天井鉆機鉆導孔和擴孔參數的合理選擇

武楠楠，李自貴，楊天苗，王 瑋

（1．太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2．湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引言

天井鉆機適用于地下煤礦、通風井、下料井等工程井。隨著科學技術發展，地下煤礦向深部的發展，采礦方法不斷改變，天井鉆機的主要制造廠為了向更深部開采和更堅硬巖石的開采而制造了大扭矩大推拉力的天井鉆機。合理的工作參數是設計鉆機的主要根據，天井鉆機的主要工作參數包括轉速、鉆導孔時的軸壓和扭矩、擴孔時的擴孔拉力和扭矩等。本文主要探討了標準天井鉆機導孔、擴孔時的軸壓和扭矩，并得出其計算公式，為以后設計更先進更智能化的天井鉆機提供參考依據。

1 天井鉆機的鉆進參數選擇

1．1 導向孔鉆進工作原理

天井鉆機用于導向孔鉆進的刀頭型式一般是牙輪鉆頭，其工作原理與牙輪鉆機的工作原理基本相同，屬于旋轉沖擊式破碎巖石，鉆導向孔工作原理如圖1所示。軸壓力P和回轉扭矩Mn是通過鉆桿施加在鉆頭上的。在軸壓力P的作用下，牙輪的齒牙逐漸壓入巖石，當該力達到了巖石的抗壓強度時，巖石發生破碎。而在回轉扭矩Mn的作用下，牙輪在鉆孔的底部以n1的速度做滾動，從而產生剪切力，可以使破裂的巖石剝離巖面，且連續旋轉沖擊破碎巖石，形成鉆孔。

1．2 鉆導孔時合理軸壓的計算

天井鉆機的導向孔是用牙輪鉆頭進行鉆進的，其鉆孔過程與牙輪鉆機的工作過程相似，又因為天井鉆機的工作參數目前尚無專門的計算方法，通常天井鉆機鉆導向孔時候的工作參數是借鑒牙輪鉆機相關參數的計算方法來確定的。

圖1 鉆導向孔工作原理

鉆進時的軸壓是用于破碎巖石的軸向靜壓力，它是通過鉆具施加于孔底的。實踐證明，用于破碎巖石的力既不能過于小也不能過于大，而是有一個可以使巖石發生體積破碎的合理值。天井鉆機鉆導向孔時候的軸壓通常是按照式（1）確定，它是前蘇聯學者以直徑Φ214mm的鉆頭為標準進行大量的實驗而得到的。如果作用在巖石上的壓力超過巖石抗壓強度極限的30%～50%，巖石就能順利地從原巖體中被破碎下來。對于不同直徑的鉆頭，其軸壓力P（kN）和鉆頭直徑D1（mm）的經驗公式為：

其中：f為固性系數，f＝2～20；K0為經驗系數，K0＝1．3～1．5，一般取K0＝1．4；D0為實驗鉆頭直徑，D0＝214mm。

1．3 鉆導孔時回轉扭矩的計算分析

回轉機構輸出的功率主要用在牙輪滾動和滑動破碎巖石、克服鉆頭與孔底、鉆頭和鉆桿與孔壁的摩擦力以及克服鉆頭軸承的摩擦力上。然而這些因素都與巖石性質、鉆孔直徑、回轉速度、軸壓力、鉆頭的結構型式及新舊程度、孔底排渣狀況等有關。足夠的回轉力矩是保證鉆孔工作連續進行所必須的條件。回轉扭矩Mn（N·m）的計算方法如下：

其中：K為巖石特性系數，其值見表1。

表1 巖石特性系數K

上述計算軸壓和扭矩的公式，考慮了鉆進過程中的主要影響因素，如巖石性質、軸壓、孔徑等，但沒有反映鉆進過程中卡鉆、排渣等對回轉功率的影響。計算結果比實際選用數值小，只供設計時參考。

至此，天井鉆機鉆進時基本參數確定完畢。接下來需要確定的是擴孔時候的參數。

2 天井鉆機的擴孔參數選擇

2．1 擴孔工作原理

天井鉆機擴孔作業時，通常采用的擴孔刀盤是由多把滾刀構成的，其工作原理與用牙輪鉆頭鉆導向孔的工作原理類似，也是屬于旋轉沖擊式破碎巖石，擴孔工作原理如圖2所示。

軸拉力T和回轉扭矩Mk由鉆機通過鉆頭施加到刀盤的滾刀上。滾刀上的硬質合金齒在軸拉力的作用下壓入巖石，當接觸應力達到巖石的抗壓強度時，巖石破裂。在回轉扭矩Mk的作用下，滾刀在破巖面上以n2速度滾動，產生使破裂的巖石剝離巖面的剪切力，且連續旋轉沖擊破碎巖石，形成擴孔。

2．2 擴孔拉力的計算

擴孔拉力取決于刀具形式與數量、巖石特性以及跟隨刀具運動的重量等因素，擴孔拉力T（N）可由下式計算：

其中：m總為鉆桿重量與擴孔刀盤重量之和，kg；F推為刀具總推力，N。刀具總推力計算公式為：

其中：D2為鉆機的擴孔直徑，m；η為經驗系數，取2～4；F為每把球齒滾刀軸壓，一般取為70N～110N。

圖2 擴孔工作原理

為了驗證上述公式的合理性，本文搜集了世界上主流的天井鉆機的參數（見表2），通過對該數據分析計算，并通過計算機軟件對其擬合，得到了天井鉆機擴孔時拉力的計算公式：

T′＝A0＋A1cos（D2W）＋B1sin（D2W）＋A2·cos（2D2W）＋B2sin（2D2W ）＋A3·cos（3D2W ）＋B3·sin（3D2W）。 （5）………………………………其中：A0、A1、A2、A3、B1、B2、B3、W 均為擬合系數。經計算，擬合系數為：A0＝7 040，A1＝354．7，A2＝－633．1，A3＝－633．1，B1＝－5 699，B2＝－1 623，B3＝－447．3，W＝0．000 850 7。

表2 主流天井鉆機參數

參數擬合曲線見圖3。擬合后，經過對比可知，式（3）與式（5）所得出的結果很相近，因此，兩個式子都可以運用到實際計算中。

2．3 擴孔扭矩的計算

對于擴孔扭矩，在過去天井鉆機的設計中，一直都沒有可以借鑒的公式或者理論，都是沿用公式（2），這是很不合理的。因為天井鉆機擴孔與牙輪鉆孔不但工作過程不同，而且破碎機理也不同。本文通過對上述數據進行整理分析，發現扭矩和拉力的關系接近一條直線，故可以按照一元線性回歸方程來計算：

M′＝C＋HT 。

其中：C、H均為回歸方程的回歸系數。方程的求解過程從略。最后求得的回歸系數為：H＝0．048 11，C＝

14．999 33。因此有：

圖3 參數擬合曲線

3 結論

現代天井鉆機計算方法中沒有一套理論的計算方法可以運用，故我們通過對搜集到數據進行分析總結，并對其擬合得出了計算公式，經驗證基本可行。總之，我們對天井鉆機工作參數的合理選擇問題做了如上探討，但由于數據還不太多，實踐資料也有限，因此關于天井鉆機的工作參數和它們相互間的關系及其計算方法，今后仍需做大量的工作。

［1］ 苑忠國．采掘機械［M］．北京：冶金工業出版社，2009．

［2］ 徐小荷，余靜．巖石破碎學［M］．北京：煤炭工業出版社，1984．

［3］ 陳桂明．MATLAB數理統計［M］．北京：科學出版社，2002．

［4］ 何孝森．天井鉆機工作參數的合理選擇［J］．礦業研究與開發，1999，19（10）：24－26．