井巷工程井巷凿岩技术与设备

第二章凿岩技术与设备井巷工程一般采用钻眼爆破法掘进本章内容主要围绕钻凿炮眼的机具，主要介绍炮眼的钻凿原理和常用的钻眼机具。煤矿炮眼的钻凿机具常以压风作为动力，本章最后介绍了空气压缩机的基本知识及其压风的供应和输送。当前第1页\共有54页\编于星期二\17点教师：李桂臣E-mail：Tel：当前第2页\共有54页\编于星期二\17点个人简介

李桂臣，男，1980年9月出生，博士，副教授，硕士生导师，博士后在站。2008年毕业于中国矿业大学，获采矿工程专业博士学位(校级优秀博士论文和优秀毕业生)并留校工作，2011年1月晋升副教授，从事巷道围岩控制方向研究。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队成员,国家自然科学基金青年基金项目负责人,“振华杯”煤矿支护先进个人,国际岩石力学学会个人会员,中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会会员,锚固与注浆分会会员,《河南理工大学学报（自然科学版）》外审专家，中国矿业大学第八批校级优秀青年骨干教师,中国矿业大学校级优秀班主任,江苏省暑期社会实践优秀团队成员。与他人合作出版专著1部,发表论文30余篇(EI检索11篇,ISTP检索2篇),国家发明专利4项,实用新型专利17项,省部级奖励7项。当前第3页\共有54页\编于星期二\17点开挖方法（1）钻眼爆破法（2）机械掘进法当前第4页\共有54页\编于星期二\17点钻爆法施工掘进工序：钻眼——装药联线——放炮通风——装岩运输——支护工具设备：凿岩机——炸药——局部扇风机——装岩机——锚、喷、网、架；煤电钻雷管、放炮器、风筒矿车电机车、矿车浅孔：深度小于2.5m，直径小于42mm；中深孔：深度2.5~4m，直径小于50mm；深孔：深度大于4m，直径大于50mm。当前第5页\共有54页\编于星期二\17点本章内容第一节破岩原理与设备第二节凿岩机构造与工作原理第三节钻眼工具第四节空气压缩机及压风供应当前第6页\共有54页\编于星期二\17点本章主要参考书高尔新主编.《爆破工程》.徐州：中国矿业大学出版社.1999年7月.定价：32.00元.p5～29王树仁，程玉生编.《钻眼爆破简明教程》.徐州：中国矿业大学出版社.1989年7月.定价：2.35元.TD23/W-759。当前第7页\共有54页\编于星期二\17点第一节破岩原理与设备1.冲击式破岩。钻眼原理：冲击（冲击功）—旋转—排粉。适用于硬岩。代表机具：凿岩机

冲击力一、破岩原理当前第8页\共有54页\编于星期二\17点2.旋转式破岩。钻眼原理：压入（轴压）——旋转切削——排粉。适用于软弱岩层或煤层。代表机具：煤电钻轴压力回转力矩当前第9页\共有54页\编于星期二\17点适用于大直径、中硬岩，露天深孔爆破代表机具：潜孔钻机。3.旋转冲击式。钻眼原理：冲击式和旋转式的结合。压入（冲击功+轴压）——旋转切削——冲击——排粉。当前第10页\共有54页\编于星期二\17点冲击式破岩

旋转式破岩适用于坚硬岩石轴压力小噪音大功效低环卫差软岩和煤轴压力大噪音小功效高环卫良好两种破岩方法比较当前第11页\共有54页\编于星期二\17点二、常用的凿岩设备(井巷掘进)

手持式机重20kg以下风动凿岩机气腿式机重30kg以下导轨式机重35～80kg

向上式机重40～45kg⑴冲击式破岩电动凿岩机气腿式机重25~30kg

导轨式机重30kg以下液压凿岩机导轨式机重130～360kg

内燃机机重30kg以下煤电钻手持式机重18kg，功率1.2kw⑵旋转式破岩电钻岩石电钻导轨式机重35~40kg功率1.2kw

液压钻导轨式⑶旋转冲击式潜孔钻机台车式（4~6吨），架钻式（150～360kg）伞形钻架凿岩台车当前第12页\共有54页\编于星期二\17点当前第13页\共有54页\编于星期二\17点KQ-200型重型潜孔钻机。钻机在孔外，负责钻具的进退和回转；产生冲击功的冲击器在孔内，因此钻速不因钻孔深度的增加而降低。钻孔直径200~220mm，孔深19m，钻孔速度12~18m/h。适用于大型露天矿山。当前第14页\共有54页\编于星期二\17点第二节凿岩机的构造与工作原理风动凿岩机可分为低频、中频和高频。冲击频率在2000次/min以下为低频，2000～2500次/min为中频，超过2500次/min为高频。国产气腿凿岩机，除YTP－26等少数为高频外，均为低、中频凿岩机。手持式凿岩机目前使用很少。气腿式凿岩机因重量和手持式差不多，但有气腿支撑，可减轻体力劳动，在岩巷掘进中应用较广。一、风动凿岩机的构造与工作原理当前第15页\共有54页\编于星期二\17点风动凿岩机的构造⑴柄体A：进气进水管道、操作阀、气腿的调压阀和换向阀、水针。⑵缸体E：阀柜D、配气阀C、棘轮和旋转棒B、活塞F、消音罩。⑶机头H：锤G、转动套I、钎卡和外壳。排气口活塞前端面配气阀片当前第16页\共有54页\编于星期二\17点1.冲击机构：气缸+活塞+配气装置冲程、回程工作原理环阀配气:Y-30,YT-23控制阀配气:YT-24,26无阀排气:YTP-26主机、钎子、水管、压气软管气腿和注油器当前第17页\共有54页\编于星期二\17点2.旋转机构：内棘轮+螺旋棒+活塞+转动套冲程——活塞直线运动，带动旋转棒旋转回程——旋转棒迫使活塞旋转，带动转动套、钎杆旋转。当前第18页\共有54页\编于星期二\17点3.排粉系统：风水联动注水机构－开钻供水、停钻停水湿式排粉—压力水，水压比风压低0.1~0.2MPa强力吹扫炮眼系统当前第19页\共有54页\编于星期二\17点4.润滑系统：注油器，3~5ml/min悬挂式：悬挂在风管弯头处，容油量较小；落地式：放在离凿岩机不远的进风管中部，容油量较大当前第20页\共有54页\编于星期二\17点推进机构与架钻设备1.气腿：推进+架支。支设角30°～50°2.掘进凿岩台车：钻臂架支当前第21页\共有54页\编于星期二\17点凿岩台车国产CGJ-2型凿岩台车，配备两台YT－24凿岩机，轨轮式风动马达丝杠推进，直流电动机驱动轨轮行走当前第22页\共有54页\编于星期二\17点当前第23页\共有54页\编于星期二\17点⑴及时加油⑵合适的轴推力（克服反冲）⑶压气压力，大于0.5MPa⑷水压低于风压，供水不中断⑸钎子质量好《工业企业噪声卫生标准》规定85分贝为每天接触噪声8小时的允许界限，接触噪声的时间每减小一半，可增加3分贝，但最强不得超过115分贝。各型凿岩机的噪声约为105分贝（在空旷地方空打测得）。井下的噪声85%是排气噪声，消音罩约降低5~7分贝。凿岩机的使用当前第24页\共有54页\编于星期二\17点1.构造⑴冲击机构：油缸+活塞+配油装置（油压在10MPa以上）⑵旋转机构：独立外回转机构液压马达带动齿轮⑶排粉系统：侧向供水排粉2.优缺点⑴钻速高（纯钻速2~3倍）⑵可调整（功率可调整，钻凿较深和直径较大的孔）⑶自润滑⑷可钻硬岩、大直径深眼⑸环卫好（噪音90分贝以下，没有油雾水气）。二、液压凿岩机当前第25页\共有54页\编于星期二\17点⑴适用条件：煤及f＜3的岩层。⑵构造：散热风扇+开关手柄+电动机+减速器+钎套筒电压127v，功率1.2~2.0kW（多为1.2kW），转速2700转/分。通过二级加速器：外壳为铝合金铸造，密封防爆。⑶轴推力：人力推顶。

三、旋转式钻眼机械－煤电钻当前第26页\共有54页\编于星期二\17点适用范围：用于煤矿井下及其周围介质中有甲烷、煤尘等爆炸性混合物气体的环境中，在交流50Hz，电压为127V的供电网络中，在回采及掘进工作面对中硬和硬煤层钻眼之用。产品特点：1、结构紧凑，型式多样，有普通型、强力型、湿式型等。2、扭矩大，适合中硬和硬煤层钻眼。ZM系列矿用隔爆型手持式煤电钻当前第27页\共有54页\编于星期二\17点第三节钻眼工具一、凿岩机的钎子1.整体钎子：当前第28页\共有54页\编于星期二\17点2.组合钎子

一字形：速度快、制造和修磨简单、磨损快、易夹钎形状十字形：速度慢、孔圆⑴钎头X、Y形及球齿形：硬岩钻眼材料钎头体：合金钢，55SiMnMo、40MnMoV

钎刃：钨钴类合金。当前第29页\共有54页\编于星期二\17点当前第30页\共有54页\编于星期二\17点a)镶KO型硬质合金片;b)镶K1型硬质合金片标准直径十字形钎头钎头结构参数①刃角，110o②隙角，3o③弧形钎刃，180mm曲率半径④钎头直径，38~43mm⑤排粉沟当前第31页\共有54页\编于星期二\17点

钎肩：环形（六角形钎杆）、耳形（圆形钎杆）组成钎尾：108mm±1.0mm（淬火硬度HRC49~55）中心孔：⑵钎杆端面形状:中空六角形B22、B25；

中空圆形D32、D38（重型导轨式凿岩机）材料：ZKT7、ZKT8ZK8Cr、ZK55SiMnMo⑶钎头和钎杆的连接：锥形连接，锥角度为7°，插入深度24~38mm

（留有过渡缝隙6～8mm）

能量传递效率和钎杆、钎头寿命当前第32页\共有54页\编于星期二\17点

洛氏硬度（Rockwellhardness），这是由洛克威尔（）在1921年提出来的，是使用洛氏硬度计所测定的金属材料的硬度值。该值没有单位，只用代号“HR”表示。洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为三种不同的标准。称为标尺A、标尺B、标尺C。HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。HRB是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、铸铁等。HRC是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得硬度，用于硬度很高的材料。如淬火钢等

其测量方法是，在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入待试材料的表面，产生凹痕，根据载荷解除后的凹痕深度，利用洛氏硬度计算公式HR=（K-H）/C便可以计算出洛氏硬度。洛氏硬度值显示在硬度计的表盘上，可以直接读取。上述公式中，K为常数，金刚石压头时K=0.2MM，淬火钢球压头时K=0.26MM；H为主载荷解除后试件的压痕深度；C也为常数，一般情况下C=0.002MM。由此可以看出，压痕越浅，HR值越大，材料硬度越高。一般用代号HRA、HRB、HRC来表示材料的硬度，其中HRA表示试验载荷588.4N（60KG-F）使用顶角为120度的金刚石圆锥压头试压；HRB表示试验载荷980.7N（100KG-F）使用直径1.59MM的淬火钢球试压；HRC表示试验载荷1471.1N（150KG-F）使用顶角为120度的金刚石圆锥头试压。对于硬度较高的制刀材料，制刀界通用HRC来表示刀锋硬度，比如HRC60，即代表在试验载荷为1471.1N、使用顶角为120度的金刚石圆锥压头时，被试材料的压痕深度为0.08MM。简而言之，硬度越高，抗磨损能力越高，但脆性也越大。硬度最高不超过60HRC。通常一把好刀的刀刃硬度应在洛氏硬度50HRC以上，60HRC以下。当前第33页\共有54页\编于星期二\17点麻花钎子⑴钻头主刃1、主刃夹角、副刃2、副刃夹角主副刃夹角：90~120o

刃角：钻煤时为60o，硬煤或软岩时为75o或更大⑵麻花钻杆：菱形或矩形，T7或T8钢传递轴压和扭矩，螺旋沟槽排粉，螺距一般为70～80mm。二、电钻钎子当前第34页\共有54页\编于星期二\17点当前第35页\共有54页\编于星期二\17点以锚杆支护为核心的锚喷支护，锚、梁、网支护，锚索支护，桁架锚杆支护以其安全、高效、经济的优越性在煤矿巷道支护中得到广泛的推广应用。据不完全统计，到2004年底，我国国有煤矿岩巷锚喷支护率大于90%，煤巷锚杆支护率达到55%。锚杆支护是一项复杂的系统工程，其安全、可靠性不仅取决于正确的设计方法和施工工艺，而且还取决于配套机具及材料的选择。

我国煤矿巷道锚杆支护

配套机具及材料

当前第36页\共有54页\编于星期二\17点1.我国锚杆钻机的发展历程我国煤矿巷道锚杆钻机的发展至今已有近50年的历史，无论是岩巷锚杆钻机还是煤巷锚杆钻机，都是在引进、消化、吸收国外技术的基础上结合我国实际情况研究、开发、改进、提高，从而形成了具有我国特色的锚杆钻机产业。我国锚杆钻机的发展，大致可分为三个阶段见表1。当前第37页\共有54页\编于星期二\17点阶段时间钻机类型及品种适应范围起步阶段（岩巷）

20世纪60年代至70年代（1）引进英国维克多支腿式电动锚杆钻机，仿制了FB系列、EZ—1.2型电动锚杆钻机；（2）研制开发了7655、ZY-24等冲击旋转单体气腿式凿岩机；（3）研制转架式旋转锚杆钻孔安装机。如MGJ-1型，CGM-40型，YMJ-1型（见图1、图2、图3）；

岩巷掘进炮孔锚杆孔的施工，岩巷锚杆孔的施工，钢丝绳砂浆锚杆的安装表1我国锚杆钻机发展的三个阶段当前第38页\共有54页\编于星期二\17点阶段时间钻机类型及品种适应范围试验推广阶段（岩巷、煤巷）20世纪80年代至90年代（1）引进英格索兰、阿特拉斯等公司液压钻车，并在国内建合资厂生产；（2）引进澳大利亚气动锚杆钻机，仿制、研制、试验煤巷液压、电动、气动锚杆钻机，如MZ、MYT等液压锚杆钻机，HMD、MDS等电动锚杆钻机，MQT、MQB等气动锚杆钻机；大断面岩巷掘进炮孔、全方位锚杆孔的施工。煤巷顶板、边帮锚杆孔的钻孔及锚固剂的安装。

表1我国锚杆钻机发展的三个阶段（续）当前第39页\共有54页\编于星期二\17点阶段时间钻机类型及品种适应范围应用发展阶段

20世纪90年代中后期至今（1）在引进澳大利亚诸多产品的基础上，开发适合国情的顶板、边帮系列气动锚杆钻机，产品质量更趋成熟，品种更趋多样化；（2）进一步完善单体液压锚杆钻机，形成帮、顶系列产品；（3）开发研制了可打全方位锚杆孔的气腿式凿岩机，如7665M、ZY24M；（4）研制、试验与悬臂式掘进机配套的机载锚杆钻装机；（5）引进澳地利澳钢联公司钻、装、锚一体化掘进机组。（见图4、图5）

实现机掘巷道快速掘进与锚杆快速钻装，实现掘进机掘机和钻、装、锚平行作业。表1我国锚杆钻机发展的三个阶段（续）当前第40页\共有54页\编于星期二\17点图1电动锚杆钻机结构简图1-防爆电机2-减速器3-钻杆4-袋式捕尘器5-钻头6-支撑杆7-把手当前第41页\共有54页\编于星期二\17点图2气腿式凿岩机推进及支撑原理示意图RLR-RHRT当前第42页\共有54页\编于星期二\17点当前第43页\共有54页\编于星期二\17点图4机载锚杆钻机当前第44页\共有54页\编于星期二\17点图5机载式临时支护装置当前第45页\共有54页\编于星期二\17点2.煤矿锚杆钻机的现状液压、气动锚杆、锚索钻机品种齐全，已形成系列化，在单体、轻型系列产品已完全取代进口产品，完全满足国内市场的需求，并开始外销。新材料（轻型复合材料）已逐步在钻机中得到运用，产品质量、性能、可靠性基本达到国外同类产品20世纪90年代末的水平。且价格仅为国外同类产品的1/3～1/4。当前第46页\共有54页\编于星期二\17点

骨干生产厂已建立了完善的配件供应、维修、技术服务体系。我国煤矿锚杆钻机以单体为主，台车式、机载式掘锚一体化机组至今没有定型产品，仍处于试验研究阶段。现有手持式、支腿式帮锚杆钻机在帮孔施工，锚固剂安装上仍很困难，必须研制全方位锚杆钻孔安装机。目前国内锚杆钻机生产市场十分混乱，质量、价格差异大。当前第47页\共有54页\编于星期二\17点图6齿轮式气马达顶板锚杆钻机图7柱塞式气马达顶板锚杆钻机当前第48页\共有54页\编于星期二\17点液压泵站主油管油马达推进缸操纵手把图8MYT系列钻机主要结构示