露天礦1190E 型牙輪鉆機破巖機理及主要工作參數分析

劉 峰

（中國神華哈爾烏素露天煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017100）

牙輪鉆機是露天礦山常用的鉆孔設備[1-4]。哈爾烏素露天煤礦采用的1190E 型牙輪鉆機是山特維克礦山工程機械有限公司生產的的鉆孔設備[5]，研究其主要工作參數，對提高礦山鉆孔效率、增加鉆機壽命具有重要的意義[4-6]。

1 鉆機的破巖機理

1190E 牙輪鉆機鉆孔時通過牙輪鉆機帶動牙輪鉆頭垂直向下鑿孔。其破巖機理是通過推壓和回轉機構給鉆頭施加高鉆壓和扭矩，牙輪鉆頭的牙輪不僅繞牙輪軸頸自轉，同時繞鉆頭軸線（鉆桿中心線）公轉，使巖石在靜壓、弱沖擊和剪切作用下破碎。當礦巖較軟時，主要通過推壓作用，鉆頭沖擊礦巖，再加以牙輪鉆頭的旋轉剪切，達到破碎巖石的目的；當礦巖較為堅硬時，鉆機施加足夠大的軸壓作用在牙輪鉆頭上，將鑲嵌在牙輪上的合金齒嵌入巖土表層，同時主機鉆桿帶動牙輪鉆頭做旋轉運動，在摩擦力作用下帶動三個牙輪分別圍繞各自的牙爪軸頸作自轉運動，產生強大的剪切力，從而使礦巖破碎。

2 鉆機主要工作參數的分析

牙輪鉆機的基本工作參數有軸向壓力、回轉力矩、鉆進速度、鉆頭轉速、和排渣風量。正確選擇這些參數，特別是其中的軸壓力、鉆頭轉速和排渣風量，可提高成孔效率，降低成孔成本。

牙輪鉆機鉆進參數有兩種不同的預設方案：一是高壓低速工作制，軸壓力為300～600 kN，轉速小于2.5 r/s；二是低壓高速工作制，軸壓力為150～300 kN；轉速為4.2～5.8 r/s。實踐證明，軸壓力為300～600 kN、轉速為0～2.5 r/s、排渣風量為0.42～1.17 m3/s 的鉆進工作制度效果較好。鉆機工作參數要有一個可調范圍，以便根據不同地質條件進行人工或自動調整，以達到最優的鉆進速度，獲得最高工作效率。

2.1 軸向壓力

軸向壓力是鉆頭施加在巖石上以便巖石發生破碎的軸向靜壓力。鉆孔時，軸壓力既不能過大也不能太小，而應有一個使巖石產生體積破碎的合理值。該合理值由巖石的堅固性系數、鉆頭直徑和鉆頭質量等因素決定。合理的軸壓力應能使鉆機具有較高的鉆孔速度、較長的鉆頭壽命和較低的鉆孔成本。

下面通過力學分析，確定合理的軸壓力的經驗數值。

當鉆頭上的單個合金柱齒以FZ力沖擊在巖石上時，在巖石體內一個小單元體上就要產生相應的應力，計算時把巖石簡化為均質的彈性體，巖體受力狀態如圖1 所示。

圖1 合金柱齒作用下巖石單元體的應力狀態

根據彈性力學可知：

式中：FZ為一個合金柱齒作用在巖石上的力，FZ與破碎的巖石體積成正比，N；r為破碎半徑，m；z為破碎深度，m。

當軸向應力σZ≥σB時（σB為巖石的抗壓強度極限，MPa），巖石即被從整體上破碎下來，由此可得破碎半徑r的臨界值：

當r=0 時，令z=z0，代入得：

單個合金柱齒破碎的巖石體積為：

根據實踐經驗，如果破碎下來的巖石體積V1太小，則鉆頭不是破碎巖石，而是在“研磨”巖石，會影響鉆進速度。所以在生產中V1要大于某一臨界值，規定V1≥10-6m3。

作用力FZ的值由多個因素決定，為了簡化問題，可令：

式中：k0為比例常數，k0=57～67；F為軸向壓力，N；D為鉆頭直徑，m。

將FZ值代入單個合金柱齒破碎巖石體積的公

式中，可得：

如取V1=1×10-6m3，可得：

式中：f為巖石的普氏硬度系數（無量綱），f=10-7σB。

可以看出，軸向壓力與牙輪鉆機的鉆頭直徑及巖石的普氏硬度系數成正比關系。當鉆頭直徑一定時，軸向壓力隨著巖石的普氏硬度系數增大而增加。1190E 牙輪鉆機的鉆頭直徑為311 mm，巖石普氏硬度系數一般為2～6，所以軸向壓力范圍為37～131 kN。

但是，此計算方法沒有計入鉆頭結構因素的影響。如果牙輪牙齒磨損越鈍，則所需要的軸壓力越大；當巖石裂隙嚴重或有夾塊時，鉆機會發生劇烈振動，此時應適當減軸小壓力。

2.2 回轉力矩

鉆機在沖擊鉆孔的過程當中會產生一定的阻力矩：在鉆機提供的軸壓力的作用下使得鉆具硬質合金頭與孔底巖石發生摩擦產生阻力矩；鉆桿與鉆頭在鉆進的過程中與孔底和孔壁之間的摩擦以及排渣過程中與孔內高速運動的巖屑產生阻力矩。鉆機的回轉扭矩主要是用來克服阻力矩的，在完整性良好的礦巖中，回轉扭矩不需要過大便可以完成鑿巖工作，但鉆機在實際工作中往往提供的扭矩會是所受阻力矩的數倍，這樣是為了防止發生卡鉆現象和方便鉆桿的安裝與卸載。

對于回轉機構，主要計算原動機通過回轉機構輸出軸傳給鉆具的回轉力矩。回轉力矩即輸出軸的力矩，由下列公式計算：

式中：MT為回轉力矩，kN·m；nT為回轉速度，r/min；Ph為回轉電動機功率，kW；η 為回轉減速器傳動效率。

2.3 鉆進速度

根據對牙輪鉆機鉆孔現場實際工作的研究，得出了鉆進速度的經驗公式，比較全面地反映了鉆進速度與鉆機的幾個主要參數的一般關系，其計算結果與實際比較接近：

式中：vz為鉆進速度，cm/min。

根據公式可得鉆機鉆進速度vz與巖石普氏硬度系數f的關系，如圖2 所示。在鉆機軸壓F取498.96 kN、鉆頭鉆速nT取145 r/min、鉆頭直徑D取311 mm的情況下，當巖石普氏硬度系數f取2～6 時，鉆機鉆進速度vz的范圍為145～436 cm/min。

圖2 鉆進速度與巖石普氏硬度系數關系

2.4 回轉速度

鉆機鉆孔過程中鉆進速度vz與鉆頭轉速nT成正比，提高鉆頭轉速nT，可以使鉆進速度vz提高，但鉆頭轉速nT過高，會給鉆機帶來強烈的震動，這樣會使鉆進速度vz降低，且鉆頭的使用壽命將急劇下降，破壞了合理的鉆進參數。實踐證明，鉆頭的轉速nT不能超過200 r/min。一般地，轉速小于200 r/min內，鉆進速度vz隨鉆具轉速nT增加而增加。在軟巖中可采用較高轉速，而在硬巖中應采用較低轉速。目前，國內外牙輪鉆機的鉆頭轉速nT一般為0～150 r/min，我國使用的鉆頭轉速nT硬巖為50～70 r/min、軟巖為90～100 r/min。

試驗表明，巖石破碎效果與合金齒和巖石的接觸時間有關，且刃齒和巖石的接觸時間不能小于0.02～0.03 s，如果小于該時間，刃齒對巖石的壓力作用效果就會急劇降低，不能發揮作用。據此可以求出牙輪鉆頭的最高轉速。因已知：

則可得：

式中：nT為鉆頭轉速；nL為牙輪轉速，r/s；d為牙輪直徑，mm；D為鉆頭直徑，mm；vL為牙輪大端（直徑為d處）的線速度，m/s。

由于牙輪在孔底工作時不完全是純滾動，速度有所降低，因而：

式中：k為牙輪不完全滾動速度損失系數，實測得k=0.95。

假設牙輪大端嵌有N個合金齒，則其齒間的弧長L為：

每個合金齒與巖石的接觸時間為：

根據牙輪的速度公式，得到：

式中：d為牙輪大端直徑，m：D為鉆頭直徑，m；N 為牙輪大端的合金齒數。

通過現場觀測，1190E 鉆機牙輪大端直徑d取185 mm，鉆頭直徑D為311 mm，牙輪大端的合金齒數N為19，所以根據式可以計算出，1190E 鉆機的合理轉速為66～99 r/min。

2.5 排渣風量

排渣風量的大小對鉆進速度、鉆頭使用壽命都有很大影響。增大排渣風量，可以提高鉆進速度，有效地冷卻軸承，減少牙掌掌背的過早磨損，從而延長鉆頭的使用壽命。此外，排渣干凈還能增加有效孔深，減少超鉆深度，迸而提高鉆機的利用率。

計算所需排渣風速v可用公式：

式中：dx為所排巖屑粒徑，m；ρ 為巖石密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

計算所需風量q可用公式：

式中：D0為鉆孔孔徑，m；d0為鉆桿外徑，m。

對于1190E 牙輪鉆機，鉆孔孔徑D0為311 mm，鉆桿外徑d0為244mm，平均巖屑粒度dx取為0.005m，巖石密度ρ 取為2600 kg/m3，重力加速度g取為10 m/s2，鉆機平均排渣風量q為0.5 m3/s。

3 結語

1190E 牙輪鉆機的破巖機理是通過推壓和回轉機構給鉆頭施加高鉆壓和扭矩，牙輪鉆頭的牙輪不僅繞牙輪軸頸自轉，同時繞鉆頭軸線（鉆桿中心線）公轉，使巖石在靜壓、少量沖擊和剪切作用下破碎。通過對牙輪鉆機主要工作參數進行分析，為礦山提高鉆機鉆孔效率提供理論依據。