牙輪鉆機鉆孔能耗分析

張云鵬 馬志偉 武 旭

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北唐山063000;2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北唐山063000)

在礦山開采中，鉆孔能耗占礦山開采能耗的一大部分，鉆機的選型及實際工作狀況直接影響著后續工作的能耗和生產計劃［1］。在鉆孔作業中，影響其能量消耗的因素很多，其中包括所鉆巖層的地質條件、鉆進過程中的巖石性質、鉆孔的深度、鉆進效率等［2］。本研究通過對礦山正在使用的KY310A型牙輪鉆機、45R型牙輪鉆機和YZ55型牙輪鉆機的調研，結合地質條件和巖石性質進行了分析，得出了牙輪鉆機鉆孔能耗的一些規律，對礦山鉆孔節能降耗有一定的指導意義。

1 孔深與鉆孔能耗的關系

由文獻［3］知，隨鉆進深度的增加，可鉆性級值提高，這是導致機械鉆速降低、能耗增加的一個重要影響因素。某礦使用KY310A牙輪鉆機進行鉆孔，露天臺階高度為15 m，設計炮孔深度為17 m，鉆孔深度為17 m。根據鉆進過程中回轉電流、回轉速度、加壓電流、加壓速度、鉆進深度、鉆進時間、排渣風壓、控制風壓等一些列數據的記錄，結合各個工作電機的功率進行計算［4-5］，對采集到的數據進行處理分析，用matlab進行擬合，得出孔深與能耗的關系如下:

式中，E為延米耗電量，kWh/m;E'為累計耗電量，kWh;h為鉆孔深度，m;A，A'分別為與巖石性質有關系數，A=1.7～4.9，A'=0.86～2.26，不同鉆孔，鉆孔條件與巖石性質不同，取值不同，見表1。

表1 孔深與鉆孔能耗的關系Table1 The relationship of drilling depth and drilling energy consumption

鉆孔深度與能耗的關系如圖1所示。可知，牙輪鉆機在鉆進過程中，延米耗電量與鉆孔深度呈線性關系，而隨著鉆孔深度的增加累計耗電量呈指數關系增長。說明隨著鉆進深度的增加，圍巖對鉆桿的夾制力增強，巖石重復破碎消耗部分能量，排渣能耗也隨之增大。

圖1 鉆孔深度與能耗擬合關系曲線Fig.1 The curve fitting of drilling depth and drilling energy consumption

2 巖石堅固性系數與鉆孔能耗的關系

巖石的性質對鉆機的鉆進效率及能量消耗有很大的影響［6］。在不同的巖性條件下對45R型牙輪鉆機和YZ55型牙輪鉆機耗電量進行了統計，對巖石堅固性進行了現場測試，用matlab對所得數據進行處理與分析，得出了牙輪鉆機能耗與巖石堅固性系數呈線性關系:

式中，E(f)為延米耗電量，kWh/m;f為巖石堅固性系數;a，b為不同型號牙輪鉆機和鉆孔條件相關系數，如表2所示。

表2 巖石堅固性系數與鉆孔能耗的關系Table2 The relationship of Protodyakonov coefficient and drilling energy consum ption

圖2所示為45R型和YZ55型牙輪鉆機的擬合曲線。可知，兩型牙輪鉆機鉆孔延米能耗與巖石堅固性系數f呈線性關系。45R型牙輪鉆機的斜率稍大于YZ55型牙輪鉆機，說明隨著巖石堅固性系數增大，大孔徑牙輪鉆機能耗增速低。

圖2 巖石堅固性系數與延米耗電量關系曲線Fig.2 The curve fitting of Protodyakonov coefficient and drilling energy consum ption

3 鉆孔能耗與鉆孔速率的關系

鉆機的鉆孔速率等于鉆機每日進尺與工作時間之比。影響鉆機鉆進速率的主要因素有鉆機性能、鉆頭型式、孔徑、巖石堅固性系數等，此次統計計算的鉆進速率與鉆孔能耗為其平均值。露天臺階高度為15 m，設計炮孔深度為19 m，鉆孔深度為19.5 m，統計結果如表3和圖3所示。

表3 不同型號鉆機鉆孔能耗、鉆孔速率及巖石堅固性系數Table3 The drilling rate and energy consumption in the same Protodyakonov coefficient of different type drillings

圖3 鉆孔速率與延米耗電量關系曲線Fig.3 The curve fitting of drilling rate and drilling energy consumption

得到鉆孔速率與延米耗電量關系式:

式中，E(v)為延米耗電量，kWh/m;v為鉆孔速率，m/h;a1，b1，c為不同型號牙輪鉆機和鉆孔速率相關系數，如表4所示。

表4 45R型鉆機、YZ55型鉆機鉆孔速率與延米耗電量關系系數Table4 45R rig，YZ55 rig drilling rate and drilling energy consumption coefficient

由圖3可以看出，對于45R型牙輪鉆機，在巖石堅固性系數為10的情況下，當鉆孔速率為5.34 m/h，鉆機延米耗電量最少，但鉆孔時間相對增加，不利于工作效率的提高。45R型牙輪鉆機鉆孔速率在7～8 m/h時最適宜。對于YZ55型牙輪鉆機，在巖石堅固性系數為10的情況下，當鉆孔速率為12.3 m/h時，鉆機延米耗電量最少。此時鉆機鉆孔速率高，能量消耗少，故YZ55型牙輪鉆機鉆孔速率在12～14 m/h時最適宜。

4 鉆孔能耗與鉆孔孔徑的關系

調查了孔徑為250 mm的45R型和310 mm孔徑的YZ55型牙輪鉆機，鉆機孔徑之比為1.24。露天臺階高度為15 m，設計炮孔深度為18 m，鉆孔深度為18 m，孔網參數為分別為6.5 m×6.5 m和8 m×8 m，不同孔徑延米耗電量及爆破單位巖石鉆孔耗電量如表5和圖4所示。

表5 不同孔徑鉆機在相同巖石堅固性系數中鉆孔能耗Table5 The drilling energy consumption of different rigs drill in the same rock solid

圖4 不同孔徑鉆孔能耗與爆破單位巖量鉆孔能耗Fig.4 Drilling different pore volume of energy consumption and blasting rock drilling unit energy consumption

小孔徑鉆機延米鉆孔能耗小于大孔徑鉆機，而爆破單位巖量鉆孔能耗則是大孔徑鉆機遠小于小孔徑鉆機，而且隨著巖石堅固性系數增大，這種趨勢越明顯。

5 結論

通過對牙輪鉆機能耗的初步統計分析，可以得出粗淺的結論。牙輪鉆機鉆孔的延米耗電量與鉆孔深度、巖石堅固性系數成線性關系，與鉆孔速率成指數關系。不同的牙輪鉆機有其最適宜的鉆孔速率。不同孔徑的牙輪鉆機鉆孔延米耗電量不同，小直徑孔鉆孔延米耗電量明顯偏低，但對于爆破單位巖量的鉆孔耗電量而言，大孔徑炮孔鉆孔能耗遠小于小孔徑鉆孔能耗。

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