提高钻机开沟作业成孔率的有效途径

提高钻机开沟作业成孔率的有效途径

刘嘉荟 张云鹏

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：露天矿开沟作业是生产组织的重要环节，按生产计划安排组织实施，牙轮钻机负责开沟作业的穿孔。由于作业部位岩性变化大，受特殊自然地理因素影响，所穿部位地下水相对丰富，成孔率降低，严重影响正常爆破施工，给采场生产组织带来较多影响。

关键词：牙轮钻机；开沟作业；成孔率

为使开沟作业尽快顺利进行，充分发挥牙轮钻机在生产组织中的作用，必须从根本上消除存在的缺陷及问题，真正提高特殊部位的穿孔效率与成孔率。同时，根据采场岩石结构实际情况和穿孔设备作业特点，优化现场操作技能的实施。提高开沟成孔率的提出与实施，解决了长期存在的问题，为爆破工作和采场正常生产组织带来了极大便利。

一、牙轮钻机发展现状

牙轮钻机是一种钻孔设备，多用于大型露天矿山。我国从20世纪60年代起研制牙轮钻机，1970年研制成功了我国第一台型号为HYZ-250、孔径230～250mm，顶部回转连续加压的滑架式牙轮钻机。后经多次修改，1977年改型为KY-250型。从1974年起我国陆续引进一批美国B-E公司的45-R和60-R(Ⅲ)，推动了我国自行研制牙轮钻机的发展过程。此后，一直到八十年代中期，我国陆续完成了KY型牙轮钻机的系列化。

YZ系列牙轮钻机是在我国大批引进美国牙轮钻机以后着手研制的，1980年初，原冶金部组织多个单位共同研制YZ-35型牙轮钻机，该钻机是在45-R型牙轮钻机基础上，针对引进钻机在我国多年使用中暴露的问题，吸收国外其他钻机的优点，以及我国同类钻机经验，进行设计研制。此后形成孔径150、250、310、380mm的YZ系列牙轮钻机。

国产牙轮钻机在20世纪末形成较完整的两大系列产品：KY系列和YZ系列。

近年来，国内钻机技术水平不断提高，广泛采用国外先进技术和元器件，钻机性能效率提高较快，逐步向国外先进技术靠拢。国内生产的牙轮钻机钻头不但己全部自给，而且质量还稳步上升，并先后出口到利比里亚、澳大利亚和加拿大等国。

但纵观我国牙轮钻机的设计发展历程发现，以往的牙轮钻机设计开发多为对国外牙轮钻机的吸收消化。我国的牙轮钻机设计自主性不强，还无较成型的设计标准。

二、牙轮钻机工作原理

牙轮钻机作为露天矿场的常用机械设备，其工作原理是通过钻头对地层碾压作用实现破碎岩层钻进，能在硬质岩层上钻开孔，具有钻进效率高、劳动强度小的优点。牙轮钻机的应用，先要根据地质资料和地层特点，设计良好的钻采方案，然后根据实际情况进行钻具配合优化。当前，牙轮钻机中可根据需要配备随钻测量仪器及电子数字自动显示仪等，可更好地把握钻机钻进情况，显示钻孔相关数据，有利于操作人员跟踪钻孔的开凿情况。在露天采矿等作业中牙轮钻机应用广泛，其中以三牙轮钻头牙轮钻机最常用，利用配套压缩空气实现排渣作业，主要优点是通过钻头在顶部回转，实现封闭链-齿条装置的连续加压，利用电机提供动力，借助传动装置实现牙轮钻具提升和钻机行走，还可借助液压马达进行钻机加压。在钻机行走中，可在行走履带架上支撑钻机机体，在平台后部设置钻架，配套加压、回转、提升行走机构及除尘、电气系统、液压传动装置和主压风、辅助压风装置等机构，更好地实现钻进目的。

三、牙轮钻机主要工作结构特点

1、回转机构的组成。回转机构是牙轮钻机工作机构的重要组成部分，也是牙轮钻机的主要机构之一。其作用是旋转钻具，并通过减速器把电机的扭矩和转速变成符合钻孔工作需要的扣矩和转速。回转机构由原动机、减速机、回转加压小车、销杆连接器及引风接头等部件组成。电机经二级减速后把动力传给减速器的中空轴，后者再带动钻机使整个钻具实现回转。排渣的压气由压气管路经减速器上部的引风接头引入，再经中空轴、钻杆和钻头进入炮孔，进行排渣和冷却。

2、加压-提升机构。加压提升机构是牙轮钻机的主要工作机构之一，它用以给钻具施加轴向压力及提升和下放钻具。钻具加压采用一台功率为20马力的可逆液压马达，快速提升和下放钻具则与行走共用一台功率为50马力的双定子交流电动机。

主机构变速器传动原理为：当液压马达开动时，与液压马达轴相连接的花键轴带动在其上滑动的低速轮和高速轮转动，当低速轮与齿轮啮合时，第一中间轴和齿轮则低速旋转：当齿轮与高速轮啮合时，第一中间轴和齿轮则高速旋转，并带动空套在第二中间轴上的大齿轮转动。当拨动加压离合器与齿轮啮合时，则带动用花键与它连接的第二中间轴转动，于是，齿轮带动空套在提升轴上的大齿轮和轴套旋转。提升离合器与轴套采用花键连接，它有三个位置：位于中间位置时，轴套空转；与齿轮啮合时，提升轴和左右主动链轮旋转，并通过左右链条把动力传给回转机构横轴上的大链轮，从而实现加压和提升；当它与辅助卷筒上的齿轮相啮合时，则带动辅助卷筒转动。开动提升-行走电动机，小齿轮经惰轮带动大齿轮转动。此时，拨动提升离合器，即可实现回转机构或辅助卷筒的快速提升或下放。

3、主支撑机构。主支承架由两个重型纵向工字梁构成，其间用横梁连接，钢板覆盖形成若干个刚性封闭段，可很好地承受弯曲应力和减少结构变形。钻机底架按静定方式在三点上与行走履带车相接。在钻架侧，通过由两个滑动轴承固定在车架的大横轴与履带车相接，而卷缆筒侧通过固定在钻机主架纵轴段和履带在横绞中的平衡杆接在履带车上。这种行走结构可保证钻机移动时，主架和钻架金属结构中不会产生疲劳裂纹。

4、行走机构。行走机构完成钻机远距离行走和转换孔位，由主传动机构减速后，通过三级链条传动驱动履带行走；钻机直行和拐弯，通过控制左右气胎离合器完成。行走机构与主平台的连接是通过刚性后轴上两点及均衡梁上一点铰接，成为三点铰接式连接，使钻机在不平地面行走时钻机上部始终处于水平状态。

5、排渣系统。牙轮钻机采用压气排渣，压缩空气通过主风管、回转中空轴、钻杆、稳杆器、钻头向孔底喷射，将岩渣沿钻杆与炮孔壁间的环形空间吹出孔外。

四、存在的问题

1、地表向下约2m浮石碎块多，由于2m以下出水量逐步增大，水在排渣压缩空气作用下对孔壁及孔口进行反复冲刷，使孔壁及孔口岩渣失去支撑，塌落在孔壁周围。若采取反复提升钻具方式使塌落碎石掉入孔底，将会导致孔口及孔壁塌落范围增大，直接影响钻孔深度。

2、矿岩裂隙多，排渣所使用压缩空气有一部分浪费掉，未真正发挥应有的作用，粉碎的岩渣无足够力量排出孔外，造成岩渣多次破碎，穿孔速度及效率下降幅度递增。

3、操作人员缺乏特殊部位作业应有的应变能力和操作技能，出现的问题无很好的对策和方式进行解决，综合能力有待提高。

五、改进方案及措施

通过对从事开沟生产的钻机现场观察，解决孔深不足的最好办法是孔口的防护改进，解决孔口塌方问题，孔的深度才有保障。

设计制作一种孔口防护套筒，内径φ260mm，外径φ290～310mm，长度为1325mm,选用金属材料制作，内径φ265mm，外径φ270～272mm，制作材料可选金属或非金属材料。

使用防护套筒前，钻机先打孔2m左右，将钻杆提出孔外，使用钻杆将套筒下入炮孔内，套筒口与地面保持100mm的距离。

操作钻杆从套筒孔内穿入其中，使套筒与孔壁尽量保持对中位置，筒壁与孔壁之间的缝隙使用石块或编织袋装土封闭，从而防止漏气反渣及套筒晃动孔口塌方进入孔内。

继续操作钻具下放打孔，并随时观察套筒周围的塌方情况，必要时采取继续堵塞方式操作。

六、使用效果

未进行孔口防塌方改进前，主要穿孔指标孔距、排距、孔深无法满足爆破技术要求，成孔率不足30%无法保障穿孔质量，导致生产计划实施困难，给正常的生产组织带来诸多不利因素和影响。通过炮孔防塌方的改进，成孔率提高到90%以上，能满足爆破工作基本需求，前景较乐观，具有较高推广价值。

参考文献：

[1]李学军.提高钻机开沟作业成孔率的有效途径[J].科技创新导报，2020(14).