中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)研發(fā)的全液壓鑿巖設(shè)備在工程上的應(yīng)用

李硯耕,李毅,田巍

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074;2.金川集團(tuán)股份有限公司汽運(yùn)分公司,甘肅 金昌 737100)

1 前言

只有大力發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，才能自立于世界民族之林。真正的先進(jìn)技術(shù)是很難買到的?！爸袊?guó)制造2025”產(chǎn)業(yè)政策的頒布實(shí)施，正是我國(guó)政府高瞻遠(yuǎn)矚，從戰(zhàn)略層面出發(fā)，通過制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，促進(jìn)民族產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的高端，由制造業(yè)大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)，進(jìn)而健碩我國(guó)制造業(yè)體魄，實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興。

全液壓鑿巖機(jī)械設(shè)備是我國(guó)基本建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、能源建設(shè)大量使用的高效低耗、技術(shù)含量密集的高端工程設(shè)備。我國(guó)雖然從第一個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)五年計(jì)劃期間就開始了大規(guī)模的鑿巖設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)，但截止本世紀(jì)初，多以氣動(dòng)鑿巖設(shè)備為主，民族產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平普遍較低。雖然也研發(fā)了一些液壓鑿巖設(shè)備，但由于產(chǎn)品可靠性不高等原因，液壓設(shè)備作為鑿巖設(shè)備中的高端產(chǎn)品，工程部門主要依靠進(jìn)口。

從上世紀(jì)九十年代末，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)鑿巖機(jī)械研究所牽頭研發(fā)了多種液壓鑿巖機(jī)械產(chǎn)品，及時(shí)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。許多新產(chǎn)品的研發(fā)列入國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品、國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃項(xiàng)目。產(chǎn)品投放市場(chǎng)后，得到了施工部門的廣泛認(rèn)可，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其中多款產(chǎn)品榮獲省級(jí)、國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。如DZYG38B型液壓鑿巖機(jī)榮獲1992年國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)；CLJY12.2型全液壓履帶式掘進(jìn)鉆車榮獲1997年國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書。

2 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)概況

首先我國(guó)工程施工對(duì)液壓鑿巖設(shè)備的需求量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅我國(guó)土石方工程單位平均每年進(jìn)口的全液壓鑿巖機(jī)械設(shè)備就達(dá)450-500臺(tái)，石油勘探每年需進(jìn)口400臺(tái)以上。按我國(guó)目前基本建設(shè)狀況，尤其是交通、能源建設(shè)工程的開發(fā)情況，對(duì)液壓鑿巖設(shè)備需求量大幅增加，從而為液壓鑿巖設(shè)備的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。主要表現(xiàn)在：（1）國(guó)家公路規(guī)劃“五縱五橫”中，僅連接四川省境內(nèi)的”涪陵、萬縣、黔江”公路建設(shè)就達(dá)1700公里。這些公路工程需要穿山越嶺，隧道開挖量巨大，而這些隧道工程大多需要全液壓掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行施工。(2)鐵路建設(shè)“四縱四橫”路網(wǎng)骨架，隧道工程近百座。（3）水利水電建設(shè)工程除了要解決北方地區(qū)土壤沙化、抑制環(huán)境惡劣化趨勢(shì)外，還要建設(shè)奚洛渡電站、小灣電站、龍灘水電站等，大多數(shù)工程需要大量液壓鑿巖設(shè)備。

其次我國(guó)政府部門強(qiáng)力支持采用液壓鑿巖設(shè)備施工。近年來國(guó)務(wù)院、基本建設(shè)施工管理相關(guān)政府部門正式規(guī)定：凡是參加國(guó)家基本建設(shè)項(xiàng)目施工的單位，必須具備全液壓鑿巖機(jī)械設(shè)備。

第三，民族產(chǎn)業(yè)厚積薄發(fā)，逐步在嚴(yán)酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)地位。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上進(jìn)口的全液壓鑿巖設(shè)備主要是瑞典阿特拉斯、山特維克等著名跨國(guó)公司的產(chǎn)品。由于進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴、售后服務(wù)不及時(shí)、備件采購成本高等因素，嚴(yán)重影響了工程施工部門的正常施工進(jìn)度，削減了單位應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益。近年來我國(guó)研發(fā)的全液壓鑿巖設(shè)備，尤其是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）依托自身強(qiáng)大的科研團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的一系列高新技術(shù)產(chǎn)品，由于擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)產(chǎn)化程度高、生產(chǎn)成本低、市場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、維修服務(wù)及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了越來越多的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額，并逐步向中東地區(qū)、南美地區(qū)、以及俄羅斯、蒙古、朝鮮等地?cái)U(kuò)展。

下面就中國(guó)地質(zhì)大學(xué)研發(fā)的全液壓鑿巖裝備在采掘工程上的應(yīng)用情況，作較為詳盡的介紹。

3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）液壓鑿巖機(jī)類產(chǎn)品研發(fā)概況

液壓鑿巖機(jī)是全液壓鑿巖設(shè)備中的關(guān)鍵產(chǎn)品，可配用不同的底盤，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、露天、采礦等各種工況下的鑿巖施工。從上世紀(jì)90年代末，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）陸續(xù)研發(fā)了多款達(dá)到世界先進(jìn)樣機(jī)同等水平的DZ系列液壓鑿巖機(jī)。見圖1～圖6。

圖1 DZYG51型液壓鑿巖機(jī)

DZYG51重型液壓鑿巖機(jī)采用雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立回轉(zhuǎn)，與液壓鉆車配套使用，適用中硬和堅(jiān)硬巖石上鉆鑿任意方向炮孔，主要用于大孔徑鉆進(jìn)及露天鉆鑿作業(yè)，鉆孔直徑為φ89～φ152 mm。該機(jī)是一種高效節(jié)能、可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的新型鑿巖設(shè)備，穩(wěn)定工作指標(biāo)為6000 m累計(jì)進(jìn)尺不拆機(jī)檢修。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 DZYG51型液壓鑿巖機(jī)技術(shù)參數(shù)

DZYG45為中型液壓鑿巖機(jī)，采用液壓驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立回轉(zhuǎn)，與液壓鉆車配套使用，適于中硬和堅(jiān)硬巖石上鉆鑿任意方向炮孔，主要用于大孔徑鉆進(jìn)及露天鉆鑿作業(yè)，鉆孔直徑為φ65～φ125 mm。該機(jī)是一種高效節(jié)能，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的新型鑿巖設(shè)備。其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 DZYG45型液壓鑿巖機(jī)技術(shù)參數(shù)

DZYG38B液壓鑿巖機(jī)是采用液壓驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立回轉(zhuǎn)的鑿巖機(jī)，與液壓鉆車配套使用，適用于中硬和堅(jiān)硬巖石上鉆鑿任意方向炮孔。活塞行程和沖擊頻率可調(diào)，以適應(yīng)不同硬度的巖石，使用釬桿直徑38mm或45mm。主要用于深孔鉆進(jìn)及露天鑿巖作業(yè)，鉆孔直徑為φ42～φ102 mm。該機(jī)是一種高效節(jié)能、可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的新型鑿巖設(shè)備。穩(wěn)定工作指標(biāo)為累計(jì)進(jìn)尺6000 m不拆機(jī)維修。其主要技術(shù)參數(shù)見表3。

圖2 DZYG45型液壓鑿巖機(jī)

圖3 DZYG38B型全液壓鑿巖機(jī)

表3 DZYG38B型液壓鑿巖機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖4 DZYG38D全液壓鑿巖機(jī)

DZYG38D為中型液壓鑿巖機(jī)，采用液壓驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立回轉(zhuǎn)，與液壓鉆車配套使用，適于中硬和堅(jiān)硬巖石上鉆鑿任意方向炮孔，主要用于大孔徑鉆進(jìn)及露天鉆鑿作業(yè)，鉆孔直徑為φ65－φ125 mm。該機(jī)是一種高效節(jié)能，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的新型鑿巖設(shè)備。其主要技術(shù)參數(shù)見表4。

DZYG25型液壓鑿巖機(jī)是導(dǎo)軌式獨(dú)立回轉(zhuǎn)鑿巖機(jī)，該機(jī)與鉆車配套，用于中硬和堅(jiān)硬巖石上鉆鑿任意方向炮孔，輸出功率可調(diào)三檔。其主要技術(shù)參數(shù)見表5。

DZYG32型液壓鑿巖機(jī)與鉆車配套使用，適用于中硬和堅(jiān)硬巖石上鉆鑿炮孔。其主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表4 DZYG38D型液壓鑿巖機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖5 DZYG25型液壓鑿巖機(jī)

表5 DZYG25型液壓鑿巖機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 地下爆破工程用鉆鑿設(shè)備

中國(guó)（武漢）地質(zhì)大學(xué)研發(fā)了應(yīng)用于房柱采礦法、分段采礦法、無砥柱分段崩落法等地下爆破工程中使用的系列全液壓鉆車類產(chǎn)品。主要類型介紹如下。

圖6 DZYG32型液壓鑿巖機(jī)

表6 DZYG32型液壓鑿巖機(jī)技術(shù)參數(shù)

4.1 全液壓掘進(jìn)鉆車在房柱采礦法上的應(yīng)用

房柱采礦法采場(chǎng)及鑿巖設(shè)備布置，見圖7。

在地下大洞室開挖和房柱采礦法中的采場(chǎng)鉆孔可與平巷掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)采場(chǎng)的大小，選用不同規(guī)格的設(shè)備。詳見圖8、圖9、圖10、圖11、圖 12、圖 13、圖 14、圖 15、圖 16、圖 17、圖18、圖 19 、圖 20。

圖7 房柱采礦法采場(chǎng)及鑿巖設(shè)備布置示意圖

圖8 CTJY12.3液壓鑿巖鉆車

CTJY 12.3全液壓輪胎式三臂鑿巖鉆車是現(xiàn)代化鑿巖裝備。它配有三支重型液壓鉆臂，其中兩支鉆臂可整體升高2米，另一支鉆臂可向下打接桿鑿巖作業(yè)；配有液壓工作平臺(tái)，作業(yè)面積大，機(jī)械化程度高，適用于20-100 m2交通隧道、金屬礦山掘進(jìn)，地下洞室開挖等大斷面施工工程的掘進(jìn)工作。其主要技術(shù)參數(shù)見表7。

CLJY 12.2全液壓雙臂掘進(jìn)鉆車適用于箭筒隧道、礦山掘進(jìn)、地下洞室開挖等大斷面施工工程的掘進(jìn)工作。其主要技術(shù)參數(shù)見表8。

CTJY12.1輪胎式全液壓掘進(jìn)鉆車適用于交通隧道、礦山掘進(jìn)、地下洞室開挖等大斷面施工工程的掘進(jìn)工作。其主要技術(shù)參數(shù)見表9。

CTJY10.1A履帶式全液壓掘進(jìn)鉆車主要用于引水隧道、地質(zhì)勘探以及小斷面礦山掘進(jìn)，適用斷面為 1.8×1.8m2-3.5×3.5m2, 鉆孔直徑 38-64mm,鉆桿長(zhǎng)度為3050mm。其主要技術(shù)參數(shù)見表10。

4.2 全液壓鑿巖鉆車在分段采礦法上的應(yīng)用

對(duì)于垂直礦體或陡峭的礦體，采用分段回采法或高分段崩落法，其采場(chǎng)與鑿巖設(shè)備布置，如圖 13、圖 14、圖 15所示。

CTQ160型液壓鉆車適用于分段回采法，也適用于高分段崩落法，即VCR采礦法。最大鑿孔深度80m，最大孔徑φ165mm。如圖15所示。該鉆車的推進(jìn)器裝有雙液壓夾頭及卸鉆桿液壓扳手，具有拆卸鉆桿方便、快捷等特點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)見表11。

表7 CTJY12.3技術(shù)參數(shù)

圖9 CLJY12.2型掘進(jìn)鉆車

圖10 CTJY12.1型輪胎式鑿巖鉆車

4.3 全液壓鑿巖鉆車在無砥柱分段崩落法上的應(yīng)用

無砥柱分段崩落法用于陡峭傾斜的礦體，及帶有很大垂直高度的礦體。礦體與圍巖穩(wěn)定性的最低要求，就是分段崩落平巷必須是能自我支撐的，只需要一些臨時(shí)性的加固工作。其采場(chǎng)與鑿巖設(shè)備布置見圖16、圖17。

表8 CLJY12.2技術(shù)參數(shù)

表9 CTJY12.1技術(shù)參數(shù)

圖11 CTJY12.1鉆車在朝鮮鎂礦公司施工現(xiàn)場(chǎng)

圖12 CLJY10.1A型全液壓掘進(jìn)鉆車

表10 CLJY10.1A技術(shù)參數(shù)

CTCY12.1輕型全液壓采礦鉆車，是為適應(yīng)我國(guó)目前礦山常用的分段平巷斷面尺寸而設(shè)計(jì)的。它用于在斷面高度3.2m的巷道鉆鑿平行扇形炮孔。

圖13 分段回采法采場(chǎng)及鑿巖設(shè)備布置示意圖

圖14 高分段崩落法采場(chǎng)及鑿巖設(shè)備布置示意圖

圖15 用于高分段采礦法的CTQ160型液壓鑿巖鉆車

表11 CTQ160型液壓鉆車技術(shù)參數(shù)

4.4 模塊化全液壓鑿巖臺(tái)架在大斷面隧道開挖上的應(yīng)用

隨著隧道施工中對(duì)鑿巖進(jìn)度、人員勞動(dòng)保護(hù)的需求越來越高，中國(guó)工程院院士王夢(mèng)恕向李硯耕院士提出了新的設(shè)想，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）以此設(shè)想設(shè)計(jì)出了新型全液壓鑿巖臺(tái)架，見圖18。

4.5 正在研發(fā)中的智能化礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)

整個(gè)巷道開采過程中，操作人員只需要在巷道外操作計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出的無線電信號(hào)來控制鉆車在井下的工作，獲得較準(zhǔn)確的巷道開挖斷面，實(shí)現(xiàn)巷道的無人安全操作，減少對(duì)操作人員的身體傷害，真正實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”。見圖19。

圖16 無砥柱分段崩落法的采場(chǎng)與鑿巖設(shè)備布置示意圖

圖17 用于無砥柱分段崩落法的CTCY12.1輕型采礦鉆車

圖18 模塊化全液壓鑿巖臺(tái)架

表12 CTCY12.1技術(shù)參數(shù)

圖19 智能化礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖

圖20 露天礦采場(chǎng)和鑿巖設(shè)備布置示意圖

5 露天爆破工程用鉆鑿設(shè)備

在露天礦山，礦體局限于某一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，圍巖的剝離和礦體的開采都需要進(jìn)行爆破開挖。露天開采炮孔的布置，其孔徑、孔距和孔深，要根據(jù)需要破碎的礦石塊度大小、礦石堅(jiān)固性高低和炸藥類型而定。開采的分段高度范圍，一般限定 12～35米。孔徑φ64～φ145mm。在大孔徑（φ 110～φ380 mm）和20米以上深度時(shí)，多使用潛孔鉆或牙輪鉆。一般露天采可選用CLLY100、CLLY150、CLL142、CLLY-100E 等型號(hào)鉆車，見圖 21、圖 22、圖 23、圖 24、圖 25、圖 26、圖 27、圖28。

圖21 CLLY100型全液壓露天鉆車

表13 CLLY100技術(shù)參數(shù)

CLLY 100全液壓露天鉆車主要適用于各種巖石鉆鑿65-102毫米的炮孔，是水電、鐵路、交通、露天煤礦、采石場(chǎng)、國(guó)防及各種大型建筑工程的鑿巖設(shè)備。

圖22 CLLY100E型上車體可360°回轉(zhuǎn)的露天鉆車

表14 CLLY100E技術(shù)參數(shù)

CLLY 100E全液壓露天鉆車主要適用于各種巖石鉆鑿65-102毫米的炮孔，是水電、鐵路、交通、露天煤礦、采石場(chǎng)、國(guó)防及各種大型建筑工程的鑿巖設(shè)備。與CLLY100相比，該型號(hào)鉆機(jī)上車體可360°回轉(zhuǎn)，適用于工作范圍較窄的工況。

CLLY 115全液壓露天鉆車主要適用于露天礦山生產(chǎn)、水電站建設(shè)、建筑工程中的土石方開挖、采石場(chǎng)取料及邊坡處理等各項(xiàng)工作。

圖23 CLLY115型露天鉆車

圖24 CLLY115E型上車體可360°回轉(zhuǎn)的露天鉆車

表15 CLLY115技術(shù)參數(shù)

CLLY 115E全液壓露天鉆車主要適用于露天礦山生產(chǎn)、水電站建設(shè)、建筑工程中的土石方開挖、采石場(chǎng)取料及邊坡處理等各項(xiàng)工作。

CLLY 150全液壓露天鉆車適用于各種巖石鉆鑿89-152 mm的炮孔，是水電、鐵路、交通、露天礦山、采石場(chǎng)、國(guó)防及各種大型建筑工程的鑿巖設(shè)備。

表16 CLLY115E技術(shù)參數(shù)

表17 CLLY150技術(shù)參數(shù)

圖25 CLLY150型全液壓重型露天鑿巖鉆車

為工程兵某研究院設(shè)計(jì)制造的開挖反坦克壕專用的CLLY100J型全液壓鑿巖鉆車 （見圖26），該車重量輕，鑿巖速度快，便于運(yùn)輸。

6 深度采礦工程鉆鑿設(shè)備

根據(jù)國(guó)家深度采礦的要求，深部煤層(深埋一千米以下)采用在地下氣化成可燃?xì)怏w的方法輸送到地面供工業(yè)和民用。我們按照開采方法的需要設(shè)計(jì)了兩千米深井鉆機(jī)，該鉆機(jī)可運(yùn)用于頁巖氣和煤層氣的開采以及深水井的鉆鑿。技術(shù)參數(shù)見表18。

圖26 CLLY100J型全液壓鑿巖鉆車

圖27 深井鉆示意圖

圖28 水平井、叢式井示意圖

圖29 新設(shè)計(jì)的2000米深井鉆機(jī)

表18 2000米深井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

續(xù)表18 2000米深井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

7 地外采礦

與俄羅斯合作參與了太空開發(fā)的研究，承擔(dān)采樣器鉆鑿機(jī)構(gòu)的研制，對(duì)未來太空礦物原料勘采進(jìn)行了探討。圖30為與俄羅斯工程院合作開發(fā)的月球勘探取樣器，現(xiàn)參與火星勘探取樣器的研究。

圖30 俄羅斯發(fā)射的月球勘探采樣器

根據(jù)宋振騏院士、王安院士、何滿潮院士等提出的薄煤層、N00工法、采礦工藝，按宋振騏院士的指示，設(shè)計(jì)了智能錨桿/錨索切縫鉆機(jī)、錨網(wǎng)鉆機(jī)、通風(fēng)道鉆機(jī)、以及配套的薄煤層采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)采煤裝備的工業(yè)1.0和工業(yè)2.0。

圖31 在吉爾吉斯共和國(guó)和研究人員工作照

圖32 正在研制中的切頂卸壓、沿空自動(dòng)成巷無煤柱開采裝備

圖33 掛網(wǎng)與錨固同步鉆機(jī)

圖34 掛網(wǎng)與錨固同步鉆機(jī)

圖35 切頂切縫鉆機(jī)

圖36通風(fēng)洞的掘進(jìn)鉆機(jī)

切縫：為了定向形成頂板的斷裂，不破壞頂板，采用導(dǎo)向鉆頭實(shí)現(xiàn)頂板按預(yù)定的方向斷裂

8 結(jié)束語

未來的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)采掘工程裝備的3.0、4.0，進(jìn)一步研發(fā)深地、深海、深空的開采裝備?！鞍l(fā)展高科技裝備，自立于世界民族之林”是我國(guó)鑿巖機(jī)械行業(yè)一直不斷追求的目標(biāo)，我們要為之不懈努力，不懈奮斗。