呂兆川，杜佳明，鄭建明，徐 偉，靳曉波

濟(jì)南臨工礦山設(shè)備科技有限公司 山東濟(jì)南 250100

潛孔鉆機(jī)廣泛用于露天采礦工程中，主要完成 爆破孔作業(yè)[1]。潛孔鉆機(jī)破巖鉆孔是依靠高壓氣體推動沖擊器產(chǎn)生沖擊力傳遞給鉆頭，沖擊、粉碎巖石，然后由液壓馬達(dá)驅(qū)動經(jīng)減速機(jī)傳遞到鉆頭上的轉(zhuǎn)矩撕裂切削碎石[2]。鉆孔產(chǎn)生的巖渣粉塵由沖擊器做功殘余氣體經(jīng)鉆桿與孔壁環(huán)形通道吹出地面。鉆孔過程中鉆具鏈上同時施加有推進(jìn)力用來保持鉆頭前沿與巖層始終接觸，保證每次鉆孔動作的高效性。在大孔徑、深孔和硬巖工況中，潛孔鉆機(jī)有明顯優(yōu)勢。沖擊穿孔原理復(fù)雜，鉆孔過程中產(chǎn)生的渣塵顆粒尺寸和形狀都有較大差異。鉆孔產(chǎn)生的小顆粒粉塵是礦區(qū)空氣污染的主要來源，處理不好不但危害工人身體健康，還可能會造成停工停產(chǎn)[3]。此外，鉆孔過程中渣塵在鉆機(jī)集塵系統(tǒng)中高速流動，會對集塵管壁造成沖蝕磨損[4-5]，并且粉塵也會堵塞集塵濾芯。顆粒尺寸是粉塵的重要物理屬性，顆粒群材料的特性很大程度上與顆粒尺寸分布有關(guān)。

熊攀等人[6]研究發(fā)現(xiàn)，旋風(fēng)分離器分離效率受顆粒尺寸影響，分離器只能有效分離大于 5 μm 顆粒，因此，在分級除塵工藝中采用旋風(fēng)分離器處理粗顆粒。楊柳松等人[7]研究了 5～150 μm 顆粒在旋風(fēng)分離器中的分離特性，發(fā)現(xiàn)小蝸殼進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)對粒徑小于 30 μm 的物料有更高的分離效率。黃勇等人[8]通過對潛孔錘鉆進(jìn)中巖屑顆粒的分布研究，討論了潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)過程的碎巖機(jī)理。JIANG H X 等人[9]采用分形理論研究了碎巖過程切削加載時間-碎屑顆粒特性，通過碎屑顆粒分布，推測出切削碎巖的非線性過程。張福宏等人[10]采用數(shù)值模擬的方法對煤層干式鉆孔粉塵顆粒分布進(jìn)行研究，得出了粉塵粒徑與擴(kuò)散、沉降的關(guān)系，應(yīng)用于鉆孔粉塵控制技術(shù)與裝置的研發(fā)。從以往顆粒分布研究中取得的成果可以看出，顆粒特性分析對碎巖機(jī)理研究和鉆孔設(shè)備工程應(yīng)用指導(dǎo)的重要性。已有潛孔沖擊鉆孔顆粒的研究方向多集中于煤礦開采，而對石料場巖層鉆孔研究較少，不同巖層堅固性指標(biāo)存在差異，影響鉆機(jī)的鑿巖碎石效率，因此有必要對潛孔鉆機(jī)巖石層工況進(jìn)行研究。

顆粒分布研究可以為鉆機(jī)設(shè)計參數(shù)確定、調(diào)試效果驗證和施工對環(huán)境影響程度評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。大顆粒巖屑尺寸可用于集塵系統(tǒng)臨界懸停速度[11]確定，進(jìn)而指導(dǎo)集塵風(fēng)機(jī)和管徑參數(shù)的選擇；顆粒狀巖屑占比可作為鉆孔回轉(zhuǎn)與推進(jìn)參數(shù)匹配合理性及集塵管受沖蝕磨損程度判斷依據(jù)；而粉塵顆粒尺寸、含量的確定可用于集塵濾芯的選擇和粉塵污染防治措施的指導(dǎo)。因此，筆者以 LGMRT-SDC130 露天一體潛孔鉆機(jī)為對象，研究了鉆孔時所產(chǎn)生的巖渣粒徑分布特點。

1 試驗工況與方法

1.1 工況

試驗鉆機(jī)為濟(jì)南臨工礦山設(shè)備科技有限公司生產(chǎn)的 SDC130 露天一體鉆機(jī)。該鉆機(jī)主鉆孔徑為 90～130 mm，空壓機(jī)風(fēng)量為 14 m3/min，最大風(fēng)壓為 1.7 MPa。測試場地位于濟(jì)南市東部某采石場，鉆具選用 4 英寸沖擊器，鉆頭直徑為 115 mm，測試鉆孔深度為 24 m。分析樣本取一段穩(wěn)定鉆孔時間內(nèi)集塵系統(tǒng)收集到的巖渣。樣本收集后用分樣篩依次篩分出不同粒徑范圍的顆粒，篩分網(wǎng)孔規(guī)格依次是 2、5、10、20、40、50、70、120 和 200 目，共計篩分出 9 個粒徑區(qū)間的顆粒。樣本篩分后對比觀察，稱重分析。

1.2 方法

采用 Rosin-Rammler (RR) 模型研究顆粒尺寸分布已得到廣泛認(rèn)可。該模型適用于不同類型、不同尺寸的顆粒分布研究，對磨碎、碾磨和壓碎產(chǎn)生的顆粒尤為適用[12]。筆者采用 RR 模型對收集的巖渣樣本數(shù)據(jù)分析，研究鉆孔作業(yè)中出渣顆粒的特性。RR 分布模型基本表達(dá)式為

式中：F(d) 為分布函數(shù)；d為顆粒尺寸，mm；m為顆粒尺寸分布指數(shù)；l為顆粒中位尺寸，mm，對應(yīng)F(d)=0.632 時的取值。

對 RR 函數(shù)兩端兩次取對數(shù)轉(zhuǎn)換得到變形式

對已存在的顆粒，其中位尺寸是固定常數(shù)。若顆粒尺寸分布符合 RR 模型，采用最小二乘法對 lnd和 ln{-ln [1 -F(d)]} 散點線性擬合可以得到一直線，直線斜率即m，直線截距即 -mlnl。

對F(d) 微分運(yùn)算，得到 RR 模型密度函數(shù)表達(dá)式

2 結(jié)果分析與討論

試驗收集的鉆孔出渣樣本顆粒尺寸、分段粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量和及總體占比如表 1 所列。

2.1 顆粒篩分結(jié)果分析討論

從表 1 可以看出，所研究的工況下鉆孔過程中產(chǎn)生的渣塵最小粒徑在 0.074 mm 以下，并且該范圍內(nèi)顆粒質(zhì)量占比較高，約占 15.94%。國際上將粒徑小于 75 μm 的固體懸浮物定義為粉塵[13]。以往研究報道指出，鉆機(jī)施工會產(chǎn)生大量粉塵[14-15]，并且有研究發(fā)現(xiàn)，礦山道路揚(yáng)塵中 0.050～0.060 mm 范圍內(nèi)顆粒占 60% 以上[16]。這說明潛孔鉆作業(yè)容易引發(fā)礦區(qū)揚(yáng)塵污染。潛孔鉆機(jī)穿孔鉆進(jìn)效率受多種因素影響，主要包括回轉(zhuǎn)速度、沖擊力、推進(jìn)力和巖石硬度。鉆頭碎巖包括沖擊破碎和回轉(zhuǎn)破碎兩個過程。盡管鉆機(jī)經(jīng)出廠調(diào)試時已匹配好回轉(zhuǎn)與推進(jìn)參數(shù)，但是在具體作業(yè)時，難以避免出現(xiàn)局部破碎和重復(fù)破碎的情況，并且在實際工況下，前次破巖產(chǎn)生的碎屑不可能完全排出孔底，部分殘留碎屑會被二次破碎甚至多次破碎，因此鉆孔過程中會產(chǎn)生相對較多的細(xì)顆粒粉塵。

表1 鉆孔出渣顆粒粒徑篩分結(jié)果Tab.1 Sieving results of particle size of dust from drilling hole

鉆孔過程中產(chǎn)生的最多顆粒尺寸范圍為 2～5 mm，質(zhì)量約占 19.48%?？傮w分布中，粒徑大于 1 mm 的顆粒質(zhì)量占 51.71%，并且最大顆粒尺寸接近 12.5 mm，表明鉆孔過程出渣顆?？傮w偏向粗顆粒碎屑。此外，從篩分結(jié)果看，出渣顆粒群既有粉塵又含大顆粒碎屑，粒徑分布范圍較廣。顆粒分布特征與沖擊器鉆頭破巖原理相關(guān)，沖擊器做功破巖是非常復(fù)雜的非線性過程，且有大形變和破碎形式多樣的特點，每次破巖做功對巖石造成的破壞程度不完全一致，因此形成的碎屑顆粒尺寸差別較大。潛孔鉆頭在沖擊力作用下，鉆齒接觸破碎巖石主要包括壓碎和剪崩兩部分。穿孔鉆進(jìn)時，鉆齒正面巖石承受較大沖擊載荷，形成高應(yīng)力區(qū)，巖石被壓碎，該過程主要產(chǎn)生小顆粒碎屑和粉塵；同時，鉆齒周圈巖石受到擠壓發(fā)生剪切崩裂，該過程主要產(chǎn)生大顆粒碎屑。鉆進(jìn)沖擊過程中的回轉(zhuǎn)動作會帶動鉆齒產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在該轉(zhuǎn)矩作用下，巖石沿鉆桿旋轉(zhuǎn)方向受剪切而從巖層主體上脫落造成破碎，該過程產(chǎn)生的碎屑顆粒尺寸相對較大。鉆孔過程出渣顆粒分布總體偏向粗顆粒，表明潛孔鉆頭碎巖過程中剪切崩裂起關(guān)鍵作用。

分析表 1 發(fā)現(xiàn)，中等尺寸范圍 0.125～1.000 mm 顆?？傆嫾s為 22.56%，相對較少，說明每次沖擊鉆進(jìn)產(chǎn)生的大顆粒碎屑能有效地排出孔底，沒有過多殘留渣被反復(fù)研磨而影響穿孔效率。

2.2 顆粒篩分?jǐn)?shù)據(jù)分布函數(shù)擬合

運(yùn)用 RR 函數(shù)研究顆粒分布時，分布函數(shù)F(d) 的含義是顆粒累計質(zhì)量占比，即d以下粒徑顆粒所占比例。根據(jù)表 1 所列，可以得出篩分樣本的顆粒分布曲線，如圖 1 所示。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)繪制 lnd～ln{-ln [1 -F(d)]} 散點圖，線性擬合得到鉆孔出渣顆粒 RR 函數(shù)擬合曲線，如圖 2 所示。

圖1 鉆孔出渣顆粒分布Fig.1 Particle size distribution of dust from drilling hole

圖2 鉆孔出渣顆粒分布 RR 函數(shù)擬合Fig.2 RR function fitness of particle size distribution of dust from drilling hole

從圖 1 可以看出，鉆孔出渣顆粒群累計質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.632 時顆粒尺寸在 2 mm 附近，總體偏向粗顆粒巖屑。根據(jù)圖 2 得到擬合線方程

相關(guān)系數(shù)R2=0.969 9，表明樣本顆粒分布能較好地符合 RR 模型。根據(jù)式 (4)，可計算出顆粒分布指數(shù)m=0.488 3，中位徑尺寸l=1.85 9 mm。據(jù)此得到鉆孔出渣顆粒分布函數(shù)表達(dá)式

確定顆粒分布函數(shù)表達(dá)式意義在于通過函數(shù)曲線可以直觀評價顆粒群分布寬窄和顆粒尺寸差異。從圖 2 可以看出，當(dāng)式 (4) 斜率越大，即分布指數(shù)m越大時，擬合線越陡，對應(yīng)橫坐標(biāo)顆粒直徑分布的范圍相對越窄，此時顆粒群的粒徑尺寸相對集中。相反，則顆粒群粒徑尺寸相對分散。對比文獻(xiàn) [17] 運(yùn)用 RR 模型研究的同類型煤粉粒徑分布，分布指數(shù)m=1.190 4，研究得出的粒徑范圍在 0～0.9 mm，本試驗中m=0.488 3＜1.190 4，粒徑分布范圍相對更廣，在 0～12.5 mm，驗證了 RR 模型預(yù)測粒徑分布的可靠性。由式 (4) 截距計算出的l(顆粒群中位徑)，反映顆粒群粗細(xì)程度，l越小表明細(xì)顆粒粉塵含量較多，l越大表明粗顆粒碎屑含量較多。根據(jù)分布函數(shù)預(yù)測的中位徑l=1.859 mm，落點在顆粒篩分結(jié)果曲線中的 2 mm 附近，證實分布函數(shù)對粒徑分布預(yù)估的準(zhǔn)確性。

2.3 分布函數(shù)應(yīng)用

RR 模型密度函數(shù)是分布函數(shù)F(d) 的微分方程，F(xiàn)(d) 曲線中任意橫坐標(biāo)點d0對應(yīng)的函數(shù)值代表尺寸小于d0的顆粒群所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而f(d) 任意兩個區(qū)間點對應(yīng)的豎軸和f(d) 圍成的區(qū)域，代表該尺寸區(qū)間 [d1，d2] 內(nèi)顆粒質(zhì)量占比。F(d) 確定后，借助函數(shù)計算可以預(yù)估某一顆粒群中特定尺寸范圍內(nèi)顆粒含量，特別是針對篩分條件不能實現(xiàn)區(qū)分的小顆粒群，獲取極端尺寸條件下顆粒群的分布數(shù)據(jù)更具價值。即

篩分結(jié)論中發(fā)現(xiàn)小顆粒粉塵含量較多，對其細(xì)分顆粒分析預(yù)測，參照國標(biāo)[18]對呼吸性粉塵的規(guī)定，空氣動力學(xué)直徑小于 7.07 μm 為呼吸性粉塵。運(yùn)用分布函數(shù)F(d) 對鉆孔作業(yè)中產(chǎn)生的呼吸性粉塵評估，F(xiàn)(d=0.007 07)=0.063 7，表明鉆孔時產(chǎn)生了約 6.37% 的呼吸性粉塵。露天鉆機(jī)設(shè)備干式集塵系統(tǒng)末端氣體都經(jīng)濾芯過濾后排入大氣，因此，顆粒分布的確定也可為集塵濾芯過濾精度的選取提供依據(jù)。鉆孔作業(yè)中，渣塵顆粒在集塵管道中高速流動沖刷管壁、粗濾桶和集塵箱，而沖蝕率受顆粒大小影響。有研究發(fā)現(xiàn)，管道運(yùn)輸中，當(dāng)傳送顆粒大于 150 μm 時，沖蝕率隨顆粒尺寸增大而增大[19]。根據(jù)分布函數(shù)F(d) 預(yù)測，F(xiàn)(d=0.150)=0.253 6，鉆孔過程中 74.64% 的顆粒尺寸在 0.15 mm 以上，說明鉆孔作業(yè)時集塵系統(tǒng)受沖蝕損耗嚴(yán)重，這也是鉆機(jī)集塵系統(tǒng)在重要部位都加裝防磨膠墊的原因。

3 結(jié)論

(1) 通過實際工況鉆孔試驗，收集了潛孔鉆機(jī)巖層工況鉆孔產(chǎn)生的渣塵顆粒樣本，采用篩分法得到了顆粒分布特征和相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2) 鉆孔過程產(chǎn)生的顆粒最小粒徑在 0.074 mm 以下，并且該部分顆粒占比較大，約為 15.94%，表明潛孔鉆機(jī)鉆孔過程中有局部重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆孔作業(yè)容易造成礦山揚(yáng)塵污染。粒徑大于 1 mm 的顆粒質(zhì)量占51.71%，顆粒尺寸總體偏向粗顆粒，并且顆粒最大尺寸接近 12.5 mm，表明鉆孔產(chǎn)生的渣塵顆粒尺寸分布較廣。顆粒尺寸大小不同、質(zhì)量分布不均，表明潛孔鉆進(jìn)破巖機(jī)理復(fù)雜。

(3) 運(yùn)用 Rosin-Rammler 分布模型擬合樣本篩分?jǐn)?shù)據(jù)，得到了鉆孔出渣顆粒分布函數(shù)，根據(jù)擬合結(jié)果證實了顆粒符合 RR 分布。計算確定了 RR 分布關(guān)鍵參數(shù)m=0.488 3，中位徑l=1.859 mm。分布指數(shù)較小，表明顆粒群粒徑分布跨度較大，顆粒相對分散，函數(shù)預(yù)測值與實測結(jié)果相一致。

(4) 顆粒分布特征的確定，為鉆機(jī)工程應(yīng)用中不同工況下集塵系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率進(jìn)一步優(yōu)化，以及鉆孔參數(shù)最優(yōu)化匹配，提升穿孔效率提供了參考數(shù)據(jù)。本試驗對某一種鉆孔參數(shù)下出渣顆粒分布研究，尚不足以明確不同鉆孔參數(shù) (推進(jìn)力、回轉(zhuǎn)速度和風(fēng)壓等)、孔徑和巖層硬度等對出渣顆粒分布的影響規(guī)律，鉆孔出渣顆粒分布有待繼續(xù)深入研究，本試驗所得結(jié)論可提供對比借鑒。