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第二章 凿岩方法与设备

目 录

1. 钻孔方法及其分类
2. 凿岩机具
3. 钻眼工具
4. 压风供应

第一节 钻孔方法及其分类

井巷施工首先要破碎岩石，常用的破岩方法有机械破岩和爆破破岩两种。目前煤矿爆破破岩仍占较大的比例（约40%）。爆破效率的提高在很大程度上依赖于凿岩设备（机具）的发展。

第一节 钻孔方法及其分类

第一节 钻孔方法及其分类

一、冲击式钻孔法

钻头在冲击力 P_d 的作用下，侵入岩石并形成一条凿痕 AB，随后钻头转动一个角度并再次冲击，在岩石上形成另一条凿痕 A'B'，两个凿痕之间的岩石（扇形 AOA' 和 BOB'）也将同时被剪切掉。如此反复。利用压风或水流将破碎后的岩屑排出孔外。

第一节 钻孔方法及其分类

二、旋转式钻孔法

切割型钻头在轴压力P的作用下，克服岩石的抗压强度并侵入岩石一定深度 h；同时钻头在回转力 P_c 的作用下，克服岩石的抗切削强度，将岩石一层层切割下来，钻孔运行的轨迹是沿螺旋线下降，岩屑被排出孔外。

第一节 钻孔方法及其分类

三、旋转冲击式钻孔法

旋转式和冲击式钻孔的结合。旋转冲击钻孔时，钻头在回转切削的同时，既有轴压力 P 的作用，又有冲击力 P_D 和回转力矩 P_C 的作用，它与冲击式的区别在于钻头连续旋转，与旋转式的区别是增加了冲击作用。

第二节 凿岩机具

井巷掘进中，在岩石中钻眼，主要采用冲击式钻眼法，使用的钻眼机械是凿岩机；在煤层中钻眼，主要采用旋转式钻眼法，多使用煤电钻。

凿岩机按使用动力不同，分为风动凿岩机（简称凿岩机或风钻）、液压凿岩机及电动凿岩机。

第二节 凿岩机具

一、风动凿岩机

风动凿岩机是以压缩空气为动力的钻孔机具。按其支架方式可分为手持式、气腿式、向上式（伸缩式）和导轨式四种。按冲击频率分可分为低频（小于2000次/min）、中频（2000～2500次/min）和高频（大于2500次/min，较少见）的三种。

气腿式凿岩机的机身重量由气腿支撑，减轻了体力劳动，应用比较广泛。

气腿式凿岩机组成：

• 冲击机构：由气缸、活塞和配气系统组成。借助配气系统可以自动变换压气进入气缸的方向，使活塞完成往复运动，即冲程和回程。当活塞做冲程运动时，活塞冲击钎尾，将冲击功经钎杆、钎头传递给岩石，完成冲击做功过程。
• 转钎机构：采用棘轮、螺旋棒，并利用活塞的往复运动经过转动套筒等转动件来转动钎子。
• 排粉机构：为了消除岩粉对人体的危害，我国规定钻眼工作必须采用湿式钻眼排粉。风动凿岩机配有轴向供水系统，采用风水联动系统，凿岩机停止工作时，自动停止供水。另外该机构还能利用压气强力清扫炮眼。
• 润滑系统：采用独立的自动注油器实现润滑。分悬挂式和落地式，润滑油经压气吹成雾状，达到良好的润滑效果。

第二节 凿岩机具

二、液压凿岩机

液压凿岩机是以高压油为动力推动活塞冲击钎子，附有独立回转机构的一种凿岩机械。组成：

• 冲击机构：借助配油阀使高压油交替地进入活塞的前后油腔形成压力差，使活塞做往复运动。
• 转钎机构：转钎机构为独立机构，由液压马达带动一组齿轮再带动钎子转动的。
• 排粉系统：采用侧向供水排出岩粉。

二、液压凿岩机

凿岩台车又称钻孔台车，它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业，可大大提高钻眼机械化程度。

凿岩台车主要由凿岩机、钻臂（凿岩机的承托、定位和推进机构）、钢结构的车架、行走机构以及其他附属设备组成。凿岩台车按用途可分为掘进台车、锚杆台车和采矿台车。按行走方式分为轨轮式、履带式和轮胎式三种。

二、液压凿岩机

相对风动凿岩机，液压凿岩机的主要优点如下：

• 钻速快（比风动凿岩机高2倍以上），冲击功高、扭矩大、频率高；
• 噪声降低10～15dB，消除了油雾水汽，使工作环境大为改善；
• 效率高、能耗低（为风动凿岩机的1/3左右）；
• 功率具有可调性，可钻较深和大直径的炮孔；
• 便于自动化控制，卡钻事故少，钻具寿命长。

第二节 凿岩机具

三、电钻

电钻是采用旋转式钻眼法破岩，并用电能为动力的钻眼机械。按使用条件，电钻又分为煤电钻和岩石电钻两种。

煤电钻工作时靠人力推顶产生轴推力。

岩石电钻的构造与煤电钻基本相同，可在中等硬度（f = 4～8）岩石中钻眼。与冲击式凿岩机相比，由于直接利用电能，能量利用效率高，设备简单，以切削方式破岩，钻速高，噪声低。岩石电钻装设有推进机械，以便对钻头施加较大的轴推力。岩石电钻的破岩效率与钻速高的优点，只有在钎杆能承受较大扭矩，钎刃耐磨，钎头寿命长的情况下才能实现。

第三节 钻眼工具

钻眼工具是安装在钻眼机械上用以破碎岩石的器材。

一、凿岩机的钎子

凿岩机上多使用组合钎子，它是由活动钎头和钎杆组成。组合钎子可以更换钎头，提高钎杆的利用率，钎头修磨时可减少钎杆的搬运量，并有利于研制高质量的硬质合金钎头，以适用不同岩性和凿岩机对钎头的不同需要。现场多使用组合钎子。

还有一种整体钎子，其钎头与钎杆是不能拆开的，钎头直接在钎杆上锻造出来。整体钎子的特点是传递冲击能量损失小，但钎头修磨时钎子搬运的工作量大。

一、凿岩机的钎子

1—钎头；2—锥形梢头；3—钎杆；4—中心孔；5—钎肩；6—钎尾；7—钎头孔

1. 钎头形状

• 一字形钎头的冲击力集中，凿入深度大，钻速较高，制造和修磨工艺简单，应用比较广泛。其缺点是：凿裂隙性岩石时容易夹钎，直径磨损较快，有时凿出的炮眼不圆，且开眼困难。
• 十字形钎头基本上能克服上述缺点，但与一字形钎头比较，其钻速一般较低，而且合金片用量大，制造与修磨工艺比一字形钎头复杂。
• 球齿钎头由在钎头体上镶嵌几颗球形或锥球形硬质合金齿而成，适用于在磨蚀性较高的硬脆岩层中钻眼。其优点是可根据炮眼底面积合理布置球齿，使冲击能量在眼底均匀分布，以提高破岩效率；凿岩时开眼容易、不易夹钎、炮眼较圆；重复破岩少，岩屑呈粗颗粒状，粉尘少；耐磨，凿岩速度较高。

2. 钎头参数

• 刃角：钎头两个刃面夹角，一般90°～120°，多为110°；
• 隙角：钎头体两侧面夹角，镶合金片钎头3°，球齿钎头7°；
• 钎刃：一字型钎刃端面常做成曲率为18mm的弧型，球齿钎头周边齿向外倾斜30°～35°；
• 钎头直径：38～43㎜，保证药卷装入炮眼；
• 排粉沟：布置在钎头顶端和侧面的排出底部岩浆的沟槽；
• 钎头材料：除硬质合金片外的钎头部分称为钎头体，材料多为合金钢。镶嵌在钎头上的硬质合金为钨钴类合金，具有高硬度、高耐腐性、高抗压强度，韧性好的特点。

3. 钎杆

钎杆是承受活塞冲击力和回转力矩并将他们传递到钎头的细长杆体。

• 断面形状：中空六角形和中空圆形。
• 材料：钎钢。中空8铬、中空55硅锰钼、中空35硅锰钼钒、中空40锰钼钒等。
• 钎尾：承受和传递能量的部位，钎尾规格和淬火硬度对凿岩速度有很大的影响。
• 钎肩：六角形钎杆用环形钎肩，圆形钎杆用耳形钎肩。

第三节 钻眼工具

二、电钻钻具

1—钻头；2—方槽；3—尾孔；
4—麻花钻杆；5—钎尾

1. 煤电钻钻具

煤电钻的钻具由钻头 1 和麻花钻杆 4 组成。钻杆前部的方槽 2 和尾孔 3 是用来插入钻头的，钻头插入后，从尾孔 3 上的小圆孔中插入销钉固定钻头。麻花钻杆尾部 5 车成圆柱形，用以插入电钻的套筒内。套筒前端有两条斜槽，可以卡紧在麻花螺纹上，以传送回转力矩。

麻花钻杆用菱形断面或矩形断面T7、T8钢加热状态扭制而成，螺纹方向与钻头旋转方向一致。钻杆除了传递轴向压力和扭矩外，还能利用螺旋沟槽排出钻粉。

第四节 压风供应

空气压缩机亦称压风机，是矿山四大固定设备之一（通、压、排、提升）。通过空气压缩机，可将自由空气压缩到所需要的压力而成为压缩空气，用以驱动风动机具，如风钻、风镐、抓岩机、风水泵、空气锤、铆钉机、锻钎机等。在矿山岩巷开拓中广泛应用的喷射混凝土技术，也是用压缩空气做喷射动力的。此外，矿山还经常用压缩空气进行清理水仓，驱动副井上、下口的风动操车设备和主井上、下口风动装卸载设备。因此，必须设置多台空气压缩机组成的压缩机站，以满足对压气的需求。

第四节 压风供应

用空气压缩机产生的压缩空气作原动力，与使用电力相比较有如下优点：

1. 在有瓦斯的矿井中，可以避免因电动机具产生的电火花而引起的瓦斯爆炸；
2. 不会因为过载而损坏机具。适用于钻削坚硬岩石的冲击式和负载变化很大的风动工具；
3. 压缩空气可进行能量储存，不凝结，输送方便；
4. 压缩空气以及风动机具排出的空气，不污染环境，并有助于井下的通风。

尽管压风机和风动机具的效率较低，风动机具工作时的震动和噪声较大，但是，有上述优点，因而压风机仍然广泛地应用于煤矿生产中。