露天礦牙輪鉆機智能清灰除渣技術與裝備

馬連成 ,鐘 浩 ,陸占國 ,楊興月 ,沈友碩 ,孫效玉 ,王仁炎

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

0 引言

露天礦牙輪鉆機利用軸向壓力將牙輪鉆頭的合金齒侵入巖石,回轉時帶動鉆頭旋轉滾動,合金齒對巖石碾壓剝離切削,進而破碎巖石形成巖孔[1]。巖石破碎后所產生的巖渣成粉末狀或者細小顆粒,空壓機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不穩定的巖渣堆。當鉆機完成鉆孔任務、提鉆移開后,需要工人用工具將孔口巖渣扒開,以免不穩定巖渣堆回落到孔內,達不到設計成孔深度,進而影響裝藥和爆破。通常,每個成孔周邊會形成幾立方米的巖渣,人工清理巖渣的工作量和勞動強度較大,且存在粉塵職業健康危害。

粉塵處理多年來一直是鉆機應用需要解決的技術難題,國內外這方面進行了大量研究,但主要集中在減少粉塵的環境污染與職業健康保護方面,提出了干式、濕式、機械、震動、超聲波等多種技術方案,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,結合齊大山鐵礦鉆機智能化項目的實施,提出了以下三種清灰除渣方案。

1 六爪清灰扒渣方案

1.1 總體技術方案

研發六爪式清灰扒渣裝置[9],該裝置通過安裝基座與鉆機機身進行固定連接,系統安裝如圖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)扒渣裝置隨鉆機移動而移動。

2)鉆機穿孔后,向前移動鉆機,使扒渣機構的灰爪圓中心與鉆孔中心重合,操作機構動作進行排渣。

3)扒渣完畢,提起扒渣裝置,使其不影響鉆機正常行走與作業。

1.2 系統組成

扒渣機構系統組成如圖2 所示,由安裝座、臂架、俯仰油缸、轉位油缸、清灰機構、清灰驅動油缸、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)通過清灰驅動油缸驅動清灰爪,使得清灰爪繞鉸點運動,推動孔口周邊巖渣向四周排開,在清灰爪打開過程中,各清灰爪之間產生空隙,有空隙的地方巖渣停留在原處,當一次清灰完畢后,收攏清灰爪,轉位油缸驅動清灰機構轉動一個角度(六瓣清灰爪轉動15°),進行第二次清理,達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,鉆機移動一個孔的距離時重新放下清灰機構,使錐堵排溝桿接觸地面,這時繼續移動鉆機,錐堵排溝桿拖動擠開巖渣,在排開的巖渣堆之間形成一條排水溝。

3)最后,收攏清灰爪,俯仰油缸驅動臂架,帶動清灰機構上揚,整個牙輪鉆機孔口清理裝置高于巖渣堆,使得牙輪鉆機在移動過程中不會刮到清理過的巖渣,避免帶入孔內。

1.4 系統特點

該系統的優點:①清灰機構的清灰爪轉動范圍大,可以對堆積在孔口周圍的巖渣有效扒開遠離孔口,扒開的不穩定巖渣不再落入孔內;②轉位油缸驅動的清灰機構轉動角度可根據最佳效果進行限位,全面包絡清灰爪打開過程中的間隙范圍,在二次清理時既實現快速定位,又達到全面清理的效果;③鉆機行走過程形成排水溝。

該系統的缺點:①扒渣機構重量與體積偏大,裝配時需充分考慮鉆機是否能承受此機構重(1.3 t)及大架倒下時整機高度增高1 m 左右;②除渣時需移機對正孔位,遠程操作復雜;③成本偏高。

2 獨立小車清灰扒渣方案

2.1 總體技術方案

系統由移動小車與扒渣頭兩部分組成。其中移動小車由2 t 液壓挖掘機改造而成,只將其挖斗更換為扒渣頭,并對控制系統進行相應改造,從而實現兩者的集成應用,完成扒渣機的行走、臂的動作、扒渣的動作等功能。該獨立的扒渣機可以集中處理扒渣任務,一臺扒渣機可以服務相鄰幾臺牙輪鉆機。

2.2 系統組成

2.2.1 挖掘機控制定制的2 t 挖掘機整機,如圖3 所示。

圖3 改造后挖掘機

2.2.2 扒渣頭

扒渣頭為扒渣機的直接作業核心部件,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、回轉接頭(中空式)、分流集流閥、抓斗油缸、回轉馬達、回轉支承。其操作為通過臂架和斗桿的動作,使扒渣頭對準需要清理的炮孔,放下中心堵頭將孔堵住后,張開排渣斗進行清理孔口集渣,通過支架的回轉來清理不同方向的集渣。扒渣頭設計圖如圖4 所示。

圖4 扒渣頭設計圖

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:回轉馬達動作,更換扒渣方向,實現周邊全清理。

4)清溝:周邊清理完后,夾住中心堵頭,拖出排水溝。

2.4 系統特點

該系統的優點:①一臺小車可處理鄰近2～3 臺鉆機排渣任務,實現集中處理;②清灰爪轉動范圍大,可以對堆積在孔口周圍的巖渣有效扒開遠離孔口,扒開的不穩定巖渣不再落入孔內;③可有效形成排水溝。

該系統的缺點:①與鉆機完全分離的獨立系統,開發運營維護成本高;②與鉆孔全流程操作分離,連續性程度低;③遠程控制需要額外單獨開發一套控制系統,開發難度大。

3 倒渣桶清灰扒渣方案

3.1 總體技術方案

研發傘形倒渣桶及相應的控制機構,其中傘形倒渣桶如圖5 所示。該倒渣桶安裝在鉆機回轉平臺的底部,鉆機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)倒渣桶及相應的控制機構隨鉆機移動而移動。

2)鉆機穿孔前,通過控制機構控制傘形倒渣桶護住孔口。

3)鉆機作業過程產生的巖渣排到傘形外部堆積。

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

圖6 孔口清渣形狀

3.2 系統組成

系統主要由傘形倒渣桶與相應的控制機構組成,其中傘形倒渣桶安裝在旋轉平臺底部,如圖7(a)所示;控制機構由滑輪與鋼絲繩組成,可以安裝在鉆機的頂部或上部,如圖7(b)所示。

圖7 系統組成圖

3.3 清灰扒渣工作原理

通過電動葫蘆帶動卷揚鋼絲繩,在導向輪的作用下,啟動、下落、提升鉆孔平臺下的導渣桶。

1)鉆孔前護孔:鉆機穿孔前,落下傘形倒渣桶,使其護住孔口。

2)鉆孔時排渣:鉆孔過程中,將產生的巖渣排到傘形倒渣桶外部,進行堆積。

3)鉆后除渣:鉆孔作業完成后,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。

扒渣提供車載和遠程雙控模式,在車載模式下,設置提升和下降開關,控制導渣桶的動作;在遠程模式下,導渣桶的控制接入鉆機遠控系統,通過中控室發送啟動、下落指令。

3.4 系統特點

該系統的優點:①成本低;②無需移機對孔,操作簡單,動作單一;③排渣與排水溝隨提鉆同步完成,時效高。其缺點在于裝配時鋼絲繩拉緊,需裝配人員注意各個導向輪安裝位置及距離。

4 清灰扒渣方案優選與應用

4.1 方案優選

在多次技術交流、方案設計、裝備研發改造、實驗室實驗、現場試驗基礎上,經過優化對比,最終確定采用倒渣桶方案。

表1 扒渣方案對比表

4.2 現場應用

齊大山礦在兩臺智能化改造的牙輪鉆機上安裝了倒渣桶,在實現了自動尋孔、自動調平、自動鉆進、自動提鉆基礎上,進一步實現了鉆后自動除渣,提高了鉆孔作業的智能化技術水平與工作效率,經夏季幾個月的不斷改進、完善,應用效果良好。現場安裝如圖8 所示。

圖8 倒渣桶現場安裝圖

5 結論

1)鉆孔全流程智能化是智能化礦山建設的重要發展方向,在自動尋孔、自動調平、自動鉆進、自動提鉆基礎上進一步實現鉆后自動除渣功能,對提高鉆孔作業的智能化技術水平與工作效率,具有重要意義。

2)設計了六爪式、獨立小車式、倒渣桶式三種排渣方案,三種方案各有優缺點,倒渣桶式方案經濟實惠、簡單實用。

3)經過現場夏季應用證明,倒渣桶方案應用效果良好;冬季使用時是否存在凍粘現象,如何優化倒渣桶的高度半徑比及有效解決凍粘問題,是后續進一步研究內容。