穿孔工作是露天礦開采的第一個工序，其目的是為隨后的爆破工作提供裝放炸藥的炮孔。在整個露天礦開采過程中，穿孔費用大約占生產總費用的10% -15%。穿孔質量的好壞，將對后序的爆破、采裝等工作產生很大的影響。特別是礦巖堅硬、穿孔技術不夠完善的冶金礦山，它往往成為露天開采的薄弱環節，制約了礦山的生產與發展。因此，改善穿孔工作，可強化露天礦床的開采，具有著重大的意義。

    目前，露天礦開采中使用的穿孔設備主要有潛孔鉆機和牙輪鉆機。

7.1.1.1潛孔鉆機

    A簡介

    潛孔鉆機是一種大孔徑深孔鉆孔設備，和牙輪鉆機相比，具有結構簡單、使用方便、成本低、不受孔深限制、可以鉆鑿斜孔等優點，但鉆孔效率沒有牙輪鉆機高。它主要由沖擊機構、回轉供風機構、推壓提升機構、接卸鉆桿機構、行走機構、鉆架起落機構、氣動系統、電氣系統組成。其主要特點是，鉆機置于孔外，只負擔鉆具的進退和回轉，產生沖擊動作的沖擊器緊隨鉆頭潛入孔底，故稱為潛孔鉆機。沖擊功能量的傳遞損失小，穿孔速度不因孔深的增加而降低，所以鉆鑿的孔深和孔徑都較大，適用于露天鉆孔，其鉆鑿深度主要取決于推進力、回轉力矩和排巖粉能力。

    露天潛孔鉆機按機體質量和可穿鑿鉆孔直徑的不同，分為輕型、中型和重型三種。

    輕型露天潛孔鉆機一般本身不帶空壓機和行走機構，需另配空壓機和鉆架，近幾年生產的也有自帶行走機構的，機體質量在10t以下，鉆孔直徑為100mm左右，常見的有KQ-100型鉆機，適用于小型露天礦山。

    中型露天潛孔鉆機一般自帶履帶式行走機構，不帶空壓機，機體質量為15 - 20t，鉆孔直徑為150 - 170mm，常見的有KQ-150型鉆機、T一170型鉆機，適用于中小型露天礦山。

    重型露天潛孔鉆機自帶空壓機，電動履帶自行，機體質量30 - 50t，鉆孔直徑為200 -320mm，常見的有KQ-200型鉆機、KQ- 250型鉆機，適用于大型露天礦山。

露天潛孔鉆機的鑿巖工作原理如下（見圖7-1）：

圖7-1露天潛孔鉆機的鑿巖工作原理

    (1)推進機構將一定的軸向壓力施加于鉆頭，使鉆頭與孔底相接觸；

    (2)由風動電動機和減速箱構成的回轉供風機構使鉆具連續回轉，并將壓縮空氣經中空鉆桿輸入孔底；

    (3)沖擊機構在壓縮空氣的作用下使活塞往返運動，沖擊鉆頭，完成對巖石的沖擊作用；

    (4)壓縮空氣將巖粉吹出孔外。

    潛孔鉆機的鑿巖過程實質上是在軸向壓力的作用下，沖擊和回轉聯合作用的過程。其中，沖擊是斷續的，回轉是連續的，并且以沖擊為主、回轉為輔。

    露天潛孔鉆機的鉆具包括鉆頭和鉆桿，鉆頭與淺孔和接桿式鑿巖機所用的鉆頭相似，但不同的是鉆頭直接連接在沖擊器上。連接方式有扁銷和花鍵兩種。按鑲焊硬質合金的形狀，潛孔鉆機的鉆頭可分為刃片鉆頭、柱齒鉆頭、混合型鉆頭。其中，刃片鉆頭通常制成超前刃式，而混合型鉆頭則為中心布置柱齒、周邊布置片齒的形式。鉆桿有兩根，即主鉆桿和副鉆桿，其結構尺寸完全一樣，鉆桿之間用方形螺紋直接連接，每根長約9m。

    B提高潛孔鉆機穿孔效率的途徑

    類似于牙輪鉆機，潛孔鉆機的臺班生產能力可按式(7-3)計算：

    A=0.6vTη   (7-3)

式中A-潛孔鉆機的生產能力，m/（臺?班）；

    v――潛孔鉆機的機械鉆速，cm/min；

    T-一每班工作時間，h；

    η――工作時間利用系數。

    上式中的機械鉆速v可近似用下式表示：

     (7-4)

式中a-沖擊功，N?m；

    n――沖擊頻率，次/min；

    k――沖擊能利用系數，取0.6-0.8；

    D1-鉆孔直徑，cm；

    E-消耗的巖石鑿碎功，N?m/cm³。

    下面依據式(7-3)和式(7-4)來分析提高潛孔鉆機效率的途徑。

    (1)沖擊功(a)和沖擊頻率(n)。從式(7-4)中可以看出，為了提高機械鉆速v，希望同時增加沖擊功a和沖擊頻率n。然而，在潛孔鉆機的風動沖擊器中，沖擊功a和沖擊頻率n是兩個相互制約的工作參數。欲增大沖擊功，就需要增加活塞質量和活塞行程式，相應的就使沖擊頻率減少，反之亦然。對待這兩個參數，存在兩種不同的技術觀點：一個是大沖擊功．低頻率；另一個是小沖擊功、高頻率。實踐證明，前一種技術觀點比較合理，因為巖石只有在足夠大的沖擊功作用下才能有效地進行體積破碎，若沖擊功不足、單純提高沖擊頻率無非使巖石疲勞破碎而已。所以在選擇潛孔鉆機時，首先應注意沖擊器的這兩個技術參數。

    (2)風壓。潛孔鉆機的沖擊器是一種風動工具，為了達到額定的沖擊功a和沖擊頻率n，風壓是一個重要的因素。表7―1所示為KQ-200型潛孔鉆機效率隨風壓的變化情況。隨著風壓的增大，穿孔速度和鉆頭壽命都有不同程度的提高，所以應盡量減小管路的風壓降。

表7-1風壓對潛孔鉆機效率的影響

風壓/kg?cm-2	鉆頭平均壽命/m	平均穿孔速度／cm?min-1
3 -3.5	9.3	2.1
4．0	13.8	2.5
4.5 -5	46.0	4.5

    (3)鉆孔直徑(D1)。不要墨守式(7-4)來觀察鉆孔直徑D1。隨著鉆孔直徑D1的增大，沖擊器的活塞直徑也可增大，相應的沖擊功a和沖擊頻率n也可提高，從而使鉆速v并不是單純的和鉆孔直徑D1成反比關系。另外，當增大鉆孔直徑時，爆破孔網參數也可加大，相應提高了鉆孔的延米爆破量。

    (4)軸壓(P)和鉆頭轉速。潛孔鉆機的軸壓，主要是克服沖擊器的后座力，因而壓力一般都不大，遠小于牙輪鉆機的軸壓。軸壓過大，既妨礙鉆具回轉，也容易損壞鉆頭。對于大孔徑的潛孔鉆機來說，由于鉆具質量較大，一般都采用減壓鉆進，即鉆機的提升推進機構應起到減小軸壓的作用；相反，小孔徑的中、輕型潛孔鉆機鉆具質量小，常用提升推進機構增壓鉆進。

    潛孔鉆具的回轉，既是為了改變鉆頭每一次鑿痕的位置，也是為了使鉆頭切削巖石。轉速過低，會降低穿孔速度；但轉速過高，過分磨損鉆頭，也會使穿孔速度下降。所以，在硬巖鉆進中有趨于采用低轉速的傾向，使轉速保持在15 - 20r/min之間。當然，隨著高壓、高頻率、大沖擊功沖擊器的出現，鉆具的回轉速度也會相應提高。

    (5)工作時間利用系數（η）。與牙輪鉆機一樣，工作時間利用系數是影響穿孔速度的另一個重要因素。目前，各露天礦山中潛孔鉆機的工作時間利用系數也是不高的，非作業時間大部分消耗在檢修、等待備件及待風、待電等項目上。所以在今后的生產中，有必要繼續從鉆機、鉆具、工作參數及組織管理上進行改進。

7.1.1.2牙輪鉆機

    A簡介

    牙輪鉆機是露天礦開采的主要穿孔設備，與其他類型的穿孔設備相比，它具有穿孔效率高、成本低、安全可靠和使用范圍廣等特點，能適用于各類巖石的穿鑿。

牙輪鉆機主要由回轉機構、供風機構、加壓提升機構、行走機構、接卸鉆具機構等組成。露天牙輪鉆機的鑿巖工作原理如下（見圖7-2）：

圖7-2 牙輪鉆機工作原理

    (1)鉆孔時，回轉機構帶動鉆桿、鉆頭回轉；同時，加壓機構向鉆桿施加軸向壓力，使其向孔底運動。

    (2)供風機構使壓縮空氣通過中空鉆桿從鉆頭的噴嘴噴向孔底，將破碎下來的巖碴沿鉆桿與孔壁之間的環狀空間吹至孔外。

    根據回轉和加壓方式的不同，牙輪鉆機可分為底部回轉間斷加壓式、底部回轉連續加壓式、頂部回轉連續加壓式三種基本類型。

    牙輪鉆機的鑿巖原理是，通過加壓機構在牙輪上施加壓力，使巖石承受壓應力；同時，回轉機構使牙輪在巖石上產生滾動擠壓，兩種聯合作用使巖石發生剪切破碎。

    B提高牙輪鉆機穿孔效率的途徑

    牙輪鉆機的合理生產能力，可按式(7-5)近似計算：

    A=0.6vTη    (7-5)

式中A-牙輪鉆機的生產能力，m/（臺?班）；

    v-牙輪鉆機的機械鉆速，c m/ min；

    T-一每班工作時間，h；

    η-工作時間利用系數。

    機械鉆速”又可近似用式(7-6)表示：

        (7-6)

式中P-軸壓，t；

    n-鉆頭轉速，r／min；

    D-鉆頭直徑，cm；

    f一巖石堅固性系數。

  雖然式(7-6)的計算結果和實際有一定的差距，但是可以利用上述兩個公式在選定鉆機、鉆頭的前提下，探討提高牙輪鉆機穿孔效率的途徑。

    (1)軸壓P。軸壓P與機械鉆速v近似成正比，但卻不是嚴格的直線關系，具體取決于鉆頭單位面積上的作用力P/F（F為鉆頭與巖石的接觸面積）和巖石抗壓強度σ之間的關系，有如圖7―3所示的四種情況：

圖7-3 軸壓P與鉆速v的關系

    1)當軸壓P很小、P/F小于σ時，巖石以表面磨蝕的方式進行破碎。此時，軸壓P與機械鉆速v呈直線關系（見圖7―3中ab段）。

    2)隨著軸壓P的增加，雖然P/F還小于σ，但因鉆頭輪齒多次頻繁沖擊巖石，使巖石產生疲勞破壞，出現局部的體積破碎。此時，機械鉆速v隨軸壓P的m次方而變化，鉆硬巖時1. 25≤m≤2，鉆軟巖時m<3（見圖7-3中bc段）。

    3)當軸壓P增大到P/F=σ后，鉆頭輪齒對巖石每沖擊一次就產生有效的體積破碎，此時破碎效果最佳，能量消耗最低（見圖7-3中cd段）。

    4)當軸壓P達到極限軸壓Pk后，鉆頭輪齒整個被壓入巖石，牙輪體與巖石表面接觸，即使再增加軸壓P也不會提高機械鉆速v了（見圖7-3中如段）。

    從上面分析可知，軸壓P不能太小也不宜過大，大小要適宜。合理的軸壓可按式(7-7)計算：

        (7-7)

式中．f一巖石堅固性系數；

    k――系數，為1.4；

    D-使用的鉆頭直徑，mm；

    D9-9號鉆頭直徑，取214mm。

(2)鉆頭轉速n。從式(7-6)中可以看出，鉆頭轉速n與機械鉆速v之間成正比關系。其實，它們之間也不是一個簡單的線性關系，具體關系如圖7―4所示。

圖7-4 轉速n與鉆速v的關系

    圖7-4中，直線1表示當軸壓P較小時，鉆頭轉速n與機械鉆速v的關系。這時，巖石以“表面磨蝕”的方式破碎，隨著鉆頭轉速n的增加，機械鉆速v也相應加大，兩者成直線關系。

    曲線2表示軸壓P增大后，鉆頭轉速n與機械鉆速v的關系。此時，巖石呈體積破碎，初始時，隨著鉆頭轉速n的增大機械鉆速v也提高，但當超過鉆頭極限轉速ni后，機械鉆速v卻隨著鉆頭轉速n的增加而降低。這是因為鉆頭轉速n太大，輪齒與孔底巖石的作用時間太短(小于0. 02 -0. 03s)，未能充分發揮輪齒對巖石的壓碎作用；此外，由于鉆頭轉速n過大，也加速了鉆頭的磨損和鉆機的振動，給穿孔帶來不良的影響。

在實際生產中，對于軟巖常選用70 - 120r/min的轉速，中硬巖石選用60 - 100r/min的轉速，硬巖石選用40 - 70r/min的轉速。

    曲線3表示軸壓P繼續增大后，鉆頭轉速n對機械鉆速v的影響，其情況和曲線2差不多。從線段1、2、3之間的關系可以看出，機械鉆速v受軸壓P和鉆頭轉速n兩者的綜合影響，需要統籌兼顧。在牙輪鉆機穿孔中存在兩種工作制度：

    1)強制鉆進，采用高軸壓(30 -60t)和低轉速（150r/min以內）；

    2)高速鉆進，采用低軸壓(10 -20t)和高轉速(300r/min)。

    顯然，無論從合理利用能量還是從提高鉆頭、鉆機的使用壽命來衡量，高速鉆進的工作制度有許多缺點，特別是在硬巖中更是如此。所以，牙輪鉆機應向強制鉆進方向發展。目前普遍使用的HYI- 250C型及KY-310型鉆機，其軸壓分別為32t和45t，而轉速都控制在100r/min以內。

    (3)排渣風量Q。式(7-6)是在及時排渣、沒有重復破碎的前提下得出的。為了徹底排渣，要求壓縮空氣有足夠的風量，使孔壁與鉆桿之間的環形空間有適宜的回風速度，從而對巖渣顆粒產生一定的升力以排除出孔。若風速太小，則升力不足，巖渣在孑L底反復被破碎，既降低鉆孔速度，又加劇鉆頭的磨損，甚至會造成卡鉆事故；若風速過大，則浪費空壓機的功率，也加劇鉆桿的磨損。

    (4)鉆孔直徑D1。從式(7-6)中可知，當軸壓P和鉆頭轉速n固定時，鉆孔直徑D1與機械鉆速v成反比。實際上，當鉆孔直徑D1增大后，鉆頭的直徑和強度也加大，只要相應采用更大的軸壓和轉速，機械鉆速v并不會降低。另外，當鉆孔直徑增大，爆破孔網參數也可相應的擴大，從而提高延米爆破量。

    (5)工作時間利用系數η。從式(7-5)中可以看出，為了提高牙輪鉆機的效率，另一個重要的因素就是提高鉆機的工作時間利用系數η。影響工作時間利用系數的因素主要有兩個：一個是組織管理缺陷所帶來的外因停歇；另一個是鉆機本身故障所引起的內因停歇。

    總之，為了提高牙輪鉆機的穿孔效率，應該從鉆機、鉆頭、工作參數和組織管理四個方面進行改革。