干大明
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072)
摘 要：在交通不便地区进行水电工程坑探作业时，采用小型风动凿岩方式存在一定的问题和局限性，文章介绍了液压凿岩的适宜性、工作原理、使用特点和使用要求，及液压凿岩在某水电工程勘探的应用情况。
关键词：坑探;液压凿岩;地质；勘察
坑探工程是通过挖掘不同型式的坑道，以查明工程地质条件的一种技术手段。坑探工程能直观地揭露工程地质条件，更细致地描述岩土性质，对工程地质条件做出准确评价，是水电勘探的主要方法之一。
钻爆法是通过凿岩钻孔进行爆破开挖作业的方法。风动凿岩是钻爆法开挖最主要的凿岩方式，原理是以空气压缩机提供的高压空气作动力，通过高压风管输送至作业面，驱动风动凿岩机冲击回转进行钻孔作业。这种凿岩方式因其配套设备简单、灵活性强、维修方便等而被广泛采用。
水电工程的开发总是遵循先近后远和先易后难的规律的。随着水电站勘探工作逐步推进，作业区域条件越来越差，坑探工作所面临的挑战也越来越多，而首当其冲的就是设备的配置。受交通条件所限，不仅整件大中型坑探设备无法搬运，即便对其进行最大限度的拆解，也难以满足长途人工搬迁对最大重量的限制，应对之策是配用小型风动设备。长期的使用情况证明，作为权宜之计来应对一些零星项目尚可，而要作为重要水电工程勘探的主流设备，显然是无法胜任的。这也是目前坑探工作进度大幅下降的重要原因。
坑探设备的小型化、适宜性就成了水电工程坑探作业的重要课题之一。
通常的小型风动设备组合，是用4 m3柴油空压机供气YT-24风动凿岩机钻孔。4 m3空气压缩机的主要工作参数是供风量4 m3/min、供风压力0.5 MPa；YT-24风动凿岩机的主要工作参数是耗风量约3.0 m3/min、工作风压0.6 MPa左右。从理论数据来说，空压机供风量与凿岩机耗风量基本匹配，工作风压约低0.1 MPa,而实际情况远非如此，主要原因如下。
(1) 工艺性能缺陷
小型空压机不属于主流机型，生产企业在选材、制作工艺上都不会倾注太多精力，致使这类产品大多存在性能上先天不足，质量可靠性很难保证，使用时故障频发；此外，其传动方式基本上都采用皮带传动方式，与轴联动相比，功率的有效传递大打折扣，影响空压机的产气能力，实际结果均低于技术参数值。
(2) 作业条件制约
目前开展水电勘探工作区域多在海拔3 000 m左右的地区，大气压力强度、空气含氧量低于正常水平，从而导致燃油不能完全燃烧，影响内燃机功率输出，从而影响空压机效率。
(3) 输送管路影响
送风管路蜿蜒甚至曲折导致送风压力损失，接头也难免松动漏风造成风量流失，送风管路越长风压、风量损失越大。因此，在凿岩工作面的风量和风压远低于凿岩机正常工作的需要，导致凿岩机的冲击能量、冲击频率和扭矩等远低于正常水平，造成钻孔速度缓慢，凿岩效率低下等。
从以往的工程实际情况看，小型风动凿岩有效工作面深度一般不超过200 m，超出200 m后功效极为低下，平均单个工作面月进度不超过50 m。
除此之外，风动凿岩的噪声危害也是个长期未解决的问题。
液压凿岩机械是一种以高压液体为动力的新型凿岩设备，它是在风动凿岩机及液压传动机械的基础上发展起来的。国外在二十世纪六七十年代开始研发，中国在七八十年代开始研究，近年来已取得重大进展，已逐步在水电水利工程、矿山开采、交通工程等多个行业得到应用，是钻爆法凿岩技术的发展方向[1-3]。
液压凿岩的基本原理是以液压泵站提供高压油为动力，采用高压油管与凿岩机连接，通过配液机构的控制，利用高压油交替作用于活塞两端，达到往复冲击钎子和操纵液压支腿伸缩进行凿岩。
液压凿岩机械基本分为2种类型，一种是大型，采用机载式；一种是小型，采用支腿式。支腿式适宜于水电工程勘探等凿岩作业，由液压站、液压凿岩机和支腿组成，按液压站可同时配置凿岩机数量的不同，分为1站1机式和1站多机式，可根据不同开挖断面需要灵活配置。目前中国有多家液压凿岩机及配套系统生产企业，其中，乐清采矿机械厂生产的“荡山”牌支腿式液压凿岩机及配套系统，是目前最成熟的产品,获得《国家重点新产品》及《科技部创新基金》项目，处于行业领先水平。水电工程勘探可采用YYTZ-28液压凿岩机、液压支腿与Z-1或Z-2液压站进行配套，其主要技术参数见表1～3。
表1 YYTZ-28液压凿岩机性能参数表
外形尺寸/mm体质量/kg工作油压/MPa流量/L冲击频率/Hz600×170×1802817～1832～3555～60冲击能量/J转矩/(N．m)转速/(r·min-1)水压/MPa水量/(m3·min-1)55～6055～60250～3000．2～0．40．03
表2 YYTZ-28液压支腿性能参数表
体质量/kg长度/mm行程/mm内径/mm外径/mm12．514001200F40F46
表3 Z-1液压站性能参数表
型号外型尺寸/mm体质量/kg功率/kWZ-11100×600×80025011Z-21300×700×100043018
相关研究表明，对于同一岩石，在冲击能量一定时，每冲击1次所凿碎岩石的体积是相同的。在冲击频率达到某一临界频率(对应于最高凿岩速度的冲击频率6×105～8×105 Hz)之前，凿岩速度与冲击频率成正比。从凿岩机的技术参数来看，液压凿岩机的冲击能量与风动凿岩机相当，冲击频率接近风动凿岩机的2倍。也就可以认为，单位时间内在相同冲击能量下，液压凿岩比风动凿岩的冲击次数提高近2倍，理论上液压凿岩比风动凿岩速度更快。从国内使用液压凿岩机的相关工程资料显示，与冲击能量相近的风动凿岩机比，液压凿岩更节能、高效和环保。
液压凿岩机脱胎于风动凿岩机，二者的外形、几何尺寸、整机重量很接近，操作开关位置和操作方式等也基本相同，凡有风动凿岩机操作基础的凿岩工稍加培训便可较熟练使用，YYTZ-28液压凿岩机工作如图1所示。
图1 液压凿岩工作示意图
通过西藏某水电勘探现场对2种凿岩方式进行比较发现，液压凿岩方式具有以下显著特点。
(1) 液压凿岩机重量和外形尺寸与风动凿岩基本相同，操作方式相近，具备风动凿岩基本技能的凿岩工易于上手。
(2) 柔性液压支腿配以浮动装置，使凿岩平稳，钻速高于风动凿岩，且断钎时凿岩机无前冲安全隐患。
(3) 液压和气动机械的能效转换比不同，液压凿岩方式的总能耗约为风动凿岩方式的60%。
(4) 液压站比空压机搬迁更为便利。单机作业的Z-1液压站与4 m3空压机相比，液压站总重量约300 kg，单件最大重量约150 kg，4 m3空压机整机重量约700 kg，单件最大重量约300 kg。双机作业的Z-2液压站与10 m3空压机相比，液压站总重约450 kg，10 m3空压机整机重约1 900 kg。
(5) 内部结构相对简单、性能稳定，故障率低于风动凿岩机，维护和检修工作量小且更为方便。
(6) 液压凿岩机采用闭式回流，工作噪音约90 dB，明显低于风动凿岩。采用液压凿岩时，作业人员可在不停机的情况下进行语言沟通，既有利于人员间的相互协调配合，又大幅降低噪音对作业人员的伤害。
(7) 作业环境好。作业区域无油烟尘雾,空气质量改善、视线良好等。作业环境的改善不仅有利于凿岩作业，对凿岩工的劳动保护和职业健康也更为有利。
(8) 液压站紧随工作面跟进，凿岩机功效几乎不受工作面深度影响。
3.1 人员培训
液压凿岩方式与风动凿岩方式虽然有很多相似之处，但液压凿岩设备属高压、高频、高负载机器，相关零部件的精密程度、装配精度及技术要求均高于风动凿岩，必须对凿岩工、运转工和维修工等相关人员进行系统规范的培训，对液压凿岩机、液压支腿、液压站等的结构和工作原理有相应的了解和认识，除能正确和熟练地使用、修理和维护外，还必须有认真负责的态度。
3.2 使用注意事项
(1) 确保供电电源功率和电压、工作油位和油质、供水水压符合设备要求。
(2) 渗水严重地段，液压站上的电器部分应进行有效遮盖，防止发生电器故障和漏电事故。
(3) 压力油管的连接要分清高、低压，连接时要排空油管内空气，确认接头牢固到位，拆下油管后要对各接头部位进行有效防护，严防赃物带入；压力油管不允许缠绕、急弯，作业过程中防止砸扎、刺、磨等造成的油管损坏。
(4) 使用前先启动电机，确认电机转向正确。
(5) 开、停机前要先松开溢流阀开关释放压力。
在西藏地区某水电工程勘探项目现场，过去一直使用4 m3空压机配YT-24风动凿岩机进行平洞掘进凿岩作业，后来改用YYTZ-28液压凿岩机和配套的Z-1液压站，操作人员是经过2 d现场操作培训的凿岩工，在工作条件相同的情况下，使用小型风动凿岩，循环准备时间和凿岩时间5～6 h，采用液压凿岩机后，循环平均准备工作时间、凿岩时间3.5～4.5 h，比风动方式缩短约25%。此外，工作面噪声明显低于风动凿岩，工作面无水雾，凿岩工作强度也有所降低，凿岩工普遍持正面积极反应。
在设备投入上，液压凿岩机组与风动凿岩机组价格相当，在能耗上，液压凿岩机组的总能耗明显低于风动凿岩机，在配套设施上，液压凿岩方式从洞外接入电源，液压站紧随跟进工作，节省大量的管路购置、转运、架设、维护及后期拆除成本。总之液压凿岩比风动凿岩有更好的经济性。
通过对液压和小型风动凿岩方式特点的分析，并结合水电工程勘探现场使用情况进行综合比较，结果表明：在交通极为不便的野外勘探作业中，采用液压凿岩可有效克服小型风动凿岩所受到的制约，提高坑探工作效率、节能、环保。可为在类似条件下进行凿岩作业的设备配置提供参考和借鉴。
参考文献:
[1] 张天锡,魏伴云,陈庆寿.勘探掘进学:第1分册[M].北京:地质出版社，1981.
[2] 周志鸿,闫建辉,刘连华.支腿式液压凿岩机新进展[J].凿岩机械气动工具，2002(02):16-18.
[3] 姜达.现代矿山爆破新技术与现场安全操作务实全书[M].北京:矿业大学出版社，2005.
Adaptability of Hydraulic Rock Boring Technology in Pit Exploration Engineering of Hydropower Projects
GAN Daming
(Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)
Abstract: When the pit exploration operation of hydropower projects is performed where transportation is not convenient, the smaller-sized pneumatic rock boring mode is with issues and restriction. In the paper, adaptability, working principles, application features and requirements are introduced as well as application of the hydraulic rock boring in exploration of one hydropower project is described.Key words:pit exploration; hydraulic rock boring; geology; investigation
文章编号：1006-2610(2017)04-0107-03
收稿日期：2017-07-15
作者简介：干大明(1963- )，男，四川省成都市人，工程师，从事水电水利工程勘察、施工、管理和工程爆破设计等工作.
中图分类号：TU631;TV554
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.028
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