邵方源劉志強(qiáng)

（1.天地科技建井研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

★煤炭科技·機(jī)電與信息化★

排齒間距對(duì)鑲齒滾刀破巖效果影響試驗(yàn)研究?

邵方源1，2，3劉志強(qiáng)1，2，3

（1.天地科技建井研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

鑲齒滾刀的破巖效率是影響反井鉆機(jī)鉆進(jìn)速度的關(guān)鍵因素，對(duì)反井鉆機(jī)在堅(jiān)硬巖石中的破巖過(guò)程進(jìn)行了研究，介紹了鑲齒滾刀的破巖機(jī)理，闡述了鑲齒滾刀的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程，最后對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)破巖數(shù)據(jù)的整理和分析，得出了巖石表面的平整度對(duì)鑲齒滾刀的單齒壓入效果有顯著影響，提出了針對(duì)此類巖石或同等硬度巖石破巖效率最高的多排鑲齒滾刀的排齒間距值。

反井鉆機(jī) 鑲齒滾刀 排齒間距 比能

我國(guó)反井鉆機(jī)采用鑲齒滾刀破巖，屬于機(jī)械破巖，這種非爆破式破巖方式具有對(duì)圍巖擾動(dòng)較小、形成的孔壁光滑、施工安全以及工作效率高等特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于煤礦、金屬礦山、水電工程和交通工程等多個(gè)領(lǐng)域。反井鉆機(jī)施工過(guò)程中消耗的主要材料就是破巖滾刀，隨著反井鉆機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，遇到的地層地質(zhì)巖層更加復(fù)雜，因此針對(duì)不同巖石條件下的高效和低能耗滾刀的研究越來(lái)越重要。

鑲齒滾刀的破巖效率是影響反井鉆機(jī)鉆進(jìn)速度的關(guān)鍵因素，故高硬度巖石破巖滾刀的研制對(duì)于反井鉆機(jī)技術(shù)和裝備的發(fā)展具有重要意義?？茖W(xué)高效地應(yīng)用反井鉆機(jī)進(jìn)行破巖，降低施工成本，需要對(duì)滾刀破巖參數(shù)進(jìn)行合理計(jì)算和分析，設(shè)計(jì)與典型地層巖石條件對(duì)應(yīng)的滾刀，以減少刀具的磨損，降低破巖能耗，提高破巖效率。

1　破巖機(jī)理的分析

反井鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中存在滾刀破巖效率低等問(wèn)題，刀具與巖石相互作用關(guān)系尚不明確。反井鉆機(jī)在硬巖鉆機(jī)作業(yè)過(guò)程中采用的是多排鑲齒滾刀，因此合理的排齒間距是提高滾刀破巖效率的關(guān)鍵因素。為了合理地設(shè)計(jì)多排鑲齒滾刀的排齒間距，在反井鉆機(jī)破巖模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行單排鑲齒模型滾刀模擬試驗(yàn)。每完成一次切割后將滾刀上提，通過(guò)橫向移動(dòng)試驗(yàn)箱使?jié)L刀移動(dòng)到下一切割位置，試驗(yàn)箱橫向移動(dòng)的距離即為排齒間距，通過(guò)對(duì)比不同排齒間距下的破巖體積和能耗來(lái)確定最優(yōu)的排齒間距。排齒間距示意圖如圖1所示。

圖1　排齒間距示意圖

圖1中B為排齒間距，h為侵入深度，當(dāng)排齒間距過(guò)大時(shí)，中間有巖石不完全破碎，成脊背狀（圖1（a））；當(dāng)排齒間距過(guò)小時(shí)，雖可以保證排齒間巖石破碎，但其破碎量并不一定是最大的（圖1（c））；圖1（b）并不常見(jiàn)，通常破巖漏斗是光滑相交的（圖1（b）中虛線所示）。

巖石破碎主要靠工具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的。在參數(shù)計(jì)算中主要以推力為主，因?yàn)樗鼪Q定了扭矩（滾動(dòng)力），在功率計(jì)算和能耗計(jì)算中，扭矩是重要部分，因?yàn)樗计扑楣Φ闹饕糠?。Teale R 1965年提出用比能參數(shù)來(lái)衡量破巖效率和效果，并將比能定義為：破碎單位體積巖石所消耗的能量。由于滾刀破巖過(guò)程極其復(fù)雜，研究破巖機(jī)理需要將力學(xué)模型簡(jiǎn)化，得到如下滾刀破巖的比能計(jì)算公式：

式中：Wf——法向力做的功，J；

Wg——滾動(dòng)力做功，J；

Ff——滾刀受到的平均法向力，k N；

Fg——滾刀受到的平均滾動(dòng)力，k N；

hi——侵入深度，mm；

s——滾刀的破巖軌跡（0＜s＜l），mm；

V——破巖體積，cm3。

在滾刀滾動(dòng)的過(guò)程中，由于滾刀刀齒交替作用在巖石上，滾刀的軸心上下往復(fù)振動(dòng)，使得侵入深度hi在破巖過(guò)程中不斷變化，所以應(yīng)將每次侵入所做的功進(jìn)行加和。破巖體積通過(guò)破巖質(zhì)量與巖石密度之比求得，在滾刀破巖的過(guò)程中，法向力作用下所做的破巖功遠(yuǎn)小于滾動(dòng)力作用下的破巖功，因此可以將其忽略，最后破巖比能公式簡(jiǎn)化為式（2）：

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

2.1 模擬試驗(yàn)臺(tái)

滾刀模擬試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)采用立式龍門架結(jié)構(gòu)，可以有效減小整個(gè)加載系統(tǒng)的體積和重量。試驗(yàn)箱內(nèi)部空間長(zhǎng)×寬×高為1500 mm×500 mm× 300 mm，采用拼裝結(jié)構(gòu)既可以方便拆卸，也可以反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)使用。試驗(yàn)過(guò)程中滾刀位置不動(dòng)，豎向加載油缸向滾刀施加代替鉆壓的法向力，試驗(yàn)箱通過(guò)水平加載油缸推動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)，帶動(dòng)滾刀旋轉(zhuǎn)完成破巖。采用液壓推進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)恒壓或恒速的推進(jìn)控制，采用直流電源的供橋方式和直接測(cè)量放大器，從而構(gòu)成應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)法向力、扭矩、轉(zhuǎn)速、位移、刀具受力等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并實(shí)時(shí)保存到計(jì)算機(jī)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可拷貝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。反井鉆機(jī)滾刀破巖模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　反井鉆機(jī)滾刀破巖模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)試件

本次試驗(yàn)所用的巖石試件取自山西大理巖，在進(jìn)行滾壓破巖試驗(yàn)研究之前，通過(guò)取芯并試驗(yàn)測(cè)得此巖石試件的密度為2.60 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為251.4 MPa，經(jīng)過(guò)切削使之符合試驗(yàn)箱的要求，其長(zhǎng)×寬×高為1200 mm×400 mm×200 mm，用水泥砂漿將其固定在試驗(yàn)箱內(nèi)。在試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)可以采集法向力-時(shí)間、滾動(dòng)力-時(shí)間以及位移-時(shí)間等曲線。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

巖石試件表面經(jīng)過(guò)打磨后比較平整且未經(jīng)滾刀切削稱為平整巖面（簡(jiǎn)稱平整面），而經(jīng)過(guò)滾刀切削且在巖石表面形成刀齒切槽稱為非平整巖面（簡(jiǎn)稱切槽面）。試驗(yàn)中以法向力為自變量逐級(jí)加載，水平油缸推進(jìn)的速度和行程保持不變，分別是60 mm/min和950 mm，滾刀在兩種不同平整度的巖石表面先后進(jìn)行破巖試驗(yàn)，之后經(jīng)過(guò)切削處理使巖石表面形成與反井鉆機(jī)實(shí)際工況相同的切槽面，進(jìn)行不同排齒間距的破巖試驗(yàn)。

實(shí)際施工過(guò)程中由于每?jī)砂褲L刀嚙合進(jìn)行破巖，所以破巖軌跡將在原滾刀排齒間距的基礎(chǔ)上縮減一半，例如實(shí)際多排齒滾刀的排齒間距為32 mm，則兩把滾刀嚙合破巖后，在巖石上的破巖軌跡間距為16 mm。試驗(yàn)中單排齒的鑲齒直徑為16 mm，為保證無(wú)重復(fù)破碎，單排鑲齒滾刀試驗(yàn)時(shí)最小的排齒間距為16 mm，本試驗(yàn)中排齒間距按照直徑的1倍、1.5倍、2倍（即16 mm、24 mm、32 mm）間距分別進(jìn)行試驗(yàn)，其示意圖如圖3所示。

圖3　鑲齒滾刀在巖石表面的破巖軌跡示意圖

試驗(yàn)開始在未經(jīng)切削的光滑平整面進(jìn)行單齒壓入試驗(yàn)，根據(jù)滾刀在不同壓力作用下的壓入壓痕情況，初步判斷出破巖效果明顯的法向力，對(duì)巖石表面進(jìn)行滾壓處理，使鑲齒滾刀在與反井鉆機(jī)實(shí)際工況相同的切槽面，在排齒間距16 mm、24 mm和32 mm的條件下，分別進(jìn)行法向力20 k N、25 k N、30 k N、35 k N、40 k N的滾壓試驗(yàn)，每次切割試驗(yàn)完成后，收集破碎下來(lái)的巖屑并稱重。

3　試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

（1）平整面上的單齒壓入試驗(yàn)。當(dāng)法向力Ff≤20 k N時(shí)，巖石表面只有壓痕產(chǎn)生；當(dāng)法向力20 k N＜Ff≤45 k N，巖石表面有微小“坑”產(chǎn)生；當(dāng)法向力45 k N＜Ff≤50 k N，巖石表面有巖屑崩裂產(chǎn)生。

（2）切槽面上的單齒壓入試驗(yàn)。當(dāng)法向力Ff≥10 k N時(shí)，巖石表面開始有張裂和崩裂現(xiàn)象產(chǎn)生。

通過(guò)以上描述可知，巖石表面經(jīng)過(guò)滾壓多次以后，其自由面數(shù)目增多，當(dāng)受相同法向力的作用時(shí)，切槽面的壓入效果更為顯著。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

按照公式（2），對(duì)已形成一系列切槽的巖石滾壓過(guò)程所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算得出不同平均法向力和排齒間距的破巖比能曲線如圖4所示。

圖4　不同排齒間距下比能隨法向力變化曲線

由圖4可以看出，在切槽面3種排齒間距下，比能隨法向力的變化趨勢(shì)基本一致，呈“V”型。其中單排齒試驗(yàn)排齒間距為24 mm時(shí)，當(dāng)Ff＜35 k N時(shí)，比能基本隨著法向力的增大而降低；當(dāng)Ff≥35 k N時(shí)，比能值開始隨著法向力的增大而升高，即比能最低點(diǎn)Ff=35 k N。當(dāng)排齒間距為16 mm和32 mm時(shí)，比能值最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的法向力分別是35 k N和34 k N。

在相同排齒間距作用下，鑲齒滾刀破巖比能隨著平均法向力的增加而減小，這是因?yàn)殍傹X滾刀隨著法向力的增大，滾刀切入巖石的深度增加，破巖的體積相應(yīng)增大，破巖效率提高，破巖比能下降。當(dāng)法向力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，如果繼續(xù)增加法向力，會(huì)使?jié)L刀下側(cè)產(chǎn)生更多密實(shí)核或向巖石內(nèi)部擴(kuò)展無(wú)效裂紋，此時(shí)雖消耗能量但并不增加破巖體積，故破巖比能隨著法向力的增大而增加。

在相同法向力作用下，破巖比能由低到高的破巖軌跡間距分別是24 mm、16 mm和32 mm（即設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)多排齒的排齒間距為48 mm、32 mm和64 mm）。從曲線變化趨勢(shì)可以得出，試驗(yàn)排齒間距為16 mm時(shí)，嚙合破巖過(guò)程中排齒間巖石破碎比較充分，與排齒間距24 mm相比破巖量小且比能大，接近圖1（c）情況；試驗(yàn)排齒間距為32 mm時(shí)，破巖過(guò)程中排齒間距過(guò)大，破巖過(guò)程中形成的裂紋未能充分?jǐn)U展和貫通，與另外兩種排齒間距相比其破巖量小且比能大，接近圖1（a）情況；試驗(yàn)排齒間距為24 mm時(shí)，在兩次破巖軌跡間更容易形成裂紋并貫通形成巖片，接近圖1（b）所示虛線情況。

3　結(jié)語(yǔ)

在外加法向力相同條件下，巖石表面的平整度對(duì)滾刀單齒壓入效果影響顯著。當(dāng)巖石表面有切槽（即自由面較多）時(shí)，滾刀壓入過(guò)程中有明顯巖片產(chǎn)生；而在表面平整（即自由面的數(shù)目少）時(shí)，滾刀壓入過(guò)程中只有壓痕和少量巖屑。根據(jù)破巖效率試驗(yàn)研究得出，當(dāng)試驗(yàn)單排齒間距為24 mm時(shí)破巖效率最高，由于實(shí)際工程為兩把滾刀相互嚙合進(jìn)行破巖，故每把多排齒的間距應(yīng)為48 mm，該參數(shù)對(duì)多排齒設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

［1］ 劉志強(qiáng).大直徑反井鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2015

［2］ 武士杰.反井鉆機(jī)鎬形鑲齒滾刀破巖效果的研究［D］.北京：煤科總院建井研究所，2007

［3］ 劉志強(qiáng).機(jī)械井筒鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展及展望［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013（7）

［4］ 荊國(guó)業(yè)，劉志強(qiáng)，武士杰.豎井鉆機(jī)楔齒滾刀失效初探［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（10）

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［12］ Teale R.The concept of specific energy in rock drilling［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1965（1）

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）

Experimental study on the effect of tooth row space of inserted tooth hob on rock breaking

Shao Fangyuan1，2，3，Liu Zhiqiang1，2，3
（1.Institute of Mine Construction，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.National Engineering Laboratory for Deep Shaft Construction Technology in Coal Mine，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Rock breaking efficiency of inserted tooth hob was a key factor in improving the drilling rate of raise boring machine.A study on raise boring machine＇s rock breaking process through hard rock was carried on，the rock breaking mechanism of inserted tooth hob was introduced，and the experiment design and process of inserted tooth hob were elaborated，then the experiment phenomena were analyzed.Through analyzing the rock breaking data，the results showed that surface evenness of rocks had obvious effects on press-in process of single-tooth of inserted tooth hob，based on this，the best tooth row space value which could achieve highest rock breaking efficiency on this kind of rock or equivalent hardness rock was put forward.

raise boring machine，inserted tooth hob，tooth row space，specific energy

TD421.53

A

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA06A403）

邵方源（1990-），男，河北唐山人，碩士，主要從事巖土工程和反井法鉆進(jìn)技術(shù)方面的研究工作。