国产液压凿岩设备在矿山的应用

2012-01-25李砚耕张国榉

凿岩机械气动工具 2012年1期

李砚耕，张国榉

（1.中国地质大学（武汉）凿岩机械研究所，湖北武汉430074；2.中国地质大学（武汉）掘进工程研究所，湖北武汉430074）

我国现代凿岩机械工业，起源于上世纪五十年代初前苏联援建我国的156项重点工程中——第一项完工的前沈阳风动工具厂——和后来的天水风动工具厂的气动凿岩机。它对我国采掘工业的发展，发挥了重要作用。六十年代开启了我国气动、内燃、电动凿岩设备自行设计、研制工作，质量、品种日趋完善。1970年法国蒙塔贝特公司生产出世界第一批液压凿岩机后，我国也随之开始了液压凿岩设备的研制。全国各有关采掘行业，掀起了研制液压凿岩机的高潮。到1977年在湘东钨矿召开研讨会时，全国研制液压凿岩机的大专院校、科研院所、生产企业的单位达47家之多，液压凿岩被誉为一次采掘工业的革命。由于其低噪声、环保、节能、减排受到了国内外广泛的关注，国家对此投入了大量的研制经费。八十年代兴起的液压凿岩设备和技术引进，冲击了我国自身液压凿岩技术的研究和发展。由于中国市场的广大，所引进的技术比较陈旧且未能很好消化，后来大多又被外商回购。我国国营凿岩机械生产企业，大都卖给了跨国公司，液压凿岩技术是一门科技含量高的技术，时至今日能形成产品生产能力的研究部门已所剩无几。但是，在这种情况下不甘屈服应运而生的我国中小型民营凿岩机械企业异军突起，并取得了骄人的成就。目前，中国地质大学（武汉）凿岩机械研究所和海卓流体控制有限责任公司研制的各种类型DZ系列液压凿岩机和全液压凿岩钻车，已在国产设备上居重要地位。

1 地下矿山用液压凿岩设备

1.1 全液压掘进钻车在房柱采矿法上的应用

房柱采矿法采场及凿岩设备布置，见图1。

图1 房柱采矿法采场及凿岩设备布置示意图

在房柱采矿法中的采场钻孔可与平巷掘进同时进行。可使用由中国地质大学（武汉）凿岩机械研究所设计、武汉地大海卓流体控制有限责任公司生产的《海卓》牌全液压凿岩钻车。根据采场的大小，选用不同规格的设备。较大的采场掘进，可选用CTJY12.3、CTJY12.1、CTJY12.2、CLYJ12.2型钻车；较小的采场掘进，可选用DZ10型钻车。详见图2、图3、图4、图5、图6。

图2 房柱采矿法用《海卓》CTJY12.3型全液压凿岩钻车

技术参数：

总重32 t；总长（运行状态）13 m；宽2.6 m；高（顶棚最低）3.0m

凿岩机：DZYG38B型3台。机重150kg；冲击频率41～60 Hz；钎杆转速（最高）750 r/min；钎杆扭矩（最大）230N·m

液压钻臂：AB741三支；伸缩长度1600mm

液压推进器：AT1541三支；推进长度4005mm；延伸长度1600mm

液压工作平台：AF321：一支；伸缩长度4000mm；最大载重500kg

底盘：功率117kW；

最大速度时爬坡能力：1:4；

转弯半径：9.4m

液压动力站：总功率：3×45kW

技术参数：

图3 房柱采矿法用《海卓》CTJY12.1型轮胎式凿岩钻车外形轮廓

图4 房柱采矿法用《海卓》CTJY12.1型轮胎式凿岩钻车

总重9 t；总长9.8 m；宽1.55 m；高（顶棚下落最低）2.3m

液压钻臂：AB721：一支；液压推进器：一支；推进长度3660 mm；延伸长度1200m m；适合断面4×5.5m2

底盘：DC10l轮胎式底盘。发动机：道依茨912（50kW）；最大行走速度12 km/h；爬坡能力：1∶4

凿岩机：DZYG32型。重量112㎏；长度878mm；宽度（接头除外）261mm；总高度229 mm；中心线以上高度：84 mm；冲击频率40～60 Hz；最大旋转扭矩（连续）：200 N·m；最大旋转速度（连续）：350 r/min；最大旋转扭矩500N·m；最大旋转速度450r/min

图5 房柱采矿法用《海卓》CLJY12.2型掘进钻车

技术参数：

总重19.5 t；总长11400 mm；总宽1700 mm；总高2250mm

钻臂：自重2380 kg；总长7450 mm；伸缩长度1600mm

钻臂摆动角度：左右各50°；钻臂举升角度：向上57°，向下55°

推进器俯仰角度：向上57°，向下55°；推进器摆动角度：左右各60°

推进器翻转角度：180°；靠帮角度：4°；补偿长度1750mm

推进器：自重360 kg；总长5295 mm；钎杆长度3660mm；最大推进力1270kg

底盘：最大行走速度1.2 km/h；爬坡能力10°；最小离地间隙316mm

凿岩机：DZYG38B型

图6 房柱采矿法用《海卓》DZ10型全液压掘进钻车

技术参数：

总重2.5 t；总长6.8 m；总宽1.35 m；用电瓶车拖行：轨距600mm

动力：油泵电动机：18.5 kW；空压机：1.5 kW；加压水泵：1.5 kW；电压：380 V，照明系统：24V

钻臂：型号：AB321；回转：左右180°；升角：55°；降角：16°；摆动：左右各30°

推进器：仰角：15°；俯角：45°；摆角：左右各45°；推进长度3000 mm；补偿长度1500 mm；

推进形式：油缸-钢丝绳；钻杆长度2600 mm

凿岩机：DZYG25型；冲击压力18.5 MPa；冲击频率50 Hz；钻孔直径φ27～φ42 mm；

最大回转压力：10MPa

1.2 全液压凿岩钻车在分段采矿法上的应用

对于垂直矿体或陡峭的矿体，采用分段回采法或高分段崩落法，其采场与凿岩设备布置，如图7、图8所示。

图7 分段回采法采场及凿岩设备布置示意图

图8 高分段崩落法采场及凿岩设备布置示意图

《海卓》CTQ160型液压钻车适用于分段回采法，也适用于高分段崩落法，即VCR采矿法。最大凿孔深度80m，最大孔径φ165mm，见图9。

图9 用于分段采矿法的《海卓》CTQ160型液压凿岩钻车

特点：推进器装有双液压夹头及卸钻杆液压扳手，使拆卸钻杆方便、快捷。

主要技术参数：推进长度1.2 m；钻孔深度70 m；钻孔偏差＜0.5 m；回转头扭矩3000 N·m；最大钻孔直径φ165 mm；作业范围：360°全方位；总功率45kW。

1.3 全液压凿岩钻车在无砥柱分段崩落法上的应用

无砥柱分段崩落法用于陡峭倾斜的矿体，及带有很大垂直高度的矿体。矿体与围岩稳定性的最低要求，就是分段崩落平巷必须是能自我支撑的，只需要做一些临时性的加固工作。其采场与凿岩设备布置，见图10、图11。

图10 无砥柱分段崩落法的采场与凿岩设备布置示意图

图11 用于无砥柱分段崩落法的《海卓》CTCY12.1轻型采矿钻车

对于这种采矿法，《海卓》CTCY12.1轻型全液压采矿钻车，是为适应我国目前矿山常用的分段平巷断面尺寸而设计的。它用于在断面高度3.2 m的巷道钻凿平行扇形炮孔。

1.4 全液压凿岩钻车在充填采矿法上的应用

《海卓》CTCY12-1轻型全液压采矿钻车，也适用于上向钻凿炮孔的充填采矿法，其采场及凿岩设备布置见图12。

图12 上向充填采矿法采场及凿岩设备布置示意图

2 露天矿山用液压凿岩设备

在露天矿山，矿体局限于某一个特定区域内，围岩的剥离和矿体的开采都需要进行爆破开挖。露天开采炮孔的布置，其孔径、孔距和孔深，应根据需要破碎的矿石块度大小、矿石坚固性高低和炸药类型而定。开采的分段高度范围，一般限定12～35米。孔径φ64～φ145mm。在大孔径（φ110～φ380mm）和20米以上深度时，多使用潜孔钻或牙轮钻。一般露天开采可选用《海卓》CLLY100、CLLY150、CLL142、CLLY-100J等型号钻车，见图13、图14、图15、图16、图17。

图13 露天矿采场和凿岩设备布置示意图

图14 露天矿山用《海卓》CLLY100型全液压凿岩钻车

技术参数：

凿孔直径φ65～φ102mm；钎杆形式：T38(S38)、T45(S45)mm；重量10.8 t；推进长度4000 mm；驱动方式：柴油机；额定功率132 kW；行走速度1.5～3.7 km/h；凿岩机：DZYG38B型；最大冲击功率：15kW

图15 《海卓》CLLY150型全液压重型露天凿岩钻车

技术参数：

钻凿孔径φ76～φ152mm；钎杆直径φ38、φ45、φ51mm；行走速度2.6㎞/h；爬坡能力20°；发动机型号：道依茨F6L912

图16 露天矿用《海卓》CLL142型液压潜孔钻车（一体机）

技术参数：

冲击器：工作压力1.05～2.64 MPa；耗气量12 m3/min；钻孔直径φ110～φ145 mm；钻孔深度：水平30 m，向下20 m；钻杆长度3000 mm；钻杆直径φ76 mm；钻凿水平孔：最高3400 mm，最低横位450 mm；推进行程4000 mm

推进器补偿长度：1200 mm；最大提升力100kN

推进器俯仰角：水平向上45°、向下60°；

推进器摆动角：左50°、右3°

钻臂俯仰角:水平向上55°、向下15°；

钻臂摆动角：左右各45°

爬坡能力：35°；底盘离地最小间隙300 mm；回转器转速0～75 r/min；回转扭矩3000 N·m

液压系统：工作压力12.5MPa；外形尺寸：6900×2300×2400 mm；除尘方式：液压集尘器

图17 露天矿用《海卓》CLLY-100J型液压凿岩钻车

技术参数：

总重≤7t；外型尺寸（运输状况）：

6.4×2.1×2.7 m；油箱容量200升；持续工作时间6小时

底盘形式：履带式；最小离地间隙330 mm；工作方式：全液压；运输、行进方式：自行(长途需运输车)；爬坡能力25°；行进速度1.5km/h；使用海拔高度＜2000m；工作温度：-20℃～+40℃；钻凿岩石类型：硬岩f=4～16；钻杆长度3 m×4根；钻孔直径φ100 mm；钻孔深度10 m；钻孔速度：硬岩1 m/min；钻孔方式：冲击旋转；推进梁摆动角：右30°、左90；钻臂旋转角：360°；最大扭矩：800 N·m；操作人员：1人（1人辅助）；平均故障间隔时间≥200小时

3 地外采矿初探

1994年以来，中国地质大学（武汉）凿岩机械研究所与俄罗斯合作，参与了太空开发的研究，承担采样器钻凿机构的研制，对未来太空矿物原料勘采进行了探讨。图18为与俄罗斯工程院合作开发项目之一的月球勘探取样器。

图18 俄罗斯发射的月球勘探采样器

4 液压凿岩设备的关键技术—液压凿岩机

与前述地下和露天矿山开采用《海卓》全液压凿岩钻车配套的DZ系列液压凿岩机，见图19、图20、图21、图22、图23、图24。

图19 《海卓》DZYG51型液压凿岩机

《海卓》DZYG51重型全液压凿岩机采用双液压马达驱动、独立回转，与液压钻车配套使用，适用中硬和坚硬岩石上钻凿任意方向炮孔，主要用于大孔径钻进及露天钻凿作业，钻孔直径为φ89～φ152mm。该机是一种高效节能、可长期稳定工作的新型凿岩设备，稳定工作指标为累计进尺6000米不拆机检修。主要技术参数见表1。

表1 《海卓》DZYG51型液压凿岩机技术参数

图20 《海卓》DZYG45型液压凿岩机

《海卓》DZYG45为中型全液压凿岩机，采用液压驱动、独立回转，与液压钻车配套使用，适于中硬和坚硬岩石上钻凿任意方向炮孔，主要用于大孔径钻进及露天钻凿作业，钻孔直径为φ65～φ125mm。该机是一种高效节能，可长期稳定工作的新型凿岩设备。其主要技术参数见表2。

表2 《海卓》DZYG45型液压凿岩机技术参数

《海卓》DZYG25型液压凿岩机是导轨式独立回转凿岩机，该机与钻车配套用于中硬和坚硬石上钻凿任意方向炮孔，输出功率可调三档。

图21 《海卓》DZYG25型液压凿岩机

表3 DZYG25技术参数

DZYG32型液压凿岩机与钻车配套使用，适用于中硬和坚硬岩石上钻凿炮孔。

图22 《海卓》DZYG32型液压凿岩机

表4 DZYG32技术参数：

《海卓》DZYY22型液压凿岩机是手持式凿岩机，适用于钻凿各种岩石。该机重量轻，操纵机构集中，启动灵活，工作平稳可靠，噪音低，效率高，寿命长，使用维修方便。

图23 《海卓》DZYY22型全液压凿岩机

表5 DZYY22技术参数

5 《海卓》全液压凿岩设备的销售和使用情况举例

1987年以来，中国地质大学（武汉）凿岩机械研究所二十多年如一日，坚持自主创新，与企业结合实现商品化，并通过国家鉴定和用户认可，产品形成系列，主要技术、经济指标达到瑞典Atlas Copco公司同类产品所代表的国际先进水平，为我国凿岩机械现代化的事业作出了重要贡献。该所研发的DZ系列《海卓》牌液压凿岩机，拥有自己的关键技术。例如：研制改进了适用于高速、高压的密封装置；活塞与冲击钎尾的选材和热处理工艺；蓄能器隔膜的选材与制作工艺；支承活塞运动的前后导向套的结构设计和选材；凿岩机上的反打机构设计等。在《海卓》系列全液压凿岩钻车上，使用了该公司的新技术液压拉拔装置，最大拉拔力可达20吨以上。由于《海卓》牌DZ系列全液压凿岩机和凿岩钻车已经具备的性价比优势，在国内外市场初步显示出强劲的竞争力，获得了用户的一致好评。1997年以来，《海卓》全液压凿岩钻车典型产品的销售和使用情况实例，见表6和图25。

6 结束语

和气动凿岩设备相比，液压凿岩设备穿孔速度要高出3倍以上；能耗仅为气动凿岩设备的1/3；噪声可下降约20分贝，凿岩现场粉尘浓度较低，可见度好。因此，液压凿岩设备具有钻速快、节能、噪声低、劳动安全和卫生条件好等突出优点，是世界公认的高技术、高附加值产品。用全液压凿岩设备逐步更新气动凿岩设备，特别是在大型重点采掘工程中，优先选用全液压凿岩设备，正成为全球凿岩工程发展的总趋势。我国改革开放以来，铁路、公路、水电、核电、农田水利、矿产开发、城镇建设、国防和民用地下空间设施等大规模基础建设工程不断扩大，对全液压凿岩设备的需求相应不断增加。据不精确统计，我国近20多年来，各大型工程以昂贵价格进口和报废的全液压凿岩钻车，保有量已达3000台左右，总值约30亿美元。这些设备急需国产设备去补充和更新。此外，全球液压凿岩设备的年容量，约在200亿美元左右。在相当长的时期内，国内外采掘工程施工仍以“钻爆法”为主，气动和液压凿岩设备需求量都很大。目前国际市场虽为Atlas Copco、Tamrock等名牌凿岩机械跨国公司所垄断，但在国产全液压凿岩设备质量、品种、性价比指标迅猛提升的同时，伴随着我国综合国力不断提高和第二、三世界国家新市场的日益扩大，国产凿岩机械仍有着进入国际市场的巨大空间。