告別爆破！機(jī)械破巖鑿井技術(shù)

前言

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，爆破鑿井技術(shù)在采礦領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。其原理是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量瞬間釋放，使巖石受到強(qiáng)烈的沖擊和壓力而破碎。然而，隨著開(kāi)采深度和規(guī)模的不斷增加，這種傳統(tǒng)技術(shù)的弊端愈發(fā)明顯。

安全風(fēng)險(xiǎn)高懸

爆破過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)是一個(gè)極為棘手的問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際數(shù)據(jù)，爆破震動(dòng)的峰值速度如果超過(guò)一定限度，就會(huì)對(duì)井壁及周邊巖體的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。在某礦山的開(kāi)采實(shí)例中，當(dāng)爆破震動(dòng)峰值速度達(dá)到 50cm/s 時(shí)，井壁出現(xiàn)了明顯的裂縫，經(jīng)過(guò)測(cè)量，裂縫寬度達(dá)到了 5-10mm，深度更是深入巖體內(nèi)部 30-50cm。這不僅增加了井壁支護(hù)的難度和成本，還隨時(shí)可能引發(fā)坍塌事故，對(duì)井下作業(yè)人員的生命安全構(gòu)成直接威脅。此外，爆破時(shí)還可能引發(fā)瓦斯爆炸等二次災(zāi)害。瓦斯爆炸需要滿足一定的濃度范圍，一般來(lái)說(shuō)，瓦斯?jié)舛仍?5%-16% 之間時(shí)，遇到火源就極易發(fā)生爆炸。而爆破產(chǎn)生的高溫和明火，無(wú)疑是瓦斯爆炸的重大誘因。一旦發(fā)生瓦斯爆炸，其產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波和高溫火焰，會(huì)在瞬間摧毀井下設(shè)施，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。

效率瓶頸凸顯

傳統(tǒng)爆破鑿井的工序繁雜，每一次爆破都需要經(jīng)歷鉆孔、裝藥、連線、爆破、通風(fēng)排煙、出渣等多個(gè)環(huán)節(jié)。以一個(gè)中等規(guī)模的礦井為例，每次爆破的鉆孔作業(yè)可能需要耗費(fèi) 8-10 小時(shí)，裝藥和連線又需要 2-3 小時(shí)，爆破后通風(fēng)排煙至少需要 1-2 小時(shí)，出渣則可能需要 4-6 小時(shí)。完成一輪爆破循環(huán)，總共需要 15-20 小時(shí)。而且，爆破后的巖石破碎程度不均勻，常常會(huì)出現(xiàn)大塊巖石，這就需要額外的二次破碎作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二次破碎作業(yè)的時(shí)間占總作業(yè)時(shí)間的 10%-20%，大大降低了整體的鑿井效率。此外，為了確保安全，每次爆破后都需要等待一段時(shí)間，以確認(rèn)井下環(huán)境安全后才能繼續(xù)作業(yè)，這也在一定程度上延長(zhǎng)了施工周期。

環(huán)境影響難消

爆破鑿井過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，如一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO?）等。這些有害氣體不僅對(duì)井下作業(yè)人員的健康造成危害，長(zhǎng)期吸入一氧化碳會(huì)導(dǎo)致人體缺氧，引發(fā)頭痛、頭暈、惡心等癥狀，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致昏迷和死亡；二氧化氮?jiǎng)t會(huì)刺激呼吸道，引發(fā)咳嗽、呼吸困難等問(wèn)題。同時(shí)，這些有害氣體排放到大氣中，也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染。據(jù)相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，在一次中等規(guī)模的爆破后，井下空氣中一氧化碳的濃度可達(dá)到 500-1000ppm，二氧化氮的濃度可達(dá)到 100-200ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，爆破產(chǎn)生的粉塵也是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。這些粉塵會(huì)在空氣中懸浮，不僅影響視線，還會(huì)對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境和居民生活造成不良影響。在一些礦山周邊地區(qū)，由于長(zhǎng)期受到爆破粉塵的影響，農(nóng)作物的生長(zhǎng)受到抑制，產(chǎn)量下降，居民的呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率也明顯上升。

機(jī)械破巖鑿井技術(shù)

面對(duì)傳統(tǒng)爆破鑿井技術(shù)的諸多弊端，非爆破機(jī)械破巖鑿井技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力。接下來(lái)，讓我們深入了解幾種常見(jiàn)的機(jī)械破巖鑿井技術(shù)原理。

沖擊式破巖

沖擊式破巖主要依靠鑿巖機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鑿巖機(jī)的工作過(guò)程可以分為沖擊、旋轉(zhuǎn)和排粉三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在沖擊階段，鑿巖機(jī)內(nèi)部的活塞在高壓氣體或液壓的作用下，以極高的速度沖擊釬桿，釬桿再將沖擊力傳遞到釬頭，從而對(duì)巖石產(chǎn)生瞬間的強(qiáng)大沖擊力。根據(jù)動(dòng)量定理，沖擊力  （其中  為沖擊力，  為活塞質(zhì)量，  為加速度） 。例如，某型號(hào)鑿巖機(jī)的活塞質(zhì)量為 5kg，在工作時(shí)加速度可達(dá) 1000m/s2，那么其產(chǎn)生的沖擊力   。在旋轉(zhuǎn)階段，釬桿帶動(dòng)釬頭旋轉(zhuǎn)，使釬頭在巖石表面不斷改變沖擊點(diǎn)，從而形成圓形的鉆孔軌跡。最后，在排粉階段，利用壓縮空氣或壓力水將鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的巖粉排出孔外，以保證鉆孔的順利進(jìn)行。這種破巖方式適用于硬巖，因?yàn)橛矌r的抗壓強(qiáng)度較高，需要強(qiáng)大的沖擊力才能使其破碎。沖擊式破巖能夠瞬間產(chǎn)生巨大的沖擊力，超過(guò)硬巖的抗壓強(qiáng)度，從而使巖石破碎。

旋轉(zhuǎn)式破巖

旋轉(zhuǎn)式破巖的典型設(shè)備是煤電鉆。煤電鉆通過(guò)壓入、旋轉(zhuǎn)切削和排粉三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)破巖。在壓入過(guò)程中，給煤電鉆施加一定的軸壓力，使鉆頭能夠切入巖石。軸壓力的大小與巖石的抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，軸壓力  需要滿足  （其中  為巖石的抗壓強(qiáng)度，  為鉆頭與巖石的接觸面積） 。例如，當(dāng)巖石的抗壓強(qiáng)度為 50MPa，鉆頭與巖石的接觸面積為 0.001m2 時(shí)，所需的軸壓力   。在旋轉(zhuǎn)切削階段，鉆頭在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)巖石進(jìn)行切削，形成破碎的巖屑。同時(shí)，回轉(zhuǎn)力矩  在旋轉(zhuǎn)切削中也起著重要作用，它與切削力  和切削半徑  的關(guān)系為   。最后，通過(guò)排粉裝置將巖屑排出鉆孔。旋轉(zhuǎn)式破巖在軟巖或煤層中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。軟巖和煤層的強(qiáng)度較低，不需要過(guò)大的軸壓力和回轉(zhuǎn)力矩就能實(shí)現(xiàn)破巖，而且旋轉(zhuǎn)式破巖方式能夠較為均勻地破碎巖石，提高破巖效率。

水脹裂破巖

水脹裂破巖技術(shù)的原理是利用高壓水的強(qiáng)大壓力使巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石的開(kāi)裂和破碎。具體來(lái)說(shuō)，首先在巖石中鉆孔，然后將高壓水通過(guò)鉆孔注入巖石內(nèi)部。隨著水壓的不斷升高，巖石內(nèi)部的應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)水壓產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石就會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生裂縫。根據(jù)巖石力學(xué)原理，巖石的抗拉強(qiáng)度  與水壓  和鉆孔半徑  等因素有關(guān)，在一定條件下，當(dāng)  （  為巖石的厚度）時(shí)，巖石就會(huì)開(kāi)裂。這種技術(shù)在煤礦開(kāi)采等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在煤層開(kāi)采中，可以利用水脹裂破巖技術(shù)預(yù)先對(duì)煤層進(jìn)行處理，使煤層更容易開(kāi)采，提高采煤效率；在巷道掘進(jìn)中，水脹裂破巖技術(shù)可以減少對(duì)周邊巖體的破壞，保證巷道的穩(wěn)定性。水脹裂破巖技術(shù)具有安全性高、環(huán)保無(wú)污染等顯著優(yōu)勢(shì)。它避免了爆破作業(yè)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生有害氣體和粉塵，符合現(xiàn)代綠色開(kāi)采的理念。

常見(jiàn)機(jī)械破巖設(shè)備

（一）鑿巖機(jī)

鑿巖機(jī)種類多樣，常見(jiàn)的有手持式、氣腿式、導(dǎo)軌式等，它們各自具備獨(dú)特的特點(diǎn)與適用場(chǎng)景。
手持式鑿巖機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、重量較輕，一般重量在 20 - 25kg 左右，便于操作人員手持操作。由于其輕便靈活，在一些狹窄空間，如小型礦山的巷道開(kāi)采、建筑物內(nèi)部的拆除改造等場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛。不過(guò)，手持式鑿巖機(jī)的動(dòng)力相對(duì)較小，沖擊頻率一般在 30 - 35Hz 之間，適用于硬度較低的巖石，巖石硬度系數(shù) f 一般在 6 - 8 左右。在小型采石場(chǎng)進(jìn)行二次破碎作業(yè)時(shí)，手持式鑿巖機(jī)可以靈活地對(duì)小塊巖石進(jìn)行鉆孔，為后續(xù)的破碎工作做準(zhǔn)備。
氣腿式鑿巖機(jī)則配備了氣腿裝置，氣腿可以提供支撐和推進(jìn)力，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。以常見(jiàn)的 YT28 型氣腿式鑿巖機(jī)為例，其重量約為 26kg，沖擊頻率可達(dá) 36Hz 左右，沖擊能≥70J 。工作時(shí)，需要的氣壓一般為 0.4 - 0.63MPa，水壓要求在 0.2 - 0.3MPa 左右 。氣腿式鑿巖機(jī)適用于中硬或堅(jiān)硬巖石，在礦山巷道掘進(jìn)、隧道施工等場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛，可鉆鑿水平和傾斜炮孔，炮孔直徑一般為 34 - 42mm，經(jīng)濟(jì)的炮孔深度可達(dá) 5m 以上。在一個(gè)中等規(guī)模的礦山巷道掘進(jìn)項(xiàng)目中，使用 YT28 型氣腿式鑿巖機(jī)，每天可以完成 50 - 80 個(gè)炮孔的鉆鑿工作，大大提高了施工效率。
導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)通常安裝在導(dǎo)軌上，通過(guò)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)精確的定位和移動(dòng)，能夠保證鉆孔的精度和質(zhì)量。它的功率較大，適用于大型礦山的開(kāi)采和大型工程的基礎(chǔ)施工，如大型露天礦山的臺(tái)階式開(kāi)采，需要鉆鑿大量的深孔，導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)就可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的鉆孔作業(yè)。導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)可以鉆鑿直徑較大、深度較深的炮孔，一般鉆孔直徑在 50 - 100mm，鉆孔深度可達(dá) 10 - 30m。在某大型露天礦山的開(kāi)采中，使用導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)，每天可以完成 10 - 15 個(gè)深孔的鉆鑿，為后續(xù)的爆破和開(kāi)采工作提供了有力的支持。

（二）煤電鉆

煤電鉆主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、開(kāi)關(guān)、手柄、電纜壓緊裝置等部分構(gòu)成。其工作原理是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆桿、鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)操作人員施加一定的推力，使鉆頭切入巖石或煤層進(jìn)行鉆孔作業(yè)。煤電鉆適用于煤及 f＜3 的軟巖層，在煤礦的回采及掘進(jìn)工作面鉆炮孔作業(yè)中應(yīng)用廣泛。常見(jiàn)的煤電鉆功率一般在 1.2 - 1.5kW ，轉(zhuǎn)速為 520 - 640r/min，使用的電壓為 127V 。在煤礦的掘進(jìn)工作面，使用煤電鉆進(jìn)行炮孔鉆鑿，每個(gè)班次（8 小時(shí)）可以完成 20 - 30 個(gè)炮孔的鉆鑿，鉆孔直徑一般為 38 - 45mm，孔深 1.2 - 2m。鉆孔時(shí)，煤粉被水浸濕后從鉆桿螺旋槽排出，實(shí)現(xiàn)濕式鉆孔，有效降低了工作時(shí)產(chǎn)生的粉塵濃度，一般粉塵濃度可控制在 2.5 - 3.7mg/m3。

（三）劈裂棒

劈裂棒的工作方式是以強(qiáng)大的靜壓力分裂硬石。它主要由液壓動(dòng)力站和劈裂器兩大部分組成。液壓動(dòng)力站產(chǎn)生高壓液壓油，通過(guò)油管輸送到劈裂器的缸管內(nèi)，控制劈裂器內(nèi)的活塞桿推動(dòng)伸縮，帶動(dòng)包裹在兩塊劈塊之間連接著活塞桿的楔器伸縮，從而使劈塊向周圍產(chǎn)生張力，力可達(dá)幾百噸，使巖石在強(qiáng)大的靜壓力作用下產(chǎn)生裂縫并裂開(kāi)。在礦山開(kāi)采中，劈裂棒可以將大塊的礦石分裂成較小的塊度，便于后續(xù)的運(yùn)輸和加工。在隧道掘進(jìn)中，劈裂棒可以在不允許爆破的情況下，安全、高效地進(jìn)行巖石破碎，減少對(duì)周邊巖體的擾動(dòng)。與傳統(tǒng)的爆破和破碎錘破碎方式相比，劈裂棒具有高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，它不需要消耗大量的炸藥和能源，同時(shí)工作效率高，一次分裂過(guò)程僅需幾秒鐘；安全可靠，避免了爆破作業(yè)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，也減少了破碎錘作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和噪音對(duì)周圍環(huán)境的影響 。在某隧道掘進(jìn)工程中，使用劈裂棒進(jìn)行巖石破碎，每天可以完成 3 - 5 米的掘進(jìn)進(jìn)度，同時(shí)保證了施工的安全和周邊環(huán)境的穩(wěn)定。