氣動潛孔錘工藝可行性研究

曹雷強，吳紅兵

（五礦礦業（邯鄲）礦山工程有限公司，河北 邯鄲 056000）

1 氣動潛孔錘工藝可行性研究

與回轉鉆進的研磨和切削原理不同，空氣潛孔錘鉆進原理是通過潛孔錘將壓縮機產生的壓縮空氣的能量轉換成對巖石進行破碎的沖擊能量。當沖擊功達到破碎巖石所需要的能量時，產生體積破碎；并利用工作后的氣體將巖屑排出孔外，實現鉆進。理想鉆進效果的基本參數包括鉆壓、風壓、風量和轉速等。

（1）鉆壓。空氣潛孔錘碎巖的三種力為：沖擊力、回轉力和靜壓力（鉆壓）。在全面鉆進過程中，潛孔錘的單位面積的壓力值一般在30N/cm2～80N/cm2；在軟至中硬巖層中推薦值為78N/cm2～199N/cm2；另外壓力值選擇還應將鉆機性能、鉆具匹配情況，鉆進方式及所選用的沖擊器的規格型號進行綜合考慮。這樣，可以最大限度地減少鉆具的磨損，達到最佳的鉆進效果。通過多次對比實驗，在李樓鏡鐵礦中鉆機鉆壓需達到220N/cm2，其鉆進效率達到最高。

（2）轉速。轉速是為了改變錘頭合金的沖擊破巖位置，避免破碎重復。影響轉速高低的主要因素有：規格大小、沖擊器的額定沖擊頻率以及巖層的物理機械特性，過高的轉速可能會造成鉆頭的嚴重磨損及鉆進效率的降低。所以，需將合理的轉速保證在最優沖擊間隔范圍內。確定最優的沖擊間隔，一般采用二次沖擊間隔的轉角。轉速、最優轉角和沖擊頻率三者的關系表示如下式：A=n 260/f（度）

式中：A——最優轉角（度）；n——鉆具轉速（r/min）；f——沖擊頻率（次/min）。

本次使用的是ND55A型沖擊器，頻率為25HZ，也就是1500次/min，通過公式計算出轉速為63r/min，而在長期的施工過程中，通過在安徽開發礦業所屬地層施工切井爆破孔的應用中，最終確定鉆速選擇在30轉/分～50轉/分是比較合理的，對于硬巖層選用低轉速，對于軟巖層選用較高轉速。

（3）風速和風量。空氣鉆進中耗氣量可以通過清除孔內巖屑的最低上返速度及氣動潛孔沖擊器的性能參數來確定。氣動潛孔沖擊器的性能參數極其重要，是因為在進行大口徑潛孔錘鉆進時，所用鉆桿外徑鉆孔直徑和鉆孔直徑有很大差別時，容易出現潛孔錘風量不足以及排渣效果不理想的問題。為保證一定的環空上返風速能清除和攜帶孔底巖屑，應選擇合適的供風量。一般，全面鉆進時，上返速度V=20m/s～25m/s；取芯鉆進時，上返速度V=10m/s～15m/s。計算合理的供風量，計算公式如下：Q=47.1K1K2(D2-d2)V

式中：Q——鉆進時所需空氣量m3/min；K1——孔深損耗系數，孔深100m～200m以內取1.0～1.1；K2——孔內涌水系數取K2=1.5；D——鉆孔直徑（m）；d——鉆桿外徑（m）；V——環狀間隙氣流上返速度。

切割井施工確定潛孔鉆進鉆桿外徑為φ89mm，施工孔徑為φ140mm，深度25m的切割井鉆孔，潛孔錘壓力降為20Kg，運用上述公式可得出所需風量最小為17m3/min，供風壓力最小為17Kg/cm2的空壓機。

2 設備選型

根據上述確定的氣動潛孔錘鉆進工藝參數，通過多方考察確定湖南有色最新開發的新型礦用鉆機CS150D型潛孔鉆機系，該機結合我國地下礦山采礦的工藝特點，采用液壓集成技術，使鉆機功能模塊清晰、性能先進可靠，采用全液壓驅動的液壓系統，根據巖石情況和鉆進深度無級調整，調節和控制方便，大幅度提高了回轉和推進等主要工作機構的驅動能力、平穩度和抗過載能力，綜合利用了國內外同類產品的優點。

3 鉆進施工

鉆孔施工順序，按設計要求順序施工；核對鉆孔位置，滿足要求后，才允許開鉆。

（1）開孔。必須先開水閥，后開氣閥；啟動回轉頭，控制回轉頭慢速低壓或浮動推進，當鉆頭鉆孔至一定深度時（500mm～800mm），操作“推進”手柄反提回轉頭，再多次操作推進-反提，進行排渣，渣排干凈后，再次校正鉆進傾角后，繼續鉆進，至一定深度再排渣。如此操作，直到鉆頭深入孔內1.5m至2m，開孔步驟完成。

（2）鉆進。開孔完成后，進入鉆進步驟，鉆進與開孔操作相同鉆進作業前，應先操作“上卡+”按鈕適當夾緊鉆桿，使上爪處于扶桿狀態，以穩定鉆桿，防止孔偏，達到導正目的。鉆進時，密切注意設備工作情況，并根據需要及時調整推進壓力以避免夾鉆等故障。待鉆桿全部鉆入即進入接桿步驟，同時做好鉆探進尺記錄。

（3）接桿。當一根鉆桿全部鉆入孔內，需接另一根鉆桿，以繼續穿鑿作業，直至鉆孔到預定深度。卸開鉆桿螺紋前必須將卸桿器及周邊清理干凈，避免雜物進入氣路，損壞沖擊器；整個接卸桿過程中，密切注意各個動作情況，避免雜物進入氣路以及因操作不到位等原因引發的安全事故；上鉆桿前，各鉆桿連接螺紋處必需抹黃油。

（4）移孔。將導軌提起，準備移孔，檢查供氣、供水管路以及鉆進控制箱連接線在設備移位時是否會拉斷或被擠壓，在移位時停止給鉆機供氣、供水；鉆孔過程中若周圍未開始鉆的孔，被巖粉覆蓋而不能確定孔位時，應重新標定鉆孔孔口坐標后再施工。鉆孔過程中要進行孔位偏斜的實時監測，要嚴格按照施工要求進行施工，確保孔位偏斜率滿足要求。

4 試驗效率分析

在實際施工過程中，根據現場實際條件，進行孔位布置修改及孔徑變更，實驗共計65個，具體明細見下表。

表1 鉆孔實驗參數一覽表

使用CS150D鉆機施工比升降機施工每天節省人工成本6人，6天可節省36人的工資支出；1條25m深的切井需放15炮，CS150施工只需放4炮，合計裝藥量CS150D比升降機節約不少；施工效率CS150比升降機提前5天完成，又節約了20人的工資支出；按照井下作業每人單班工資200元計算，一條切割井可節約人工成本近12000元，施工效率提高33%。

5 結論

通過研究使用CS150潛孔鉆機，采用氣動潛孔錘工藝在安徽開發礦業使用切割井鉆孔爆破成井工藝，具有效率高、成本低、安全可靠等多種優點，具有很大的應用推廣價值。①理想的鉆進效果的基本參數包括鉆壓、風壓、風量和轉速等。通過多次對比實驗，在李樓鏡鐵礦中鉆機鉆壓需達到220N/cm2，鉆速選擇在30轉/分～50轉/分，空氣壓力1.6mpa，風量最小為17m3/min，供風壓力最小為17Kg/cm2，其鉆進效率達到最高。②通過實驗，對施工過程過程中的開鉆前準備、開孔、接桿、卸桿、停機、移動等施工步驟確定了相關保證措施，為切割井鉆孔施工提供了施工技術保障。③利用CS150潛孔鉆機施工切割井與傳統方法進行了對比，CS150潛孔鉆機施工切割井成本低、效率能夠提高33%。