林 楊

（中國有色金屬建設(shè)股份有限公司，北京 100038）

牙輪鉆機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。它與其他類型的鉆機相比，具有穿孔效率高、成本低、安全可靠、使用范圍廣和勞動強度低等特點，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 牙輪鉆機簡述

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

表1 牙輪鉆機分類

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種鉆機年平均效率，m/(臺·a)；Fi為鉆機的在籍臺數(shù)，n為鉆機類型數(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 牙輪鉆機作業(yè)效率

2.1 牙輪鉆機基本原理

牙輪鉆機鉆孔時，依靠加壓、回轉(zhuǎn)機構(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 牙輪鉆機作業(yè)能力理論公式推導(dǎo)

牙輪鉆機的臺班作業(yè)能力Vb為：

式（2）中：Vb牙輪鉆機臺班生產(chǎn)能力，m/臺·班；v牙輪鉆機鉆進(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，牙輪鉆機臺班生產(chǎn)能力Vb為：

2.3 牙輪鉆機作業(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，這是因為當(dāng)軸壓增大到礦巖的極限抗壓強度，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)驗公式為：

式（5）中：P0為最佳軸壓力；σ為巖石抗壓強度；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。牙輪鉆機有自己的振動頻率，當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆機的固有頻率相同時，鉆機將產(chǎn)生共振，造成機件損壞；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。

（5）工作時間利用系數(shù)η。我國牙輪鉆機的時間利用系數(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上，這就說明鉆機的結(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，實際上還存在其他因素對牙輪鉆機作業(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）論述了牙輪鉆機鉆孔作業(yè)原理，理論推導(dǎo)出了牙輪鉆機作業(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)水平對牙輪鉆機作業(yè)效率存在的影響。

（3）牙輪鉆機作業(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，造就一支科研隊伍，加快國家“863”機器人產(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。