1 穿孔爆破金属露天矿采场内的矿岩，一般很难直接用采掘设备将它们从整体中分离出来，必须经过预先破碎。
破碎矿岩的手段，主要是借助于穿孔爆破工作。
部分经过破碎的矿岩，因破碎块度不符合要求，还需要进行二次破碎工作，以保证后序工艺的顺利进行。
此外，穿孔爆破方法、参数选择、爆堆形状和尺寸等，亦对采装、运输（尤其铁路运输）工作等产生很大影响。
因此，钻孔爆破工作通常是影响露天矿生产的一个重要工艺环节。
在露天矿生产过程中，穿孔爆破费用约占生产总费用的20~30％，对矿石的开采成本影响较大。
因此，不断改善穿孔爆破技术，加强穿孔爆破组织管理，提高穿孔爆破效率，为后序工艺创造良好的工作条件，对强化露天开采，降低矿石成本，提高露天开采的经济效益等，都具有重要的意义。
1.1 穿孔工作1.1.1 岩石的可钻性露天矿穿孔工作，就是在露天采场矿岩体中钻凿炮孔。
穿孔作业是繁重的，昂贵的生产过程，特别是在难钻和极难钻的坚硬岩石中更是如此。
穿孔效率取决于钻机的钻进速度，而钻速则受岩石可钻性的影响。
所谓岩石的可钻性，是指在钻具的作用下，岩石破碎的难易程变。
它主要取决于钻具的类型，同时还取决于岩石自身的物理力学特性等。
确定岩石的可钻牲，是为了合理选择和使用钻头，确定钻孔参数，为预测钻头寿命提供科学依据；同时还可作为选择穿孔设备、制定穿孔作业计划以及拟定穿孔定额指标的参考。
国内外有关部门，大都对岩石的可钻性进行了试验研究，并建立了岩石可钻性的分级指标。
影响岩石可钻性的岩石物理为学性质，有岩石的硬度、强度，韧性、塑性和磨蚀性等。
测定岩石的可钻性，苏联广泛采用史氏（JI.A.史列伊涅尔）岩石硬度测定分级法；美国德雷塞钻具公司采用莫利斯方法（即在静压试验中，当钻齿压力达到临界压力之前，钻齿对岩块的实际压入深度与临界压力之比，作为岩石可钻性指标）；我国矿山用普氏岩石坚固性系数进行岩石分组。
冶金部1980年6月鉴定通过的按凿碎功比耗确定岩石可钻性分级指标，适用于冲击式钻机。
苏联学者B.B.里热夫斯基用岩石的钻进难度相对指标ПZ做为岩石可钻性的物理力学基础，其值可用来确定在外力作用下岩石的相对阻力。
∏值时，考虑了以下几点：在确定z1）穿孔时，压力和剪切力具有决定的意义。
冲击式钻进时，岩石以压力破坏为主；回转式钻进时，岩石以剪切力破坏为主。
2）确定钻速时，岩体的裂隙度可忽略不计，只是在确定岩石坚固性时才考虑。
3）在穿孔过程中，只有及时排出孔内岩碴才能继续破坏岩石，所以在评价可钻性时，还必须考虑岩石的容重γ。
由此，岩石的可钻性指标ПZ值可用以下经验公式确定ПZ=0.7γ+0.007（σY+στ）/105（1-1）式中：σY、στ——分别为压应力和剪应力（大于相应的岩石抗压强度和抗剪强度），Pa；γ——岩石容重，kg/dm3。
∏值，按岩石可钻性分为5个等级，25个类别，即根据z∏=1~5），类别：1，2，3，4，5；Ⅰ级——易钻的（z∏=5.1~10），类别：6，7，8，9，l0；Ⅱ级——中等难钻的（z∏=10.1~15），类别：11，12，13，14，15；Ⅲ级——难钻的（z∏=15.1~20），类别：16，17，18，19，20；Ⅳ级——很难钻的（z∏= 20.1~25），类别：2l，22，23，24，25。
Ⅴ级——极难钻的（z∏>25时，属于级外，指标z对于具体的矿山地质条件，可参考指标ПZ来确定钻机的功率，参数和钻进速度的计算。
1.1.2 穿孔方法及其分类露天矿目前使用的穿孔方法，按钻进或能量利用方式，可分为机械穿孔和热力穿孔两大类。
除火力钻机为热力穿孔外，其它钻机均属于机械穿孔。
在机械穿孔中，有牙轮钻机、潜孔钻机、钢绳冲击式钻机以及凿岩台车之分。
目前国内外穿孔设备的发展趋势是，大型露天矿多以重型牙轮钻机（钻孔直径D ≥250~380m m ）为主要穿孔设备；中小型露天矿则多以轻型牙轮钻机和潜孔钻机（D ≤200mm ）为主。
火力钻机仅适用于极坚硬的铁燧岩类及石英岩类为主的露天矿，且穿孔成本较高。
表1-1为苏联英古列茨露天矿在f=18~20的磁铁石英岩中牙轮钻机与火力钻机的比较。
从表中可以看出，牙轮钻机已能够完全取代火力钻机，故目前国内外应用火力穿孔的露天矿不多。
这种钻机在我国露天矿（除煤矿外）其数量还不到钻机总量的15%，且早巳停止生产。
此外，化学穿孔、超声波穿孔以及高压水力穿孔等新型钻机尚在研制之中。
未来新型高效率钻机的出现，将对加速露天矿建设，打破长期穿孔爆破滞后于其它生产工艺的被动局面具有十分重要的意义。
1.1.3 牙轮钻机牙轮钻机是一种高效率的穿孔设备，它可以用于钻凿各种硬度的矿岩。
目前，国外大型露天矿大多以牙轮钻机作为主要穿孔设备。
自70年代以来，我国不少大型露天矿，采用进口或国产牙轮钻机进行穿孔作业，取得了显著的效果。
国内外的应用实践表明，牙轮钻机具有以下明显的优越性：穿孔效率：比潜孔钻机高2~3倍，比冲击式钻机高3~5倍；钻机作业率：比潜孔钻机高15~45%，比冲击式钻机高50~110%；工人劳动生产率：比潜孔钻机高2~3倍，比冲击式钻机高3~4倍；穿孔成本：比潜孔钻机低15~25%，比冲击式钻机低10~30%。
牙轮钻机的主要缺点是：机身重，设备昂贵。
在牙轮钻机的穿孔成本中，钻头费用约占40~50%。
因此，加强对钻头的研究，提高钻头质量，延长钻头的使用寿命，是进一步提高牙轮钻机穿孔效率，降低穿孔成本的重要途径。
牙轮钻机是通过回转机构带动钻头回转，借助加压机构给钻头施加轴向压力（一般约为300~600kN ），由这种动压和静压产生的应力使岩石破碎（剪碎或压碎），同时通过压缩空气冷却钻头并将孔底岩石碎屑吹出孔外以形成钻孔的机械。
因此，牙轮钻机的作业特征是钻头轴压力、回转速度以及排除岩碴和冷却钻头的压气消耗量之间的有机配合。
牙轮钻机的钻进速度可用以下经验公式近似计算：按里氏岩石可钻性分级其钻速为2195.5D Pn v z ∏= （1-2） 按普氏岩石坚固性系数分级其钻速为 1383.0fD Pn v = （1-3） 式中：v ——牙轮钻机的机械钻进速度，cm/min ；P ——轴压力，kN ；N ——钻头转速，r/min ；z ∏——岩石可钻性指标；f ——岩石坚固性系数；D 1——钻头直径，cm 。
式（1-2）和（1-3）中的计算值，仅能作为计算时的参考值，因为在上述两大的计算中，均未考虑岩石的韧性和磨蚀性，同时也由于岩层不均质、有节理以及钻进参数变化等影响而产生误差。
牙轮钻机台班生产能力为A6.0（1-4）η=vT式中：A——钻机台班生产能力，m/台·班；T——班工作时间，h；v——钻机机械钻速，cm/min；η——工作时间利用系数。
从总体看，影响于牙轮钻机生产能力的因素是钻速v和工作时间利用系数η，但从式（1-2）和（1-3）可知，钻速又和设备性能及岩石性质有关。
（1）轴压力P轴压力P与钻速v大致成正比，但却不是严格的线性关系，具体取决于钻头单位面积上的作用力P/F（F——钻头与岩石的接触面积）和岩石的抗压强度σY之间的关系。
从图1-1中轴压力P与钻速v的关系曲线可以看出：①当轴压力P很小，P/F大大低于σY时，岩石仅以表面磨蚀的方式破碎。
此时，轴压力P 与钻速v呈线性关系（图中ab段）。
②随着轴压力P的增加，虽然P/F还小于σY，但因钻头轮齿多次频繁冲击岩石，使岩石产生疲劳破坏，出现局部的体积破碎。
此时，钻速随轴压力P的m次方而变化，硬岩时1.25≤m≤2，软岩时m<3（图中bc段）。
图1-1 轴压力P与钻速v的关系③当轴压力P增大到P/F=σY后；岩石被压碎或剪碎而产生体积破碎，此时的穿孔速度快、钻头寿命高（图中cd段）。
④当轴压力P选到极限轴压力P k即达到d点后，钻头轮齿整个被压入岩石，牙轮体与岩石表面接触，即使再增大轴压力，钻速也不会再提高（图中de段）。
因而d点也就是牙轮钻机最大而有效的轴压力值。
轴压力大小的选取，主要根据岩石的物理力学性质，钻头承载能力和钻机的技术性能。
根据国内外实践经验，随着岩石性质的不同，加在每厘米钻头直径上的轴压力如表1-2所示。
表1-2 不同岩性条件下每厘米钻头所需合理轴压力值苏联学者里热夫斯基认为，随着钻头直径的增加，加在每厘米钻头直径上的轴压力亦应增加。
表1-3为里氏根据岩石的可钻性，列出了不同钻头直径所需的单位轴压力值。
表1-3 牙轮钻孔的单位轴压力（2）转速n从式（1-2）和（1-3）中可以看出，转速n和钻速v之间成正比关系。
其实，它们之间也不是一个简单的线性关系，如图1-2所示。
图1-2 转速n对钻速v的影响图中曲线1表示当轴压力P较小时转速n与钻速v的关系。
这时，由于轴压力不足，岩石受牙轮齿摩擦、刮削作用而疲劳破碎，随着转速n的增加，钻速v也相应加大，两者近似地呈直线关系。
图中曲线2表示轴压力P增大后，转速n与钻速v的关系。
此时岩石呈体积破碎，开始时随着转速n的增大钻速v也提高，但当超过极限转速n J后，钻速v却随转速n的增加而降低。
这是因为转速n太高时，轮齿与孔底岩石的作用时间太短（小于0.02~0.03s），未能充分发挥轮卤对岩石的压碎作用。
此外，由于转速n过高，也会加速钻头的磨损和钻机的震动，给穿孔工作带来不良影响。
实际生产中，对软岩常选用80~120r/min的转速，中硬岩石用60~100r/min，硬岩用50~80r/min，小于50r/min的转速，常在钻机开孔时使用。
图中曲线3表示轴压力P继续增大后转速n对钻速v的影响，其情况和曲线2相似。
从曲线1，2，3之间的关系可以看出，钻速v受轴压力P及转速n两者的综合影响，需要统筹考虑。
牙轮钻机在穿孔中存在两种工作制度，即①强制钻进。
即采用高轴压（300~600kN）和低转速（150r/min以内）；②高速钻进。
即采用低轴压（100~200kN）和高转速（300r/min）。
显然，无论从合理利用能量还是从提高钻头、钻机的使用寿命来衡量，高速钻进的工作制度有很大缺点，从图1-3钻速、钻头寿命与转速的关系曲线中可以看出，提高转速将是在牺牲钻头寿命的情况下提高穿孔速度的，这常常会导致单位穿孔费用的提高，特别是在钻头费用占穿孔总费用40%以上的硬岩中钻进更是如此。
基于上述原因，我国生产的牙轮钻机，正是沿着强制钻进这条途径发展的。
日前矿山使用的国产YZ型及KY型等中、重型牙轮钻机，其轴压力大都在300~550kN之间，而转速大多控制在100r/min以内。
图1-3 牙轮钻机钻速v 、钻头寿命s 和转速n 的关系曲线1-边度，2-钻头寿命（无润滑时）3-钻头寿命（有润滑时）（3）排碴风量Q式（1-2）和（1-3）是在及时排碴、没有重复破碎的前提下得出的。
为了彻底排碴，要求有足够的风量，使孔壁与钻杆之间的环形空间形成适宜的回风速度，从而对岩碴颗粒产生一定的升力以排除出孔。