浅析牙轮钻机作业效率影响因素

浅析牙轮钻机作业效率影响因素

庞晓宝

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司 内蒙古包头市 014080

摘要：牙轮钻机是大中型露天矿常用的打孔设备。它是一种利用牙轮钻头破碎岩石，依靠压缩空气清除岩渣的自走式钻机。与其他类型钻机相比，具有钻进效率高、成本低、安全可靠、适用范围广、劳动强度低等特点，广泛应用于冶金、煤炭、化工、国防等工业部门的大中型矿山。穿孔是露天开采的第一道工序，为炸药装药提供爆破孔。射孔质量直接影响后续生产过程的效率，如爆破、采矿、装载、运输等。而且射孔爆破费用占采矿成本的比重很大，一般达到20%~30%。选择合适的穿孔设备进行穿孔操作是非常重要的。

关键词：牙轮钻机；作业效率；

牙轮钻机作业效率是多种因素综合影响的结果，为了提高穿孔作业效率，提升矿山技术经济效益，除了对这些影响因素进行合理的控制外，更应该在今后对矿山穿孔设备进行关键技术研究。对牙轮钻机穿孔作业原理进行了简述，并理论推导出牙轮钻机作业效率公式，结合公式分析了轴压、转速、钻头直径、矿岩硬度以及时间利用系数等因素对牙轮钻机作业效率的影响，并对矿山凿岩设备发展提出建议。

一、牙轮钻机的作业效率

1.牙轮钻机的基本原理。牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转力矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续的挤压，切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断的吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。

2.牙轮钻机作业能力理论公式推导。牙轮钻机的台班作业能力Vb为：

式中：Vb牙轮钻机台班生产能力，m/台•班；v牙轮钻机钻进速度，cm/min；Tb班工作时间，h；η工作时间利用系数。牙轮钻机速度为：

式中：n为钻头转速，r/min；p为轴压，kN；f为岩石的坚固系数；D为钻头直径，cm。将公式代入可得，牙轮钻机台班生产能力Vb为：

3.牙轮钻机作业效率影响因素分析。从上公式可以看出，影响牙轮钻机钻进效率有以下几个因素：（1）轴压p。轴压力是钻头牙齿压人岩石形成破碎坑的原动力，是影响钻进速度的主要因素。一般来说轴压和钻速成正比关系，轴压越大，钻速就越高，但也并不意味着轴压越大越好，这是因为当轴压增大到矿岩的极限抗压强度，矿岩发生破坏，钻头牙齿全部嵌入破碎坑，钻速就不再增高，反而增加了钻头的磨损。因此，对于某一种特定岩石，存在一个最佳的轴压力值P0，经验公式为：

式中：P0为最佳轴压力；σ为岩石抗压强度；D为钻孔直径。抗压看出，施加在钻头上的最佳轴压力与岩石抗压强度和钻头直径有关。（2）转速n。根据公式可以看出，当轴压为最佳轴应力时，穿孔速度与钻头的转速成正比关系。在其他条件特定的情况下，转速与穿孔速度的关系可简化为下式：

式中：a为系数。然而，穿孔速度与转速的正比关系不是无限的。首

先，有效接触时间。钻头牙齿与岩石的接触时间不少于0.02s~0.03s才能获得对岩石有效的破碎，有效接触时间不够只能产生低效的疲劳破碎，为了保证接触时间，大孔径、硬岩钻孔时应采用较小的转速；其次，共振效益。牙轮钻机有自己的振动频率，当钻头转速与钻机的固有频率相同时，钻机将产生共振，造成机件损坏；再次，设备的使用寿命。钻头转速过快时，牙轮以很大的加速度冲击孔底，势必对合金齿和轴承产生破坏作用，缩短设备使用寿命，特别在有裂隙的硬岩上钻孔时问题更加突出。因此，一般钻头生产厂家都推荐了合理的转速范围。（3）钻孔直径D。在现有的炮孔直径范围内，直径越大，装药量就越大，孔网尺寸增大了，每米炮孔的爆破量就增加。钻头消耗减少了，钻孔成本则明显下降。近20年来，一些大型矿山把炮孔直径从250mm、增大到310 mm、380 mm，还试用了445 mm，近期问世的P&H120A型牙轮钻机的最大钻孔直径可达到559 mm。这一发展趋势也反映了大孔径可以获得较好的经济指标。所以如有可能，建议尽量采用大的孔径。（4）矿岩硬度f。从公式（4）可以看出，钻机台班效率与矿岩硬度成反比关系，矿岩硬度越大，其钻进效率越低，反之矿岩硬度越小其钻进效率越高，而在矿岩硬度系数较大的情况下，为保证有足够的钻进速度，需选择轴压与钻速较大的钻机。（5）工作时间利用系数η。我国牙轮钻机的时间利用系数是不高的，其平均台时利用系数为0.4~0.5，非作业时间大部分消耗在检修、等待配件和无工作面正常停机上，这就说明钻机的结构、钻具、和工作参数以及组织管理工作还有待完善。除了上述根据公式分析出的影响因素，实际上还存在其他因素对牙轮钻机作业效率产生影响：1）排渣风量和风压。若风量和风压不足，不能及时有效地排除孔底岩渣,将导致岩渣的重复破碎，增加无益的破碎功，同时磨损牙轮；若风量风压过大，整机功率消耗和设备投资加大，同时也会造成钻杆的气蚀，降低了钻杆的寿命。2）操作人员技术水平。操作人员技术水平对穿孔效果会产生很大的影响，钻机一次钻孔时可能会穿过多种不同岩性的地层,操作人员必须根据各种仪表读数、机械装置的声音甚至在座位上对振动的感觉，分析判断炮孔中排渣情况和钻进情况，及时调节合理钻进参数，以达到最佳穿孔效果。

二、牙轮钻机的技术

新研制的压牙轮钻机，采用高钻架结构，一次性成孔，省却钻孔过程中接卸钻杆环节，可有效减少辅助作业时间；增大了钻孔轴压和转矩，增加排渣风量，以应对工作中的卡钻现象，提高钻孔效率。增大了钻机钻孔范围，在某些场合，可以用一台钻机通过更换钻具来满足250 mm和310 mm孔径的作业需求。压牙轮钻机配置标准的四轮一带组成的履带底盘，液压马达和行走减速器直接驱动履带。钻具的回转与加压均采用液压马达驱动，分散了驱动点，取代了以往的主驱动机构，各驱动点得到加强，配合电气控制系统，可以有效应对不同工况，根据工作需要调整系统参数，以适应不同的地质结构，并具有可靠的过载保护，增加了设备的安全性。回转小车采用液压马达驱动，通风管采用机械密封，由弹簧提供密封比压和自动补偿磨损量。对于加压轴承，采用弹簧施加预压，以提高减振效果。减速器通过减振接头和钻具相联，以减缓破岩时的冲击振动对减速器的影响，该结构经过实践检验，性能优良。加压系统和钻架集成在一起，可靠性更高，配合电比例控制，实现无级调速，操作便捷，反应速度快。高压电动机的应用，减小了变压器容量和启动电流，双输出轴电动机同时驱动空气压缩机和液压站，结构紧凑，简化了控制系统。钻头和钻杆之间配以具有气、水分离功能的稳杆器，延长钻头使用寿命。

三、结论和建议

1.论述了牙轮钻机钻孔作业原理，理论推导出了牙轮钻机作业能力公式。

2.结合推导公式，分析了轴压、钻速、时间利用率、钻孔直径和矿岩硬度等影响因素，并进一步分析了风量风压和操作人员技术水平对牙轮钻机作业效率存在的影响。

3.牙轮钻机作业效率是多种因素综合影响的结果，为了提高穿孔作业效率，提升矿山技术经济效益，除了对这些影响因素进行合理的控制外，更应该在今后对矿山穿孔设备进行关键技术研究，开发拥有自主知识产权的矿山穿孔设备，达到国际先进水平。同时为矿山培养一批设备人才，造就一支科研队伍，加快国家“863”机器人产业化基地建设，建立矿山设备的研发基地，研发出更安全、更高效的穿孔设备。

总之，在矿山开采中，钻孔能耗占矿山开采能耗的一大部分，钻机的选型及实际工作状况直接影响着后续工作的能耗和生产计划。在钻孔作业中，影响其能量消耗的因素很多，其中包括所钻岩层的地质条件、钻进过程中的岩石性质、钻进效率等。牙轮钻机是大中型露天矿山普遍使用的穿孔设备。

参考文献：

[1]柯生成.关于牙轮钻机作业效率的影响因素.2020.

[2]刘华森.影响牙轮钻机穿孔效果的因素分析.2019.