淺析牙輪鉆機作業效率影響因素

林 楊

（中國有色金屬建設股份有限公司，北京 100038）

牙輪鉆機是大中型露天礦山普遍使用的穿孔設備。它是利用牙輪鉆頭破碎巖石并依靠壓縮空氣排除巖渣的自行式鉆機。它與其他類型的鉆機相比，具有穿孔效率高、成本低、安全可靠、使用范圍廣和勞動強度低等特點，廣泛應用在冶金、煤炭、化工、國防等工業部門的大中型礦山中[1]。穿孔作業為爆破工作提供裝放炸藥的炮孔，是露天礦開采的首道工序。穿孔質量對其后生產工藝如爆破、采裝、運輸等工作的效率產生直接影響，并且，穿孔爆破成本占據采礦成本很大一部分比例，一般可達到20%～30%。選擇合適穿孔設備進行穿孔作業十分關鍵[2]。

1 牙輪鉆機簡述

牙輪鉆機按其鉆孔孔徑和軸壓力的大小，將牙輪鉆機分為小型、中型、大型和特大型4種類型，鉆機分類見表1。

表1 牙輪鉆機分類

在露天礦生產過程中，穿孔設備的生產能力必須滿足后續生產工藝的需要[3]。

式（1）中：k為平均爆破率，m3/m；Ui為第i種鉆機年平均效率，m/(臺·a)；Fi為鉆機的在籍臺數，n為鉆機類型數；Qj為第j種電鏟的年效率，m3/(臺·a)；Pj為第j種電鏟的在籍臺數；m為電鏟類型數。

2 牙輪鉆機作業效率

2.1 牙輪鉆機基本原理

牙輪鉆機鉆孔時，依靠加壓、回轉機構通過鉆桿，對鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉力矩，牙輪鉆頭在巖石上同時鉆進和回轉，對巖石產生靜壓力和沖擊動壓力作用。牙輪在孔底滾動中連續的擠壓，切削沖擊破碎巖石，有一定壓力和流量流速的壓縮空氣經鉆桿內腔從鉆頭噴嘴噴出，將巖渣從孔底沿鉆桿和孔壁的環形空間不斷的吹至孔外，直至形成所需孔深的鉆孔。

2.2 牙輪鉆機作業能力理論公式推導

牙輪鉆機的臺班作業能力Vb為：

式（2）中：Vb牙輪鉆機臺班生產能力，m/臺·班；v牙輪鉆機鉆進速度，cm/min；Tb班工作時間，h；η工作時間利用系數。

牙輪鉆機速度為：

式（3）中：n為鉆頭轉速，r/min；p為軸壓，kN；f為巖石的堅固系數；D為鉆頭直徑，cm。

將公式（3）代入公式（2）可得，牙輪鉆機臺班生產能力Vb為：

2.3 牙輪鉆機作業效率影響因素分析

從公式（4）可以看出，影響牙輪鉆機鉆進效率有以下幾個因素：

（1）軸壓p。軸壓力是鉆頭牙齒壓人巖石形成破碎坑的原動力，是影響鉆進速度的主要因素。一般來說軸壓和鉆速成正比關系，軸壓越大，鉆速就越高，但也并不意味著軸壓越大越好，這是因為當軸壓增大到礦巖的極限抗壓強度，礦巖發生破壞，鉆頭牙齒全部嵌入破碎坑，鉆速就不再增高，反而增加了鉆頭的磨損。因此，對于某一種特定巖石，存在一個最佳的軸壓力值P0，經驗公式為：

式（5）中：P0為最佳軸壓力；σ為巖石抗壓強度；D為鉆孔直徑。

抗壓看出，施加在鉆頭上的最佳軸壓力與巖石抗壓強度和鉆頭直徑有關。

（2）轉速n。根據公式（3）可以看出，當軸壓為最佳軸應力時，穿孔速度與鉆頭的轉速成正比關系。在其他條件特定的情況下，轉速與穿孔速度的關系可簡化為下式：

式中：a為系數。

然而，穿孔速度與轉速的正比關系不是無限的。首先，有效接觸時間。鉆頭牙齒與巖石的接觸時間不少于0.02s～0.03s才能獲得對巖石有效的破碎，有效接觸時間不夠只能產生低效的疲勞破碎，為了保證接觸時間，大孔徑、硬巖鉆孔時應采用較小的轉速；其次，共振效益。牙輪鉆機有自己的振動頻率，當鉆頭轉速與鉆機的固有頻率相同時，鉆機將產生共振，造成機件損壞；再次，設備的使用壽命。鉆頭轉速過快時，牙輪以很大的加速度沖擊孔底，勢必對合金齒和軸承產生破壞作用，縮短設備使用壽命，特別在有裂隙的硬巖上鉆孔時問題更加突出。因此，一般鉆頭生產廠家都推薦了合理的轉速范圍。

（3）鉆孔直徑D。在現有的炮孔直徑范圍內，直徑越大，裝藥量就越大，孔網尺寸增大了，每米炮孔的爆破量就增加。鉆頭消耗減少了，鉆孔成本則明顯下降。

近20年來，一些大型礦山把炮孔直徑從250mm、增大到310 mm、380 mm，還試用了445 mm，近期問世的P&H120A型牙輪鉆機的最大鉆孔直徑可達到559 mm。這一發展趨勢也反映了大孔徑可以獲得較好的經濟指標。所以如有可能，建議盡量采用大的孔徑。

（4）礦巖硬度f。從公式（4）可以看出，鉆機臺班效率與礦巖硬度成反比關系，礦巖硬度越大，其鉆進效率越低，反之礦巖硬度越小其鉆進效率越高，而在礦巖硬度系數較大的情況下，為保證有足夠的鉆進速度，需選擇軸壓與鉆速較大的鉆機。

（5）工作時間利用系數η。我國牙輪鉆機的時間利用系數是不高的，其平均臺時利用系數為0.4～0.5，非作業時間大部分消耗在檢修、等待配件和無工作面正常停機上，這就說明鉆機的結構、鉆具、和工作參數以及組織管理工作還有待完善。

除了上述根據公式分析出的影響因素，實際上還存在其他因素對牙輪鉆機作業效率產生影響：

（1）排渣風量和風壓。若風量和風壓不足，不能及時有效地排除孔底巖渣,將導致巖渣的重復破碎，增加無益的破碎功，同時磨損牙輪；若風量風壓過大，整機功率消耗和設備投資加大，同時也會造成鉆桿的氣蝕，降低了鉆桿的壽命。

（2）操作人員技術水平。操作人員技術水平對穿孔效果會產生很大的影響，鉆機一次鉆孔時可能會穿過多種不同巖性的地層,操作人員必須根據各種儀表讀數、機械裝置的聲音甚至在座位上對振動的感覺，分析判斷炮孔中排渣情況和鉆進情況，及時調節合理鉆進參數，以達到最佳穿孔效果。

3 結論和建議

（1）論述了牙輪鉆機鉆孔作業原理，理論推導出了牙輪鉆機作業能力公式。

（2）結合推導公式，分析了軸壓、鉆速、時間利用率、鉆孔直徑和礦巖硬度等影響因素，并進一步分析了風量風壓和操作人員技術水平對牙輪鉆機作業效率存在的影響。

（3）牙輪鉆機作業效率是多種因素綜合影響的結果，為了提高穿孔作業效率，提升礦山技術經濟效益，除了對這些影響因素進行合理的控制外，更應該在今后對礦山穿孔設備進行關鍵技術研究，開發擁有自主知識產權的礦山穿孔設備，達到國際先進水平。同時為礦山培養一批設備人才，造就一支科研隊伍，加快國家“863”機器人產業化基地建設，建立礦山設備的研發基地，研發出更安全、更高效的穿孔設備。