告別爆破！機械破巖鑿井技術

前言

在過去很長一段時間里，爆破鑿井技術在采礦領域占據著主導地位。其原理是利用炸藥爆炸產生的巨大能量瞬間釋放，使巖石受到強烈的沖擊和壓力而破碎。然而，隨著開采深度和規模的不斷增加，這種傳統技術的弊端愈發明顯。

安全風險高懸

爆破過程中產生的強烈震動是一個極為棘手的問題。根據相關研究和實際數據，爆破震動的峰值速度如果超過一定限度，就會對井壁及周邊巖體的穩定性造成嚴重威脅。在某礦山的開采實例中，當爆破震動峰值速度達到 50cm/s 時，井壁出現了明顯的裂縫，經過測量，裂縫寬度達到了 5-10mm，深度更是深入巖體內部 30-50cm。這不僅增加了井壁支護的難度和成本，還隨時可能引發坍塌事故，對井下作業人員的生命安全構成直接威脅。此外，爆破時還可能引發瓦斯爆炸等二次災害。瓦斯爆炸需要滿足一定的濃度范圍，一般來說，瓦斯濃度在 5%-16% 之間時，遇到火源就極易發生爆炸。而爆破產生的高溫和明火，無疑是瓦斯爆炸的重大誘因。一旦發生瓦斯爆炸，其產生的強大沖擊波和高溫火焰，會在瞬間摧毀井下設施，造成人員傷亡和財產的巨大損失。

效率瓶頸凸顯

傳統爆破鑿井的工序繁雜，每一次爆破都需要經歷鉆孔、裝藥、連線、爆破、通風排煙、出渣等多個環節。以一個中等規模的礦井為例，每次爆破的鉆孔作業可能需要耗費 8-10 小時，裝藥和連線又需要 2-3 小時，爆破后通風排煙至少需要 1-2 小時，出渣則可能需要 4-6 小時。完成一輪爆破循環，總共需要 15-20 小時。而且，爆破后的巖石破碎程度不均勻，常常會出現大塊巖石，這就需要額外的二次破碎作業。據統計，二次破碎作業的時間占總作業時間的 10%-20%，大大降低了整體的鑿井效率。此外，為了確保安全，每次爆破后都需要等待一段時間，以確認井下環境安全后才能繼續作業，這也在一定程度上延長了施工周期。

環境影響難消

爆破鑿井過程中會產生大量的有害氣體，如一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO?）等。這些有害氣體不僅對井下作業人員的健康造成危害，長期吸入一氧化碳會導致人體缺氧，引發頭痛、頭暈、惡心等癥狀，嚴重時甚至會導致昏迷和死亡；二氧化氮則會刺激呼吸道，引發咳嗽、呼吸困難等問題。同時，這些有害氣體排放到大氣中，也會對周邊環境造成污染。據相關檢測數據，在一次中等規模的爆破后，井下空氣中一氧化碳的濃度可達到 500-1000ppm，二氧化氮的濃度可達到 100-200ppm，遠遠超過了國家規定的安全標準。此外，爆破產生的粉塵也是一個嚴重的環境問題。這些粉塵會在空氣中懸浮，不僅影響視線，還會對周邊的生態環境和居民生活造成不良影響。在一些礦山周邊地區，由于長期受到爆破粉塵的影響，農作物的生長受到抑制，產量下降，居民的呼吸系統疾病發病率也明顯上升。

機械破巖鑿井技術

面對傳統爆破鑿井技術的諸多弊端，非爆破機械破巖鑿井技術應運而生，展現出獨特的優勢和潛力。接下來，讓我們深入了解幾種常見的機械破巖鑿井技術原理。

沖擊式破巖

沖擊式破巖主要依靠鑿巖機來實現。鑿巖機的工作過程可以分為沖擊、旋轉和排粉三個關鍵環節。在沖擊階段，鑿巖機內部的活塞在高壓氣體或液壓的作用下，以極高的速度沖擊釬桿，釬桿再將沖擊力傳遞到釬頭，從而對巖石產生瞬間的強大沖擊力。根據動量定理，沖擊力  （其中  為沖擊力，  為活塞質量，  為加速度） 。例如，某型號鑿巖機的活塞質量為 5kg，在工作時加速度可達 1000m/s2，那么其產生的沖擊力   。在旋轉階段，釬桿帶動釬頭旋轉，使釬頭在巖石表面不斷改變沖擊點，從而形成圓形的鉆孔軌跡。最后，在排粉階段，利用壓縮空氣或壓力水將鉆孔過程中產生的巖粉排出孔外，以保證鉆孔的順利進行。這種破巖方式適用于硬巖，因為硬巖的抗壓強度較高，需要強大的沖擊力才能使其破碎。沖擊式破巖能夠瞬間產生巨大的沖擊力，超過硬巖的抗壓強度，從而使巖石破碎。

旋轉式破巖

旋轉式破巖的典型設備是煤電鉆。煤電鉆通過壓入、旋轉切削和排粉三個步驟來實現破巖。在壓入過程中，給煤電鉆施加一定的軸壓力，使鉆頭能夠切入巖石。軸壓力的大小與巖石的抗壓強度密切相關。一般來說，軸壓力  需要滿足  （其中  為巖石的抗壓強度，  為鉆頭與巖石的接觸面積） 。例如，當巖石的抗壓強度為 50MPa，鉆頭與巖石的接觸面積為 0.001m2 時，所需的軸壓力   。在旋轉切削階段，鉆頭在電機的帶動下高速旋轉，對巖石進行切削，形成破碎的巖屑。同時，回轉力矩  在旋轉切削中也起著重要作用，它與切削力  和切削半徑  的關系為   。最后，通過排粉裝置將巖屑排出鉆孔。旋轉式破巖在軟巖或煤層中具有明顯的應用優勢。軟巖和煤層的強度較低，不需要過大的軸壓力和回轉力矩就能實現破巖，而且旋轉式破巖方式能夠較為均勻地破碎巖石，提高破巖效率。

水脹裂破巖

水脹裂破巖技術的原理是利用高壓水的強大壓力使巖石內部產生裂縫，進而實現巖石的開裂和破碎。具體來說，首先在巖石中鉆孔，然后將高壓水通過鉆孔注入巖石內部。隨著水壓的不斷升高，巖石內部的應力逐漸增大。當水壓產生的應力超過巖石的抗拉強度時，巖石就會開始產生裂縫。根據巖石力學原理，巖石的抗拉強度  與水壓  和鉆孔半徑  等因素有關，在一定條件下，當  （  為巖石的厚度）時，巖石就會開裂。這種技術在煤礦開采等領域有著廣泛的應用。在煤層開采中，可以利用水脹裂破巖技術預先對煤層進行處理，使煤層更容易開采，提高采煤效率；在巷道掘進中，水脹裂破巖技術可以減少對周邊巖體的破壞，保證巷道的穩定性。水脹裂破巖技術具有安全性高、環保無污染等顯著優勢。它避免了爆破作業帶來的安全風險，也不會產生有害氣體和粉塵，符合現代綠色開采的理念。

常見機械破巖設備

（一）鑿巖機

鑿巖機種類多樣，常見的有手持式、氣腿式、導軌式等，它們各自具備獨特的特點與適用場景。
手持式鑿巖機，結構緊湊、體積小巧、重量較輕，一般重量在 20 - 25kg 左右，便于操作人員手持操作。由于其輕便靈活，在一些狹窄空間，如小型礦山的巷道開采、建筑物內部的拆除改造等場景中應用廣泛。不過，手持式鑿巖機的動力相對較小，沖擊頻率一般在 30 - 35Hz 之間，適用于硬度較低的巖石，巖石硬度系數 f 一般在 6 - 8 左右。在小型采石場進行二次破碎作業時，手持式鑿巖機可以靈活地對小塊巖石進行鉆孔，為后續的破碎工作做準備。
氣腿式鑿巖機則配備了氣腿裝置，氣腿可以提供支撐和推進力，減輕操作人員的勞動強度。以常見的 YT28 型氣腿式鑿巖機為例，其重量約為 26kg，沖擊頻率可達 36Hz 左右，沖擊能≥70J 。工作時，需要的氣壓一般為 0.4 - 0.63MPa，水壓要求在 0.2 - 0.3MPa 左右 。氣腿式鑿巖機適用于中硬或堅硬巖石，在礦山巷道掘進、隧道施工等場景中應用廣泛，可鉆鑿水平和傾斜炮孔，炮孔直徑一般為 34 - 42mm，經濟的炮孔深度可達 5m 以上。在一個中等規模的礦山巷道掘進項目中，使用 YT28 型氣腿式鑿巖機，每天可以完成 50 - 80 個炮孔的鉆鑿工作，大大提高了施工效率。
導軌式鑿巖機通常安裝在導軌上，通過導軌實現精確的定位和移動，能夠保證鉆孔的精度和質量。它的功率較大，適用于大型礦山的開采和大型工程的基礎施工，如大型露天礦山的臺階式開采，需要鉆鑿大量的深孔，導軌式鑿巖機就可以發揮其優勢，實現高效、精準的鉆孔作業。導軌式鑿巖機可以鉆鑿直徑較大、深度較深的炮孔，一般鉆孔直徑在 50 - 100mm，鉆孔深度可達 10 - 30m。在某大型露天礦山的開采中，使用導軌式鑿巖機，每天可以完成 10 - 15 個深孔的鉆鑿，為后續的爆破和開采工作提供了有力的支持。

（二）煤電鉆

煤電鉆主要由電動機、減速器、開關、手柄、電纜壓緊裝置等部分構成。其工作原理是電動機通過減速機構帶動鉆桿、鉆頭旋轉，同時操作人員施加一定的推力，使鉆頭切入巖石或煤層進行鉆孔作業。煤電鉆適用于煤及 f＜3 的軟巖層，在煤礦的回采及掘進工作面鉆炮孔作業中應用廣泛。常見的煤電鉆功率一般在 1.2 - 1.5kW ，轉速為 520 - 640r/min，使用的電壓為 127V 。在煤礦的掘進工作面，使用煤電鉆進行炮孔鉆鑿，每個班次（8 小時）可以完成 20 - 30 個炮孔的鉆鑿，鉆孔直徑一般為 38 - 45mm，孔深 1.2 - 2m。鉆孔時，煤粉被水浸濕后從鉆桿螺旋槽排出，實現濕式鉆孔，有效降低了工作時產生的粉塵濃度，一般粉塵濃度可控制在 2.5 - 3.7mg/m3。

（三）劈裂棒

劈裂棒的工作方式是以強大的靜壓力分裂硬石。它主要由液壓動力站和劈裂器兩大部分組成。液壓動力站產生高壓液壓油，通過油管輸送到劈裂器的缸管內，控制劈裂器內的活塞桿推動伸縮，帶動包裹在兩塊劈塊之間連接著活塞桿的楔器伸縮，從而使劈塊向周圍產生張力，力可達幾百噸，使巖石在強大的靜壓力作用下產生裂縫并裂開。在礦山開采中，劈裂棒可以將大塊的礦石分裂成較小的塊度，便于后續的運輸和加工。在隧道掘進中，劈裂棒可以在不允許爆破的情況下，安全、高效地進行巖石破碎，減少對周邊巖體的擾動。與傳統的爆破和破碎錘破碎方式相比，劈裂棒具有高效節能的優勢，它不需要消耗大量的炸藥和能源，同時工作效率高，一次分裂過程僅需幾秒鐘；安全可靠，避免了爆破作業帶來的安全風險，也減少了破碎錘作業時產生的震動和噪音對周圍環境的影響 。在某隧道掘進工程中，使用劈裂棒進行巖石破碎，每天可以完成 3 - 5 米的掘進進度，同時保證了施工的安全和周邊環境的穩定。