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岩石开凿

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随着我国经济建设的快速发展,矿业开采、能源建设、基础工程施工、交通道路发展等建设工程领域对凿岩钎具的需求呈现上升趋势,同时对钎具产品种类,性能和质量也提出了更高的要求。

按照岩土钻掘工程中所使用的凿岩机械类型,与其配套的凿岩钎(钻)具产品大上可分为六大类型:
1.顶锤式冲击钎具;
2.潜孔式冲击钻具;
3.矿用牙轮钻具;
4.反向天井钻具;
5.机械截割钻具;
6.地质勘探钻具。

一、顶锤式冲击钎具
顶锤式冲击凿岩是凿岩机械位于钎具顶端,凿岩机活塞直接撞击钎具尾端,产生的冲击功以应力波形式通过杆体到达钎头对岩石做功(图一)。这种凿岩方式所用的凿岩机械以压缩气体或液压油作为动力源,可根据设备要求设计冲击功率,因此有较高的凿岩速率。顶锤式冲击凿岩钎具钻凿炮孔深度通常≤35m,钻孔直径≤152mm。
1.1 轻型凿岩机用钎具
轻型凿岩机械是指人工操作的凿岩机械,这类凿岩机械的自重小于35kg,利用人工手持或气腿支撑作为工作平台,凿岩冲击功和推进力都比较小,通常使用的钎具产品有H19mm,H22mm,H25mm 六角形整体钎杆和锥体连接钎杆,38-42mm 片状一字型钎头,十字钎头,以及四齿、五齿球齿钎头,是目前国内使用量最多的凿岩钎具产品之一。

1.2 地下矿山开采用钎具
在我国的矿业资源中,地下矿山资源占有很大的比例。地下矿业资源开采中,要根据矿山的生产状况,采用不同的凿岩钻孔爆破采矿工艺。通常,地下采矿可按照钻凿炮孔的深度分为:浅孔凿岩(孔深6m),中深孔凿岩(孔深10-30m) 和深孔凿岩(孔深50-60m)三种形式。

1.3 凿岩掘进用钎具
凿岩掘进施工方法有凿岩钻爆掘进法与机械破岩掘进法两种方式。国内施工主要以凿岩钻爆掘进法为主,其作业区域集中在基础设施工程建设中的隧洞与涵洞掘进,以及地下矿山生产建设中的井巷工程掘进。目前在隧洞掘进和井巷工程掘进中所采用的凿岩钻爆掘进工艺基本上是浅孔凿岩钻爆法,所使用的凿岩工具为气腿式轻型凿岩机和H22mm 锥体连接钎杆,38-42mm 片状一字型钎头,以及球四齿、五齿球齿钎头。从钻爆凿岩工艺上看,采用浅孔钻爆方式进行隧洞和井巷工程掘进不仅速度慢,工效低,爆破时也容易对岩体造成破坏。同时施工人员的劳动强度大,作业条件恶劣,工作安全环境差,在工业发达国家是早已淘汰的一种施工方法。

隧道和井巷凿岩掘进的发展方向是采用液压凿岩钻车机械化掘进和全断面掘进机以及天井钻机等机械化施工作业。我国对液压凿岩钻车,特别是全液压凿岩掘进钻车的研究工作非常重视,在二十世纪八十年代就开始研制和仿制出近十种型号的液压凿岩钻车样车,其中以全液压凿岩掘进钻车为主。但由于种种原因,这些样车都没有成功用于实际生产中,气腿式轻型凿岩机仍然是凿岩掘进工程中的主要施工机械。

从二十世纪九十年代中期开始,国内凿岩机械制造企业和科研机构在总结经验的基础上重新开始对隧道凿岩掘进钻车的研制,国外凿岩机械制造企业在国内的生产企业也开始批量生产全液压凿岩掘进钻车,到二十一世纪初,国内大型施工企业和矿山使用的进口和国产全液压凿岩掘进钻车数量不断增加,有的已成为隧道和井巷施工中的主要设备。从工业发达国家的隧道与井巷凿岩设备的发展历程可以看出,全液压凿岩掘进钻车应用是施工现代化水平标志的体现,也应该是今后在我国隧道与井巷施工作业中有较大发展空间的一种凿岩机械。

使用全液压凿岩掘进钻车的主要施工场地有:大中型地下矿山井巷掘进和锚固孔钻凿,水电站建设中导流涵洞开凿和地下厂房开挖,地下煤炭生产井巷掘进以及道路工程建设中的隧洞施工等。
1.4 全液压露天凿岩钻车用钎具
全液压露天凿岩钻车是国内施工部门使用量较多的凿岩机械,主要用在露天矿山,水泥建材行业,石料市场,建筑业及道路工程采石场,水利水电工程,以及基础设施建筑施工场地。
二、潜孔式冲击凿岩钻具
与顶锤式冲击凿岩钎具不同,潜孔式冲击凿岩钻具是一种以压缩空气为动力源,将动力部进入岩石孔洞内凿岩的一种中大孔径钻爆法施工用凿岩机械,目前在国内外凿岩工程中应用十分广泛。
潜孔式冲击凿岩钻具通常由钻头、冲击器、钻杆三部分组成,装备在钻车(钻架)上,配备空气压缩机组成凿岩机组。按照潜孔式冲击凿岩钻具所使用压缩空气压力的不同,通常分为低气压潜孔钻具(气压0.6-0.8Mpa),中高气压潜孔钻具(气压1.0-2.0Mpa),高气压潜孔钻具(气压大于2.5Mpa)三种类型。
由于驱动气压不同,潜孔钻具的凿岩效率也不同,对产品的性能要求也不一样,因此,低气压潜孔钻具和中高气压潜孔钻具的产品价格也有较大差异。
三、矿用牙轮钻具
矿用牙轮钻具主要用于大型露天矿山、土石开凿、水井和地热井等工程中垂直穿孔作业。在钻凿过程中,牙轮钻机通过钻杆带动牙轮钻头凿旋转运动,同时施加向下推力用于钻具的穿凿钻孔。牙轮钻在旋转力作用下带动三个镶有硬质合金齿或排布钢齿的牙轮分别围绕各自的牙爪轴颈作自传运动,同时在轴向推力作用下将合金齿或钢齿嵌入岩石表层,利用挤压和剪切交变复合作用力对岩石进行破碎,从而达到穿孔的目的。
四、反向天井钻具
在国内地下金属矿山井巷施工方法中主要以钻爆法为主。近年来,随着井巷无损机械化掘进技术及设备的进步与发展,反向天井钻机已开始在一些大型地下金属矿山应用。在地下金属矿竖井掘进中,采用天井钻机施工方法具有掘进速度快,劳动强度低,不破坏井巷岩石原有完整性和稳定性,井巷筒壁圆整,成井质量好,有利于地压控制等一系列特点,是地下矿山竖井开凿的先进施工方法。在国外
工业发达国家反向天井钻机已经是地下矿山竖井的主要施工机械,在我国,随着采掘工业的技术进步,在竖井开凿施工中反向天井钻进工艺也将逐步取代钻爆法施工。
五、机械截割钻具
机械截割钻掘工艺是利用钻掘机械产生的动力带动钻具(刀具)对岩土进行截割而完成钻掘施工的一种非钻爆施工技术。目前,国内机械截割钻掘施工技术正处于快速发展阶段,而钻具(刀具)是机械截割掘进中的关键部件,其类型和质量直接影响到机械设备的应用范围,钻进效率和生产成本,因此,机械截割钻具的发展趋势和市场动态,一直受到钎具生产企业的注视。
5.1 非开挖工程钻具
非开挖施工技术是地下工程施工中的一种新工艺,在我国工程施工中应用也只有不到十年的时间。由于这项技术可以在不开挖地表条件下进行钻掘作业,不影响交通,不破坏环境,施工周期短,因此被广泛应用在市政工程以及穿越江河、铁路、高速公路、机场等地下管线铺设工程中。
5.2 采煤机截齿
我国的煤炭储量与年开采量均排世界前列。2005 年以来,随着煤炭市场销售价格的调整,煤炭生产企业的经济效益形势好转,各大煤炭企业不断由日本、德国、美国、英国、波兰、奥地利、澳大利亚等国家引进各种型号的综合采煤机和半煤岩掘进机,国内煤炭采掘机生产企业的销售量也在增长,煤炭行业机械化采煤程度正在逐年递增截齿是采煤机切割煤块的工具,其性能好坏直接影响采煤机组的效率、能耗、煤尘大小与块煤率。目前,我国年产煤炭量已接近30 亿吨,其中地下开采量约占75%左右,随着大型煤炭生产企业机械化采煤率的不断提高,采煤机截齿市场需求量和市场发展潜力应该是比较乐观的。关注煤炭掘进机截齿
市场发展动向和销售途径,收集各种采煤机配套截齿、齿座技术资料,探索新的生产工艺,提高截齿质量,同样应该是钎钢钎具生产企业应当重视的问题之一
5.3 路面冷铣刨机截齿
随着我国高速公路建设的快速发展,路面冷铣刨机械已经是高速公路路面和城市道路养护机械中使用量较多的一种设备。路面冷铣刨机对高速公路、城市道路、广场、机场等大面积路面的开挖翻修有很高的工作效率,是一种有很大市场发展前景的施工机械。
5.4 隧洞掘进盾构机刀具
隧洞掘进盾构机是近年来在国内地铁建设工程、过江隧道、铁路、隧洞及大型水电工程中逐渐使用的全机械化岩土掘进凿岩设备。盾构机刀具的配置和产品使用性能直接影响整机的刀盘使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率,是非常重要的凿岩钻具产品。
5.5 挖槽机截齿与路面平整机用截齿
挖槽机是一种在软土及松散地层中快速开挖铺设管线沟槽用的一种大型施工机械,国外工程建设在管线开挖施工中使用挖槽机的数量是很多的。我国近几年在新疆和西北地区油气管道施工中,以及大型水电工程坝体基础开挖中也开始使用进口的挖槽机施工。
六、地质勘探钻具
随着我国经济建设的快速发展,矿业资源的勘探开发已经成为重要的工业项目之
一。国家“十一五”发展纲要明确提出21世纪我国的地质钻掘工程技术要向更宽的领域拓宽,地质勘探设备要向高度机械化、轻便化、自动化、国际通用化方向发展。按照这种发展趋势,地质勘探工程不仅需要加强煤炭、冶金、有色、核工业等领域的勘探工程外,也将为国家公益性工程和面对社会商业化服务,以及承接海外勘探工程项目,我国的地质勘探设备和钻具产品将迎来新的快速发展
时期。
七、结语
凿岩钎具是凿岩机械的配套工具,产品规格种类多,使用领域广,使用方法各异。国际上著名凿岩钎具生产企业大都具备了从制造凿岩设备到配套凿岩钎具的全过程生产能力。在他们眼中,凿岩钎具就是为凿岩机械配套的工具产品。因此,他们对凿岩钎具的使用性能,配套的规格种类都有着更深层次的理解,也就能生产出各种类型的优质凿岩钎具。

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