排齒間距對鑲齒滾刀破巖效果影響試驗研究?

邵方源劉志強

（1.天地科技建井研究院，北京市朝陽區，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區，100013；3.煤礦深井建設技術國家工程實驗室，北京市朝陽區，100013）

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排齒間距對鑲齒滾刀破巖效果影響試驗研究?

邵方源1，2，3劉志強1，2，3

（1.天地科技建井研究院，北京市朝陽區，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區，100013；3.煤礦深井建設技術國家工程實驗室，北京市朝陽區，100013）

鑲齒滾刀的破巖效率是影響反井鉆機鉆進速度的關鍵因素，對反井鉆機在堅硬巖石中的破巖過程進行了研究，介紹了鑲齒滾刀的破巖機理，闡述了鑲齒滾刀的試驗設計及過程，最后對試驗現象進行了分析。通過對破巖數據的整理和分析，得出了巖石表面的平整度對鑲齒滾刀的單齒壓入效果有顯著影響，提出了針對此類巖石或同等硬度巖石破巖效率最高的多排鑲齒滾刀的排齒間距值。

反井鉆機 鑲齒滾刀 排齒間距 比能

我國反井鉆機采用鑲齒滾刀破巖，屬于機械破巖，這種非爆破式破巖方式具有對圍巖擾動較小、形成的孔壁光滑、施工安全以及工作效率高等特點，目前已應用于煤礦、金屬礦山、水電工程和交通工程等多個領域。反井鉆機施工過程中消耗的主要材料就是破巖滾刀，隨著反井鉆機應用領域的不斷擴大，遇到的地層地質巖層更加復雜，因此針對不同巖石條件下的高效和低能耗滾刀的研究越來越重要。

鑲齒滾刀的破巖效率是影響反井鉆機鉆進速度的關鍵因素，故高硬度巖石破巖滾刀的研制對于反井鉆機技術和裝備的發展具有重要意義。科學高效地應用反井鉆機進行破巖，降低施工成本，需要對滾刀破巖參數進行合理計算和分析，設計與典型地層巖石條件對應的滾刀，以減少刀具的磨損，降低破巖能耗，提高破巖效率。

1　破巖機理的分析

反井鉆機在鉆進過程中存在滾刀破巖效率低等問題，刀具與巖石相互作用關系尚不明確。反井鉆機在硬巖鉆機作業過程中采用的是多排鑲齒滾刀，因此合理的排齒間距是提高滾刀破巖效率的關鍵因素。為了合理地設計多排鑲齒滾刀的排齒間距，在反井鉆機破巖模擬試驗臺進行單排鑲齒模型滾刀模擬試驗。每完成一次切割后將滾刀上提，通過橫向移動試驗箱使滾刀移動到下一切割位置，試驗箱橫向移動的距離即為排齒間距，通過對比不同排齒間距下的破巖體積和能耗來確定最優的排齒間距。排齒間距示意圖如圖1所示。

圖1　排齒間距示意圖

圖1中B為排齒間距，h為侵入深度，當排齒間距過大時，中間有巖石不完全破碎，成脊背狀（圖1（a））；當排齒間距過小時，雖可以保證排齒間巖石破碎，但其破碎量并不一定是最大的（圖1（c））；圖1（b）并不常見，通常破巖漏斗是光滑相交的（圖1（b）中虛線所示）。

巖石破碎主要靠工具滾動產生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的。在參數計算中主要以推力為主，因為它決定了扭矩（滾動力），在功率計算和能耗計算中，扭矩是重要部分，因為它占破碎功的主要部分。Teale R 1965年提出用比能參數來衡量破巖效率和效果，并將比能定義為：破碎單位體積巖石所消耗的能量。由于滾刀破巖過程極其復雜，研究破巖機理需要將力學模型簡化，得到如下滾刀破巖的比能計算公式：

式中：Wf——法向力做的功，J；

Wg——滾動力做功，J；

Ff——滾刀受到的平均法向力，k N；

Fg——滾刀受到的平均滾動力，k N；

hi——侵入深度，mm；

s——滾刀的破巖軌跡（0＜s＜l），mm；

V——破巖體積，cm3。

在滾刀滾動的過程中，由于滾刀刀齒交替作用在巖石上，滾刀的軸心上下往復振動，使得侵入深度hi在破巖過程中不斷變化，所以應將每次侵入所做的功進行加和。破巖體積通過破巖質量與巖石密度之比求得，在滾刀破巖的過程中，法向力作用下所做的破巖功遠小于滾動力作用下的破巖功，因此可以將其忽略，最后破巖比能公式簡化為式（2）：

2　試驗設計及過程

2.1 模擬試驗臺

滾刀模擬試驗臺的結構采用立式龍門架結構，可以有效減小整個加載系統的體積和重量。試驗箱內部空間長×寬×高為1500 mm×500 mm× 300 mm，采用拼裝結構既可以方便拆卸，也可以反復進行試驗使用。試驗過程中滾刀位置不動，豎向加載油缸向滾刀施加代替鉆壓的法向力，試驗箱通過水平加載油缸推動進行移動，帶動滾刀旋轉完成破巖。采用液壓推進可以實現恒壓或恒速的推進控制，采用直流電源的供橋方式和直接測量放大器，從而構成應變測量系統，對法向力、扭矩、轉速、位移、刀具受力等多個參數進行測量并實時保存到計算機上，實驗結束后可拷貝數據進行處理和分析。反井鉆機滾刀破巖模擬試驗臺結構示意圖如圖2所示。

圖2　反井鉆機滾刀破巖模擬試驗臺結構示意圖

2.2 試驗試件

本次試驗所用的巖石試件取自山西大理巖，在進行滾壓破巖試驗研究之前，通過取芯并試驗測得此巖石試件的密度為2.60 g/cm3，單軸抗壓強度為251.4 MPa，經過切削使之符合試驗箱的要求，其長×寬×高為1200 mm×400 mm×200 mm，用水泥砂漿將其固定在試驗箱內。在試驗過程中，計算機可以采集法向力-時間、滾動力-時間以及位移-時間等曲線。

2.3 試驗設計與過程

巖石試件表面經過打磨后比較平整且未經滾刀切削稱為平整巖面（簡稱平整面），而經過滾刀切削且在巖石表面形成刀齒切槽稱為非平整巖面（簡稱切槽面）。試驗中以法向力為自變量逐級加載，水平油缸推進的速度和行程保持不變，分別是60 mm/min和950 mm，滾刀在兩種不同平整度的巖石表面先后進行破巖試驗，之后經過切削處理使巖石表面形成與反井鉆機實際工況相同的切槽面，進行不同排齒間距的破巖試驗。

實際施工過程中由于每兩把滾刀嚙合進行破巖，所以破巖軌跡將在原滾刀排齒間距的基礎上縮減一半，例如實際多排齒滾刀的排齒間距為32 mm，則兩把滾刀嚙合破巖后，在巖石上的破巖軌跡間距為16 mm。試驗中單排齒的鑲齒直徑為16 mm，為保證無重復破碎，單排鑲齒滾刀試驗時最小的排齒間距為16 mm，本試驗中排齒間距按照直徑的1倍、1.5倍、2倍（即16 mm、24 mm、32 mm）間距分別進行試驗，其示意圖如圖3所示。

圖3　鑲齒滾刀在巖石表面的破巖軌跡示意圖

試驗開始在未經切削的光滑平整面進行單齒壓入試驗，根據滾刀在不同壓力作用下的壓入壓痕情況，初步判斷出破巖效果明顯的法向力，對巖石表面進行滾壓處理，使鑲齒滾刀在與反井鉆機實際工況相同的切槽面，在排齒間距16 mm、24 mm和32 mm的條件下，分別進行法向力20 k N、25 k N、30 k N、35 k N、40 k N的滾壓試驗，每次切割試驗完成后，收集破碎下來的巖屑并稱重。

3　試驗現象及分析

3.1 試驗現象及分析

（1）平整面上的單齒壓入試驗。當法向力Ff≤20 k N時，巖石表面只有壓痕產生；當法向力20 k N＜Ff≤45 k N，巖石表面有微小“坑”產生；當法向力45 k N＜Ff≤50 k N，巖石表面有巖屑崩裂產生。

（2）切槽面上的單齒壓入試驗。當法向力Ff≥10 k N時，巖石表面開始有張裂和崩裂現象產生。

通過以上描述可知，巖石表面經過滾壓多次以后，其自由面數目增多，當受相同法向力的作用時，切槽面的壓入效果更為顯著。

3.2 試驗數據處理及分析

按照公式（2），對已形成一系列切槽的巖石滾壓過程所得數據進行整理，計算得出不同平均法向力和排齒間距的破巖比能曲線如圖4所示。

圖4　不同排齒間距下比能隨法向力變化曲線

由圖4可以看出，在切槽面3種排齒間距下，比能隨法向力的變化趨勢基本一致，呈“V”型。其中單排齒試驗排齒間距為24 mm時，當Ff＜35 k N時，比能基本隨著法向力的增大而降低；當Ff≥35 k N時，比能值開始隨著法向力的增大而升高，即比能最低點Ff=35 k N。當排齒間距為16 mm和32 mm時，比能值最低點對應的法向力分別是35 k N和34 k N。

在相同排齒間距作用下，鑲齒滾刀破巖比能隨著平均法向力的增加而減小，這是因為鑲齒滾刀隨著法向力的增大，滾刀切入巖石的深度增加，破巖的體積相應增大，破巖效率提高，破巖比能下降。當法向力達到一定數值時，如果繼續增加法向力，會使滾刀下側產生更多密實核或向巖石內部擴展無效裂紋，此時雖消耗能量但并不增加破巖體積，故破巖比能隨著法向力的增大而增加。

在相同法向力作用下，破巖比能由低到高的破巖軌跡間距分別是24 mm、16 mm和32 mm（即設計對應多排齒的排齒間距為48 mm、32 mm和64 mm）。從曲線變化趨勢可以得出，試驗排齒間距為16 mm時，嚙合破巖過程中排齒間巖石破碎比較充分，與排齒間距24 mm相比破巖量小且比能大，接近圖1（c）情況；試驗排齒間距為32 mm時，破巖過程中排齒間距過大，破巖過程中形成的裂紋未能充分擴展和貫通，與另外兩種排齒間距相比其破巖量小且比能大，接近圖1（a）情況；試驗排齒間距為24 mm時，在兩次破巖軌跡間更容易形成裂紋并貫通形成巖片，接近圖1（b）所示虛線情況。

3　結語

在外加法向力相同條件下，巖石表面的平整度對滾刀單齒壓入效果影響顯著。當巖石表面有切槽（即自由面較多）時，滾刀壓入過程中有明顯巖片產生；而在表面平整（即自由面的數目少）時，滾刀壓入過程中只有壓痕和少量巖屑。根據破巖效率試驗研究得出，當試驗單排齒間距為24 mm時破巖效率最高，由于實際工程為兩把滾刀相互嚙合進行破巖，故每把多排齒的間距應為48 mm，該參數對多排齒設計具有重要的參考價值。

［1］ 劉志強.大直徑反井鉆機關鍵技術研究［D］.北京：北京科技大學，2015

［2］ 武士杰.反井鉆機鎬形鑲齒滾刀破巖效果的研究［D］.北京：煤科總院建井研究所，2007

［3］ 劉志強.機械井筒鉆進技術發展及展望［J］.煤炭學報，2013（7）

［4］ 荊國業，劉志強，武士杰.豎井鉆機楔齒滾刀失效初探［J］.煤炭科學技術，2011（10）

［5］ 涂興子，郭春生，李海洋.首山一礦巖巷綜掘快速成巷工藝系統優化及應用［J］.中國煤炭，2015 （4）

［6］ 楊迎新，李斌，吳澤兵.單齒靜壓入實驗破碎坑的數據處理及幾何建模［J］.巖石力學與工程學報，2000（5）

［7］ 李恩濤，武士杰，程守業等.反井鉆井硬巖滾刀研制與開發［J］.煤礦機械，2007（10）

［8］ 武士杰，李恩濤等.反井鉆井鎬形鑲齒滾刀破巖試驗研究［J］.煤炭工程，2008（1）

［9］ 龔秋明，何冠文，趙曉豹等.掘進機刀盤滾刀間距對北山花崗巖效率的影響實驗研究［J］.巖土工程學報，2015（1）

［10］ 韓博，劉志強，荊國業等.滾刀破巖試驗裝置的研制及應用［J］.煤礦機械，2015（12）

［11］ 譚昊，劉志強，王新等.煤礦反井鉆機滾刀破巖模擬試驗臺設計研究［J］.煤炭科學技術，2013（3）

［12］ Teale R.The concept of specific energy in rock drilling［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1965（1）

（責任編輯 路 強）

Experimental study on the effect of tooth row space of inserted tooth hob on rock breaking

Shao Fangyuan1，2，3，Liu Zhiqiang1，2，3
（1.Institute of Mine Construction，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.National Engineering Laboratory for Deep Shaft Construction Technology in Coal Mine，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Rock breaking efficiency of inserted tooth hob was a key factor in improving the drilling rate of raise boring machine.A study on raise boring machine＇s rock breaking process through hard rock was carried on，the rock breaking mechanism of inserted tooth hob was introduced，and the experiment design and process of inserted tooth hob were elaborated，then the experiment phenomena were analyzed.Through analyzing the rock breaking data，the results showed that surface evenness of rocks had obvious effects on press-in process of single-tooth of inserted tooth hob，based on this，the best tooth row space value which could achieve highest rock breaking efficiency on this kind of rock or equivalent hardness rock was put forward.

raise boring machine，inserted tooth hob，tooth row space，specific energy

TD421.53

A

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2012AA06A403）

邵方源（1990-），男，河北唐山人，碩士，主要從事巖土工程和反井法鉆進技術方面的研究工作。