摘要：介紹了機(jī)器人化鉆車在礦區(qū)作業(yè)中的使用性能及新技術(shù)裝備，如適用于不同場(chǎng)合的中小型、大型自動(dòng)化鉆車、集鑿巖/裝載于一體的多功能設(shè)備、改進(jìn)后的氣動(dòng)鉆車在一些礦區(qū)的應(yīng)用和推廣情況、沖擊頻率可調(diào)的液壓鑿巖機(jī)和耐磨球齒釬頭的技術(shù)改進(jìn)情況。
　　關(guān)鍵詞：機(jī)器人化鉆車；中小型自動(dòng)化鉆車；多功能設(shè)備；氣動(dòng)鉆車；液壓鑿巖機(jī)；耐磨球齒釬頭
　　中圖分類號(hào)：TD421.2⁺4　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1　概述

　　鉆車機(jī)器人化和遠(yuǎn)程控制這兩項(xiàng)技術(shù)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(jìn)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行鉆鑿工作。采用這種先進(jìn)技術(shù)意味著工人可以在礦井的安全區(qū)進(jìn)行鉆鑿操作(有時(shí)甚至可以在地面進(jìn)行)，一名工人可以同時(shí)控制兩臺(tái)半自動(dòng)鉆機(jī)，大大提高了生產(chǎn)效率。但這并不意味著機(jī)器人化鉆機(jī)和遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)就是市場(chǎng)唯一的發(fā)展方向，有些生產(chǎn)廠家側(cè)重于鉆機(jī)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(jī)和鉆頭性能的改進(jìn)。

2　北極圈附近國家的鉆車使用概況

　　瑞典LKAB公司認(rèn)為，在礦山中不斷地引入先進(jìn)技術(shù)是與其他生產(chǎn)成本低的公司進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的最佳途徑，因此，該公司始終堅(jiān)持在新技術(shù)方面進(jìn)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(jìn)的采礦技術(shù)的應(yīng)用。為了適應(yīng)市場(chǎng)需要，公司的Kiruna和Malmberget礦制定了新的采礦標(biāo)準(zhǔn)，他們的目標(biāo)是到1999年底兩礦礦石生產(chǎn)總和達(dá)到3000萬噸。為了達(dá)到這一目標(biāo)，LKAB公司不惜投入巨資購買先進(jìn)設(shè)備(僅Kiruna礦用于設(shè)備更新的費(fèi)用就達(dá)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(huì)降低開采費(fèi)用，即使到下世紀(jì)初該礦山仍會(huì)保持旺盛的活力。由此看來先進(jìn)設(shè)備在整個(gè)工程中起的作用是關(guān)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(shè)備的合同，W469型鉆車就是根據(jù)施工要求設(shè)計(jì)的。第一臺(tái)鉆車計(jì)劃配備Wassara　G－Drill公司的ITH液壓鑿巖機(jī)(這種鑿巖機(jī)最初也是為L(zhǎng)KAB公司設(shè)計(jì)的)。W469鉆車于1995年初裝配完畢，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，檢驗(yàn)該鉆車是否能達(dá)到鉆孔300m/d，平均無故障運(yùn)行時(shí)間不少于100h，結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求(最高鉆孔達(dá)到500m/d)，平均無故障運(yùn)行時(shí)間達(dá)到104h，其他如維修保養(yǎng)、鉆孔質(zhì)量、成孔偏差、鉆鑿功率等指標(biāo)也都令人滿意。由于對(duì)合作充滿信心，LKAB公司一年后又準(zhǔn)備訂購第二臺(tái)。鉆孔控制程序要求能一次自動(dòng)鉆鑿10個(gè)孔的扇面，然后鉆鑿下一個(gè)扇面，試驗(yàn)結(jié)果完全達(dá)到要求。試驗(yàn)過程中，鉆車控制程序同時(shí)也受到檢驗(yàn)，要使鉆車在程序控制下做到：準(zhǔn)確調(diào)整推進(jìn)器；準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)炮孔位置；達(dá)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(duì)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(cè)量裝置測(cè)量孔的精度。
　　由于對(duì)W469鉆車和ITH鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)很滿意，LKAB公司決定下一步進(jìn)行機(jī)器人化鉆車的鑿巖，1997年初又向Atlas公司訂了四臺(tái)Simba型機(jī)器人化鉆車。Atlas Copco公司先將兩臺(tái)W469s鉆車交付LKAB公司的Malmberget礦，另外兩臺(tái)于1997年10月份交付Kiruna礦。這些鉆車都配備ITH液壓鑿巖機(jī)。
　　目前這種機(jī)器人化鉆車的設(shè)計(jì)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(tái)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(chǎng)連接起來，指令可以從控制中心發(fā)往施工現(xiàn)場(chǎng)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過無線電控制鉆車，這樣使Simbas鉆車在不同工位移動(dòng)更加靈活方便。如果一切都在按計(jì)劃順利進(jìn)行的話，W469鉆車此時(shí)已完成試驗(yàn)，LKAB公司準(zhǔn)備買11臺(tái)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Tamrock公司的設(shè)備，Kiruna礦就在使用Tamrock公司的鉆車。一般來說，設(shè)備越先進(jìn)，它的生產(chǎn)率就越高，目前礦山出產(chǎn)鐵礦石已達(dá)到現(xiàn)有設(shè)備的最高效率。1996年4月，Tamrock公司生產(chǎn)了兩臺(tái)Solo　60鉆車，該鉆車是Tamrock公司最先進(jìn)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(gè)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(xiàng)該礦的記錄。平均鉆孔速度達(dá)35m/h，1995年一年鉆車總進(jìn)尺達(dá)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(tái)H4356s鉆車。
　　第一臺(tái)幾個(gè)月后交付，另一臺(tái)1998年初交付，與以前一樣，兩臺(tái)鉆車都配備Cop4050鑿巖機(jī)和RHS夾釬器。因?yàn)榈V井下的環(huán)境特殊，這兩臺(tái)鉆車在防腐方面進(jìn)行了一些改進(jìn)(這種改進(jìn)是在頭一臺(tái)鉆車試驗(yàn)時(shí)開始進(jìn)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(zhì)改成不銹鋼或青銅，同時(shí)用防銹漆來保護(hù)零件不受腐蝕。Atlas Copco公司說解決腐蝕性問題是很復(fù)雜的，需要做許多工作。Olympic Dam礦由西部采礦公司負(fù)責(zé)開采，主要出產(chǎn)銅、氧化鈾、金、銀，每年礦石產(chǎn)量達(dá)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(shí)對(duì)Tamrock和Tamrock Secoma系列進(jìn)行了改進(jìn)。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(chǔ)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(qū)動(dòng)膠輪式，輪與輪之間寬1.6m，可在崎嶇路面和狹小空間移動(dòng)。Mercury鉆車上有一個(gè)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(dá)5.3m，比鉆臂尺寸相同的其他鉆車都大。第一臺(tái)Mercury 1 LC10鉆車準(zhǔn)備配備Hydrastar 300L或Hydrastar 350L型鑿巖機(jī)，兩種型號(hào)鑿巖機(jī)所用釬桿為R38或T38型。Hydrastar 300L型鑿巖機(jī)重145kg，輸出功率為12～16kW，Hydrastar 350L型重155kg，輸出功率為14～18kW。鉆車動(dòng)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(cè)斜。
　　Tamrock Secoma的這兩臺(tái)鉆車，操縱位置上方有安全棚，棚頂高度可隨巷道高度調(diào)節(jié)，棚頂高度的調(diào)節(jié)由液壓缸伸縮來完成。最低高度為2m(標(biāo)準(zhǔn)高度為2.75m)。同類型的其他鉆車鉆鑿時(shí)須用一根電纜線來遠(yuǎn)距離控制，而Mercury鉆車的操作人員在駕駛臺(tái)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(chǎng)上配液壓鑿巖機(jī)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(shí)，有些公司把研究的重點(diǎn)放在了其他鉆鑿設(shè)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(jìn)行一項(xiàng)大膽的嘗試)對(duì)ITH鑿巖作了許多改進(jìn)。該公司的Mauro Dobran先生曾在《世界采礦設(shè)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(shè)備。當(dāng)巖石的孔隙或斷層較多時(shí)，用普通鑿巖機(jī)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(duì)我們是新的嘗試”。
　　安裝了ITH鑿巖機(jī)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(gè)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(jī)進(jìn)行深孔鉆鑿。這個(gè)合作項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了12個(gè)月，目前處于完善階段。兩個(gè)公司深信該項(xiàng)目將會(huì)使鑿巖技術(shù)有重大進(jìn)展。

6　多功能設(shè)備

　　針對(duì)用戶希望設(shè)備不僅高效而且能一機(jī)多用的想法，設(shè)計(jì)出了2000DL鑿巖/裝載一體化設(shè)備。2000DL堅(jiān)固耐用，能在很差的環(huán)境下工作，裝配或維修拆卸快速簡(jiǎn)便。該機(jī)鉆臂部分可使鑿巖機(jī)鉆鑿頂面、側(cè)面和地面(包括正面)。鉆孔時(shí)，它的鏟斗可以增強(qiáng)機(jī)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(dòng)作。
　　目前已有一臺(tái)2000DL鑿巖/裝載一體機(jī)在英國的Cleveland　Potash礦進(jìn)行巷道掘進(jìn)，它的優(yōu)點(diǎn)是得到的巷道壁比較整齊，減少了超挖或欠挖量。
　　因?yàn)?000DL鉆鑿/裝載一體機(jī)是將原本分開的鉆孔、裝載功能合二為一，設(shè)備體積大，因而設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)備在礦脈狹小礦區(qū)及機(jī)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(shè)備就能提高生產(chǎn)率。

7　小型鉆車的應(yīng)用

　　有些礦區(qū)受巷道空間的限制，無法使用大型設(shè)備。針對(duì)這種情況，Smith公司在氣動(dòng)鉆車的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了LHU型鉆車。這種設(shè)備不算很先進(jìn)，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(jìn)行隧道挖掘)。它是一種電液控制的鉆車，配備的AP750型鑿巖機(jī)也是Smith公司設(shè)計(jì)的，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到16MPa時(shí)，鑿巖機(jī)輸出的沖擊功率為16kW。這種鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固，易于維修，可進(jìn)行深孔鉆鑿。鑿巖機(jī)所用釬尾長(zhǎng)0.4m，鉆車鉆臂可擺動(dòng)360°，可鉆鑿的炮孔的最大平行距離為1.5m，推進(jìn)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(hù)操作人員安全，鉆車重4.5t，靠三個(gè)膠輪行走。鉆車上可放出100m電纜，短距離可自行移動(dòng)，長(zhǎng)距離移動(dòng)時(shí)由裝載車拖動(dòng)。

8　先進(jìn)設(shè)備

　　輸出功率/機(jī)重比率高是Boart Longyear公司BLHD165鑿巖機(jī)的一個(gè)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(jìn)的液壓鑿巖機(jī)，其鉆孔方式為沖擊回轉(zhuǎn)式，沖擊頻率可以調(diào)節(jié)，鑿巖機(jī)因而保持高效。Boart　Longyear公司說該鑿巖機(jī)通過調(diào)節(jié)沖擊頻率達(dá)到在不同地質(zhì)條件下鑿孔的最佳效果。鑿巖機(jī)上有一個(gè)減震器，降低了結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的反射。鑿巖機(jī)總重165kg，工作壓力20MPa，活塞沖程時(shí)系統(tǒng)流量為120L/min，沖擊功率15kW，鑿巖機(jī)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(dá)到內(nèi)徑51mm，成孔的最大直徑127mm。鑿巖機(jī)上增設(shè)了一個(gè)反沖活塞，轉(zhuǎn)釬部分可配用六種不同型號(hào)的馬達(dá)。這樣使BLHD165型鑿巖機(jī)的適用范圍很廣。
　　BLHD165在南非使用后效果非常好，Boart Longyear公司認(rèn)為這種鑿巖機(jī)一定能打開歐洲和北美市場(chǎng)。為了擴(kuò)大影響，過去的幾個(gè)月，他們的這種機(jī)型在許多產(chǎn)品博覽會(huì)上亮相。
　　值得注意的是，目前一些礦業(yè)公司從某個(gè)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(jī)配套在該鉆車上。礦業(yè)公司如有幾臺(tái)鑿巖機(jī)，使用后認(rèn)為滿意，就不會(huì)再選擇其他的產(chǎn)品。此外，這些礦須與鑿巖機(jī)生產(chǎn)商達(dá)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(shè)備。這方面的一個(gè)例子是Boart Longyear公司。它生產(chǎn)的鑿巖機(jī)被裝備在許多型號(hào)的鉆車上。BLHD165鑿巖機(jī)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(zhì)合金釬頭的種類，在通用的T6系列釬頭基礎(chǔ)上，計(jì)劃開發(fā)新型C1球齒釬頭系列。通過對(duì)釬頭尺寸結(jié)構(gòu)和沖洗孔布置形式進(jìn)行更加深入的研究，以提高球齒的性能，同時(shí)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(xiàng)技術(shù)原來是用于金剛石巖心鉆頭的。其原理是將WC－Co微粒擴(kuò)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(shí)對(duì)釬頭的韌性影響很小。在某些地質(zhì)條件下，抗磨損能力可提高60%，一個(gè)釬頭就能鑿出一個(gè)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(zhì)量。通常重復(fù)破碎占整個(gè)鑿孔消耗費(fèi)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(zhì)條件不同的隧道中，C1球齒釬頭進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)。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(shè)備

　　Sandvik公司推出的Wassara液壓鑿巖設(shè)備在加拿大的Louvicourt礦與普通氣動(dòng)鑿巖設(shè)備進(jìn)行了比較性試驗(yàn)。這是一次主要的改進(jìn)，因?yàn)檫@以前，該液壓鑿巖設(shè)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(yùn)用過。三個(gè)月的試驗(yàn)是由加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心、加拿大自然資源部和Louvicourt礦聯(lián)合主持完成的。此項(xiàng)活動(dòng)由G－Drill公司(Wassara鑿巖機(jī)的生產(chǎn)商)和一些對(duì)此感興趣的公司(如：Aur Resources，Cambior，Placer Dom，Hydro－Quebec)發(fā)起的。試驗(yàn)共進(jìn)行了6000m的鉆鑿，主要比較鑿巖機(jī)的生產(chǎn)效率，成孔的直線度，能耗，操作的舒適程度。試驗(yàn)表明，Wassara液壓設(shè)備在井下開采鑿巖中的應(yīng)用范圍較廣。