻机，只有少数国家重点大型矿山使用国外进口钻机。老式机械钻孔效率低，能耗大，机械结构
2、复杂，操作控制不方便，更缺少能实时调整凿岩参数的自动控制系统，与当前国外主流的高气压液压操控的潜孔钻机相比存在显著差距，不论是性能还是效率都不能满足矿山日益增长的要求。地下矿山凿岩设备也相对落后，95%以上的浅孔凿岩和掘进作业仍采用半机械化的气腿式凿岩机；中深孔凿岩仍以上世纪七十年代由长沙矿山研究院研制的YGZ90钻机为主，少数矿山采用了高气压中深孔钻机，液压采矿台车几乎为空白;只有深孔凿岩广泛采用了进口设备和引进消化的先进钻机。2露天矿穿孔爆破露天矿开采规模远大于地下矿，开采成本低，在有条件的矿山往往首选露天开采。目前国内冶金矿山的露天矿采矿量达到90%，其中大型露天矿有16座；露天开采的有
3、色金属矿山数量虽不多，仅10余座，但矿石产量占有色金属矿山产量的一半以上，最高年份超过55%。露天金属矿的穿孔爆破主要是台阶松动爆破与边坡预裂爆破。牙轮钻机在国内金属矿山的迅速推广应用，改变了我国露天矿穿孔装备的落后局面。重点露天矿山，穿孔设备是潜孔钻与牙轮钻共存，牙轮钻比例较高，占88%，钻孔直径以250、310 mm为主，中型矿山以潜孔钻为主，钻孔直径以200mm为主。2.1露天爆破工艺与技术大型矿山爆破规模普遍较大，一次爆破量达几十万吨。大区微差爆破是硬岩露天开采所采用的主要新技术，并广泛采用顺序爆破和孔内分段微差爆破技术，根据岩性的不同，采用计算机辅助设计系统选择合理的爆破参数以及合适
4、的炸药品种。在装药结构上采用组合装药方式，水藕合、深孔底部空腔、气隙装药、多段装药等技术。降震技术发展较快，近期的研究包括干扰减震法、控制单响最我国硬岩矿山凿岩爆破工艺与装备进展周爱民（长沙矿山研究院，湖南长沙410012）摘要：结合我国金属矿山露天开采、地下采矿和井巷掘进的技术现状，全面介绍了爆破工艺、凿岩装备及其钎具的进展，分析了应用现状以及与国外先进水平之间的差距，并对我国金属矿山凿岩爆破工艺与装备技术的发展作了展望。关键词：硬岩矿山；凿岩设备；爆破工艺中图分类号：TD23文献标识码：A50凿岩机械气动工具，2009（1）大药量、提高地震法频率和调整爆破方向等震源降震技术。从传播途径上采
5、取隔震措施阻断，设置预裂隔震带、建筑周围布沟、最终边坡小孔预裂爆破等;埋设吸能元件和阻尼元件。通过采用间隔装药降低爆破震动，在生产爆破中，每孔均放隔离塞，实现了空气间隔或水压爆破(当孔内有水时)。露天深孔水压爆破，孔内水充满于炸药与充填物之间，由于水的不可压缩性，几乎无损失地传递炸药爆炸压力，达到破碎岩石的目的，并可降低单孔装药10%20%。2.2露天开采穿孔装备国内金属矿露天开采穿孔装备包括牙轮钻、潜孔钻和叩头钻，叩头钻已逐步淘汰。牙轮钻机的迅速推广应用，改变了露天矿穿孔装备的落后局面。一些露天金属矿山先后引进了美国B-E公司、G-D公司的牙轮钻机。其中主要是B-E公司生产的准250 mm的
6、45R、准310 mm的60R以及先进的准310 mm的47R牙轮钻机，使矿山穿孔钻进速度大大提高，在坚硬岩层的台时效率达到915 m，在中硬岩层达到1525m，在软岩层中达30m。台年效率约为56万米，高时可达810万米。目前露天金属矿山使用的国产牙轮钻机有长沙矿山研究院与衡阳有色冶金机械总厂合作研制生产的YZ-55型、YZ-35型及YZ-12型牙轮钻机，分别用于大、中、小型露天矿钻孔作业。YZ-55型钻机孔径为280380 mm，一次钻孔深度为16.518.5 m。YZ-35型钻机孔径为170270 mm，钻孔深度为1718.5m。YZ-12型钻机孔径为7095mm，钻孔深度为7.512.
7、5 m。其中YZ-35型和YZ-55型牙轮钻机的结构与工作参数大体相当于美国B-E公司的45R型和60R型牙轮钻机水平，是国内研制最为成功的两种牙轮钻机。国产牙轮钻机还有洛阳矿山机械厂、吉林重型机器厂、江西采矿机械厂生产的KY系列，其规格分别为KY-l50、KY-200、KY-250、KY-250A，KY-310等，钻凿孔径从150310mm，穿孔深度为1520m不等。自上世纪九十年代以来，由长沙矿山研究院研制的CZT-l型牙轮钻机钻进参数自动调节装置可根据被钻凿的矿岩的变化，对钻机轴压、转速、钻进速度、回转扭矩、垂直振动、水平振动、排渣气压和注水量等钻进参数进行自动调节和限制，以达到较佳的钻
8、进状态。在YZ-55型牙轮钻机上试验表明，可提高钻机的钻孔速度21.9%，延长钻头寿命14.9%，同时还可大大减轻司机的劳动强度。潜孔钻机方面包括宣化风动工具厂与美国Ingersoll-land公司合作制造的CM-351分体式中气压潜孔钻机，以及与瑞典Atlas-Copco公司合作生产的CBH-10中气压一体化露天潜孔钻机等，工作气压提高到了1.6 MPa。由长沙矿山研究院自主研制的CS-165E露天潜孔钻机，不但将工作气压提高到了1.6-1.8 MPa，而且通过采用双动力驱动，实现远距离行走；采用多自由度钻臂结构，提高了钻机对场地的适应能力，不需配备辅助钻机;采用高度集成的液压技术，系统简洁
9、，功能可靠；采用PLC程控技术和Canbus总线技术，可实现全自动作业、故障自诊断、误动作保护和通过公用数据移动通讯网对设备进行远程监控管理等功能；采用新型的盘式钻杆库，保证了钻机的钻孔深度。高气压大型潜孔钻机，极大地提高了我国露天矿山凿岩装备的技术水平，促进了我国采矿行业的技术进步，使我国采矿行业设备水平和技术水平跻身国际先进行列，有力地推动了我国采矿业的发展。但在总体水平上，我国露天矿山使用的凿岩设备与国外相比还相对落后，多数矿山还使用国内七十年代研制的机械式常规气压潜孔钻机或牙轮钻机，只有少数国家重点大型矿山使用国外进口的高气压潜孔钻机。3地下开采凿岩爆破不同的地下采矿方法，需要采用不同
10、的51凿岩机械气动工具，2009（1）凿岩爆破方式。由于地下矿山需要根据复杂多变的开采条件采用不同的采矿方法，因而凿岩爆破方式比露天开采要复杂多变。根据炮孔类型归纳起来主要有:浅孔爆破、中深孔爆破和深孔爆破。但具体爆破工艺的组合方式较多，凿岩设备的选取也较多。3.1地下爆破工艺与技术针对分层落矿、分段落矿和阶段落矿工艺，相应地采用浅孔爆破、中深孔爆破和深孔爆破等爆破工艺和技术。分层采矿法采用浅孔爆破工艺为主，尤其是在普通分层充填法和留矿法采场，几乎都采用浅孔爆破工艺，分层高度大都为2 m。随着分层充填采矿技术的发展，高分层充填法采场采用了上向和水平平行中深孔爆破工艺及技术，分层高度达到4.5m
11、。分段采矿法均采用中深孔爆破工艺和技术，分段高度以10 m为主，主要为上向扇形中深孔，炮孔孔径一般为准76 mm；少数矿山采用了1520m的分段高度，炮孔孔径一般为准100 mm。阶段采矿法则主要采用深孔爆破工艺，包括水平深孔和下向深孔爆破等方式，凿岩爆破段高一般为5060 m；下向深孔的炮孔孔径一般为165 mm，采用VCR法爆破或侧向爆破工艺与技术。国内金属矿山地下爆破技术的发展很快。在高分层中深孔爆破方面由长沙矿山研究院开发了采场分区微差控制爆破、分层采场一次起爆微差控制爆破、界面控制爆破等新技术;在分段中深孔爆破方面开发了充填体挤压爆破技术；在深孔爆破方面发展了台阶侧向爆破技术。3.2
12、地下凿岩设备一般地，国内地下金属矿浅孔凿岩主要采用气腿式凿岩机凿岩;大于准76 mm的中深孔炮孔采用潜孔凿岩方式，少量采用重型液压凿岩机凿岩方式，小于准76mm的炮孔采用尾部冲击式的液压或气动凿岩方式，深孔凿岩主要采用液压牙轮钻机和深孔高气压潜孔钻机。地下矿山凿岩设备主要包括采矿凿岩设备和辅助设备(见表1)。小直径凿岩有气动和液力两种方式。自1970年法国Montabert公司首次推出用于矿山钻孔的H50型液压凿岩机及其相配套的钻车之后，世界各国竞相开展液压凿岩技术研究，液压凿岩以其凿岩速度快、能量利用率高、动力消耗少、参数调节方便、作业环境优良等特点迅速得到推广应用。当前，较发达国家的矿山在
13、中、小直径凿岩领域已全面普及液压凿岩技术，各大矿山设备制造商，如美国Inger-soll-land公司、瑞典Atlas-Copco公司、芬兰Tamrock公司、法国Secoma公司、德国Krupp公司和日本古河公司等都投入力量研发出了品种繁多的各类型液压凿岩设备，而且大都自成体系，涵盖了高、中、低档各系列产品。特别在二十世纪九十年代，出现了采用计算机技术进行智能控制的新型全液压凿岩设备，能根据岩石状况自动调整凿岩参数，根据采矿布孔要求预置的炮孔位置自动定位，有的还带有钻杆库，能自动完成接卸杆操作，已实现凿岩循环的最优化和全自动化，代表了当今世界的最高水平。国内小直径浅孔凿岩以气动为主，大都为气
14、腿式凿岩机，与国外差距较大。我国地下矿山分段采矿法所使用的凿岩设备除少数矿山采用进口钻机外，一直沿用上世纪七十年代末期研制的YGZ-90气动钻机。由于国内液压技术和液压元件的水平相对落后，制约了全液压采矿凿岩台车的研制和推广。当前，我国在全液压采矿凿岩台车领域的研究已严重落后于世界的发展，没有成熟可靠的产品供矿山选用。凿岩台车是无轨采矿的主体设备，用以表1地下矿山凿岩设备一览表采矿凿岩设备浅孔采矿钻机、中深孔全液压采矿台车、中深孔高气压潜孔钻机、深孔液压牙轮钻机、深孔高气压潜孔钻机等辅助设备刻槽取样台车、大块破碎设备、锚杆台车、撬毛台车等52凿岩机械气动工具，2009（1）钻凿中深孔或深孔大直
15、径炮孔。无轨凿岩设备的行走方式有履带式和轮式两种。根据破岩方式分为适用于中深孔凿岩的全液压多功能采矿台车、适用于中软岩层大孔径深孔凿岩的地下牙轮钻机和适用于硬岩大孔径深孔凿岩的高气压潜孔钻机。牙轮钻机的能源单一，使用电能，通过液压驱动破岩，潜孔钻机则需要电、液、气联合驱动。近十年来，我国在潜孔采矿凿岩领域的技术研究和产品开发取得了长足的进步，先后研制出T-150和T-100等高气压大直径潜孔钻机，已达到九十年代国际先进水平。由长沙矿山研究院研制成功的CS-100D环形潜孔钻机，填补了我国此类产品的空白。该机型采用高气压潜孔作业，全方位凿岩，多顶支撑保证高的钻孔精度，四轮独立驱动使行走机动灵活，
16、借用电液控制模块实现自动化和智能化，远距离线控和专有的机械拆卸钻杆装置创造良好的操作环境，其技术水平达到同类产品的国际先进水平。但在尾部冲击式采矿凿岩技术和设备的开发上大大滞后于工艺的发展，严重影响了采矿方法的效率发挥。尤其是国内缺少先进的中、小直径液压采矿凿岩设备，远远不能满足矿山需求，一些矿山不得不花费巨额外资从国外进口(如南京梅山铁矿以40多万美元的价格从瑞典Atlas-Copco公司购买Simba-1354全液压采矿凿岩台车)。4井巷掘进凿岩爆破井巷工程在地下矿山生产建设中占有很重要的地位。无论在地下矿山基建阶段，还是生产阶段，所占的比重都很大。一个中型基建矿山的井巷工程达510万米3
17、。每开采千吨矿石的开拓、采准和探矿的井巷工程量平均为20.8m。仅有色和冶金系统新建和扩建的矿山，平均每年开凿竖井长约60007000m，平巷约1000km，天井和斜井约400km。井巷施工方法包括凿岩爆破与机械破岩两种方式，但多为凿岩爆破法。凿岩爆破法为常规掘进方法，国内几乎均采用浅孔爆破方法，速度慢、工效低，也因爆破对岩体造成损伤和破坏，导致冒顶、片帮事故增加。机械破岩技术是一种无需爆破、人员不进入掘进掌子面操作，全断面机械破碎岩石、连续作业的井巷施工技术，具有掘进速度快，作业条件好，劳动强度低，工作安全，不破坏岩石原有的完整性和稳定性，井(巷)筒圆整，井(巷)壁光滑，成井(巷)质量好，有
18、利于地压控制和通风等突出特点。随着井巷无损机械化掘进技术的不断完善，天井钻进法将会取代天井凿岩爆破法。随着井巷无损机械化掘进在平巷和竖井掘进中所占的比例的加大，刀具消耗量也会增加。我国针对掘进方面的液压凿岩技术的研究起步较早，自二十世纪七十年代开始研制液压凿岩机和相关的配套台车，在八十年代达到研制的高峰，先后开发或引进仿制出CGJ2Y、CSJ2、CTJY12-3、YCT-1、CGJ25-2Y和MECURY14等10多种全液压凿岩台车。但是研制设备几乎没有在矿山成功应用，因而国内矿山仍然广泛采用气腿式凿岩机掘进。由长沙矿山研究院首次研制成功天井钻机后，已有30多年的制造和推广应用历史，形成了直径
19、准0.52.5 m的系列产品，钻井深度达到300 m，钻井倾角7090，得到大量推广应用，在我国享有较高的知名度。特别是近年来对液压系统进行配套升级，整机性能得到了较大的提高。目前，我国已经有14种型号、120多台天井钻机，分别在有色、冶金、煤炭、黄金、建材和化工等矿山使用，钻井70000 m以上，经济效益和社会效益十分显著。九十年代国家“863”计划项目中还进行了隧道凿岩机器人的研究，提高了我国掘进用液压凿岩设备的技术水平，不少已成为巷道和隧道施工的主力装备。可以说，井巷机械掘进技术的应用是矿山现代化水平的体现和标志。53凿岩机械气动工具，2009（1）5破岩器具1980年以后，国外的凿岩钻
20、具进入国内市场后，带动了国内钻具走向一个新的发展阶段。长沙矿山研究院等单位对潜孔钻具进行的科研攻关，使我国的凿岩钻具发展到一个较高的水平。目前，我国低气压潜孔钻头形成了直径准65186 mm的系列产品，其中以准90125mm钻头为主。低气压潜孔冲击器，以90型、100型、150型三种规格为主。低气压潜孔钻具主要应用在国内的小型工程，小采石场和凿岩条件较差的地域。目前国内生产的低气压潜孔钻具超过了市场的需求，并且形成了一种低成本投入、低使用寿命和微利态势。高气压潜孔钻具在材质、机械加工、热处理工艺、整体性能上要求都十分严格。我国生产的高气压钻具以准105178钻头为主，并生产一定数量的高气压潜孔
21、钻管，主要为准76146mm。国内高气压潜孔钻具生产厂主要集中在湖南长沙、河北宣化和湖北等地，长沙依靠长沙矿山研究院等强大的研发力量和几十年来对钻具系列化的研究成果，逐步完善了潜孔钻具产品，使之在国内市场上取得了突破性的进展。尤其是近年来，大直径高气压冲击器和钻头(大于200 mm)，小直径高气压冲击器和钻头(小于75 mm)，系列产品在国内工程、水电、矿山使用中均显露出了优越的技术特性。河北宣化地区生产的高气压冲击器和钻头，是以美国品牌“英格索兰”和瑞典“阿特拉斯”技术为主，其产品质量稳定。国内产品和国外的品牌产品相比，主要在材料、机械加工和热处理工艺等方面存在差距，钻头体在较短的时间内发生
22、断裂。刀具是机械掘进的关键部件，它直接影响井巷机械破岩装备的应用范围、钻进效率和成本，在钻进法中具有不可替代的作用。我国经过刀具攻关，先后研究出合金钢盘形滚刀、密布合金齿滚刀和镶齿盘形滚刀。其中镶齿盘形滚刀具有适应性强(适用于抗压强度80120MPa的岩石)、破岩效果好(岩渣呈大片状，块度2540mm占70%以上，钻进速度一般为1.01.8m/h)的特点，中硬岩层的使用寿命为250300m，技术性能接近国外同类产品水平，对我国矿山推广应用机械掘进法起到积极的促进作用。目前我国刀具品种和质量水平明显不能满足大量国产天井钻机和进口平巷掘进机的要求，成为先进、高效、安全、环保的不爆破机械化掘进设备推
23、广应用的瓶颈。6发展方向破岩装备发展方向主要体现在设备的大型化、无轨化、高效化、液压化和自动化等方面。为了适应大型矿山的发展需要，提高每米炮孔爆破量和降低成本，露天钻机不断大型化。露天牙轮钻机的穿孔孔径将发展到500600 mm，轴压力、功率和机重也相应加大。与大型凿岩钻机配套发展大规格、高气压潜孔冲击器及高气压钻头，发挥大孔径凿岩爆破的低成本、高效率的优势。发展高效率的地下中深孔和深孔无轨采矿凿岩设备，形成系列产品以满足各种条件下的不同需要。发展采用液压凿岩机、水压凿岩机取代气动凿岩机，采用大型顶锤式液压钻机替代中深孔(气动)潜孔钻机。在井巷掘进中发展中深孔无轨凿岩设备，以满足提高掘进速度的要求。发展机械式无损破岩装备，不断扩大其应用范围。发展卫星定位实现露天炮孔精确定位系统、炮孔可编程控制系统、自动监测与诊断系统、遥控凿岩和智能防卡钻技术，以及能识别矿岩特性使钻机在最佳参数下作业的智能化钻机，发展凿岩机器人，实现凿岩循环自动化、智能化，达到自动开孔、自动定位与移位以及实现遥控操作等目标。54