我国矿山凿岩设备现状及发展
我国矿山凿岩设备现状及发展(2009年第6期)

  
     China Mine Drilling Equipment Situation
           and Development

      中南大学机电工程学院 朱建新/ZHU Jianxin

1 我国矿山凿岩设备使用现状分析
目前我国大部分矿山开采机械化水平低,生产效率低,设备技术水平落后,能耗高,安全性差,存在事故隐患。矿山规模小,造成资源浪费,破坏环境。比如仍有很 多小矿山上还在采用人工打手风镐钻孔的作业方式,它钻孔直径小、深度浅,作业效率低、能耗高,粉尘大,噪音高、污染环境。工作条件恶劣,操作人员日晒雨 淋;震动大,易得白指病;粉尘大,易得矽肺病;噪音高,损害听力。由于严重损害操作人员身体健康,劳动强度大,并且存在很大的安全隐患。近期我国人力资源 成本大幅上涨及健康环保意识的提高,操作人员非常难聘请,有些地方也已明令禁止这种工作方式。还有一些中小型矿山因经济条件的制约,仍然使用六、七十年代 的国产设备,效率低、能耗高、可靠性差、操作人员劳动强度大、舒适性差、环境污染严重。只有少数资源条件较好、经济实力雄厚的国家重点矿山,大量使用国外 的先进设备,装备水平接近国外先进矿山。

2 国外技术发展现状和趋势
在一体化潜孔钻机和露天液压钻车的研究开发方面,国际上有几个企业走在行业的前列,它们分别是:阿特拉斯公司、山特维克公司、英格索兰公司、古河公司等。 其中阿特拉斯科普柯公司和山特维克公司生产的液压凿岩设备占全球产量一半以上。阿特拉斯科普柯公司研制生产的ROC850HCS型露天液压钻车配备该公司 第二代液压凿岩机Cop1550型,凿孔直径64~127mm,动力源采用功率为125KW的道依茨涡轮发动机,直接通过曲轴驱动四个液压泵;内置式XA 系列高压空压机,工作气压1.05MPa,供气量125L/s,在钻凿25m深的大孔时,能发挥有效的作用。独特的自动控制系统能自动记录扭矩值,当钎头 冲洗孔被堵塞,扭矩增大时,能自动使钻杆提起,以避免卡钻。新研制的倾斜度仪可调整钻孔方向,当推进器达到所需的角度时,传感器即发出信号到控制舱内的光 学二极管,标出刻度,既省时又准确。舒适、宽敞的操作室内设有照明、绝热隔音、防振、空调、通讯等设备。钻车既可自动控制,也可通过六个手柄进行人工控 制。山特维克公司研究生产的Herbert2000/4000型大型露天液压钻车分别安装HL2000/4000型液压凿岩机,前者凿孔直径 145~178mm,后者凿孔直径178~250mm,最大可达275mm。与同级回转和潜孔钻比较,凿速超过两倍,而每米能耗仅为40%。两种钻车的钻 臂均可倾斜300,最大900,凿孔深度单级为9.3m,双级为20m,遥控的钻杆装置可处理10.6m长的钻杆。大量的辅助设备包括自动深度指示器、控 制器、空调司机室、集尘器、交叉倾斜钻杆等。

3 目前我国技术现状
目前我国矿山生产使用的设备很多都是粗放型的,效率低,能耗高、安全性差。有些是模仿测绘国外产品,未掌握核心技术,现代新技术如检测技术、控制技术等未得到很好应用,无自主知识产权,不能出口。
长期以来,以中南大学、北京科技大学等为主的高校及相关科研院所一直在研究、推动我国凿岩机械的发展,并几乎与国外同步。1972年冶金工业部组织中南工 业大学与长沙矿冶研究院研制液压凿岩钻车和液压凿岩机,1980年我国第一台CGJ2Y型液压凿岩钻车和YYG80型液压凿岩机通过了冶金部的鉴定。随后 北京科技大学、中国煤炭科学院等十个单位参与这方面的研究工作,并开发出一系列产品。
中南大学在纯国产化液压凿岩设备研制中成果比较突出,除CGJ2Y钻车外,我国第一台用于实际生产的KZL120型露天液压钻车和配套的YYG250 重型液压凿岩机以及CGJS-2YB铁路隧道半断面钻车都由该校研制成功。并且早在86年就进行了学习再现式凿岩台车的实验室研究工作。值得指出的是,这 些成果不是照搬国外技术,不但在机构上有创新,而且形成了有特色的理论研究和设计方法。
我国几家凿岩企业为我国钻凿设备发展做出了一定的努力。但随着逐步市场化,这些企业因为体制上的原因,导致技术创新严重滞后,产品性能难以提升,高档次的 国产液压凿岩设备始终没能形成大气候。尤其在改革开放的现在,受进口产品的严重冲击,在众多的重点工程中,几乎是国外设备的一统天下。
湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学智能机械研究所有着长期合作的基础,在矿山机械研究方面有着深厚的技术底蕴,尤其是在公司董事长的带领下,务实创 新,取得了丰硕的成果。2003年,湖南山河智能机械股份有限公司在广泛调研、对比分析国外产品的基础上,立项开发SWDA165高性能一体化液压潜孔钻 机,填补我国空白,经工业化实用,产品性能达到国际先进水平。2004年,根据市场需要,又相继开发了以内燃为动力的SWDB165、SWDB120,迅 速开拓市场,在湖北、重庆、安徽等工程中使用。SWD系列一体化液压潜孔钻机现已小批量生产,并在多次招投标中,以优异的性价比获得用户的首肯。
SWD系列一体化液压潜孔钻机广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、水电建设、国防施工及土石方等露天工程的爆破孔钻凿。履带行走,钻具回转推进,钻架顶升 补偿,钻机调平都采用液压驱动。使用气压范围为1.05~2.5MPa,采用螺杆式空气压缩机输出的压缩空气为动力冲击凿岩和冲洗炮孔,配用干式层流除尘 器。钻具采用英格索兰高气压潜孔冲击器,钻凿孔径90~255毫米,深度为0~30米垂直或倾斜炮孔。SWD系列一体化液压潜孔钻机是目前我国最先进的一 体化液压潜孔钻机,具有高效的高气压潜孔钻进系统,便于高精度、高效率的爆破孔钻凿。国际化的采购、计算机优化设计以及功率匹配与负载适应系统的开发与应 用,实现了动力系统从动力—泵—负载全局功率匹配,有效降低了整机能耗,确保了整机最佳性能与高可靠性。
为提高潜孔钻机的市场竞争力,SWD系列一体化液压潜孔钻机设计采用国外最成熟、先进实用的液压系统技术,结合外国专家到厂实地操作、参与设计经多次改进 严格按我司工况量身定做的液压泵阀最大限度地满足了市场的需求;而所有液压元件包括泵、阀和马达油缸及胶管、接头全部采购国外知名厂家的优质产品。为系统 的稳定性、可靠性提供进一步的保证。
SWD系列一体化液压潜孔钻机设计中采用全新的设计理念,运用人性化模块化设计和机电液一体化设计、人机与自然相融合的原则,将产品的性能与可靠性、灵便性、舒适性、安全性、保障维护性等人机工程有机结合起来,设计与生产一流的产品。
SWD系列一体化液压潜孔钻机电力驱动的系统采用多台电动机同时带动,内燃机驱动的系统采用一大一小两台柴油机驱动,系统按工作时间及辅助工作时间1:1 计算,能耗降为单台柴油机驱动的60%。大大降低整机能耗。采用“标准化模块”的概念,这样就可以把能互换的标准模块用很多不同的方法组合,扩充设备的更 改,轻而易举地为特殊工程而特制机器,根据不同矿山的特殊工况,采用风压-风量-钻孔直径的不同组合,达到节能高效的目的。
目前中南大学和湖南山河智能机械股份有限公司研制的一体化液压潜孔钻机和露天液压钻车已小批量生产,在全国各地矿山中得到广泛使用,反映效果较好。现已有部分凿岩设备产品出口到俄罗斯、蒙古、非洲等地。

4 山河智能钻机的应用
山河公司产品SWDA165型一体化液压潜孔钻机一经推出就获得市场的好评,样机2003年在江西宜春钽铌矿880中段的采掘发挥了很好的作用。在不到一 个月已顺利钻进近3000m的进尺。与矿原有产品比较:初步估算工效提高近30倍。能耗减低原来的30%。现场实测凿岩效率0.4~1米/分钟。包括辅助 工作时间40分钟完成14米孔的钻凿。江西宜春钽铌矿在2004年1月再次订购一台SWDA165一体化液压潜孔钻机。
2003年10月华新水泥公司在阳新矿的招投标中,当时参加招投标的有英格索兰、阿特拉斯、古河及汤姆洛克,因山河公司生产刚开始,华新水泥公司在招标后 为可靠起见,选定了山河公司SWDB165机及国外进口机各一台,在与国外进口机在同一平台作业,两者相比,作业效率相当接近(同为每台班8个孔),每班 山河公司SWDB165机节油120升,在售后服务的有效性与及时性方面远优于进口机,同样因为一个配件出了问题,山河智能公司24小时解决问题,而国外 进口机42天后配件才到。基于以上对比情况华新水泥在2004年起又连续采购山河智能公司20台SWDB165液压潜孔钻机。
内蒙古包头大中铁矿使用的SWDB165A潜孔钻机,单根钻杆长8.5m,在钻孔时第一根杆用时10分钟左右,第二根杆用时12分钟左右,第三根杆用时 15分钟左右,包括接卸杆、吹炮孔等所有动作在内,一小时就钻直径180毫米,深26米的爆破孔一个。只钻一根杆时,一般每小时可钻3~4个孔,钻两根杆 时一般40分钟可钻一个孔,该机很好地满足了生产的要求。
对于我国存在大量页岩的地区,湖南山河智能机械股份有限公司开发的切削钻机是一种理想的钻凿设备。目前该钻机正在重庆某工地施工,成孔深度3.2米,单孔 成孔时间45s,具有机动灵活、作业效率高、操作舒适、运行成本低的优点,为用户带来了良好的效益。
湖南山河智能机械股份有限公司和中南大学开发的SWDS165航道钻机钻进速度0.5~0.8米/分钟,具有自动接卸钻杆、下套管、自动行走、驻车、防浪 涌等装置,极大地提高工作效率和降低操作人员的劳动强度,目前大量的航道钻机,在三峡库区清礁、长江航道清障、泉州航道加深发挥了巨大作用。
山河智能公司希望得到广大用户的支持,在使用过程提出宝贵的改进完善建议,并对产品做好及时保养与维护,这样才能互相促进,两方都取得很好的效益。山河智能公司在不断创新的同时进一步提高产品的可靠性,为广大用户提供性价比最优的设备。

5 今后我国凿岩设备发展重点与市场预测
贯彻落实科学发展观,建立“两型”社会;以降低能源消耗,提高生产效率,减少对环境的污染,提高可靠性、安全性,为矿产资源开采提供优质的设备。对矿山开 采凿岩设备的关键技术进行研究,解决目前国产设备存在生产效率低、能耗高、除尘效果差、可靠性低、性能不稳定等关键技术问题。开发拥有自主知识产权的矿山 凿岩设备,达到国际先进水平,并实施产业化,形成液压潜孔钻机和露天液压钻车规模化生产及应用。
目前我国矿山凿岩设备研制的重点任务:
(1)设计研制出露天凿岩设备高效节能的动力驱动系统;
(2)设计研制出性能稳定可靠的液压控制系统;
(3)研制出适合外部恶劣环境、抗干扰的控制监视系统;
(4)研制出液压潜孔钻机和液压露天钻车的原型样机,达到我国领先、国际先进水平;
(5)实现机电液一体化矿山凿岩设备产业化目标,占领我国露天凿岩设备市场,并打开国际市场;
(6)人才培养与基地建设。为矿山培养设备人才,造就一支科研队伍,加快国家“863”机器人产业化基地建设,建立矿山凿岩设备的研发基地,使矿山凿岩设备初具规模。
我国是一个快速发展中的多山国家,矿山、能源、水电、国防等基本建设领域中各种凿岩开采的工程量十分浩大,目前大型高性能现代凿岩钻孔设备几乎都是耗费大 量外汇进口。根据市场发展预测:化工原料和建筑材料是“十二五”期间发展的重点,这些矿山开发虽然总量增加有限,但是随着向规模化、集约化发展,主要是关 闭小水泥矿,发展大型石材矿山,都要提高机械化水平,需要对开采设备进行更新。在重点发展领域和重点产品中指出:要优先发展高气压和半液压的潜孔钻机和液 压钻车,以满足金属、水泥矿山推广大直径深孔采矿法的需求。并预测:凿岩机械在2010年达到100000台,其中大型钻机及钻车达到1000台左右。

6 我国凿岩设备产品开发与使用的几点建议
(1)从设计上重视产品的人性化与使用的安全性。进口钻机较为人性化设计,在操作舒适性,安全性方面较为周到,具有多种辅助机构使操作方便,劳动强度低。 所有产品都设计有急停拉线与控制传感器,能及时防止事故的发生及事故的扩大,防止人员的损伤及机器的损坏;并在机器上设计了各种安全使用标识;
(2)我国凿岩设备产品与进口产品相比还存在热平衡、油温过高、可靠性等问题。包括漏油、渗油现象等许多细节问题还有待得到更好处理;
(3)加强产品在使用保养与维护方面意识方面的提升。进口产品价格昂贵,备品、备件供货周期长,价格不菲,使用单位要求操作者严格按操作规程作业,违规者 将严厉惩罚,操作者一般也会严格按操作规程操作,并注意维修和保养,所以其使用起来故障少,故障一般在萌芽状态就得到了处理,防止了事故的进一步扩大,因 而使用寿命长,生产效率高。而国产工程机械价格相对来说价格就便宜得多,备品、配件供货也容易得到保证,所以使用单位对国产工程机械的使用要求就没有那么 严格,操作者也没有严格按操作规程操作,不注意维修与保养。对产品的使用性能产生较大的不良影响。
总之,我国凿岩设备随着设计的进一步完善,加上精益制造,维护和保养意识的强化,在性能价格比上赶超进口设备,并将完全取代进口,逐步实现批量出口。
(责任编辑:陈能诵)
高速凿岩机,选恒日科技

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