ZGYX460露天潜孔钻机在城门山铜矿的应用

陈先万，刘 武

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332000）

1 引言

城门山铜矿位于江西省九江市柴桑区赛城湖南岸，是一座以铜、硫为主，共生钼、铁、锌，伴生金、银等多种金属的大型露天矿山。矿区三面环湖，矿体赋存位置从平面看，部分矿体位于湖区，从垂向看，绝大部分矿体在侵蚀基准面（湖岸线：标高14m）以下。矿岩松软、破碎，地表水体发育、地下涌水量大，工程地质、水文地质条件复杂。随着矿山二期（7000t/d）生产规模的投产，矿山逐步朝着生产规模化、设备大型化发展。穿孔工序作为露天矿山开采的第一道工序，选择适应露天矿山穿孔作业的潜孔钻机势在必行。矿山于 2011年1月先后引进ZGYX460露天潜孔钻机［1-2］投入使用，目前矿山有4台该型号潜孔钻车。

2 ZGYX460露天潜孔钻机简介及其工作原理

2.1 ZGYX460露天潜孔钻机简介

城门山铜矿选用的是ZGYX460露天潜孔钻机，是由浙江志高机械有限公司经过长期的市场调研，结合国家各类工程施工特点，自行研发设计、自行制造的一种新型、高效、节能、环保、适用性强的凿岩钻孔设备。该钻车是由发动机驱动的液压动力站，带动各个液压马达及油缸来完成各项预定动作。该机配置的全液压回转头，为该公司自行设计生产，填补了国内在该领域的空白。ZGYX460高压一体式露天潜孔钻车多方位大角度钻臂功能，可在复杂地面上自由调整，达到预定孔位，完成钻孔作业。先进的履带自动张紧系统和自动调平系统，使得钻车能适应各种复杂路面的同时确保钻车行走时履带始终紧贴地面，大大提高了钻车行走可靠性及良好的越野性和爬坡能力。

2.2 ZGYX460露天潜孔钻机工作原理

ZGXY460高压一体式露天潜孔钻车冲击成孔工作原理主要有四个步骤，分别为冲击动作、推进动作、回转动作、洗孔动作。

图1 冲击

图 2 推进

图 3 回转

图4 洗孔

（1）冲击动作：通过钻头传递的冲击器冲击能量将钻头凿进岩石的过程。

（2）推进动作：推进动作是为了保持钻头始终紧压住被钻岩石，保证钻头与岩石保持紧密接触。

（3）回转动作：在下一个冲击动作之前使钻头转动到新的位置。

（4）洗孔排渣：清除钻孔中的岩硝，同时给钻具降温。

3 ZGYX460露天潜孔钻机在矿山的应用

城门山铜矿矿区矿物达70种以上，其中含铜矿物10余种，氧化－混合矿石中则以次生硫化铜矿物为主；硫矿物以含铜黄铁矿为主。矿石构造以块状、浸染状、细脉浸染状为主，大致分为褐铁矿、含铜黄铁矿、单硫、斑岩矿、辉铜矿，泥夹石、高粘土、风化岩且地下水丰富，破碎带区域多。岩石坚固性系数［4］f=6-15,岩石坚固性跨度大。露天台阶高度为12m，采场炮孔主要为下向垂直和下向倾斜两种, 炮孔直径为Φ152 mm, 炮孔深度一般为12～14 m。ZGYX460潜孔钻机在地质条件复杂区域穿孔过程中易造成卡钻、不成孔、塌孔现象，穿孔难度很大。多年来，针对不同矿岩类型、岩石坚固性系数、涌水等因素，对ZGYX460潜孔钻机的冲击压力、推进压力、回转压力之间的合理匹配及其参数进行正确设定,从而提高钻机的生产能力［3］。

3.1 ZGYX460潜孔钻机钻孔工作参数

ZGYX460潜孔钻机钻孔时，当钻孔条件发生变化时，其钻孔的参数也应及时进行调整以满足不同岩石和孔径对参数的需要。表2钻孔的基本压力。

图5 压力表面板

表1 ZGYX460潜孔钻机钻孔基本参数

3.2 ZGYX460潜孔钻机在不同矿岩钻孔工作参数的设定

潜孔钻机的工作参数［5-7］主要指钻具施于孔底的轴压力、钻具的回转速度、扭矩和排碴风量等。合理地选择这些参数，不仅能获得最优的钻孔效率还能延长钻具的使用寿命。合理的钻机工作参数与钻头直径、孔向、岩石坚固性、压气压力、冲击频率以及钻头结构型式等因素有关。根据多年的生产实践以及工作经验，对城门山铜矿花岗岩、石英斑岩、黄铁矿、铁矿石、砂岩等各类岩石坚固性系数的不同，采取了合理的钻孔工作参数设定,减少钻机卡钻现象的发生。

（1）合理的冲击压力。冲击器冲击活塞产生的冲击能量通过钻头传递到岩石上。较软的岩石通常需要较高的转速，较硬的岩石通常需要较低的转速。

（2）合理的推进压力。取决于风压的高低、回转速度、岩石的坚硬程度、钻孔的深度以及钻具的类型。在破碎岩层进行钻孔时，应选择较低的推进压力。

此外，可以通过“观现象”和“听声音”的方法来判断。观现象：推进过程平顺稳定（推进梁托架无跳动或抖动的现象）、钻杆旋转平稳（转速较稳定）、钻具的穿透率较稳定。听声音：冲击声音坚实沉闷（没有嗒嗒的异常声音和振动的声音出现）。

（3）合理的回转压力［5］。在冲击成孔的凿岩过程中，旋转的功能是改变每次冲击中钻头刃齿与岩石的接触位置。太低的旋转速度造成能量的损失，因为过低旋转使得钻头重复破碎岩石从而降低穿透率。这将使得钻头和钻硝互相研磨，而不是破碎岩石。过高的旋转速度导致钻头的快速磨损，因为此时岩石被旋转磨蚀而不是冲击破碎。同时过高的旋转速度还会造成钻具的螺纹连接过紧，使得钻杆的拆卸困难。各类岩石钻孔工作参数见表2。

表2 ZGYX460潜孔钻机不同矿岩钻孔工作参数

除以上合理参数设定外，合理的排碴风量，决定于在钻杆和孔壁之间的环形空间内有足够大的回风速度，以便及时地将孔底岩碴排出孔外。这个回风速度必须大于最大颗粒岩碴在孔内空气中的悬浮速度(即临界沉降速度)。实践表明：增大排碴风量，可以更有效地清除孔底岩碴，避免大颗粒岩碴的重复破碎，降低不必要的能量消耗，从而提高了钻进速度；增大排碴风量，能够有效地冷却钻头，并减少钻头的磨损，延长了钻头的使用寿命；此外，排碴干净，可以增加有效的孔深，减小超钻深度，提高了钻孔的利用率。

4 结语

从2010年至今，ZGYX460露天潜孔钻机在城门山铜矿生产实践结果表明:

（1）ZGYX460露天潜孔钻机适用于城门山铜矿褐铁矿、含铜黄铁矿、单硫、石英斑岩矿、辉铜矿，泥夹石、灰岩、风化岩等复杂地质及水文条件下的穿孔作业。

（2）自使用ZGYX460露天潜孔钻机以来，在2010年至2015年穿孔作业期间，ZGYX460露天潜孔钻机发生卡钻次数达110余次，平均每年有22余次；自开展ZGYX460露天潜孔钻机在复杂地质条件应用以来，2016年至2018年期间，卡钻仅出现15次，平均每年仅5次，减少了钻机卡钻次数，提高了穿孔效率。

（3）自ZGYX460露天潜孔钻机在城门山铜矿应用以来，穿孔合格率从2016年到2018年提升了10.91个百分点，确保了采矿作业爆破、铲装等后道工序的高效进行。

（4）ZGYX460露天潜孔钻机在城门山铜矿应用，针对矿山不同类型矿岩F系数，采取不同矿岩钻孔工作参数，形成了一套先进的穿孔操作法。