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        淺析牙輪鉆機(jī)作業(yè)效率影響因素

        2018-12-12 07:51:00
        世界有色金屬 2018年19期
        關(guān)鍵詞:牙輪礦巖軸壓

        林 楊

        (中國有色金屬建設(shè)股份有限公司,北京 100038)

        牙輪鉆機(jī)是大中型露天礦山普遍使用的穿孔設(shè)備。它是利用牙輪鉆頭破碎巖石并依靠壓縮空氣排除巖渣的自行式鉆機(jī)。它與其他類型的鉆機(jī)相比,具有穿孔效率高、成本低、安全可靠、使用范圍廣和勞動強(qiáng)度低等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在冶金、煤炭、化工、國防等工業(yè)部門的大中型礦山中[1]。穿孔作業(yè)為爆破工作提供裝放炸藥的炮孔,是露天礦開采的首道工序。穿孔質(zhì)量對其后生產(chǎn)工藝如爆破、采裝、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鞯男十a(chǎn)生直接影響,并且,穿孔爆破成本占據(jù)采礦成本很大一部分比例,一般可達(dá)到20%~30%。選擇合適穿孔設(shè)備進(jìn)行穿孔作業(yè)十分關(guān)鍵[2]。

        1 牙輪鉆機(jī)簡述

        牙輪鉆機(jī)按其鉆孔孔徑和軸壓力的大小,將牙輪鉆機(jī)分為小型、中型、大型和特大型4種類型,鉆機(jī)分類見表1。

        表1 牙輪鉆機(jī)分類

        在露天礦生產(chǎn)過程中,穿孔設(shè)備的生產(chǎn)能力必須滿足后續(xù)生產(chǎn)工藝的需要[3]。

        式(1)中:k為平均爆破率,m3/m;Ui為第i種鉆機(jī)年平均效率,m/(臺·a);Fi為鉆機(jī)的在籍臺數(shù),n為鉆機(jī)類型數(shù);Qj為第j種電鏟的年效率,m3/(臺·a);Pj為第j種電鏟的在籍臺數(shù);m為電鏟類型數(shù)。

        2 牙輪鉆機(jī)作業(yè)效率

        2.1 牙輪鉆機(jī)基本原理

        牙輪鉆機(jī)鉆孔時,依靠加壓、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過鉆桿,對鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉(zhuǎn)力矩,牙輪鉆頭在巖石上同時鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn),對巖石產(chǎn)生靜壓力和沖擊動壓力作用。牙輪在孔底滾動中連續(xù)的擠壓,切削沖擊破碎巖石,有一定壓力和流量流速的壓縮空氣經(jīng)鉆桿內(nèi)腔從鉆頭噴嘴噴出,將巖渣從孔底沿鉆桿和孔壁的環(huán)形空間不斷的吹至孔外,直至形成所需孔深的鉆孔。

        2.2 牙輪鉆機(jī)作業(yè)能力理論公式推導(dǎo)

        牙輪鉆機(jī)的臺班作業(yè)能力Vb為:

        式(2)中:Vb牙輪鉆機(jī)臺班生產(chǎn)能力,m/臺·班;v牙輪鉆機(jī)鉆進(jìn)速度,cm/min;Tb班工作時間,h;η工作時間利用系數(shù)。

        牙輪鉆機(jī)速度為:

        式(3)中:n為鉆頭轉(zhuǎn)速,r/min;p為軸壓,kN;f為巖石的堅(jiān)固系數(shù);D為鉆頭直徑,cm。

        將公式(3)代入公式(2)可得,牙輪鉆機(jī)臺班生產(chǎn)能力Vb為:

        2.3 牙輪鉆機(jī)作業(yè)效率影響因素分析

        從公式(4)可以看出,影響牙輪鉆機(jī)鉆進(jìn)效率有以下幾個因素:

        (1)軸壓p。軸壓力是鉆頭牙齒壓人巖石形成破碎坑的原動力,是影響鉆進(jìn)速度的主要因素。一般來說軸壓和鉆速成正比關(guān)系,軸壓越大,鉆速就越高,但也并不意味著軸壓越大越好,這是因?yàn)楫?dāng)軸壓增大到礦巖的極限抗壓強(qiáng)度,礦巖發(fā)生破壞,鉆頭牙齒全部嵌入破碎坑,鉆速就不再增高,反而增加了鉆頭的磨損。因此,對于某一種特定巖石,存在一個最佳的軸壓力值P0,經(jīng)驗(yàn)公式為:

        式(5)中:P0為最佳軸壓力;σ為巖石抗壓強(qiáng)度;D為鉆孔直徑。

        抗壓看出,施加在鉆頭上的最佳軸壓力與巖石抗壓強(qiáng)度和鉆頭直徑有關(guān)。

        (2)轉(zhuǎn)速n。根據(jù)公式(3)可以看出,當(dāng)軸壓為最佳軸應(yīng)力時,穿孔速度與鉆頭的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。在其他條件特定的情況下,轉(zhuǎn)速與穿孔速度的關(guān)系可簡化為下式:

        式中:a為系數(shù)。

        然而,穿孔速度與轉(zhuǎn)速的正比關(guān)系不是無限的。首先,有效接觸時間。鉆頭牙齒與巖石的接觸時間不少于0.02s~0.03s才能獲得對巖石有效的破碎,有效接觸時間不夠只能產(chǎn)生低效的疲勞破碎,為了保證接觸時間,大孔徑、硬巖鉆孔時應(yīng)采用較小的轉(zhuǎn)速;其次,共振效益。牙輪鉆機(jī)有自己的振動頻率,當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆機(jī)的固有頻率相同時,鉆機(jī)將產(chǎn)生共振,造成機(jī)件損壞;再次,設(shè)備的使用壽命。鉆頭轉(zhuǎn)速過快時,牙輪以很大的加速度沖擊孔底,勢必對合金齒和軸承產(chǎn)生破壞作用,縮短設(shè)備使用壽命,特別在有裂隙的硬巖上鉆孔時問題更加突出。因此,一般鉆頭生產(chǎn)廠家都推薦了合理的轉(zhuǎn)速范圍。

        (3)鉆孔直徑D。在現(xiàn)有的炮孔直徑范圍內(nèi),直徑越大,裝藥量就越大,孔網(wǎng)尺寸增大了,每米炮孔的爆破量就增加。鉆頭消耗減少了,鉆孔成本則明顯下降。

        近20年來,一些大型礦山把炮孔直徑從250mm、增大到310 mm、380 mm,還試用了445 mm,近期問世的P&H120A型牙輪鉆機(jī)的最大鉆孔直徑可達(dá)到559 mm。這一發(fā)展趨勢也反映了大孔徑可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。所以如有可能,建議盡量采用大的孔徑。

        (4)礦巖硬度f。從公式(4)可以看出,鉆機(jī)臺班效率與礦巖硬度成反比關(guān)系,礦巖硬度越大,其鉆進(jìn)效率越低,反之礦巖硬度越小其鉆進(jìn)效率越高,而在礦巖硬度系數(shù)較大的情況下,為保證有足夠的鉆進(jìn)速度,需選擇軸壓與鉆速較大的鉆機(jī)。

        (5)工作時間利用系數(shù)η。我國牙輪鉆機(jī)的時間利用系數(shù)是不高的,其平均臺時利用系數(shù)為0.4~0.5,非作業(yè)時間大部分消耗在檢修、等待配件和無工作面正常停機(jī)上,這就說明鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)、鉆具、和工作參數(shù)以及組織管理工作還有待完善。

        除了上述根據(jù)公式分析出的影響因素,實(shí)際上還存在其他因素對牙輪鉆機(jī)作業(yè)效率產(chǎn)生影響:

        (1)排渣風(fēng)量和風(fēng)壓。若風(fēng)量和風(fēng)壓不足,不能及時有效地排除孔底巖渣,將導(dǎo)致巖渣的重復(fù)破碎,增加無益的破碎功,同時磨損牙輪;若風(fēng)量風(fēng)壓過大,整機(jī)功率消耗和設(shè)備投資加大,同時也會造成鉆桿的氣蝕,降低了鉆桿的壽命。

        (2)操作人員技術(shù)水平。操作人員技術(shù)水平對穿孔效果會產(chǎn)生很大的影響,鉆機(jī)一次鉆孔時可能會穿過多種不同巖性的地層,操作人員必須根據(jù)各種儀表讀數(shù)、機(jī)械裝置的聲音甚至在座位上對振動的感覺,分析判斷炮孔中排渣情況和鉆進(jìn)情況,及時調(diào)節(jié)合理鉆進(jìn)參數(shù),以達(dá)到最佳穿孔效果。

        3 結(jié)論和建議

        (1)論述了牙輪鉆機(jī)鉆孔作業(yè)原理,理論推導(dǎo)出了牙輪鉆機(jī)作業(yè)能力公式。

        (2)結(jié)合推導(dǎo)公式,分析了軸壓、鉆速、時間利用率、鉆孔直徑和礦巖硬度等影響因素,并進(jìn)一步分析了風(fēng)量風(fēng)壓和操作人員技術(shù)水平對牙輪鉆機(jī)作業(yè)效率存在的影響。

        (3)牙輪鉆機(jī)作業(yè)效率是多種因素綜合影響的結(jié)果,為了提高穿孔作業(yè)效率,提升礦山技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,除了對這些影響因素進(jìn)行合理的控制外,更應(yīng)該在今后對礦山穿孔設(shè)備進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究,開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的礦山穿孔設(shè)備,達(dá)到國際先進(jìn)水平。同時為礦山培養(yǎng)一批設(shè)備人才,造就一支科研隊(duì)伍,加快國家“863”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè),建立礦山設(shè)備的研發(fā)基地,研發(fā)出更安全、更高效的穿孔設(shè)備。

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