1、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。,教 师：李桂臣 E-mail：Tel：15805215566,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
2、,“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。,开挖方法,（1）钻眼爆破法,（2）机械掘进法,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
3、机车、矿车,浅 孔：深度小于2.5m，直径小于42mm； 中深孔：深度2.54m，直径小于50mm； 深 孔：深度大于4m，直径大于50mm。,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,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. p529 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。,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
4、具：凿岩机,冲击力,一、破岩原理,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,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。,两种破岩方法比较,二、常用的凿岩设备(井巷掘进4.30-6.05),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3580kg向上式 机重4045kg 冲击式破岩 电动凿岩机 气腿式 机重2530kg导轨式 机重30kg以下液压凿岩机 导轨式 机重130360kg内燃机 机重3
5、0kg以下煤电钻 手持式 机重18kg ，功率1.2kw 旋转式破岩 电钻 岩石电钻 导轨式 机重3540kg 功率1.2kw液压钻 导轨式 旋转冲击式 潜孔钻机 台车式（46吨），架钻式（150360kg）,伞形钻架 凿岩台车,13,14,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200220mm，孔深19m，钻孔速度1218m/h。适用于大型露天矿山。,15,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，20002500次/min为中频，超
6、过2500次/min为高频。国产气腿凿岩机，除YTP26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,风动凿岩机的构造 柄体A：进气进水管道、操作阀、气腿的调压阀和换向阀、水针。 缸体E：阀柜D、配气阀C、棘轮和旋转棒B、活塞F、消音罩。 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,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
7、-26,主机、钎子、水管、压气软管 气腿和注油器,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 。,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0.10.2MPa 强力吹扫炮眼系统,4. 润滑系统：注油器，35ml/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,推进机构与架钻设备,1.气腿：推进 + 架支。支设角3050 2. 掘进凿岩台车：钻臂架支,凿岩台车,国产CGJ-2型凿岩台车，配备两台YT24凿岩机，轨轮式
8、风动马达丝杠推进， 直流电动机驱动轨轮行走,及时加油 合适的轴推力（克服反冲） 压气压力，大于0.5MPa 水压低于风压，供水不中断 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57分贝 。,凿岩机的使用,1.构造 冲击机构：油缸 + 活塞 + 配油装置（油压在10MPa以上） 旋转机构：独立外回转机构 液压马达带动齿轮 排粉系统：侧向供水排粉 2.优缺点 钻速高（纯钻速23倍） 可调整（功率可调整，钻凿
9、较深和直径较大的孔） 自润滑 可钻硬岩、大直径深眼 环卫好（噪音90分贝以下，没有油雾水气） 。,二、液压凿岩机, 适用条件：煤及 f3 的岩层。 构造：散热风扇 + 开关手柄 + 电动机 + 减速器 + 钎套筒电压127v，功率1.22.0kW（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。 轴推力：人力推顶 。,三、旋转式钻眼机械煤电钻,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
10、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,第三节 钻眼工具,一、凿岩机的钎子,1. 整体钎子：,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 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 。,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,刃角，110o 隙角，3o 弧形钎刃，180mm曲率半径 钎头直径，3843mm 排粉沟,钎肩：环形（六角形钎杆）、耳形（圆形钎杆）组成 钎尾：108mm1.0mm（淬火硬度HR
11、C4955）中心孔： 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、ZKT8 ZK8Cr、ZK55SiMnMo 钎头和钎杆的连接：锥形连接，锥角度为7，插入深度2438mm（留有过渡缝隙68mm） 能量传递效率和钎杆、钎头寿命,洛氏硬度（Rockwellhardness），这是由洛克威尔（S.P.Rockwell）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
12、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
13、，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
14、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。,麻花钎子 钻头主刃1、主刃夹角、副刃2、副刃夹角主副刃夹角：90120o刃角 ：钻煤时为60o，硬煤或软岩时为75o或更大 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7080mm 。,二、电钻钎子,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
15、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,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。,表1 我国锚杆钻机发展的三个阶段,表1 我国锚杆钻机发展的三个阶段（续）,表1 我国锚杆钻机发展的三个阶段（续）,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
16、 5-钻头 6-支撑杆 7-把手,图2 气腿式凿岩机推进及支撑原理示意图,RL,R,-RH,RT,图4 机载锚杆钻机,图5 机载式临时支护装置,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1/31/4。,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
17、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。,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,液压泵站,主油管,油马达,推进缸,操纵手把,图8 MYT系列钻机主要结构示意图,第四节 空气压缩机及压风供应,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
18、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。 矿井生产系统：3425-3728 ,空气压缩机优点：（1）在有沼气的矿井中，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。 尽管空压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，因而空压机仍然广泛地应用于煤矿生产中。,
19、一、空气压缩机及其附属装置,空气压缩机站的设备包括以下四部分： （1）空气压缩机：除空压机外，还包括中间冷却器、油润滑系统等装置。 （2）拖动装置：一般采用电动机，并附有启动和保护设备。 （3）附属装置：包括储气罐、空气滤清器、冷却水系统。 （4）压缩空气管网：包括管路、管路附件及油水分离器。,二、压缩空气的基本生产过程,1根据破岩原理，钻眼方法分为哪几类？其代表机具各是什么？ 2YT23的工作系统由哪几部分组成？ 3凿岩机的架支机构有哪些？各适用于什么条件？ 4与风动凿岩机相比，液压凿岩机有什么优点？ 5常用的钎头、钻头形状有哪些？其使用条件是什么? 6在煤矿中为什么要采用压缩空气为动力？ 7简述煤电钻的构造？,本章思考题,
