美国现有473座金属矿山，年产量大于15万吨的184座，其中地下开采的66座，露天开采的118座；年产量大于300万吨的51座，其中地下开采的只有6座、露天开采的45座。按矿石产量计算，地下开采的金属矿山只占12~13%。

为便于我国采矿工业瞄准美国、赶超世界先进水平，本文试就采掘作业主要环节所应用的凿岩和装运设备作一简要介绍。

一、地下矿山的凿岩设备

(一)普遍应用凿岩合车

美国地下金属矿山的掘进和回采工作，已普遍应用凿岩台车。从小型的轮轨非自行式到大型的内燃无轨式，型式多种多样，标准产品约有20种。近年来，趋向于发展2~3个钻臂、胶轮行走、内燃驱动的凿岩台车，配用高效凿岩机并力求实现凿岩过程的自动化。在平巷掘进中，一般钻凿平行掏槽炮孔，孔深多在2.5米以上。

美国生产凿岩台车的主要公司是:加德纳一丹佛(Gardner-Denver)，英格索尔一兰德(Inger soll-Rand)和乔伊(Joy)。

G-D公司既生产掘进台车也生产回采台车。掘进台车分为通用型、中型和小型三类。通用型采用内燃驱动、胶轮行走，可装配单臂、双臂或三臂，可兼用于掘进和回采作业，还可用来打放矿溜孔、锚杆孔或其他辅助作业。在中硬岩石条件下，每工班可钻凿487米炮孔。中型是双臂台车，也采用内燃驱动、胶轮行走，适用于中小断面巷道。小型可用于2x2米²小断面巷道的掘进，分为轨轮式、风动胶轮式和内燃胶轮式三种。G-D公司的回采台车是钻凿扇形炮孔的凿岩台车，风动胶轮式，可用于环形凿岩和分段崩落法、盘区崩落或梯段回采的凿岩作业。

I-R公司也生产掘进和回采台车。掘进台车的行走部分有轨轮、胶轮和履带等三种。配用的钻臂可以是单臂、双臂、三臂或多臂。而回采台车均风力驱动，履带或胶轮行走，可以钻凿环形孔、扇形孔或深孔。均采用螺杆式推进器。

Joy公司只是生产轨轮、胶轮或履带行走的掘进台车，有单臂、双臂、三臂或多臂等组合方式，风动或内燃驱动，机重自3.8吨至16.3吨。采用螺旋式或链式推进器，有效行程2.4~4.3米。

此外，G-D公司还生产一种微型双机台车，移动时机身可以折叠，能通过1.2x1.2米²的天井进入采场，可在4x5.5米²范围内打水平炮孔。

上述三个公司除系统生产凿岩台车外，还生产各种标准钻臂。针对具体使用条件,采用不同的钻臂、凿岩机和推进器，配以不同的行走底盘，就构成不同型号的凿岩台车，所以规格品种比较完善。在小断面有轨平巷中，可以应用非自行的轨轮式或自行轨轮式台车;而在大断面无轨平巷中，可以采用内燃驱动、铰接机身、胶轮行走、功率达100马力的大型台车。据说内燃台车配用的废气净化器及发动机，经美国矿业局鉴定，在矿用柴油机中每马力所需的通风量最小。

美国和其他一些国家，已把电子控制装置用在凿岩台车上，以逐步实现凿岩的半自动化或自动化操作。操作内容一般包括:自动校准、自动开钻、自动推进、自动停钻和自动退钎等。

岩台车的应用，不仅实现了凿岩作业的全盘机械化，而且扩大了中型和重型凿岩机的使用范围，逐步向凿岩作业自动化发展。随着凿岩机冲击功和扭矩的增加(或可调节)，自动化程度的提高，凿岩速度也大幅度提高。例如美国G-D公司的通用型台车，工效已超过480(米/工班)。

除美国外，瑞典、法国、英国和芬兰等国，也已系列生产和广泛应用凿岩台车。

(二)发展高效凿岩机

结构先进的凿岩台车必须配用高效凿岩机才能取得凿岩作业的高效率。近年来，美国正在积极发展独立回转式凿岩机和液压凿岩机，而且重视消音、除雾等方面的研究工作。

美国在发展高频、轻冲击功的常规风动凿岩机的同时，已生产多种型号的独立回转式凿岩机，配用在凿岩台车上。G-D公司1971年制成的VS40型，除具有独立的回转机构、能针对不同岩石条件调整转速之外，还可以通过变换配气盒与衬垫的位置，整定冲程为89、101、114毫米等三种(另一种同类型产品VS45M型，冲程可调整为76、89、101或114毫米四种)。对于软岩选用短冲程，以传递轻而快的冲击；对于硬岩则选用长冲程，提供重而慢的冲击。所以这种类型的独立回转式凿岩机，在提高凿速、延长钻具寿命方面，具有更大优越性，此外，VS40M型是同类型产品中机重最小的一种(净重74.8公斤)，并装有消音器、自动调节的水针压盖和自动钻进的遥控装置。

美国在1970年以后开始发展液压凿岩机，先是由I-R公司研制出HARDⅢ型，最近G-D公司也介绍了HPR-1型新产品。

I-R公司在1970年初生产VL140型无阀配气风动凿岩机基础上，研制HARDⅢ型液压凿岩机也采用了无阀结构。与国外同类型产品比较，HARD型具有以下特点:冲击频率高达9300(次/分)(其他产品一般1400~5000次/分)；最大扭矩19.5(公斤·米)(其他产品一般20~50公斤·米)；冲击功只有9(公斤·米)(其他产品多为15~35公斤·米)。可以看出，它是采用高频、轻冲击的方式工作，对钻具性能、材质无过高要求，能够在高凿速情况下，不影响钻具寿命。

G-D公司的HPR-I型液压凿岩机，与JII型钻臂和HFM型液压推进器配套，组装在该公司最新产品一一G-DⅢ型双机电液凿岩台车上，可用于地下矿山和隧道工程。孔径38~63.5毫米时，冲击频率和冲击功可在2500~4000(次/分)和17~27(公斤·米)范围内调整，每台凿岩机功率75马力。与同等规模的风动凿岩机相比，噪音级可以降低8~10分贝。在石灰岩中，孔经63.5毫米时凿速1.27(米/分)；孔经41毫米时凿速可达2.28(米/分)。

在凿岩设备消音方面，美国采取的主要措施是:风动凿岩机附设消音器，大型凿岩台车上设有隔音操纵室，生产各种护耳用具。轻型凿岩机工作时约发出100~120分贝噪音，美国把凿岩时的噪音标准限制在90分贝以下。由于消音问题并未妥善解决，使用护耳用具比较普遍。

(三)潜孔钻机和牙轮钻机引入井下

随着地下矿山开采强度的日益提高，露天矿使用的凿岩、装运设备逐步引人井下。如同大型卡车下井使地下矿山装运方式发生变革一样，以潜孔钻机和牙轮钻机凿岩、用大直径深孔进行梯段爆破，是近年来国外井下凿岩作业的一项重要发展。一般用100~200毫米直径的炮孔，取代过去从分段钻凿的小直径炮孔，可改善破碎效果、降低凿岩成本、减少采准工作量。在炮孔深61米时，偏离度可小于1%。

美国G-D、Joy和I-R公司的大孔径凿岩台车，都已在地下采场中应用。多用于钻凿下向炮孔，孔径100~165毫米，孔深24~52.5米，钻速一般3~4.5(米/小时)的条件下。

1973年美国肯努(Cannon)公司制成一种新型地下潜孔钻机，孔径85~200毫米，孔深在150米以内，而且能钻凿任意角度。采用胶轮行走、内燃或电力驱动，安装、移动都较方便。

美国罗宾斯(Robbins)公司最近生产的IID型井下牙轮钻机，标准孔径200毫米，最大孔深可达300米，可以钻各种角度炮孔，机重2270公斤。一些矿山已用于采场深孔凿岩或打各种辅助孔(如疏干孔、水砂充填溜放孔、电缆敷设孔、天井掘进的中心孔等)。

在美国梅拉梅克公司皮里奇铁矿的矿柱回采中，扇形炮孔使用回采台车，水平线以下的炮孔都使用潜孔钻机，孔径89~165毫米、孔深41米。自1972年开始就已使用风压高达14(公斤/厘米²)的潜孔钻机，现有13台。该矿使用潜孔钻机打出的炮孔，占回采矿柱炮孔总量的80%。

(四)液压冲击式破碎机

液压冲击式破碎机是欧洲和美国最早发展起来的，用于破碎大块度矿岩、撬顶和修整岩壁等工作。

美国I-R公司在凿岩台车的底座上改装液压破碎机，试验和生产了两种产品，冲击功分别为151.8(公斤·米)和441(公斤·米)。

Joy公司生产的206型液压破碎机，机重153公斤，冲击功138(公斤·米)。据介绍，206型的机重是同等级常规产品的三分之一。可用于井下撬顶和修整岩壁工作，也可用于路面修整或建筑行业。

Joy公司最近介绍了冲击功高达2764(公斤·米)的新产品一Joy514型液压破碎机，可用于露天和井下的硬岩二次破碎。据说与相同机重的产品相比，冲击功约提高七倍。由铰接的液压支臂操作，控制支臂上的五个油缸可以使机头快速准确地对准岩石。

艾姆科(Eimco)公司生产的液压破碎机，安装在Eimco625型侧卸式装岩机上，冲击功207(公斤·米)、冲击频率400(次/分)。可用于二次破碎或撬顶工作。

(五)探索新的岩石破碎方法

在岩石破碎新技术方面，美国已进行多年研究工作。虽然目前还不能与常规的凿岩爆破法相匹敌，但有的方法不断取得进展，有可能进人实用阶段。

1973年美国制造一种高压水枪，在临界压力21090(公斤/厘米²)条件下产生脉冲射流，每隔3秒钟喷射一束射流，每一次脉冲释放的能量为5528(公斤·米)。试验认为，临界压力必须相当于岩石抗压强度的十倍左右，才能有效地破碎岩石。双城研究中心，对一个铜矿进行了高压水射流凿岩试验，水压为15500~23250(公斤/厘米²)、水速达3200(米/秒)，喷嘴直径约7毫米。

美国威斯汀豪斯研究所，曾试用电子射线枪凿岩，在花岗岩、闪绿岩、砂岩、铁燧石和石灰岩中

美国威斯汀豪斯研究所，曾试用电子射线枪凿岩，在花岗岩、闪绿岩、砂岩、铁燧石和石灰岩中进行试验，据说取得了优于风动凿岩机的成绩。1968年美国国际物理研究所选定了所谓"弹击"方案。1973年报告了试验结果。用一架105毫米光膛炮，在中粒花岗闪长岩里打出了一段直径约4米，长7.83米的平硐。弹速为1525(米/秒)，每一发4.53公斤重的钢筋混凝土或钢制炮弹，平均可以打下1360公斤岩石。

在热力凿岩方面，美国洛斯一阿拉摩斯实验室，进一步发展了打深孔的"熔岩钻头"，钻头温度达华氏1800°以上，熔化花岗岩等坚硬岩石，熔岩可沿钻头外侧或内孔流出。直径915毫米以下的钻头采用电力加热，大直径钻头由专用的小型核反应堆供热。

除上述试验外，美国还进行了莱塞、核能等凿岩新技术的探索工作。

值得注意的是，1975年美国把高压水射流技术应用于巷道掘进机，在钻进硬岩巷道试验中取得了较好的效果。

巷道掘进机已成功地应用在美国软岩和中硬岩巷道，并于1967年6月钻进直径3.1米的均质页岩隧道时，创造出月进2088.95米世界纪录；但是在硬岩中的进展并不顺利。他们认为，掘进机刀盘上，每把刀所承受的压力，不宜超过2100(公斤/厘米²)，这样就限制了掘进机在硬岩巷道中的应用。1975年美国把高压力射流凿岩技术引用到掘进机上，在花岗岩巷道中进行了试验。将31个高压水射流喷嘴装在刀盘上，每个喷嘴的压力可达3920(公斤/厘米²)，在钻进直径2.13米的巷道时，每小时进人0.76米，约比常规刀盘的钻进速度高2~3倍。

二、井下装运设备概况

地下金属矿山的装载运输工作是最繁重的作业，所需劳动量约占采矿总工作量50%以上。所以，国外对于提高装运机械化水平十分重视，发展也较快。过去普遍使用的耙斗式装载机和轨轮式铲斗装岩机，使用范围日趋减小。各种内燃驱动的无轨装运设备不断出现，特别是铲运机和自卸卡车的迅速推广，使不少矿山的劳动生产率，在十年当中提高2倍。1976年，在世界各地下矿山和隧道工程中共应用内燃设备8675台(不包括煤矿)，其中美国和加拿大约占50%。

在国外地下矿山应用的装运设备中，美国和瑞典的产品占绝大多数。至1976年后，在世界各地下金属矿山应用的无轨装运卸设备约有6000台。其中，美国的瓦格纳(Wagner)、艾姆科(Eimco)、卡特皮勒(Caterpiller)和乔伊(Joy)公司以及瑞典的Atlas Copco公司等五家的产品，占总数97%以上。特别是瓦格纳公司的产品，几乎占总数的50%。

美国在中小断面巷道掘进中，多使用Eimco公司的铲斗后卸式装岩机(有轨轮、履带和胶轮三种行走方式)向矿车装载。Eimco824型采用实心轮胎，据说可以延长使用寿命。在欧州最大的铅锌矿一爱尔兰的塞尔沃(Silver)矿，曾应用Eimco824型和6吨矿车，进行巷道掘进的出碴工作。每2.5分钟可装满一车，每班三人作业，平均日进尺6.9米。

在大断面平巷、斜坡道或应用无轨设备的采场内，则使用蟹爪式装载机、前端式装载机配自卸卡车，或使用铲运机、装运机。

美国Joy公司生产的18HR，18HR2和19HR型蟹爪式装载机，在国内外得到了广泛应用。法国、西德、瑞典等国都有同类型仿制产品。瑞典基鲁纳铁矿在分段崩落法采场中，应用一台18HR2配用两台25吨自卸卡车，运距200米以内时，出矿效率达到1600~1800(吨/班)。

美国哥德布兰矿，应用一台Cat988型前端式装载机配用两台25吨自卸卡车，在8x5.5米²断面内装运，平均运距140米时，效率为700(吨/班)。1976年在世界最大的钼矿一美国汉德森矿井下，应用着Cat966型前端式装载机。

由于高效率凿岩和装运设备的普遍应用，美国在平巷掘进工效方面，较国外一般水平高2~3倍，达到12~15(米³/工班)，但低于瑞典(42米³/工班)居世界第二位；在井下工人劳动生产率方面，达到100~150(吨/工班)，超过瑞典、加拿大等国家，居世界首位。

(一)装运机和铲运机

这是六十年代以来迅速发展的装运设备，由于兼能完成装载、运输和卸载三项工作，又统称为装运卸机，国外简称为LHD。

早期由瑞典、美国首先发展起来的风动装运机，由于能源条件，运距和装运能力都受到限制，一般只生产小型的并在短距离内作业。所以近年来风动装运机的应用日渐减少。

内燃驱动的装运机，在美国应用已近20年。1958年在美国格兰德威锌矿曾使用牵引力为5吨的履带式拖拉机牵引铲斗和储矿仑，进行井下装运作业。这种早期的内燃装运卸设备，当时称之为基斯摩(Gismo)。后来才出现胶轮行走、液压操作的JoyTL50型装运机，这是世界上最早的一种内燃驱动的胶轮式装运机。

近年来，内燃一液压的装运机已形成系列，并向大型化发展，主要生产国家是美国、瑞典和法国等。

美国Joy公司生产的TL系列共有七种型号产品，最大规格的TL110型，斗容1.72米³、储矿仓8.36米³、柴油机190马力、机重20吨，采用铰接车体、前卸式卸载、四轮驱动(其余六种型号均为底卸式卸载)。TL110型可在2~2.5分种内装满，在30秒钟内卸完。

美国宾德-奥雷尔铅锌矿用房柱法开采，过去应用井下电铲和12吨卡车出矿。改用TL110型装运机后，降低成本30%。法国洛林铁矿区认为，TL110在运距500米时，装运效率可达500(吨/台班)。

把铲斗与储矿仓合一的铲运机，是结构上与前端式装载机相似的一种装运卸设备，现已在国外地下矿山巷道掘进和回采出矿中广泛应用。现代铲运机的共同特点是：长而低的铰接车体、四轮驱动、前进与后退具有相同车速。斗容自0.76米³至11.3米³，通常在相近机重情况下，斗容要比前端式装载机大50%。

美国的Wagner和Eimco是生产铲运机的主要公司。Wagner公司于1963年，在格兰德威锌矿试验了第一台ST-5型铲运机。十余年来已形成ST和MS两个产品系列、计28种型号，广泛用于世界各地。Eimco公司生产900系列、计13种型号产品，在国外应用的普遍性仅次于ST系列。据对国外119个无轨采矿矿山调查，在近千台铲运机中，ST系列产品占75%、900系列占21.2%。

铲运机适用于阶段崩落法、分段崩落法、空场法、房柱法和充填法等采场出矿作业，也适用于大断面平巷和斜坡道掘进出碴。在中短运距(一般不大于200米)时，可高效率完成装运卸综合作业；大运距情况下，主要作为装载设备，配合各种自卸卡车工作。铲运机出矿效率一般水平为400~600(吨/工班)，美国最高达到960(吨/工班)、台年效率为46万吨。

尽管国外的铲运机型号多达数十种，但结构上大同小异，应用最多的是ST-2型和ST-5型，二者各占使用总台数的38%。斗容分别为1.5米³、3.8米³，柴油机功率为76马力、195马力，机重为10.5吨、20吨。ST-2B型在运距45米时，台班效率330吨；ST-5A型在运距200米时，台班效率480吨。美国汉德森钼矿，1976年共应用22台铲运机，其中ST-5型14台、Eimco915型8台。

井下内燃装运设备的大量应用，除需变革开采系统外，还需妥善解决废气净化、工作面散热、设备维修和路面维护等问题。

在废气净化方面，国外多从设备本身和加大通风量两条途径着手。设备本身的措施包括选用高温运转、完全燃烧的柴油机和有效的净化器。例如ST系列的全部产品和900系列的多数产品，均选用Deutz型柴油机，由于排气温度高达300°以上，再经过DiesellerⅢ型氧化催化型净化器，可基本上消除除氮氧化物而外的有害成份。由于设备本身的净化效果还不理想，必须辅以加大巷道通风量的措施，美国一般按设备功率每马力2.5~2.8(米³/分)配置通风系统。

据说一台内燃装运设备所释放的热量，相当于五个房间的家庭一个冬季的取暖量。所以，为使工作面散热，也需加强巷道通风。

国外应用无轨内燃设备的矿山，多设有井下维修车间，进行小修和中修。铲运机一般100~120小时小修一次、1400~1500小时中修一次，约6000小时送地表大修一次，每台铲运机需配备维修人员2~4人。铲运机的设备完好率达95%，国外一般水平70~80%。

井下行驶路面的优劣直接影响设备效率和成本，而轮胎费约占铲运机全部运转费用的50%。平整、坚实的行驶路面，可以提高车速、延长轮胎寿命。铲运机轮胎寿命一般500~2000小时，美国达到3000小时。最近，法国介绍一种底板修整设备，1976年4月开始在法国矿山试用，可去除底板上凸起25厘米的岩石。采用电力驱动、胶轮行走、功率70~160千瓦，带有300米容量的电缆卷筒。据说每年可修整30公里行驶路面。

近年来，在铲运机的发展中出现了一定新情况一电力驱动引起人们的兴趣。Wagner公司继生产0.76米³小型电动铲运机之后，正在研制3.8~6.1米³的电动铲运机。Eimco公司将内燃驱动的911型改制为电力驱动。美国科罗拉多州的一个矿山，在井下装载空间受限制的回采作业中，使用0.7米³的电动铲运机，据说十分成功。1976年美国Pyot-Boone公司生产了新型的以蓄电池为能源的井下铲运机，已系列生产PB116-S、PB117-S、PB136-S型三种产品。这种情况表明，内燃装运设备在井下应用中的一一些问题，国外尚未彻底解决。

(二)自卸卡车

由于铲运机的载重系数小、比功率大，所以经济运距一般在200米之内，加大运距，装运效率明显下降。以ST系列铲运机为例，其载重系数(即有效载重与自重之比)一般为0.3 ~0.4，按总重计的比功率为5~6(马力/吨)。

井下自卸卡车的载重系数一般为1~1.5，按总重计的比功率为4~5(马力/吨)。在大运距情况下，采用连续式装载机配自动卡车的方案更为合理。如瑞典基鲁纳铁矿，运距200米以上时，应用蟹爪式装载机配用45吨自卸卡车，出矿效率达到2000(吨/班)。1972年加拿大一个矿山，掘进4.5x2.7米²、坡度20%的斜坡道时，用13吨自卸卡车与1.5³米铲运机配套，85天掘进1033米，平均日进尺12米。

国外应用较多的自卸卡车，是瑞典AB公司和美国Wagner公司的产品。五十年代末至六十年代初，他们的产品问世并开始应用，载重12~13吨；至六十年代中期，载重量达20~25吨，并与蟹爪装载机配用；近年来向大型化发展，载重量达到40~45吨。

Wagner公司生产MTT-F和MT系列自卸卡车，最大载重量40吨。采用四轮驱动、铰接车体、后翻卸载，都配用Deutz型柴油机。为降低卸载高度，Joy公司生产了带有液压推板的推卸式卡车。

瑞典基鲁纳自卸卡车结构比较先进，最大的K-500型载重45吨，自重25吨，装有两台250马力柴油机，空车时开动一台、重车时两台同时工作。既可减少废气排量，又可提高车速及牵引力。此外，均采用联合净化系统，包括催化净化器、废气冷却系统和水洗涤器，据说净化效果较好。

(三)主平巷运输

国外地下矿山主平巷运输仍以有轨为主，发展趋势是大型化和自动化。

机车以架线式、蓄电池式和架线一蓄电混合式居多，广泛采用9~25吨级，最大粘着重量达50吨。架线式电机车仍占优势，采用的直流电压级为250、300、500和600伏。柴油机驱动的内燃机车，在地下金属矿山尚未广泛应用。

主平巷运输用的矿车，一般是侧卸式或底卸式，最大容积达12米³，实际上多用中型矿车。

主平巷运输的机车和矿车，国外多采用瑞典的产品。美国汉德森钼矿一条长9.6英里的双轨巷道，是出矿用的主平巷，断面4.57x5米²、坡度3%，由六列车同时运送矿石。列车由瑞典Asea公司的45吨直流架线式电机车和12米³矿车组成，全部应用自动控制系统，每天可完成运输量达42000吨。