摘要：介紹了機器人化鉆車在礦區(qū)作業(yè)中的使用性能及新技術裝備，如適用于不同場合的中小型、大型自動化鉆車、集鑿巖/裝載于一體的多功能設備、改進后的氣動鉆車在一些礦區(qū)的應用和推廣情況、沖擊頻率可調的液壓鑿巖機和耐磨球齒釬頭的技術改進情況。
　　關鍵詞：機器人化鉆車；中小型自動化鉆車；多功能設備；氣動鉆車；液壓鑿巖機；耐磨球齒釬頭
　　中圖分類號：TD421.2⁺4　　　文獻標識碼：B

1　概述

　　鉆車機器人化和遠程控制這兩項技術成為地下鉆鑿的熱門話題。澳大利亞的Olympic Dam礦和瑞典北部地區(qū)LKAB公司的Kiruna礦已經(jīng)在用先進的遠程控制技術進行鉆鑿工作。采用這種先進技術意味著工人可以在礦井的安全區(qū)進行鉆鑿操作(有時甚至可以在地面進行)，一名工人可以同時控制兩臺半自動鉆機，大大提高了生產(chǎn)效率。但這并不意味著機器人化鉆機和遠程控制鉆機就是市場唯一的發(fā)展方向，有些生產(chǎn)廠家側重于鉆機的通用化而不是開采效率，而有些生產(chǎn)廠家更注重鑿巖機和鉆頭性能的改進。

2　北極圈附近國家的鉆車使用概況

　　瑞典LKAB公司認為，在礦山中不斷地引入先進技術是與其他生產(chǎn)成本低的公司進行競爭的最佳途徑，因此，該公司始終堅持在新技術方面進行大的投入，在該公司位于瑞典北部的Kiruna地下鐵礦可以見到世界上最先進的采礦技術的應用。為了適應市場需要，公司的Kiruna和Malmberget礦制定了新的采礦標準，他們的目標是到1999年底兩礦礦石生產(chǎn)總和達到3000萬噸。為了達到這一目標，LKAB公司不惜投入巨資購買先進設備(僅Kiruna礦用于設備更新的費用就達到3.5億美元)。通過使鉆孔深度增加到55m，平巷的垂直跨距增大到28.5m，LKAB公司相信這會降低開采費用，即使到下世紀初該礦山仍會保持旺盛的活力。由此看來先進設備在整個工程中起的作用是關鍵的。
　　LKAB和Atlas　Copco公司于1993年末簽定了一份聯(lián)合開發(fā)新的開采鑿巖設備的合同，W469型鉆車就是根據(jù)施工要求設計的。第一臺鉆車計劃配備Wassara　G－Drill公司的ITH液壓鑿巖機(這種鑿巖機最初也是為LKAB公司設計的)。W469鉆車于1995年初裝配完畢，進行工業(yè)性試驗，檢驗該鉆車是否能達到鉆孔300m/d，平均無故障運行時間不少于100h，結果完全達到設計要求(最高鉆孔達到500m/d)，平均無故障運行時間達到104h，其他如維修保養(yǎng)、鉆孔質量、成孔偏差、鉆鑿功率等指標也都令人滿意。由于對合作充滿信心，LKAB公司一年后又準備訂購第二臺。鉆孔控制程序要求能一次自動鉆鑿10個孔的扇面，然后鉆鑿下一個扇面，試驗結果完全達到要求。試驗過程中，鉆車控制程序同時也受到檢驗，要使鉆車在程序控制下做到：準確調整推進器；準確對準炮孔位置；達到符合要求的炮孔深度；連接/拆卸鉆桿；一次鉆孔完畢后，移至下一孔位。先鉆φ115mm深45m的炮孔，然后用W469鉆車鉆到55m(孔徑不變)。對于這種深炮孔來說，鉆孔精度是十分重要的，要求30m孔深的偏差不超過1.5%，激光測量裝置測量孔的精度。
　　由于對W469鉆車和ITH鑿巖機的設計很滿意，LKAB公司決定下一步進行機器人化鉆車的鑿巖，1997年初又向Atlas公司訂了四臺Simba型機器人化鉆車。Atlas Copco公司先將兩臺W469s鉆車交付LKAB公司的Malmberget礦，另外兩臺于1997年10月份交付Kiruna礦。這些鉆車都配備ITH液壓鑿巖機。
　　目前這種機器人化鉆車的設計還不完善，現(xiàn)在的有線控制系統(tǒng)將被光纖/無線控制系統(tǒng)取代。正在試制的兩臺Simbas鉆車(包括將來的鉆車)的控制方式是：一根光纜將控制中心與生產(chǎn)現(xiàn)場連接起來，指令可以從控制中心發(fā)往施工現(xiàn)場。生產(chǎn)現(xiàn)場通過無線電控制鉆車，這樣使Simbas鉆車在不同工位移動更加靈活方便。如果一切都在按計劃順利進行的話，W469鉆車此時已完成試驗，LKAB公司準備買11臺此種鉆車投放到Kiruna礦和Malmberget礦。
　　LKAB公司不僅僅使用Atlas　Copco公司的鉆車，他們也購買Atlas　Copco公司的主要競爭對手Tamrock公司的設備，Kiruna礦就在使用Tamrock公司的鉆車。一般來說，設備越先進，它的生產(chǎn)率就越高，目前礦山出產(chǎn)鐵礦石已達到現(xiàn)有設備的最高效率。1996年4月，Tamrock公司生產(chǎn)了兩臺Solo　60鉆車，該鉆車是Tamrock公司最先進的液壓鑿巖鉆車，配備Sandvik公司生產(chǎn)的新型鉆具，一支釬頭可以鉆鑿一個扇形斷面，據(jù)說可以大大提高綜合生產(chǎn)率。

3　澳大利亞鉆車的使用概況

　　Atlas Copco公司的H4356s鉆車在Olympic Dam礦鉆鑿φ102mm、深30m的炮孔以來，已經(jīng)創(chuàng)下了幾項該礦的記錄。平均鉆孔速度達35m/h，1995年一年鉆車總進尺達118663延米，12h鉆孔340.9m，24h鉆孔不少于667.8m，而且炮孔偏差控制在2%以內(nèi)。該鉆車在施工中顯示出優(yōu)良的性能，因此Olympic Dam礦決定再購買兩臺H4356s鉆車。
　　第一臺幾個月后交付，另一臺1998年初交付，與以前一樣，兩臺鉆車都配備Cop4050鑿巖機和RHS夾釬器。因為礦井下的環(huán)境特殊，這兩臺鉆車在防腐方面進行了一些改進(這種改進是在頭一臺鉆車試驗時開始進行的)。
　　巖層中水的鹽份很大(有些含鹽量甚至是海水的7倍)。因此Atlas Copco公司把許多零件的材質改成不銹鋼或青銅，同時用防銹漆來保護零件不受腐蝕。Atlas Copco公司說解決腐蝕性問題是很復雜的，需要做許多工作。Olympic Dam礦由西部采礦公司負責開采，主要出產(chǎn)銅、氧化鈾、金、銀，每年礦石產(chǎn)量達300萬噸，折算要鉆鑿坑道500m。

4　老產(chǎn)品的更新

　　Tamrock公司一直在不斷地開發(fā)新型鉆車，同時對Tamrock和Tamrock Secoma系列進行了改進。第一種新產(chǎn)品Mercury1 LC10型鉆車是由法國Secoma公司分部研制的，它是在原來Mercury 1 LC型鉆車的基礎上發(fā)展而來的用于深孔鑿巖的，Mercury 1 LC10鉆車的底盤與Mercury 1 LC22型一樣是鉸接式的，行走方式為四輪驅動膠輪式，輪與輪之間寬1.6m，可在崎嶇路面和狹小空間移動。Mercury鉆車上有一個可容納10支釬桿的貯存器，可鉆18 m深的炮孔，覆蓋斷面范圍為6～26m²。另外，該鉆車鉆鑿平行孔的寬度范圍大，達5.3m，比鉆臂尺寸相同的其他鉆車都大。第一臺Mercury 1 LC10鉆車準備配備Hydrastar 300L或Hydrastar 350L型鑿巖機，兩種型號鑿巖機所用釬桿為R38或T38型。Hydrastar 300L型鑿巖機重145kg，輸出功率為12～16kW，Hydrastar 350L型重155kg，輸出功率為14～18kW。鉆車動力源為Deuts柴油，Mercury 1 LC10也具有其他鉆車的一般功能，如：炮孔沖洗，液壓支腿穩(wěn)車功能、照明、防爆、除塵和電子測斜。
　　Tamrock Secoma的這兩臺鉆車，操縱位置上方有安全棚，棚頂高度可隨巷道高度調節(jié)，棚頂高度的調節(jié)由液壓缸伸縮來完成。最低高度為2m(標準高度為2.75m)。同類型的其他鉆車鉆鑿時須用一根電纜線來遠距離控制，而Mercury鉆車的操作人員在駕駛臺就可全面監(jiān)視鑿巖情況。
　　Tamrock Secoma公司的Quasar鉆車據(jù)說是目前市場上配液壓鑿巖機的最小鉆車。Quasar 1 L鉆車只有1.6m寬，1.65m高，可以在小到2.4m×2.4m，大到5.6m×4.6m的巷道內(nèi)鉆鑿，它的重量雖只有7.5t，而輸出的沖擊功率為16～18kW，鉆鑿的孔徑為52～76mm。

5　其它產(chǎn)品

　　在大力研制新型鉆車的同時，有些公司把研究的重點放在了其他鉆鑿設備上，加拿大Cubex公司(該公司與美國得克薩斯Svedala Reedrill公司合作在進行一項大膽的嘗試)對ITH鑿巖作了許多改進。該公司的Mauro Dobran先生曾在《世界采礦設備》上說，他們過去幾年來一直在致力于ITH小孔徑的開采鑿巖工藝研究，而且利用這些研究成果鉆出了φ89mm炮孔，這一尺寸比以前的炮孔尺寸都要小。
　　普通鉆車是以前鉆鑿小炮孔的唯一一種設備。當巖石的孔隙或斷層較多時，用普通鑿巖機鉆出的孔的偏差很大，ITH鑿巖工藝在這種巖石中鉆出的孔偏差小。Cubex公司還用這種工藝鉆鑿向上孔。Dobran先生說：“這對我們是新的嘗試”。
　　安裝了ITH鑿巖機的Cubex 5200和Cubex 6200鉆車可鉆鑿φ89mm、深30.5～36.6m的炮孔，它們已經(jīng)在加拿大的幾個金礦和銅礦中使用。Cubex鉆車不限于使用ITH開采鑿巖，還與Svedala　Reedrill公司合作使用Gardner Denver鑿巖機進行深孔鉆鑿。這個合作項目已經(jīng)進行了12個月，目前處于完善階段。兩個公司深信該項目將會使鑿巖技術有重大進展。

6　多功能設備

　　針對用戶希望設備不僅高效而且能一機多用的想法，設計出了2000DL鑿巖/裝載一體化設備。2000DL堅固耐用，能在很差的環(huán)境下工作，裝配或維修拆卸快速簡便。該機鉆臂部分可使鑿巖機鉆鑿頂面、側面和地面(包括正面)。鉆孔時，它的鏟斗可以增強機器的穩(wěn)定性。如果需要的話，可在一分鐘內(nèi)把鉆臂收攏起來，使鏟斗靈活動作。
　　目前已有一臺2000DL鑿巖/裝載一體機在英國的Cleveland　Potash礦進行巷道掘進，它的優(yōu)點是得到的巷道壁比較整齊，減少了超挖或欠挖量。
　　因為2000DL鉆鑿/裝載一體機是將原本分開的鉆孔、裝載功能合二為一，設備體積大，因而設備運轉的靈活性就顯得比較重要。由于功能多，2000DL的生產(chǎn)效率趕不上單一鉆孔功能的鉆車。但這種設備在礦脈狹小礦區(qū)及機械化程度低的礦區(qū)是非常適用的。有了2000DL可以使礦業(yè)公司不需購買其它新型采掘設備就能提高生產(chǎn)率。

7　小型鉆車的應用

　　有些礦區(qū)受巷道空間的限制，無法使用大型設備。針對這種情況，Smith公司在氣動鉆車的基礎上設計出了LHU型鉆車。這種設備不算很先進，但它作為多功能深孔鉆車可鉆鑿孔徑φ48～φ89mm的孔(它還可打頂部錨桿孔，進行隧道挖掘)。它是一種電液控制的鉆車，配備的AP750型鑿巖機也是Smith公司設計的，當系統(tǒng)壓力達到16MPa時，鑿巖機輸出的沖擊功率為16kW。這種鑿巖機結構緊湊堅固，易于維修，可進行深孔鉆鑿。鑿巖機所用釬尾長0.4m，鉆車鉆臂可擺動360°，可鉆鑿的炮孔的最大平行距離為1.5m，推進器傾斜角度為向下5°，向上60°。一名操作人員控制鉆車，控制位置上方有安全頂棚保護操作人員安全，鉆車重4.5t，靠三個膠輪行走。鉆車上可放出100m電纜，短距離可自行移動，長距離移動時由裝載車拖動。

8　先進設備

　　輸出功率/機重比率高是Boart Longyear公司BLHD165鑿巖機的一個特色，所用的新型耐磨C1球齒釬頭使生產(chǎn)的效率更高。BLHD165是一種先進的液壓鑿巖機，其鉆孔方式為沖擊回轉式，沖擊頻率可以調節(jié)，鑿巖機因而保持高效。Boart　Longyear公司說該鑿巖機通過調節(jié)沖擊頻率達到在不同地質條件下鑿孔的最佳效果。鑿巖機上有一個減震器，降低了結構中應力波的反射。鑿巖機總重165kg，工作壓力20MPa，活塞沖程時系統(tǒng)流量為120L/min，沖擊功率15kW，鑿巖機釬尾聯(lián)接套根據(jù)需要可選用不同的螺紋尺寸，最大可達到內(nèi)徑51mm，成孔的最大直徑127mm。鑿巖機上增設了一個反沖活塞，轉釬部分可配用六種不同型號的馬達。這樣使BLHD165型鑿巖機的適用范圍很廣。
　　BLHD165在南非使用后效果非常好，Boart Longyear公司認為這種鑿巖機一定能打開歐洲和北美市場。為了擴大影響，過去的幾個月，他們的這種機型在許多產(chǎn)品博覽會上亮相。
　　值得注意的是，目前一些礦業(yè)公司從某個主要的鉆車生產(chǎn)廠買來鉆車，然后從別的生產(chǎn)廠商那里買來鑿巖機配套在該鉆車上。礦業(yè)公司如有幾臺鑿巖機，使用后認為滿意，就不會再選擇其他的產(chǎn)品。此外，這些礦須與鑿巖機生產(chǎn)商達成協(xié)議，以保證有充足的備用件，不至于因無備件而拆別的設備。這方面的一個例子是Boart Longyear公司。它生產(chǎn)的鑿巖機被裝備在許多型號的鉆車上。BLHD165鑿巖機的適用范圍非常廣，可裝備到許多廠商的鉆車上，因而受到用戶的青睞。
　　Boart　Longyear公司不斷開發(fā)硬質合金釬頭的種類，在通用的T6系列釬頭基礎上，計劃開發(fā)新型C1球齒釬頭系列。通過對釬頭尺寸結構和沖洗孔布置形式進行更加深入的研究，以提高球齒的性能，同時找出提高碳化鎢球齒耐磨性的新途徑。該公司說已經(jīng)開發(fā)出了用于硬巖的釬頭，這項技術原來是用于金剛石巖心鉆頭的。其原理是將WC－Co微粒擴散到較軟且韌性好的WC－Co基體中。這樣由于添加了少量高硬度的WC－Co微粒，大大提高了釬頭的抗磨損能力，同時對釬頭的韌性影響很小。在某些地質條件下，抗磨損能力可提高60%，一個釬頭就能鑿出一個完整的爆破面，中途無須更換釬頭，既提高了鑿孔效率又保證了鑿孔質量。通常重復破碎占整個鑿孔消耗費用的30%，因而耐磨球齒不僅僅提高釬頭壽命，而且大大降低了生產(chǎn)成本。
　　在澳大利亞、中歐、北美、斯坎德納維亞、南非的各種硬巖和地質條件不同的隧道中，C1球齒釬頭進行了廣泛的試驗。目前，Boart Longyear公司在加快該釬頭的推廣，不久，在硬巖開采中，C1球齒釬頭將替代T6型成為主流產(chǎn)品。

9　液壓設備

　　Sandvik公司推出的Wassara液壓鑿巖設備在加拿大的Louvicourt礦與普通氣動鑿巖設備進行了比較性試驗。這是一次主要的改進，因為這以前，該液壓鑿巖設備從未在歐洲以外地區(qū)(甚至可能是LKAB以外的地區(qū))的開采鑿巖中運用過。三個月的試驗是由加拿大礦產(chǎn)與能源技術中心、加拿大自然資源部和Louvicourt礦聯(lián)合主持完成的。此項活動由G－Drill公司(Wassara鑿巖機的生產(chǎn)商)和一些對此感興趣的公司(如：Aur Resources，Cambior，Placer Dom，Hydro－Quebec)發(fā)起的。試驗共進行了6000m的鉆鑿，主要比較鑿巖機的生產(chǎn)效率，成孔的直線度，能耗，操作的舒適程度。試驗表明，Wassara液壓設備在井下開采鑿巖中的應用范圍較廣。