露天礦牙輪鉆機(jī)智能清灰除渣技術(shù)與裝備

馬連成 ,鐘 浩 ,陸占國 ,楊興月 ,沈友碩 ,孫效玉 ,王仁炎

(1.鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)齊大山鐵礦,遼寧鞍山 114000;2.東北大學(xué)智慧礦山研究中心,遼寧沈陽 110819)

0 引言

露天礦牙輪鉆機(jī)利用軸向壓力將牙輪鉆頭的合金齒侵入巖石,回轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)滾動(dòng),合金齒對巖石碾壓剝離切削,進(jìn)而破碎巖石形成巖孔[1]。巖石破碎后所產(chǎn)生的巖渣成粉末狀或者細(xì)小顆粒,空壓機(jī)將壓縮空氣通過鉆桿中心送到孔底,從牙輪鉆頭吹出,對孔底巖渣進(jìn)行吹掃。吹掃的巖渣及粉末通過壓縮空氣沿鉆桿與成孔的孔壁間隙吹出成孔外,回落在成孔周圍;隨著鉆孔深度的增加,孔口堆積的巖渣粉末增高,在孔口周圍形成一個(gè)不穩(wěn)定的巖渣堆。當(dāng)鉆機(jī)完成鉆孔任務(wù)、提鉆移開后,需要工人用工具將孔口巖渣扒開,以免不穩(wěn)定巖渣堆回落到孔內(nèi),達(dá)不到設(shè)計(jì)成孔深度,進(jìn)而影響裝藥和爆破。通常,每個(gè)成孔周邊會(huì)形成幾立方米的巖渣,人工清理巖渣的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度較大,且存在粉塵職業(yè)健康危害。

粉塵處理多年來一直是鉆機(jī)應(yīng)用需要解決的技術(shù)難題,國內(nèi)外這方面進(jìn)行了大量研究,但主要集中在減少粉塵的環(huán)境污染與職業(yè)健康保護(hù)方面,提出了干式、濕式、機(jī)械、震動(dòng)、超聲波等多種技術(shù)方案,取得了良好效果[2-8],但對鉆后智能清灰除渣研究極少。

為此,結(jié)合齊大山鐵礦鉆機(jī)智能化項(xiàng)目的實(shí)施,提出了以下三種清灰除渣方案。

1 六爪清灰扒渣方案

1.1 總體技術(shù)方案

研發(fā)六爪式清灰扒渣裝置[9],該裝置通過安裝基座與鉆機(jī)機(jī)身進(jìn)行固定連接,系統(tǒng)安裝如圖1 所示。其基本工作原理如下所述。

圖1 六爪扒渣裝置安裝示意圖

1)扒渣裝置隨鉆機(jī)移動(dòng)而移動(dòng)。

2)鉆機(jī)穿孔后,向前移動(dòng)鉆機(jī),使扒渣機(jī)構(gòu)的灰爪圓中心與鉆孔中心重合,操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行排渣。

3)扒渣完畢,提起扒渣裝置,使其不影響鉆機(jī)正常行走與作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)組成

扒渣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成如圖2 所示,由安裝座、臂架、俯仰油缸、轉(zhuǎn)位油缸、清灰機(jī)構(gòu)、清灰驅(qū)動(dòng)油缸、清灰爪、錐堵排溝桿等部分組成。

圖2 六爪扒渣裝置立體示意圖

1.3 清灰扒渣工作原理

1)通過清灰驅(qū)動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)清灰爪,使得清灰爪繞鉸點(diǎn)運(yùn)動(dòng),推動(dòng)孔口周邊巖渣向四周排開,在清灰爪打開過程中,各清灰爪之間產(chǎn)生空隙,有空隙的地方巖渣停留在原處,當(dāng)一次清灰完畢后,收攏清灰爪,轉(zhuǎn)位油缸驅(qū)動(dòng)清灰機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度(六瓣清灰爪轉(zhuǎn)動(dòng)15°),進(jìn)行第二次清理,達(dá)到孔口巖渣全部清理離開孔口。

2)孔口周邊巖渣清理好之后,通過俯仰油缸上抬臂架,使錐堵排溝桿離開孔口,鉆機(jī)移動(dòng)一個(gè)孔的距離時(shí)重新放下清灰機(jī)構(gòu),使錐堵排溝桿接觸地面,這時(shí)繼續(xù)移動(dòng)鉆機(jī),錐堵排溝桿拖動(dòng)擠開巖渣,在排開的巖渣堆之間形成一條排水溝。

3)最后,收攏清灰爪,俯仰油缸驅(qū)動(dòng)臂架,帶動(dòng)清灰機(jī)構(gòu)上揚(yáng),整個(gè)牙輪鉆機(jī)孔口清理裝置高于巖渣堆,使得牙輪鉆機(jī)在移動(dòng)過程中不會(huì)刮到清理過的巖渣,避免帶入孔內(nèi)。

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):①清灰機(jī)構(gòu)的清灰爪轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大,可以對堆積在孔口周圍的巖渣有效扒開遠(yuǎn)離孔口,扒開的不穩(wěn)定巖渣不再落入孔內(nèi);②轉(zhuǎn)位油缸驅(qū)動(dòng)的清灰機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度可根據(jù)最佳效果進(jìn)行限位,全面包絡(luò)清灰爪打開過程中的間隙范圍,在二次清理時(shí)既實(shí)現(xiàn)快速定位,又達(dá)到全面清理的效果;③鉆機(jī)行走過程形成排水溝。

該系統(tǒng)的缺點(diǎn):①扒渣機(jī)構(gòu)重量與體積偏大,裝配時(shí)需充分考慮鉆機(jī)是否能承受此機(jī)構(gòu)重(1.3 t)及大架倒下時(shí)整機(jī)高度增高1 m 左右;②除渣時(shí)需移機(jī)對正孔位,遠(yuǎn)程操作復(fù)雜;③成本偏高。

2 獨(dú)立小車清灰扒渣方案

2.1 總體技術(shù)方案

系統(tǒng)由移動(dòng)小車與扒渣頭兩部分組成。其中移動(dòng)小車由2 t 液壓挖掘機(jī)改造而成,只將其挖斗更換為扒渣頭,并對控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造,從而實(shí)現(xiàn)兩者的集成應(yīng)用,完成扒渣機(jī)的行走、臂的動(dòng)作、扒渣的動(dòng)作等功能。該獨(dú)立的扒渣機(jī)可以集中處理扒渣任務(wù),一臺扒渣機(jī)可以服務(wù)相鄰幾臺牙輪鉆機(jī)。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 挖掘機(jī)控制定制的2 t 挖掘機(jī)整機(jī),如圖3 所示。

圖3 改造后挖掘機(jī)

2.2.2 扒渣頭

扒渣頭為扒渣機(jī)的直接作業(yè)核心部件,包括連接架焊接、排渣斗安裝支架焊件、排渣斗焊件、中心堵頭、斗齒、回轉(zhuǎn)接頭(中空式)、分流集流閥、抓斗油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)支承。其操作為通過臂架和斗桿的動(dòng)作,使扒渣頭對準(zhǔn)需要清理的炮孔,放下中心堵頭將孔堵住后,張開排渣斗進(jìn)行清理孔口集渣,通過支架的回轉(zhuǎn)來清理不同方向的集渣。扒渣頭設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 扒渣頭設(shè)計(jì)圖

2.3 清灰扒渣工作原理

1)堵孔:通過控制臂架和斗桿,使扒渣頭對準(zhǔn)孔,堵住成孔中心。

2)扒渣:斗齒通過油缸伸縮,清理孔口周邊灰渣。

3)回轉(zhuǎn):回轉(zhuǎn)馬達(dá)動(dòng)作,更換扒渣方向,實(shí)現(xiàn)周邊全清理。

4)清溝:周邊清理完后,夾住中心堵頭,拖出排水溝。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):①一臺小車可處理鄰近2～3 臺鉆機(jī)排渣任務(wù),實(shí)現(xiàn)集中處理;②清灰爪轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大,可以對堆積在孔口周圍的巖渣有效扒開遠(yuǎn)離孔口,扒開的不穩(wěn)定巖渣不再落入孔內(nèi);③可有效形成排水溝。

該系統(tǒng)的缺點(diǎn):①與鉆機(jī)完全分離的獨(dú)立系統(tǒng),開發(fā)運(yùn)營維護(hù)成本高;②與鉆孔全流程操作分離,連續(xù)性程度低;③遠(yuǎn)程控制需要額外單獨(dú)開發(fā)一套控制系統(tǒng),開發(fā)難度大。

3 倒渣桶清灰扒渣方案

3.1 總體技術(shù)方案

研發(fā)傘形倒渣桶及相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu),其中傘形倒渣桶如圖5 所示。該倒渣桶安裝在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺的底部,鉆機(jī)工作過程中鉆桿從傘形中間穿過,其基本工作原理如下所述。

圖5 傘形扒渣桶

1)倒渣桶及相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)隨鉆機(jī)移動(dòng)而移動(dòng)。

2)鉆機(jī)穿孔前,通過控制機(jī)構(gòu)控制傘形倒渣桶護(hù)住孔口。

3)鉆機(jī)作業(yè)過程產(chǎn)生的巖渣排到傘形外部堆積。

4)鉆機(jī)作業(yè)完成后,先提起鉆桿,然后通過控制機(jī)構(gòu)提起傘形倒渣桶,形成孔口清渣形狀,如圖6所示。其中倒渣桶凸起的三個(gè)棱柱形成三條排水溝。

圖6 孔口清渣形狀

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由傘形倒渣桶與相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)組成,其中傘形倒渣桶安裝在旋轉(zhuǎn)平臺底部,如圖7(a)所示;控制機(jī)構(gòu)由滑輪與鋼絲繩組成,可以安裝在鉆機(jī)的頂部或上部,如圖7(b)所示。

圖7 系統(tǒng)組成圖

3.3 清灰扒渣工作原理

通過電動(dòng)葫蘆帶動(dòng)卷揚(yáng)鋼絲繩,在導(dǎo)向輪的作用下,啟動(dòng)、下落、提升鉆孔平臺下的導(dǎo)渣桶。

1)鉆孔前護(hù)孔:鉆機(jī)穿孔前,落下傘形倒渣桶,使其護(hù)住孔口。

2)鉆孔時(shí)排渣:鉆孔過程中,將產(chǎn)生的巖渣排到傘形倒渣桶外部,進(jìn)行堆積。

3)鉆后除渣:鉆孔作業(yè)完成后,首先提起鉆桿,然后提起傘形倒渣桶,形成孔口清渣形狀與排水溝。

扒渣提供車載和遠(yuǎn)程雙控模式,在車載模式下,設(shè)置提升和下降開關(guān),控制導(dǎo)渣桶的動(dòng)作;在遠(yuǎn)程模式下,導(dǎo)渣桶的控制接入鉆機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng),通過中控室發(fā)送啟動(dòng)、下落指令。

3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):①成本低;②無需移機(jī)對孔,操作簡單,動(dòng)作單一;③排渣與排水溝隨提鉆同步完成,時(shí)效高。其缺點(diǎn)在于裝配時(shí)鋼絲繩拉緊,需裝配人員注意各個(gè)導(dǎo)向輪安裝位置及距離。

4 清灰扒渣方案優(yōu)選與應(yīng)用

4.1 方案優(yōu)選

在多次技術(shù)交流、方案設(shè)計(jì)、裝備研發(fā)改造、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)上,經(jīng)過優(yōu)化對比,最終確定采用倒渣桶方案。

表1 扒渣方案對比表

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

齊大山礦在兩臺智能化改造的牙輪鉆機(jī)上安裝了倒渣桶,在實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋孔、自動(dòng)調(diào)平、自動(dòng)鉆進(jìn)、自動(dòng)提鉆基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了鉆后自動(dòng)除渣,提高了鉆孔作業(yè)的智能化技術(shù)水平與工作效率,經(jīng)夏季幾個(gè)月的不斷改進(jìn)、完善,應(yīng)用效果良好。現(xiàn)場安裝如圖8 所示。

圖8 倒渣桶現(xiàn)場安裝圖

5 結(jié)論

1)鉆孔全流程智能化是智能化礦山建設(shè)的重要發(fā)展方向,在自動(dòng)尋孔、自動(dòng)調(diào)平、自動(dòng)鉆進(jìn)、自動(dòng)提鉆基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鉆后自動(dòng)除渣功能,對提高鉆孔作業(yè)的智能化技術(shù)水平與工作效率,具有重要意義。

2)設(shè)計(jì)了六爪式、獨(dú)立小車式、倒渣桶式三種排渣方案,三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn),倒渣桶式方案經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡單實(shí)用。

3)經(jīng)過現(xiàn)場夏季應(yīng)用證明,倒渣桶方案應(yīng)用效果良好;冬季使用時(shí)是否存在凍粘現(xiàn)象,如何優(yōu)化倒渣桶的高度半徑比及有效解決凍粘問題,是后續(xù)進(jìn)一步研究內(nèi)容。