張?jiān)迄i 馬志偉 武 旭

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063000;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063000)

在礦山開采中，鉆孔能耗占礦山開采能耗的一大部分，鉆機(jī)的選型及實(shí)際工作狀況直接影響著后續(xù)工作的能耗和生產(chǎn)計(jì)劃［1］。在鉆孔作業(yè)中，影響其能量消耗的因素很多，其中包括所鉆巖層的地質(zhì)條件、鉆進(jìn)過程中的巖石性質(zhì)、鉆孔的深度、鉆進(jìn)效率等［2］。本研究通過對礦山正在使用的KY310A型牙輪鉆機(jī)、45R型牙輪鉆機(jī)和YZ55型牙輪鉆機(jī)的調(diào)研，結(jié)合地質(zhì)條件和巖石性質(zhì)進(jìn)行了分析，得出了牙輪鉆機(jī)鉆孔能耗的一些規(guī)律，對礦山鉆孔節(jié)能降耗有一定的指導(dǎo)意義。

1 孔深與鉆孔能耗的關(guān)系

由文獻(xiàn)［3］知，隨鉆進(jìn)深度的增加，可鉆性級值提高，這是導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低、能耗增加的一個(gè)重要影響因素。某礦使用KY310A牙輪鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，露天臺(tái)階高度為15 m，設(shè)計(jì)炮孔深度為17 m，鉆孔深度為17 m。根據(jù)鉆進(jìn)過程中回轉(zhuǎn)電流、回轉(zhuǎn)速度、加壓電流、加壓速度、鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)時(shí)間、排渣風(fēng)壓、控制風(fēng)壓等一些列數(shù)據(jù)的記錄，結(jié)合各個(gè)工作電機(jī)的功率進(jìn)行計(jì)算［4-5］，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，用matlab進(jìn)行擬合，得出孔深與能耗的關(guān)系如下:

式中，E為延米耗電量，kWh/m;E'為累計(jì)耗電量，kWh;h為鉆孔深度，m;A，A'分別為與巖石性質(zhì)有關(guān)系數(shù)，A=1.7～4.9，A'=0.86～2.26，不同鉆孔，鉆孔條件與巖石性質(zhì)不同，取值不同，見表1。

表1 孔深與鉆孔能耗的關(guān)系Table1 The relationship of drilling depth and drilling energy consumption

鉆孔深度與能耗的關(guān)系如圖1所示?？芍?，牙輪鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，延米耗電量與鉆孔深度呈線性關(guān)系，而隨著鉆孔深度的增加累計(jì)耗電量呈指數(shù)關(guān)系增長。說明隨著鉆進(jìn)深度的增加，圍巖對鉆桿的夾制力增強(qiáng)，巖石重復(fù)破碎消耗部分能量，排渣能耗也隨之增大。

圖1 鉆孔深度與能耗擬合關(guān)系曲線Fig.1 The curve fitting of drilling depth and drilling energy consumption

2 巖石堅(jiān)固性系數(shù)與鉆孔能耗的關(guān)系

巖石的性質(zhì)對鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率及能量消耗有很大的影響［6］。在不同的巖性條件下對45R型牙輪鉆機(jī)和YZ55型牙輪鉆機(jī)耗電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對巖石堅(jiān)固性進(jìn)行了現(xiàn)場測試，用matlab對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得出了牙輪鉆機(jī)能耗與巖石堅(jiān)固性系數(shù)呈線性關(guān)系:

式中，E(f)為延米耗電量，kWh/m;f為巖石堅(jiān)固性系數(shù);a，b為不同型號(hào)牙輪鉆機(jī)和鉆孔條件相關(guān)系數(shù)，如表2所示。

表2 巖石堅(jiān)固性系數(shù)與鉆孔能耗的關(guān)系Table2 The relationship of Protodyakonov coefficient and drilling energy consum ption

圖2所示為45R型和YZ55型牙輪鉆機(jī)的擬合曲線?？芍瑑尚脱垒嗐@機(jī)鉆孔延米能耗與巖石堅(jiān)固性系數(shù)f呈線性關(guān)系。45R型牙輪鉆機(jī)的斜率稍大于YZ55型牙輪鉆機(jī)，說明隨著巖石堅(jiān)固性系數(shù)增大，大孔徑牙輪鉆機(jī)能耗增速低。

圖2 巖石堅(jiān)固性系數(shù)與延米耗電量關(guān)系曲線Fig.2 The curve fitting of Protodyakonov coefficient and drilling energy consum ption

3 鉆孔能耗與鉆孔速率的關(guān)系

鉆機(jī)的鉆孔速率等于鉆機(jī)每日進(jìn)尺與工作時(shí)間之比。影響鉆機(jī)鉆進(jìn)速率的主要因素有鉆機(jī)性能、鉆頭型式、孔徑、巖石堅(jiān)固性系數(shù)等，此次統(tǒng)計(jì)計(jì)算的鉆進(jìn)速率與鉆孔能耗為其平均值。露天臺(tái)階高度為15 m，設(shè)計(jì)炮孔深度為19 m，鉆孔深度為19.5 m，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 不同型號(hào)鉆機(jī)鉆孔能耗、鉆孔速率及巖石堅(jiān)固性系數(shù)Table3 The drilling rate and energy consumption in the same Protodyakonov coefficient of different type drillings

圖3 鉆孔速率與延米耗電量關(guān)系曲線Fig.3 The curve fitting of drilling rate and drilling energy consumption

得到鉆孔速率與延米耗電量關(guān)系式:

式中，E(v)為延米耗電量，kWh/m;v為鉆孔速率，m/h;a1，b1，c為不同型號(hào)牙輪鉆機(jī)和鉆孔速率相關(guān)系數(shù)，如表4所示。

表4 45R型鉆機(jī)、YZ55型鉆機(jī)鉆孔速率與延米耗電量關(guān)系系數(shù)Table4 45R rig，YZ55 rig drilling rate and drilling energy consumption coefficient

由圖3可以看出，對于45R型牙輪鉆機(jī)，在巖石堅(jiān)固性系數(shù)為10的情況下，當(dāng)鉆孔速率為5.34 m/h，鉆機(jī)延米耗電量最少，但鉆孔時(shí)間相對增加，不利于工作效率的提高。45R型牙輪鉆機(jī)鉆孔速率在7～8 m/h時(shí)最適宜。對于YZ55型牙輪鉆機(jī)，在巖石堅(jiān)固性系數(shù)為10的情況下，當(dāng)鉆孔速率為12.3 m/h時(shí)，鉆機(jī)延米耗電量最少。此時(shí)鉆機(jī)鉆孔速率高，能量消耗少，故YZ55型牙輪鉆機(jī)鉆孔速率在12～14 m/h時(shí)最適宜。

4 鉆孔能耗與鉆孔孔徑的關(guān)系

調(diào)查了孔徑為250 mm的45R型和310 mm孔徑的YZ55型牙輪鉆機(jī)，鉆機(jī)孔徑之比為1.24。露天臺(tái)階高度為15 m，設(shè)計(jì)炮孔深度為18 m，鉆孔深度為18 m，孔網(wǎng)參數(shù)為分別為6.5 m×6.5 m和8 m×8 m，不同孔徑延米耗電量及爆破單位巖石鉆孔耗電量如表5和圖4所示。

表5 不同孔徑鉆機(jī)在相同巖石堅(jiān)固性系數(shù)中鉆孔能耗Table5 The drilling energy consumption of different rigs drill in the same rock solid

圖4 不同孔徑鉆孔能耗與爆破單位巖量鉆孔能耗Fig.4 Drilling different pore volume of energy consumption and blasting rock drilling unit energy consumption

小孔徑鉆機(jī)延米鉆孔能耗小于大孔徑鉆機(jī)，而爆破單位巖量鉆孔能耗則是大孔徑鉆機(jī)遠(yuǎn)小于小孔徑鉆機(jī)，而且隨著巖石堅(jiān)固性系數(shù)增大，這種趨勢越明顯。

5 結(jié)論

通過對牙輪鉆機(jī)能耗的初步統(tǒng)計(jì)分析，可以得出粗淺的結(jié)論。牙輪鉆機(jī)鉆孔的延米耗電量與鉆孔深度、巖石堅(jiān)固性系數(shù)成線性關(guān)系，與鉆孔速率成指數(shù)關(guān)系。不同的牙輪鉆機(jī)有其最適宜的鉆孔速率。不同孔徑的牙輪鉆機(jī)鉆孔延米耗電量不同，小直徑孔鉆孔延米耗電量明顯偏低，但對于爆破單位巖量的鉆孔耗電量而言，大孔徑炮孔鉆孔能耗遠(yuǎn)小于小孔徑鉆孔能耗。

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