大型露天矿钻孔护孔机械装置研制

▊ 文/武 懋

传统露天矿钻机护孔工作由人工持手耙完成，工作过程中存在护孔效率低、护孔质量差等缺点。同时，护孔过程中，大量的岩尘危害工作人员职业健康。为了解决上述问题，特研制一种露天矿钻机护孔机械装置，该装置相比人工护孔具有护孔效率高、护孔质量优、抑制岩粉倒灌效果明显等优点，现场应用效益显著。

一、露天矿钻机护孔机械装置基本结构及工作原理

1.露天矿钻机护孔机械装置结构设计

露天矿钻机护孔机械装置由护孔堵头、护孔密封垫、护孔钻杆、护孔防土罩、护孔扇叶、护孔动力接口构成。露天矿钻机护孔机械装置结构如图1所示。

图1 护孔装置结构简图

（1）护孔堵头。其形状设计参考钻机钻头，其功能一方面是护孔机械装置下放至钻孔过程中，减少阻力；另一方面，是在护孔过程中，阻止岩粉倒灌至钻孔中。护孔堵头直径为23cm，采用榫卯结构和高强度钢固定在护孔钻杆上。护孔堵头与护孔钻杆间有一定的灵活度，主要为了防止在护孔过程中，护孔装置下放至钻孔中非垂直，动力装置运转时导致护孔堵头或者护孔钻杆损坏。

（2）护孔密封垫。采用螺栓紧固在护孔堵头上，其形状为圆形，侧面开出凹槽。其功能主要是在护孔过程中，防止岩粉倒灌至钻孔中。

（3）护孔钻杆。护孔钻杆是护孔装置的核心部件，作为通轴连接护孔装置其他部分。护孔钻杆的直径为18cm，采用高强度碳钢制成，能延长使用时间，可应用于大型露天矿长时间的护孔工作。

（4）护孔防土罩。主要功能是防止岩尘倒灌回钻孔中。采用可移动的设计方式，当护孔堵头下探至钻孔中，随着护孔钻杆的下沉，护孔防土罩会缓慢上移，将下落的岩尘阻挡在其顶部。当护孔钻杆开始旋转，滞留在护孔防土罩上方的岩土，由护孔扇叶逐步清除。

（5）护孔扇叶。采用高碳钢材料制作，同时采用激光焊接技术将其焊接在护孔钻杆上。其涡状设计可将钻孔周围的岩土按圆形轨迹逐步排开，实现以钻孔为中心，护孔扇叶为半径的圆形区域内岩土平整，且与钻孔水平；圆形区域外岩土堆落规则，高度高于圆形区域内部。

（6）护孔动力接口。其动力模式为液压驱动，动力源为一台轮式挖机。轮式挖机具有作业速度快、机动性能好、操作轻便、可更换不同的工作装置等优点，还可完成推土、起重、装卸其他物料的工作。

2.露天矿钻机护孔机械装置工作原理

护孔行走装置采用轮式挖机，通过灵活的行走、转向与调整动臂可以精确对准孔位，通过护孔堵头与护孔防土罩使护孔钻杆垂直于地面，实现护孔堵头中心与钻孔同心。

这时，开启挖机上的动力泵做匀速下降运动，同时开启动力泵液压进口，护孔叶片做匀速回转运动，做螺旋下降运动的工作扇叶片按照一定厚度的切片匀速下切，岩粉均匀向外流动，护孔扇叶将钻孔周围的岩土按圆形轨迹逐步排开，实现以钻孔为中心，护孔扇叶为半径的圆形区域内岩土平整，且与钻孔水平；圆形区域外岩土堆落规则为：高度高于圆形区域内部，岩粉形成环状挡水墙。

到清理岩粉见硬底时，关闭液压进口，这样就完成了一个钻孔的孔口岩粉护孔工作。无论做下降运动或者上提运动，护孔防尘垫和护孔防土罩都能有效阻止岩粉倒灌至钻孔中。

二、露天矿钻机护孔机械装置的优点

露天矿钻机护孔机械装置优点主要体现在提高护孔效率、减少粉尘对职工职业健康的危害、护孔质量标准化三个方面。

1.提高了护孔效率

当前，护孔职工采用手耙装置进行护孔，由于护孔劳动量大、工作环境恶劣，操作人员随着体力消耗，护孔效率和质量变得越来越差。而钻机护孔机械装置以B75S型挖机为动力单元，将护孔时长缩短为人工护孔时长的五分之一，远高于人工护孔效率。

2.减少粉尘对职工职业健康的危害

露天矿生产作业中，煤灰和岩粉是对职工职业健康危害较为严重的物质，护孔工人受其危害最重。为了避免粉尘对护孔工人的职业健康危害，护孔工人只能佩戴口罩进行防护。而采用新设备工艺后，护孔机械装置司机坐在驾驶室内，避免了与粉尘的近距离接触，减少了粉尘对职工职业健康的危害。

3.护孔质量标准化

人工持手耙的护孔质量无法实现标准化，护孔形状千奇百态。同时，岩粉倒灌情况十分严重，极度影响穿爆效果。穿爆进行考核主要考虑三个问题：爆破次危害、爆堆形状、根底率和大块率。岩粉倒灌严重，影响钻机穿孔孔底高程，在爆破时产生大量大块，台阶深孔爆破效果差。而护孔机械装置护孔的形状规范、标准，其采用的护孔防土罩可抑制岩粉倒灌，精准控制穿孔孔底高程和护孔质量，为优质爆破创造了条件。

三、实验结果

为了验证露天矿钻机护孔机械装置在实际生产中的可行性，以某露天煤矿1290平盘为试验地点进行试验，1290平盘共有钻孔500个（包含正孔和探孔）。人工护孔和机械装置护孔参数对比见表1。

表1 人工护孔与机械装置护孔参数对比

从表1各项实验参数中可以看出，露天矿钻机护孔机械装置无论从护孔质量还是护孔效率都要优于人工护孔。机械装置护孔的见岩率可达100%，而人工护孔的见岩率为80%；机械装置台阶高度是人工护孔的2倍；岩粉回流量是穿孔爆破的重要指标，人工护孔是50cm，而机械装置护孔是10cm，机械装置护孔指标更优；机械装置护孔的岩粉堆形态标准化，护孔质量要高于人工护孔，且护孔效率高。现场实验情况对比如图2所示。

图2 机械装置护孔和人工护孔对比

经济效益方面，护孔助手的时薪为45元/h，其完成500个护孔工作需要41.7h，共需支付1876.5元。而采用护孔装置其耗油量为5L/h，柴油价格按8元/L计算，其完成500个护孔工作需要8.3h，共需花费332元。机械装置每完成500个护孔工作相比人工可以节省1544.5元。按全队每月护孔30000个计算，每月可以节省92670元。

四、结语

露天矿钻机护孔机械装置作为露天开采的辅助设备，护孔效率高，护孔质量优，经济效益显著，且护孔工作装置可以抑制岩粉倒灌效果明显。同时，作业时应用本护孔装置可极大地减少粉尘对职工的职业危害。本装置的各方面性能均可以取代人工护孔作业，符合矿山“机械化减人”的发展趋势。