告别爆破！机械破岩凿井技术

前言

在过去很长一段时间里，爆破凿井技术在采矿领域占据着主导地位。其原理是利用炸药爆炸产生的巨大能量瞬间释放，使岩石受到强烈的冲击和压力而破碎。然而，随着开采深度和规模的不断增加，这种传统技术的弊端愈发明显。

安全风险高悬

爆破过程中产生的强烈震动是一个极为棘手的问题。根据相关研究和实际数据，爆破震动的峰值速度如果超过一定限度，就会对井壁及周边岩体的稳定性造成严重威胁。在某矿山的开采实例中，当爆破震动峰值速度达到 50cm/s 时，井壁出现了明显的裂缝，经过测量，裂缝宽度达到了 5-10mm，深度更是深入岩体内部 30-50cm。这不仅增加了井壁支护的难度和成本，还随时可能引发坍塌事故，对井下作业人员的生命安全构成直接威胁。此外，爆破时还可能引发瓦斯爆炸等二次灾害。瓦斯爆炸需要满足一定的浓度范围，一般来说，瓦斯浓度在 5%-16% 之间时，遇到火源就极易发生爆炸。而爆破产生的高温和明火，无疑是瓦斯爆炸的重大诱因。一旦发生瓦斯爆炸，其产生的强大冲击波和高温火焰，会在瞬间摧毁井下设施，造成人员伤亡和财产的巨大损失。

效率瓶颈凸显

传统爆破凿井的工序繁杂，每一次爆破都需要经历钻孔、装药、连线、爆破、通风排烟、出渣等多个环节。以一个中等规模的矿井为例，每次爆破的钻孔作业可能需要耗费 8-10 小时，装药和连线又需要 2-3 小时，爆破后通风排烟至少需要 1-2 小时，出渣则可能需要 4-6 小时。完成一轮爆破循环，总共需要 15-20 小时。而且，爆破后的岩石破碎程度不均匀，常常会出现大块岩石，这就需要额外的二次破碎作业。据统计，二次破碎作业的时间占总作业时间的 10%-20%，大大降低了整体的凿井效率。此外，为了确保安全，每次爆破后都需要等待一段时间，以确认井下环境安全后才能继续作业，这也在一定程度上延长了施工周期。

环境影响难消

爆破凿井过程中会产生大量的有害气体，如一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）等。这些有害气体不仅对井下作业人员的健康造成危害，长期吸入一氧化碳会导致人体缺氧，引发头痛、头晕、恶心等症状，严重时甚至会导致昏迷和死亡；二氧化氮则会刺激呼吸道，引发咳嗽、呼吸困难等问题。同时，这些有害气体排放到大气中，也会对周边环境造成污染。据相关检测数据，在一次中等规模的爆破后，井下空气中一氧化碳的浓度可达到 500-1000ppm，二氧化氮的浓度可达到 100-200ppm，远远超过了国家规定的安全标准。此外，爆破产生的粉尘也是一个严重的环境问题。这些粉尘会在空气中悬浮，不仅影响视线，还会对周边的生态环境和居民生活造成不良影响。在一些矿山周边地区，由于长期受到爆破粉尘的影响，农作物的生长受到抑制，产量下降，居民的呼吸系统疾病发病率也明显上升。

机械破岩凿井技术

面对传统爆破凿井技术的诸多弊端，非爆破机械破岩凿井技术应运而生，展现出独特的优势和潜力。接下来，让我们深入了解几种常见的机械破岩凿井技术原理。

冲击式破岩

冲击式破岩主要依靠凿岩机来实现。凿岩机的工作过程可以分为冲击、旋转和排粉三个关键环节。在冲击阶段，凿岩机内部的活塞在高压气体或液压的作用下，以极高的速度冲击钎杆，钎杆再将冲击力传递到钎头，从而对岩石产生瞬间的强大冲击力。根据动量定理，冲击力  （其中  为冲击力，  为活塞质量，  为加速度） 。例如，某型号凿岩机的活塞质量为 5kg，在工作时加速度可达 1000m/s²，那么其产生的冲击力   。在旋转阶段，钎杆带动钎头旋转，使钎头在岩石表面不断改变冲击点，从而形成圆形的钻孔轨迹。最后，在排粉阶段，利用压缩空气或压力水将钻孔过程中产生的岩粉排出孔外，以保证钻孔的顺利进行。这种破岩方式适用于硬岩，因为硬岩的抗压强度较高，需要强大的冲击力才能使其破碎。冲击式破岩能够瞬间产生巨大的冲击力，超过硬岩的抗压强度，从而使岩石破碎。

旋转式破岩

旋转式破岩的典型设备是煤电钻。煤电钻通过压入、旋转切削和排粉三个步骤来实现破岩。在压入过程中，给煤电钻施加一定的轴压力，使钻头能够切入岩石。轴压力的大小与岩石的抗压强度密切相关。一般来说，轴压力  需要满足  （其中  为岩石的抗压强度，  为钻头与岩石的接触面积） 。例如，当岩石的抗压强度为 50MPa，钻头与岩石的接触面积为 0.001m² 时，所需的轴压力   。在旋转切削阶段，钻头在电机的带动下高速旋转，对岩石进行切削，形成破碎的岩屑。同时，回转力矩  在旋转切削中也起着重要作用，它与切削力  和切削半径  的关系为   。最后，通过排粉装置将岩屑排出钻孔。旋转式破岩在软岩或煤层中具有明显的应用优势。软岩和煤层的强度较低，不需要过大的轴压力和回转力矩就能实现破岩，而且旋转式破岩方式能够较为均匀地破碎岩石，提高破岩效率。

水胀裂破岩

水胀裂破岩技术的原理是利用高压水的强大压力使岩石内部产生裂缝，进而实现岩石的开裂和破碎。具体来说，首先在岩石中钻孔，然后将高压水通过钻孔注入岩石内部。随着水压的不断升高，岩石内部的应力逐渐增大。当水压产生的应力超过岩石的抗拉强度时，岩石就会开始产生裂缝。根据岩石力学原理，岩石的抗拉强度  与水压  和钻孔半径  等因素有关，在一定条件下，当  （  为岩石的厚度）时，岩石就会开裂。这种技术在煤矿开采等领域有着广泛的应用。在煤层开采中，可以利用水胀裂破岩技术预先对煤层进行处理，使煤层更容易开采，提高采煤效率；在巷道掘进中，水胀裂破岩技术可以减少对周边岩体的破坏，保证巷道的稳定性。水胀裂破岩技术具有安全性高、环保无污染等显著优势。它避免了爆破作业带来的安全风险，也不会产生有害气体和粉尘，符合现代绿色开采的理念。

常见机械破岩设备

（一）凿岩机

凿岩机种类多样，常见的有手持式、气腿式、导轨式等，它们各自具备独特的特点与适用场景。
手持式凿岩机，结构紧凑、体积小巧、重量较轻，一般重量在 20 - 25kg 左右，便于操作人员手持操作。由于其轻便灵活，在一些狭窄空间，如小型矿山的巷道开采、建筑物内部的拆除改造等场景中应用广泛。不过，手持式凿岩机的动力相对较小，冲击频率一般在 30 - 35Hz 之间，适用于硬度较低的岩石，岩石硬度系数 f 一般在 6 - 8 左右。在小型采石场进行二次破碎作业时，手持式凿岩机可以灵活地对小块岩石进行钻孔，为后续的破碎工作做准备。
气腿式凿岩机则配备了气腿装置，气腿可以提供支撑和推进力，减轻操作人员的劳动强度。以常见的 YT28 型气腿式凿岩机为例，其重量约为 26kg，冲击频率可达 36Hz 左右，冲击能≥70J 。工作时，需要的气压一般为 0.4 - 0.63MPa，水压要求在 0.2 - 0.3MPa 左右 。气腿式凿岩机适用于中硬或坚硬岩石，在矿山巷道掘进、隧道施工等场景中应用广泛，可钻凿水平和倾斜炮孔，炮孔直径一般为 34 - 42mm，经济的炮孔深度可达 5m 以上。在一个中等规模的矿山巷道掘进项目中，使用 YT28 型气腿式凿岩机，每天可以完成 50 - 80 个炮孔的钻凿工作，大大提高了施工效率。
导轨式凿岩机通常安装在导轨上，通过导轨实现精确的定位和移动，能够保证钻孔的精度和质量。它的功率较大，适用于大型矿山的开采和大型工程的基础施工，如大型露天矿山的台阶式开采，需要钻凿大量的深孔，导轨式凿岩机就可以发挥其优势，实现高效、精准的钻孔作业。导轨式凿岩机可以钻凿直径较大、深度较深的炮孔，一般钻孔直径在 50 - 100mm，钻孔深度可达 10 - 30m。在某大型露天矿山的开采中，使用导轨式凿岩机，每天可以完成 10 - 15 个深孔的钻凿，为后续的爆破和开采工作提供了有力的支持。

（二）煤电钻

煤电钻主要由电动机、减速器、开关、手柄、电缆压紧装置等部分构成。其工作原理是电动机通过减速机构带动钻杆、钻头旋转，同时操作人员施加一定的推力，使钻头切入岩石或煤层进行钻孔作业。煤电钻适用于煤及 f＜3 的软岩层，在煤矿的回采及掘进工作面钻炮孔作业中应用广泛。常见的煤电钻功率一般在 1.2 - 1.5kW ，转速为 520 - 640r/min，使用的电压为 127V 。在煤矿的掘进工作面，使用煤电钻进行炮孔钻凿，每个班次（8 小时）可以完成 20 - 30 个炮孔的钻凿，钻孔直径一般为 38 - 45mm，孔深 1.2 - 2m。钻孔时，煤粉被水浸湿后从钻杆螺旋槽排出，实现湿式钻孔，有效降低了工作时产生的粉尘浓度，一般粉尘浓度可控制在 2.5 - 3.7mg/m³。

（三）劈裂棒

劈裂棒的工作方式是以强大的静压力分裂硬石。它主要由液压动力站和劈裂器两大部分组成。液压动力站产生高压液压油，通过油管输送到劈裂器的缸管内，控制劈裂器内的活塞杆推动伸缩，带动包裹在两块劈块之间连接着活塞杆的楔器伸缩，从而使劈块向周围产生张力，力可达几百吨，使岩石在强大的静压力作用下产生裂缝并裂开。在矿山开采中，劈裂棒可以将大块的矿石分裂成较小的块度，便于后续的运输和加工。在隧道掘进中，劈裂棒可以在不允许爆破的情况下，安全、高效地进行岩石破碎，减少对周边岩体的扰动。与传统的爆破和破碎锤破碎方式相比，劈裂棒具有高效节能的优势，它不需要消耗大量的炸药和能源，同时工作效率高，一次分裂过程仅需几秒钟；安全可靠，避免了爆破作业带来的安全风险，也减少了破碎锤作业时产生的震动和噪音对周围环境的影响 。在某隧道掘进工程中，使用劈裂棒进行岩石破碎，每天可以完成 3 - 5 米的掘进进度，同时保证了施工的安全和周边环境的稳定。