穿孔工作是露天矿开采的第一个工序，其目的是为随后的爆破工作提供装放炸药的炮孔。在整个露天矿开采过程中，穿孔费用大约占生产总费用的10% -15%。穿孔质量的好坏，将对后序的爆破、采装等工作产生很大的影响。特别是矿岩坚硬、穿孔技术不够完善的冶金矿山，它往往成为露天开采的薄弱环节，制约了矿山的生产与发展。因此，改善穿孔工作，可强化露天矿床的开采，具有着重大的意义。

    目前，露天矿开采中使用的穿孔设备主要有潜孔钻机和牙轮钻机。

7.1.1.1潜孔钻机

    A简介

    潜孔钻机是一种大孔径深孔钻孔设备，和牙轮钻机相比，具有结构简单、使用方便、成本低、不受孔深限制、可以钻凿斜孔等优点，但钻孔效率没有牙轮钻机高。它主要由冲击机构、回转供风机构、推压提升机构、接卸钻杆机构、行走机构、钻架起落机构、气动系统、电气系统组成。其主要特点是，钻机置于孔外，只负担钻具的进退和回转，产生冲击动作的冲击器紧随钻头潜入孔底，故称为潜孔钻机。冲击功能量的传递损失小，穿孔速度不因孔深的增加而降低，所以钻凿的孔深和孔径都较大，适用于露天钻孔，其钻凿深度主要取决于推进力、回转力矩和排岩粉能力。

    露天潜孔钻机按机体质量和可穿凿钻孔直径的不同，分为轻型、中型和重型三种。

    轻型露天潜孔钻机一般本身不带空压机和行走机构，需另配空压机和钻架，近几年生产的也有自带行走机构的，机体质量在10t以下，钻孔直径为100mm左右，常见的有KQ-100型钻机，适用于小型露天矿山。

    中型露天潜孔钻机一般自带履带式行走机构，不带空压机，机体质量为15 - 20t，钻孔直径为150 - 170mm，常见的有KQ-150型钻机、T一170型钻机，适用于中小型露天矿山。

    重型露天潜孔钻机自带空压机，电动履带自行，机体质量30 - 50t，钻孔直径为200 -320mm，常见的有KQ-200型钻机、KQ- 250型钻机，适用于大型露天矿山。

露天潜孔钻机的凿岩工作原理如下（见图7-1）：

图7-1露天潜孔钻机的凿岩工作原理

    (1)推进机构将一定的轴向压力施加于钻头，使钻头与孔底相接触；

    (2)由风动电动机和减速箱构成的回转供风机构使钻具连续回转，并将压缩空气经中空钻杆输入孔底；

    (3)冲击机构在压缩空气的作用下使活塞往返运动，冲击钻头，完成对岩石的冲击作用；

    (4)压缩空气将岩粉吹出孔外。

    潜孔钻机的凿岩过程实质上是在轴向压力的作用下，冲击和回转联合作用的过程。其中，冲击是断续的，回转是连续的，并且以冲击为主、回转为辅。

    露天潜孔钻机的钻具包括钻头和钻杆，钻头与浅孔和接杆式凿岩机所用的钻头相似，但不同的是钻头直接连接在冲击器上。连接方式有扁销和花键两种。按镶焊硬质合金的形状，潜孔钻机的钻头可分为刃片钻头、柱齿钻头、混合型钻头。其中，刃片钻头通常制成超前刃式，而混合型钻头则为中心布置柱齿、周边布置片齿的形式。钻杆有两根，即主钻杆和副钻杆，其结构尺寸完全一样，钻杆之间用方形螺纹直接连接，每根长约9m。

    B提高潜孔钻机穿孔效率的途径

    类似于牙轮钻机，潜孔钻机的台班生产能力可按式(7-3)计算：

    A=0.6vTη   (7-3)

式中A-潜孔钻机的生产能力，m/（台・班）；

    v――潜孔钻机的机械钻速，cm/min；

    T-一每班工作时间，h；

    η――工作时间利用系数。

    上式中的机械钻速v可近似用下式表示：

     (7-4)

式中a-冲击功，N・m；

    n――冲击频率，次/min；

    k――冲击能利用系数，取0.6-0.8；

    D1-钻孔直径，cm；

    E-消耗的岩石凿碎功，N・m/cm³。

    下面依据式(7-3)和式(7-4)来分析提高潜孔钻机效率的途径。

    (1)冲击功(a)和冲击频率(n)。从式(7-4)中可以看出，为了提高机械钻速v，希望同时增加冲击功a和冲击频率n。然而，在潜孔钻机的风动冲击器中，冲击功a和冲击频率n是两个相互制约的工作参数。欲增大冲击功，就需要增加活塞质量和活塞行程式，相应的就使冲击频率减少，反之亦然。对待这两个参数，存在两种不同的技术观点：一个是大冲击功．低频率；另一个是小冲击功、高频率。实践证明，前一种技术观点比较合理，因为岩石只有在足够大的冲击功作用下才能有效地进行体积破碎，若冲击功不足、单纯提高冲击频率无非使岩石疲劳破碎而已。所以在选择潜孔钻机时，首先应注意冲击器的这两个技术参数。

    (2)风压。潜孔钻机的冲击器是一种风动工具，为了达到额定的冲击功a和冲击频率n，风压是一个重要的因素。表7―1所示为KQ-200型潜孔钻机效率随风压的变化情况。随着风压的增大，穿孔速度和钻头寿命都有不同程度的提高，所以应尽量减小管路的风压降。

表7-1风压对潜孔钻机效率的影响

风压/kg・cm-2	钻头平均寿命/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)钻孔直径(D1)。不要墨守式(7-4)来观察钻孔直径D1。随着钻孔直径D1的增大，冲击器的活塞直径也可增大，相应的冲击功a和冲击频率n也可提高，从而使钻速v并不是单纯的和钻孔直径D1成反比关系。另外，当增大钻孔直径时，爆破孔网参数也可加大，相应提高了钻孔的延米爆破量。

    (4)轴压(P)和钻头转速。潜孔钻机的轴压，主要是克服冲击器的后座力，因而压力一般都不大，远小于牙轮钻机的轴压。轴压过大，既妨碍钻具回转，也容易损坏钻头。对于大孔径的潜孔钻机来说，由于钻具质量较大，一般都采用减压钻进，即钻机的提升推进机构应起到减小轴压的作用；相反，小孔径的中、轻型潜孔钻机钻具质量小，常用提升推进机构增压钻进。

    潜孔钻具的回转，既是为了改变钻头每一次凿痕的位置，也是为了使钻头切削岩石。转速过低，会降低穿孔速度；但转速过高，过分磨损钻头，也会使穿孔速度下降。所以，在硬岩钻进中有趋于采用低转速的倾向，使转速保持在15 - 20r/min之间。当然，随着高压、高频率、大冲击功冲击器的出现，钻具的回转速度也会相应提高。

    (5)工作时间利用系数（η）。与牙轮钻机一样，工作时间利用系数是影响穿孔速度的另一个重要因素。目前，各露天矿山中潜孔钻机的工作时间利用系数也是不高的，非作业时间大部分消耗在检修、等待备件及待风、待电等项目上。所以在今后的生产中，有必要继续从钻机、钻具、工作参数及组织管理上进行改进。

7.1.1.2牙轮钻机

    A简介

    牙轮钻机是露天矿开采的主要穿孔设备，与其他类型的穿孔设备相比，它具有穿孔效率高、成本低、安全可靠和使用范围广等特点，能适用于各类岩石的穿凿。

牙轮钻机主要由回转机构、供风机构、加压提升机构、行走机构、接卸钻具机构等组成。露天牙轮钻机的凿岩工作原理如下（见图7-2）：

图7-2 牙轮钻机工作原理

    (1)钻孔时，回转机构带动钻杆、钻头回转；同时，加压机构向钻杆施加轴向压力，使其向孔底运动。

    (2)供风机构使压缩空气通过中空钻杆从钻头的喷嘴喷向孔底，将破碎下来的岩碴沿钻杆与孔壁之间的环状空间吹至孔外。

    根据回转和加压方式的不同，牙轮钻机可分为底部回转间断加压式、底部回转连续加压式、顶部回转连续加压式三种基本类型。

    牙轮钻机的凿岩原理是，通过加压机构在牙轮上施加压力，使岩石承受压应力；同时，回转机构使牙轮在岩石上产生滚动挤压，两种联合作用使岩石发生剪切破碎。

    B提高牙轮钻机穿孔效率的途径

    牙轮钻机的合理生产能力，可按式(7-5)近似计算：

    A=0.6vTη    (7-5)

式中A-牙轮钻机的生产能力，m/（台・班）；

    v-牙轮钻机的机械钻速，c m/ min；

    T-一每班工作时间，h；

    η-工作时间利用系数。

    机械钻速”又可近似用式(7-6)表示：

        (7-6)

式中P-轴压，t；

    n-钻头转速，r／min；

    D-钻头直径，cm；

    f一岩石坚固性系数。

  虽然式(7-6)的计算结果和实际有一定的差距，但是可以利用上述两个公式在选定钻机、钻头的前提下，探讨提高牙轮钻机穿孔效率的途径。

    (1)轴压P。轴压P与机械钻速v近似成正比，但却不是严格的直线关系，具体取决于钻头单位面积上的作用力P/F（F为钻头与岩石的接触面积）和岩石抗压强度σ之间的关系，有如图7―3所示的四种情况：

图7-3 轴压P与钻速v的关系

    1)当轴压P很小、P/F小于σ时，岩石以表面磨蚀的方式进行破碎。此时，轴压P与机械钻速v呈直线关系（见图7―3中ab段）。

    2)随着轴压P的增加，虽然P/F还小于σ，但因钻头轮齿多次频繁冲击岩石，使岩石产生疲劳破坏，出现局部的体积破碎。此时，机械钻速v随轴压P的m次方而变化，钻硬岩时1. 25≤m≤2，钻软岩时m<3（见图7-3中bc段）。

    3)当轴压P增大到P/F=σ后，钻头轮齿对岩石每冲击一次就产生有效的体积破碎，此时破碎效果最佳，能量消耗最低（见图7-3中cd段）。

    4)当轴压P达到极限轴压Pk后，钻头轮齿整个被压入岩石，牙轮体与岩石表面接触，即使再增加轴压P也不会提高机械钻速v了（见图7-3中如段）。

    从上面分析可知，轴压P不能太小也不宜过大，大小要适宜。合理的轴压可按式(7-7)计算：

        (7-7)

式中．f一岩石坚固性系数；

    k――系数，为1.4；

    D-使用的钻头直径，mm；

    D9-9号钻头直径，取214mm。

(2)钻头转速n。从式(7-6)中可以看出，钻头转速n与机械钻速v之间成正比关系。其实，它们之间也不是一个简单的线性关系，具体关系如图7―4所示。

图7-4 转速n与钻速v的关系

    图7-4中，直线1表示当轴压P较小时，钻头转速n与机械钻速v的关系。这时，岩石以“表面磨蚀”的方式破碎，随着钻头转速n的增加，机械钻速v也相应加大，两者成直线关系。

    曲线2表示轴压P增大后，钻头转速n与机械钻速v的关系。此时，岩石呈体积破碎，初始时，随着钻头转速n的增大机械钻速v也提高，但当超过钻头极限转速ni后，机械钻速v却随着钻头转速n的增加而降低。这是因为钻头转速n太大，轮齿与孔底岩石的作用时间太短(小于0. 02 -0. 03s)，未能充分发挥轮齿对岩石的压碎作用；此外，由于钻头转速n过大，也加速了钻头的磨损和钻机的振动，给穿孔带来不良的影响。

在实际生产中，对于软岩常选用70 - 120r/min的转速，中硬岩石选用60 - 100r/min的转速，硬岩石选用40 - 70r/min的转速。

    曲线3表示轴压P继续增大后，钻头转速n对机械钻速v的影响，其情况和曲线2差不多。从线段1、2、3之间的关系可以看出，机械钻速v受轴压P和钻头转速n两者的综合影响，需要统筹兼顾。在牙轮钻机穿孔中存在两种工作制度：

    1)强制钻进，采用高轴压(30 -60t)和低转速（150r/min以内）；

    2)高速钻进，采用低轴压(10 -20t)和高转速(300r/min)。

    显然，无论从合理利用能量还是从提高钻头、钻机的使用寿命来衡量，高速钻进的工作制度有许多缺点，特别是在硬岩中更是如此。所以，牙轮钻机应向强制钻进方向发展。目前普遍使用的HYI- 250C型及KY-310型钻机，其轴压分别为32t和45t，而转速都控制在100r/min以内。

    (3)排渣风量Q。式(7-6)是在及时排渣、没有重复破碎的前提下得出的。为了彻底排渣，要求压缩空气有足够的风量，使孔壁与钻杆之间的环形空间有适宜的回风速度，从而对岩渣颗粒产生一定的升力以排除出孔。若风速太小，则升力不足，岩渣在孑L底反复被破碎，既降低钻孔速度，又加剧钻头的磨损，甚至会造成卡钻事故；若风速过大，则浪费空压机的功率，也加剧钻杆的磨损。

    (4)钻孔直径D1。从式(7-6)中可知，当轴压P和钻头转速n固定时，钻孔直径D1与机械钻速v成反比。实际上，当钻孔直径D1增大后，钻头的直径和强度也加大，只要相应采用更大的轴压和转速，机械钻速v并不会降低。另外，当钻孔直径增大，爆破孔网参数也可相应的扩大，从而提高延米爆破量。

    (5)工作时间利用系数η。从式(7-5)中可以看出，为了提高牙轮钻机的效率，另一个重要的因素就是提高钻机的工作时间利用系数η。影响工作时间利用系数的因素主要有两个：一个是组织管理缺陷所带来的外因停歇；另一个是钻机本身故障所引起的内因停歇。

    总之，为了提高牙轮钻机的穿孔效率，应该从钻机、钻头、工作参数和组织管理四个方面进行改革。