牙輪鉆機穿孔操作標準研究與應用

王晉巖， 何鐵牛， 樊晉生

(太原鋼鐵(集團)有限公司代縣礦業有限公司， 山西 代縣 034207)

0 前言

代縣礦業有限公司峨口礦是太鋼集團主要球團礦原料基地，采礦分為南西、南東、北西、北東四個采場，相距3～15 km，牙輪鉆機是采場礦巖主要穿孔設備，屬于旋轉、沖擊式破碎礦巖，主要用來對巖石和礦石進行穿孔，穿孔后進行爆破和挖掘，也被廣泛用于大型水利建筑工程中巖石的穿孔作業。峨口礦用8臺型號為KY- 250D、2臺型號為YZ- 35D的牙輪鉆機，擔負900萬t/a鐵礦石，3 000萬t/a廢石穿孔任務，因此牙輪鉆機是采場礦巖穿孔主要設備，而鉆機管理的關鍵任務是如何降低鉆機司機采礦現場穿孔操作故障，杜絕野蠻和過載操作，提高牙輪鉆機穿孔操作標準執行率，充分發揮牙輪鉆機穿孔效率和作業率。而鉆機司機采礦現場穿孔操作故障占設備總故障46.8%左右，操作使用備件消耗占總成本35.9%左右，如牙輪鉆頭、鉆桿等，因此通過對鉆機現場操作標準化研究，來提高牙輪鉆機關鍵部件的使用壽命，降低鉆機的運行故障和穿孔成本，現在鉆機穿孔米道 (綜合效率)為6萬m/a，作業率52.68%，在國內礦山行業屬于較高水平。

1 峨口礦牙輪鉆機簡介

代縣礦業有限公司峨口礦牙輪鉆機型號為KY- 250D，8臺，配用變壓器型號為SG- M- 400/6，容量Q=400 KVA；牙輪穿孔直徑為Φ230～Φ270 mm，穿孔最大軸壓(高速時)為F1=0～210 kN，(低速時)F2=0～370 kN，穿孔一次連續鉆孔深度為H=17 m，穿孔方向為90°；穿孔加壓驅動力為電機驅動，電機型號為YPBF160L- 6,功率為7.5 kW，轉速為970 r/min，牙輪鉆頭最大推進速度為V1=0～2 m/min(高速時)，V2=0～0.9 m/min(低速時)，牙輪鉆頭提升為電機驅動, 提升力F1=140 kN(高速時)，F2=320 kN(低速)；牙輪鉆桿直徑為Φ140～Φ219 mm，牙輪鉆頭提升速度為V1=0～15 m/min(高速時)，V2=0～6.6 m/min(低速時)；牙輪鉆頭回轉轉速為N=0～88 r/min，回轉電機型號為YZPB280S- 4V1- AA391，功率為P=60 kW,轉速為N=1 485 r/min；牙輪穿孔壓風排碴系統空壓機電機型號為Y280M- 4FGB35，功率為P=185 kW，轉速為N=1 485 r/min，穿孔排碴風量為36 m3/min；牙輪鉆機行走速度為0～1 km/h，行走驅動力為電動機，電動機型號為YPBF280S- 4，功率為P=75 kW，轉速為N=1 485 r/min，牙輪鉆機行走方式為履帶行走方式；牙輪鉆機潤滑方式為集中潤滑，潤滑油泵電機型號為Y160L- 4，功率為P=15 kW，轉速為N=1 485 r/min；牙輪鉆機總重量105 t；外形尺寸長×寬×高為12 108×6 215×25 028 mm。

牙輪鉆機穿孔是采用三爪牙輪鉆頭作為破巖刀具，屬于旋轉、沖擊式破碎巖石，穿孔時依靠鉆桿加壓，即回轉機構通過鉆桿，對鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉扭矩，牙輪鉆頭在巖石上鉆進和同步旋轉，對巖石產生靜壓力和沖擊動壓力雙重作用。牙輪在孔底滾動中連續地擠壓、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，將巖碴從孔底沿鉆桿和孔壁的環形空間不斷地吹至孔外，直至形成所需孔深的炮孔。

由此可見，牙輪鉆機在穿孔過程中，施加在牙輪鉆頭的軸壓力、鉆桿轉速和排碴風量是保證有效穿孔三個主要工作參數，因此根據不同巖石種類、堅固性程度、裂隙發育情況等不同地質條件，合理選配這三個參數，就能提高穿孔速度、延長牙輪鉆頭使用壽命和降低穿孔成本。

牙輪鉆機主要結構由工作裝置、底盤、動力裝置、操作裝置和輔助工作裝置等組成。

(1)工作裝置

牙輪鉆機工作裝置是直接實現穿孔的裝置，它由牙輪鉆具(包括鉆桿、穩桿器、鉆頭)，回轉機構(包括電動機或液壓馬達、減速機等)，提升加壓機構(包括傳動系統、主減速機、提升電動機或液壓馬達、油缸等)，鉆架裝置，鉆桿架，壓氣排碴系統(包括主空壓機、管道)等組成。

圖1 牙輪鉆機穿孔原理1.加壓和回轉機構 2.鉆桿 3.牙輪鉆頭 4.牙輪

圖2 牙輪鉆機正在穿孔作業

(2)底盤裝置

牙輪鉆機底盤裝置主要用于使行走和支承牙輪鉆機全部重量的裝置，包括履帶行走機構(也有輪胎式行走機構)、平臺等組成。

(3)動力裝置

牙輪鉆機動力裝置主要用于為各組成部件提供動力的裝置，包括電源變壓器、高壓開關柜、各種電氣控制屏(也有采用柴油機驅動的)等組成。

(4)操作裝置

牙輪鉆機操作裝置主要用于控制各部件動作的裝置，包括操作臺、各種控制按鈕、手柄和指示儀表等組成。

(5)輔助工作裝置

牙輪鉆機用于保證設備正常和安全工作的部分，它由司機室、機房、空氣增壓凈化裝置、除塵裝置、液壓系統、壓氣控制系統、干油潤滑系統、電纜卷筒等組成。

2 牙輪鉆機穿孔操作標準應用與研究

2.1 牙輪鉆機現場穿孔啟動操作標準

(1)牙輪鉆機穿孔前啟動標準：啟動前準備，鉆機司機按鉆機點檢表項目點檢確認無誤后,在《鉆機司機崗位點檢操作運行表》規范填寫點檢記錄。更換、包扎、倒電纜時必須作相序試驗方可啟動。通知牙輪鉆機上下所有操作人員準備送電，并確認所有人員知曉。

(2)打開高壓柜，啟動牙輪鉆機高壓按鈕。

(3)啟動牙輪鉆機液壓油泵或者砂輪機，檢查油泵或者砂輪機旋轉方向是否正轉，進一步確認線路相序是否正確。

(4)啟動牙輪鉆機輔助空壓機，檢查系統氣壓是否在0.5～0.8 MPa之間，注意冬季霧化器放盡水，加入酒精，儲氣罐每班放水，防止儲氣罐內有水凍裂設備本體。

2.2 牙輪鉆機采場行走操作標準

(1)鳴笛并且通知牙輪鉆機上面所有人員準備走鉆，并確認所有人員知曉。

(2)啟動牙輪鉆機風泵，當系統風壓達到0.5～0.8 MPa，進行鉆桿提升作業，當穩桿器提出導向套0.7 m以上時停止鉆桿提升。

(3)啟動牙輪鉆機液壓油泵，驅動液壓缸伸出機械手柄，保證機械手柄卡住穩桿器。

(4)交替收回牙輪鉆機底盤下面的千斤頂，先收高處后收低處，確認四個千斤頂全部收到位。

(5)打開主控電源，打開行走控制手柄或按行走開關按鈕，檢查行走抱閘是否靈敏可靠。

(6)確認牙輪鉆機周圍無工具，如千斤頂、氧氣、乙炔瓶等設備設施，高壓電纜擺放在安全地帶，鉆機行走過程中要不斷進行環境安全確認，確保鉆機距6 000 V高壓線水平、垂直距離大于2 m，距高陡邊坡距離大于15 m，鉆機靠近高陡邊坡臺階邊緣行走時，鉆機外側突出部分至高陡邊坡臺階坡頂線的最小距離大于3 m，鉆機距高壓電纜距離大于1 m安全距離。

(7)牙輪鉆機下面指揮人員在鉆機移動前，必須戴好高壓絕緣手套，拿上電纜鉤，確認作業環境安全后，方可指揮牙輪鉆機行走，指揮鉆機行走人員在牙輪鉆機到達指定位置，穩好鉆機前，不得擅自離開去做其他與鉆機行走無關的事情。

(8)牙輪鉆機禁止在坡度超過10%的坡面上行走；鉆機行走坡度超過5%時，應放下鉆架，由專人指揮，并采取防傾覆和拉拽措施。

一個月后的一天，省城和當地的各家報紙同時刊登了一則內容相同的《尋人啟事》，在張小波下車的林業俱樂部門口、廣場和林業局一帶的樹上、電線桿上，也貼了許多這樣的《尋人啟事》：

(9)牙輪鉆機不應長時間在斜坡道上停留，在沒有充足的照明時，夜間不應遠距離行走。

(10)牙輪鉆機行走轉向時，行走轉向最大角度每次不準超過20°，兩軌板高差不得超過0.5 m。

(11)牙輪鉆機穿鑿第一排孔時，鉆機的中軸線與臺階坡頂線的夾角不小于45°。

(12)由于特殊原因牙輪鉆機必須在坡道停留時，必須把牙輪鉆機底盤下面自帶四個千斤頂伸出，并調整鉆機底盤水平，防止溜鉆。

2.3 牙輪鉆機采場穩鉆作業標準

(1)啟動牙輪鉆機潤滑油泵，檢查潤滑系統壓力是否在2.5～10 MPa之間。

(2)用牙輪鉆機底盤下面自四個帶千斤頂支撐鉆機整體重量，千斤頂不能一次伸縮到位，要先伸低處，后伸高處，交替伸出，至少一側行走履帶及軌板著地(注意選擇角度將鉆機穩定在堅硬牢固的巖石上)。

(3)調整牙輪鉆機底盤保證整體水平，檢查牙輪鉆機駕駛室內水平儀指針是否在中心位置。

(4)牙輪鉆機穩鉆時，應與臺階坡頂線保持足夠的安全距離。即牙輪鉆機底盤千斤頂中心至高陡邊坡臺階坡頂線的最小距離大于2.5 m，松軟巖體應大于3.5 m。牙輪鉆機底盤千斤頂下不應墊石塊(坡道作業除外) ，并確保臺階坡面的穩定，防止鉆機主架傾翻。

2.4 牙輪鉆機現場穿孔作業標準

(2)牙輪鉆機功能精度標準，按照當班點檢項目完成牙輪鉆機點檢內容，確認牙輪鉆機全功能高精度運行。

(3)牙輪鉆機司機應當配戴標準KN95防塵口罩，持操作證方可操作設備，徒工必須在師傅的監護下操作，嚴禁徒工單人上崗，穿孔作業操作前把窗戶關好。

(4)牙輪鉆機司機鳴笛示意后啟動鉆機，鉆機履帶與掌子面接觸面保持平整，避免三條腿穿孔操作，避免底部挖空。穿孔前，檢查牙輪鉆機是否保持水平穩定。

(5)牙輪鉆機穿孔作業前首先檢查是否水平穩定牙輪鉆機，然后閉合牙輪鉆機主控開關刀閘，使離合器合閘開關至主提升位置，離合器合閘至低速提升位置并且收回液壓機械手柄卡頭，打開提升裝置電源，檢查牙輪鉆機主提升抱閘是否靈活可靠，把牙輪鉆機鉆頭緩慢放到巖石上，并打開鉆機主架下面的防塵圍裙。

(6)啟動牙輪鉆機主空壓機，調節壓氣排碴控制系統，系統排碴風壓控制為0.2～0.4 MPa，排碴風量控制為24～36 m3/min(注意啟動前盤動空壓機對輪，檢查運轉是否靈活)。

(7)打開牙輪鉆機回轉機構主令電源后，先打開鉆機壓氣控制系統送高壓風，后打開鉆機壓水控制系統送除塵水，緩慢啟動牙輪鉆機回轉機構轉盤，使牙輪鉆頭開始穿孔，要控制開始穿孔轉速，鉆桿轉速不高于40 r/min。

(8)繼續低速旋轉牙輪鉆機回轉機構，當牙輪鉆桿的穩桿器進入巖層后，打開主提升機構抱閘，緩慢啟動提升加壓機構，使牙輪鉆機提升/行走/加壓開關打在加壓位置，打開加壓離合器開關，驅動加壓馬達，隨地形緩慢調節加壓溢流閥調速器手柄，逐步增加牙輪鉆機鉆架裝置穿孔軸向壓力，控制最佳軸壓力F=160～200 kN，最大軸壓力不超過350 kN。

(9)根據巖層軟硬程度調整牙輪鉆桿回轉轉速，保證極硬礦巖牙輪鉆桿回轉轉速為40～60 r/min，硬礦巖回轉轉速為50～70 r/min，中硬和軟礦巖回轉轉速為70～95 r/min，達到穿孔效率、回轉轉速最佳的穿孔軸向壓力。

(10)牙輪鉆機穿孔操作過程中要每小時點檢巡查機械室溫度，當室溫超30 ℃時要啟動機房增壓風扇和液壓油冷風扇，并檢查設備各部是否有跑冒滴漏和燒焦現象(注意空壓機溫度不超過100 ℃、油壓壓力不低于0.2 MPa)。

(11)當牙輪鉆頭穿孔深度到位后，關閉除塵水，停止加壓系統，打開提升機構，提升牙輪鉆桿和鉆頭，注意要邊旋轉，邊提升，防止巖石夾住牙輪鉆頭，并且將牙輪鉆桿上下來回升降至少三次，然后提出牙輪鉆桿，準備移動鉆機穿第二個孔。

(12)當牙輪鉆機穩桿器提升至距孔口1 m時，關閉壓氣排碴控制系統并停止供高壓風，關閉回轉加壓控制系統并停止回轉，穩桿器提出導向套0.7 m時，停止提升，打開主提升抱閘系統對回轉機構制動，同時伸出液壓機械手柄頭卡住鉆桿，防止鉆桿滑落。

(13)牙輪鉆機作業時，其鉆架平臺上不應當站人，非操作人員不應在其周圍停留，牙輪鉆機與下部臺階接近坡底線的牙輪鉆機，兩臺牙輪鉆機不應當同時作業。

(14)牙輪鉆機穿孔作業或停留應當避開挖掘機挖掘爆堆的最后一個穿孔帶臺階，或挖掘機作業范圍內的爆堆臺階面上，相當于第一排孔位地帶不應有鉆機穿孔作業。

因此，按照牙輪鉆機現場穿孔作業標準，合理的選配軸壓力、鉆桿回轉轉速和排碴風量這三個重要參數，就能提高穿孔速度、延長牙輪鉆頭使用壽命和降低穿孔成本。

2.5 牙輪鉆機采場最佳穿孔軸向壓力

如果牙輪鉆機作用在礦石上的壓力超過礦石的抗壓強度極限的30%～50%，礦石就能順利從原巖體中被破碎下來，對于不同直徑的鉆頭，可根據鉆機現場穿孔軸向壓力計算公式，推算出鉆機在最佳穿孔軸向壓力的情況下，鉆機回轉速度和穿孔效率最高，穿孔軸向壓力可由以下公式計算：

F=R×K×ρ×σ×D/150D0

式中F—穿孔軸壓力，kN，計算確定；

R—巖石堅固性系數，R=6～10，試驗確定，一般取平均值R=8；

K—穿孔經驗系數，F=13～15，一般取平均值K=14；

ρ—巖石容重，t/m3，取平均值ρ=2.83，根據現場稱重計算確定；

σ—巖石抗擠壓和剪切強度，MPa，取平均值σ=76，試驗確定；

D—鉆機現場使用的鉆頭直徑，mm，取D=250，可設計確定；

D0—鉆機工業試驗的鉆頭直徑，mm，取D0=214，可計算確定。

綜上所述，牙輪鉆機在采礦現場回轉速度和穿孔效率最高，根據公式計算，最終確定鉆機的最佳穿孔軸壓力F=187.6 kN。

2.6 牙輪鉆機退鉆作業標準

(1)牙輪鉆機提起鉆桿至穩桿器出導向套0.7 m時，關閉提升驅動系統并制動，啟動液壓油泵，驅動液壓缸機械手柄頭伸出手柄，當液壓缸機械手柄頭卡在穩桿器凹槽上，關閉液壓油泵，目的防止牙輪鉆桿滑落。

(2)收回牙輪鉆機底盤下面四個千斤頂，先收地勢高處，后收地勢低處，交替平衡將千斤頂收回復位，即千斤頂內筒與外筒平行。

(3)牙輪鉆機鳴笛或通知行走移鉆，準備下一個巖石穿孔。

(4)當牙輪鉆機打完一個孔后，必須行走移鉆或旋轉鉆機，到二個孔位置布孔，然后打第二個孔，每次旋轉鉆機最大角度不應超20°，牙輪鉆機行走時，兩軌板高低差不應超過0.5 m,行走移鉆到指定位置，準備第二次穿孔，如此循環反復，直到穿完10排孔，一般每排10個，即10排×10個/排，一般爆區合計穿孔100個左右。

3 結語

牙輪鉆機是采礦穿孔的核心設備，鉆機司機每天對鉆機進行標準操作，精心維護、定期點檢，才能降低牙輪鉆機操作故障和穿孔成本，延長關鍵部件(如牙輪鉆頭、鉆桿等)使用壽命；如因牙輪鉆機司機野蠻操作、過載使用，造成鉆機牙輪鉆頭或鉆桿斷裂，按照穿孔操作標準要嚴肅考核操作司機；如因鉆機司機點檢質量、點檢缺失、點檢不真實等原因造成鉆機故障，按照點檢管理制度考核鉆機司機；通過對鉆機穿孔操作標準研究與應用，消除鉆機操作故障，杜絕鉆機穿孔過載及野蠻操作責任事故發生，減少維護費用及運行成本，延長鉆機關鍵部件使用壽命，提高穿孔速度和降低穿孔成本，達到高質量運行目標。