凿岩

岩土工程名词

岩石中钻凿出特定要求眼孔的工程技术。在采矿工程中，眼孔常用以装填炸药，进行爆破。有时借助凿岩形成大口径的眼孔，不用爆破，直接用作井巷，眼孔还用于地质勘探、输送物料、安装锚杆、管道、电缆等设施或作为采油工程中的油、气井，所以凿岩在地质、石油、水电、交通等有关岩石破碎工程中亦有着广泛的应用。

介绍

所谓凿岩，就是在岩石（或矿石）上钻凿炮孔。岩石是凿岩作业的工作对象，它的物理力学性质对凿岩爆破有很大关系。

露天矿山常称深孔凿岩作业为穿孔，某些部门(如煤炭系统)称凿岩为钻眼;有时也将回转切削钻孔方式称为钻眼，它主要用于煤层及软岩的凿岩作业。

早在1800多年以前，在中国四川邛川一带就有钻凿天然气井的实践。1637年宋应星在《天工开物》一书中详细描绘了中国古代凿孔工艺。19世纪欧洲蒸气和压气凿岩机的出现，大大提高了凿岩速度，使凿岩成为一门专门的工程技术。

分类

在矿山采掘工作中，凿岩直接影响后续工序和工程施工的速度、质量、安全和成本。应根据岩石条件和作业要求选择合理的凿岩机具和工作方式。按破碎岩石的不同方法，凿岩可分为机械和非机械破碎岩石两类。机械凿岩应用最广泛。

机械方法凿岩按破碎机理不同，可分为四种方式：冲击破碎用于破碎坚硬岩石。冲击式凿岩机用这种方式破碎;切削破碎，它是回转钻机和电钻用这种方式破碎，常用于破碎软岩和煤层;碾压破碎用于破碎中硬到坚硬岩石，牙轮钻机用这种方式破碎;磨削破碎用于破碎硬岩取岩芯。金刚石钻机用这种方式破碎。

这几种方式也可综合使用，旋转-冲击钻机是切削和冲击方式的综合，钻粒钻进兼有磨削、碾压、切削、冲击四种作用。

非机械方法凿岩有高压水射流凿岩、热力凿岩和激光、电子束、超声振动切削以及等离子焰等其他方法。

冲击式凿岩法

冲击式凿岩法主要是利用作用在钎头上的冲击力，使钎头的刀刃切入岩石，将岩石破碎。每冲击一次后，下一次冲击前钎子转动一定角度，使钎刃在第二次冲击岩石时，调换一个位置，从而顺序逐层地破碎岩石。

冲击式凿岩法保证钻进的必要条件是：

（1）钎头冲击岩石时，单位接触面积上的冲击力必须大于岩石的动载抗压入强度，并能辅助剪切掉两次冲击凿痕所夹的扇形面积；

（2）钎头材料的强度必须大于岩石的强度，并具有足够的韧度，以避免钎头过早损坏。

冲击式凿岩法的特点：（1）岩石抗冲击强度大大小于静载下抗压强度，在坚硬岩石中破碎效果好；（2）钻眼时，所需轴向推力小，钎头磨损和消耗在磨擦上的功小；（3）在软岩中形成的凿痕体积小，从凿痕内排出岩粉困难，钻眼效率低；（4）岩石破碎过程不连续，冲击频率低时钻眼速度慢；此外，风动凿岩机工作时震动噪音大，粉尘较高。根据上述特点，冲击式钻眼法主要应用于坚硬和磨蚀性岩石中钻眼。

回转式凿岩法

回转式钻眼法是在钎头上加以轴向推力P1，使钎刃切入岩石，同时给钎头以回转力矩P2，使钎刃不断切削眼底岩石，如图1所示，同时它利用螺旋形钎杆将破碎的岩屑或岩粉自动排出，这样连续不断的动作，钻出了炮眼。

保证钻进的两个必要条件：（1）轴向推力必须大于岩石的抗压强度。（2）回转力矩所产生的切削力必须大于岩石的抗剪切强度。

回转式钻眼法的特点：（1）呈连续剪切破碎，钻进纯工作时间长，能量利用率较高；（2）回转式钻机工作中振动、噪音和粉尘较低；（3）必须静力压入岩石，所需轴推力大，导致钻头与岩石摩擦阻力增加，钻头磨损增大；轴推力增大亦导致设备笨重。根据上述特点，回转式钻眼法常用于软岩和磨蚀性不大的岩石。

影响因素

（1）硬度，是指岩石抵抗工具侵人的能力。凡是用刃具切削和压挤方法破碎岩石时，都必须首先将工具压人岩石才能达到目的。岩石硬度越大，凿岩越困难。

（2）韧性，又叫韧度，是岩石抵抗冲击工具侵人的能力。所以也叫动力硬度。韧性大的岩石易钻进，但不易爆破。

（3）弹性，是指岩石在去掉外力后，自动恢复其原来形状和体积的能力。在弹性大的岩石上凿岩时，所做的功，很大一部分消耗在岩石变形上，因而岩石不易被破碎。

（4）脆性，岩石受力后几乎不发生残余变形就受到破坏的性质。脆性大的岩石，凿岩、爆破均容易。

（5）塑性，是指岩石受力后有明显残余变形的性质。塑性大的岩石，凿岩、爆破均较困难。，岩石的变形性质(弹性、脆性、塑性)与受力条件有一定关系。在三向受压或高温下，塑性会显著增加，在常温下，具有脆性的岩石，此时也能变成塑性体。在冲击荷载作用下，岩石的脆性又会显著增加。如岩石在凿岩、爆破等冲击荷载作用下，大多数岩石呈脆性破坏。

（6）层理，是指岩石沿层理面分裂的性质。

（7）节理，是指岩石上的裂隙。此外，还有岩石的含水性和碎胀性，对凿岩和爆破也有一定的影响。

凿岩机

以冲击回转或冲击与旋转切削联合作用破碎岩石的钻孔机械。广泛用于矿山采矿、巷道掘进和各种岩石工程中钻凿爆破孔和各种用途的钻孔。可钻孔径20～230mm、最深达50m的炮孔。

类型

凿岩机按动力分为气动凿岩机、液压凿岩机、电动凿岩机和内燃凿岩机四类，后两类在矿山很少应用;按支承方式分为手持式凿岩机、支腿式凿岩机、向上式凿岩机和导轨式凿岩机四种;按冲击频率分为低频(<17Hz)、普通频率(27～33Hz)和高频(>42Hz)三类。按转钎方式分为内回转式和外回转式，前者用螺旋棒棘轮机构驱动钎具间断旋转，后者用独立气马达或液压马达驱动钎具连续旋转。

基本构造

主要由冲击机构、配流机构、转钎机构、排碴系统等组成。利用配流阀交替地向冲击活塞前后腔内供给压缩空气或压力油，推动冲击活塞往复运动冲击钎杆，输出冲击能凿碎矿岩。回程时由螺旋棒棘轮机构驱动钎具转动一角度或由气马达或液压马达驱动钎具连续旋转，使钎刃每冲击一次后转移到新位置再冲凿，凿碎的岩碴靠压力水或压缩空气经钎杆中心孔进入孔底，将其吹出孔外，从而形成钻孔。使用的钎具由钎头、钎杆和钎尾组成。钻浅孔(≤5m)时用整根钎杆，钻深孔时用接杆钎杆和分体钎尾。钻头主要采用球齿式，少数使用一字或十字刃型的。

主要性能指标

(1)冲击能即冲击活塞对钎具所做的功。一般是冲击能愈大，钻孔速度愈快;钻孔直径愈大要求的冲击能也愈大。20世纪80年代，凿岩机输出的单位孔底面积冲击能达到5～20J/cm2。(2)冲击频率即冲击活塞每秒钟冲击钎具的次数。一般是频率愈高，钻孔速度愈快。气动凿岩机的频率范围为20～50Hz，液压凿岩机的频率范围为30～70Hz。(3)转钎速度其大小取决于岩石性质、钻孔直径等因素。转速过低，钻孔速度减慢;转数过高，将导致能量损失和钎头过度磨损。一般岩石愈硬和孔径愈大，转数就愈低，反之则高。钻孔直径27～230mm的凿岩机转钎速度范围从0～300r/min到0～60r/min。(4)轴推力沿钎杆中心线保持钎头与孔底紧密接触的作用力。此值有一个最优值，过大或过小的轴推力都不能提高钻孔速度。此外，排碴好坏也是影响钻孔速度的重要影响因素，供水量和压气量要保持排碴速度大于其在介质中的悬浮速度。

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