[科普中国]-火力钻机

发展概况

1937年美国明尼苏达州地下矿山首次使用由氧—乙炔焰燃烧溶解矿岩的钻具，效果不佳；1947年出现以高温、高速和高动量联合作用的燃烧器，以剥落矿岩取代熔化矿岩；1948年制成第一台旋转式火力钻机，钻凿铁燧岩效果良好，在20世纪50～60年代成为美国、苏联和加拿大等国露天矿钻凿极硬铁燧岩的最主要机械。到70年代，被钻进效率高、适应性广的牙轮钻机所取代。

在采矿工业发达的国家中，使用火力钻机作为坚硬矿岩的穿孔设备之一，至今已有几十年的历史。火力钻机按其燃烧器所使用的氧化剂来源不同又分为氧气火钻和压气火钻。2

以煤油（或柴油）做燃烧剂，以氧气（纯氧）做氧化剂的氧气火钻早在五十年代初期就已用于露天矿山穿凿坚硬的含铁石英岩。美国胡穆包尔特铁矿1954年就全部使用JPM--1型氧气火钻。苏联南方采选公司1959年已采用氧气火钻。现在国外矿山定型使用的氧气火钻有JPM- 3， JPM-4 。早期生产的氧气火钻已被淘汰。

氧气火钻在坚硬的含铁石英岩开采中作过重大贡献，曾占绝对统治地位。但是氧气火钻存在着严重致命的缺点:

1、氧气消耗量极大。1967年美国最大的燃烧器每小时耗氧562公斤（相当标准氧气瓶66瓶），柴油164公斤。氧气占总穿孔成本一半左右。同时要求矿山建立制氧厂，氧气的运输使用复杂，生产管理不便。

2、氧气火钻对矿岩有一定的选择性，不能穿所有矿岩。由于氧气火钻本身存在的间题，加之近年来牙轮钻机及其钻头的迅速发展，因而使氧气火钻在含铁石英岩中穿孔比例逐渐下降。1964年以前，美国、加拿大的含铁石英岩中98%使用氧气火钻穿孔，到1968年比例已低于牙轮钻，但目前仍在许多矿山使用。目前美国、苏联在坚硬含铁石英岩中仍保持一定比例的氧气火钻，原因是在这类矿岩中，牙轮钻、潜孔钻现在的水平尚不能合适采用，以美国明塔克铁矿为例，原设计用火钻，但1967年投产全部改用牙轮钻，1968年四台牙钻，但1969年又增加一台火钻，在坚硬的铁迷岩中使用。

随着氧气火钻大量使用和它暴露出的严重问题，这就限制它的继续发展并逐渐为其它钻机所淘汰，但是热力穿孔又存在着许多优点，因此加拿大于59~60年对火钻穿孔时岩石的物理机械性质和其机械破碎性质进行研究发现：当温度870℃以下时岩石即破碎，而氧气火钻的温度高达2500℃，远远超过岩石破碎所需要的温度，而以压缩空气作氧化剂的压气火钻火焰温度是比较合适的（1600℃左右），它既保留了氧气火钻穿孔的特点，又大大地降低了穿孔成本。1960年12月加拿大林德公司设计了柴油消耗量为13.6公斤/时的压气小火钻，经过6个月的试验，使气流速度达到了音速。1962年初制造了中型压气火钻（柴油消耗45.4公斤/时），年底在克维别克和奥恩达里两露天矿进行试验，穿孔深度6米，取得了良好成绩。1963年该公司设计制造了JPAM-100大型压气火钻，柴油消耗114公斤/时。穿孔直径可由140毫米扩大到610毫米，孔深18米。1

工作原理氧化剂（纯氧、空气、二者混合物或硝酸）经旋流装置产生的涡流在燃烧器内与经喷嘴雾化的燃油混合燃烧，喷出高温（1600～3000℃）、高速（1100～1800m/s）火焰，使孔底岩石表面晶体骤然膨胀而剥落和破碎，燃烧尾流吹出岩碴，孔底露出新表面，从而不断形成炮孔（见下图）。以硝酸作氧化剂可使钻速提高3倍以上，但是排出的岩碴和烟雾对工作区内人员的健康有害。岩石的剥落性与矿岩的导热性和膨胀率成正比，与矿岩的抗压强度成反比。

分类按结构形式分为旋转式、悬挂式和手持式：

（1）旋转式火钻由钻具、钻架、燃料箱及泵送系统、履带行走底盘和操纵系统组成。工作机构钻具包括主钻杆、上端的电动旋转装置及接头、下端的加长钻杆、集流管、喷嘴、燃烧器和扩孔器。氧气、燃油和水用软管送至旋转接头，经主钻杆内的分立管道送至下端的燃烧器内。这种钻机钻凿的最小孔径为160mm。在铁燧岩和花岗岩中钻凿孔径为240mm的孔时，钻速分别为3.5～5m/h和6～18m/h，耗油量为136L/h。

（2）悬挂式火钻是在钢绳冲击钻机的钻架上用冲击钢绳悬吊火力钻具制成。钻管不旋转，每分钟上下振动45次，振幅108mm。在钻进过程中，借助重力下放钻具，保持钻头与孔底有适当距离。最小钻孔直径为127mm，最大深度可达67m。在铁燧岩和花岗岩中钻凿孔径为200mm的孔时，钻速分别为1.7～6m/h和6.7～10m/h。

（3）手持式火钻重9.5kg，钻具后部设有流量控制阀，在燃烧器端部装有可调挡板，保护钻工免受孔内喷出的气流和岩碴的伤害。可钻孔径为30～51mm，能从岩层上切下3～30m长、10m宽和64～76mm厚的板材。

应用特点火力钻机的主要优点是，在某些极硬而又磨蚀性强的岩石中，其钻孔速度比牙轮钻机高，而费用又比牙轮钻机低。另外，它还可进行扩孔作业，以形成多种形状的炮孔内腔，从而可把炸药集中装在最适当的部位，以改善爆破效果。在石英含量高的极坚硬岩石中，火钻的热应力作用发挥得最好。因此，美国一些开采铁燧石的矿山，多采用火钻，如明塔克铁矿年产铁燧石1500万吨，仅用4台JPM-4型火钻进行穿孔作业。但是，对于氧化矿物、裂隙发育的岩石以及粘土含量超过2—4%的岩石，火钻是难以胜任的。可见，钻孔费用高，适用岩性不广，是火钻的两个主要缺点。所以，随着其他钻孔技术的发展，火钻的利用范围逐渐缩小， 目前只有个别矿山仍在使用。3