天井鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔和擴(kuò)孔參數(shù)的合理選擇

武楠楠，李自貴，楊天苗，王 瑋

（1．太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2．湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

天井鉆機(jī)適用于地下煤礦、通風(fēng)井、下料井等工程井。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，地下煤礦向深部的發(fā)展，采礦方法不斷改變，天井鉆機(jī)的主要制造廠為了向更深部開(kāi)采和更堅(jiān)硬巖石的開(kāi)采而制造了大扭矩大推拉力的天井鉆機(jī)。合理的工作參數(shù)是設(shè)計(jì)鉆機(jī)的主要根據(jù)，天井鉆機(jī)的主要工作參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、鉆導(dǎo)孔時(shí)的軸壓和扭矩、擴(kuò)孔時(shí)的擴(kuò)孔拉力和扭矩等。本文主要探討了標(biāo)準(zhǔn)天井鉆機(jī)導(dǎo)孔、擴(kuò)孔時(shí)的軸壓和扭矩，并得出其計(jì)算公式，為以后設(shè)計(jì)更先進(jìn)更智能化的天井鉆機(jī)提供參考依據(jù)。

1 天井鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)選擇

1．1 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)工作原理

天井鉆機(jī)用于導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的刀頭型式一般是牙輪鉆頭，其工作原理與牙輪鉆機(jī)的工作原理基本相同，屬于旋轉(zhuǎn)沖擊式破碎巖石，鉆導(dǎo)向孔工作原理如圖1所示。軸壓力P和回轉(zhuǎn)扭矩Mn是通過(guò)鉆桿施加在鉆頭上的。在軸壓力P的作用下，牙輪的齒牙逐漸壓入巖石，當(dāng)該力達(dá)到了巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破碎。而在回轉(zhuǎn)扭矩Mn的作用下，牙輪在鉆孔的底部以n1的速度做滾動(dòng)，從而產(chǎn)生剪切力，可以使破裂的巖石剝離巖面，且連續(xù)旋轉(zhuǎn)沖擊破碎巖石，形成鉆孔。

1．2 鉆導(dǎo)孔時(shí)合理軸壓的計(jì)算

天井鉆機(jī)的導(dǎo)向孔是用牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)的，其鉆孔過(guò)程與牙輪鉆機(jī)的工作過(guò)程相似，又因?yàn)樘炀@機(jī)的工作參數(shù)目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的計(jì)算方法，通常天井鉆機(jī)鉆導(dǎo)向孔時(shí)候的工作參數(shù)是借鑒牙輪鉆機(jī)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法來(lái)確定的。

圖1 鉆導(dǎo)向孔工作原理

鉆進(jìn)時(shí)的軸壓是用于破碎巖石的軸向靜壓力，它是通過(guò)鉆具施加于孔底的。實(shí)踐證明，用于破碎巖石的力既不能過(guò)于小也不能過(guò)于大，而是有一個(gè)可以使巖石發(fā)生體積破碎的合理值。天井鉆機(jī)鉆導(dǎo)向孔時(shí)候的軸壓通常是按照式（1）確定，它是前蘇聯(lián)學(xué)者以直徑Φ214mm的鉆頭為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)而得到的。如果作用在巖石上的壓力超過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度極限的30%～50%，巖石就能順利地從原巖體中被破碎下來(lái)。對(duì)于不同直徑的鉆頭，其軸壓力P（kN）和鉆頭直徑D1（mm）的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中：f為固性系數(shù)，f＝2～20；K0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，K0＝1．3～1．5，一般取K0＝1．4；D0為實(shí)驗(yàn)鉆頭直徑，D0＝214mm。

1．3 鉆導(dǎo)孔時(shí)回轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算分析

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出的功率主要用在牙輪滾動(dòng)和滑動(dòng)破碎巖石、克服鉆頭與孔底、鉆頭和鉆桿與孔壁的摩擦力以及克服鉆頭軸承的摩擦力上。然而這些因素都與巖石性質(zhì)、鉆孔直徑、回轉(zhuǎn)速度、軸壓力、鉆頭的結(jié)構(gòu)型式及新舊程度、孔底排渣狀況等有關(guān)。足夠的回轉(zhuǎn)力矩是保證鉆孔工作連續(xù)進(jìn)行所必須的條件?；剞D(zhuǎn)扭矩Mn（N·m）的計(jì)算方法如下：

其中：K為巖石特性系數(shù)，其值見(jiàn)表1。

表1 巖石特性系數(shù)K

上述計(jì)算軸壓和扭矩的公式，考慮了鉆進(jìn)過(guò)程中的主要影響因素，如巖石性質(zhì)、軸壓、孔徑等，但沒(méi)有反映鉆進(jìn)過(guò)程中卡鉆、排渣等對(duì)回轉(zhuǎn)功率的影響。計(jì)算結(jié)果比實(shí)際選用數(shù)值小，只供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

至此，天井鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)基本參數(shù)確定完畢。接下來(lái)需要確定的是擴(kuò)孔時(shí)候的參數(shù)。

2 天井鉆機(jī)的擴(kuò)孔參數(shù)選擇

2．1 擴(kuò)孔工作原理

天井鉆機(jī)擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)，通常采用的擴(kuò)孔刀盤(pán)是由多把滾刀構(gòu)成的，其工作原理與用牙輪鉆頭鉆導(dǎo)向孔的工作原理類(lèi)似，也是屬于旋轉(zhuǎn)沖擊式破碎巖石，擴(kuò)孔工作原理如圖2所示。

軸拉力T和回轉(zhuǎn)扭矩Mk由鉆機(jī)通過(guò)鉆頭施加到刀盤(pán)的滾刀上。滾刀上的硬質(zhì)合金齒在軸拉力的作用下壓入巖石，當(dāng)接觸應(yīng)力達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石破裂。在回轉(zhuǎn)扭矩Mk的作用下，滾刀在破巖面上以n2速度滾動(dòng)，產(chǎn)生使破裂的巖石剝離巖面的剪切力，且連續(xù)旋轉(zhuǎn)沖擊破碎巖石，形成擴(kuò)孔。

2．2 擴(kuò)孔拉力的計(jì)算

擴(kuò)孔拉力取決于刀具形式與數(shù)量、巖石特性以及跟隨刀具運(yùn)動(dòng)的重量等因素，擴(kuò)孔拉力T（N）可由下式計(jì)算：

其中：m總為鉆桿重量與擴(kuò)孔刀盤(pán)重量之和，kg；F推為刀具總推力，N。刀具總推力計(jì)算公式為：

其中：D2為鉆機(jī)的擴(kuò)孔直徑，m；η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取2～4；F為每把球齒滾刀軸壓，一般取為70N～110N。

圖2 擴(kuò)孔工作原理

為了驗(yàn)證上述公式的合理性，本文搜集了世界上主流的天井鉆機(jī)的參數(shù)（見(jiàn)表2），通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)分析計(jì)算，并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其擬合，得到了天井鉆機(jī)擴(kuò)孔時(shí)拉力的計(jì)算公式：

T′＝A0＋A1cos（D2W）＋B1sin（D2W）＋A2·cos（2D2W）＋B2sin（2D2W ）＋A3·cos（3D2W ）＋B3·sin（3D2W）。 （5）………………………………其中：A0、A1、A2、A3、B1、B2、B3、W 均為擬合系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，擬合系數(shù)為：A0＝7 040，A1＝354．7，A2＝－633．1，A3＝－633．1，B1＝－5 699，B2＝－1 623，B3＝－447．3，W＝0．000 850 7。

表2 主流天井鉆機(jī)參數(shù)

參數(shù)擬合曲線見(jiàn)圖3。擬合后，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，式（3）與式（5）所得出的結(jié)果很相近，因此，兩個(gè)式子都可以運(yùn)用到實(shí)際計(jì)算中。

2．3 擴(kuò)孔扭矩的計(jì)算

對(duì)于擴(kuò)孔扭矩，在過(guò)去天井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)中，一直都沒(méi)有可以借鑒的公式或者理論，都是沿用公式（2），這是很不合理的。因?yàn)樘炀@機(jī)擴(kuò)孔與牙輪鉆孔不但工作過(guò)程不同，而且破碎機(jī)理也不同。本文通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)扭矩和拉力的關(guān)系接近一條直線，故可以按照一元線性回歸方程來(lái)計(jì)算：

M′＝C＋HT 。

其中：C、H均為回歸方程的回歸系數(shù)。方程的求解過(guò)程從略。最后求得的回歸系數(shù)為：H＝0．048 11，C＝

14．999 33。因此有：

圖3 參數(shù)擬合曲線

3 結(jié)論

現(xiàn)代天井鉆機(jī)計(jì)算方法中沒(méi)有一套理論的計(jì)算方法可以運(yùn)用，故我們通過(guò)對(duì)搜集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)其擬合得出了計(jì)算公式，經(jīng)驗(yàn)證基本可行。總之，我們對(duì)天井鉆機(jī)工作參數(shù)的合理選擇問(wèn)題做了如上探討，但由于數(shù)據(jù)還不太多，實(shí)踐資料也有限，因此關(guān)于天井鉆機(jī)的工作參數(shù)和它們相互間的關(guān)系及其計(jì)算方法，今后仍需做大量的工作。

［1］ 苑忠國(guó)．采掘機(jī)械［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2009．

［2］ 徐小荷，余靜．巖石破碎學(xué)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1984．

［3］ 陳桂明．MATLAB數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］．北京：科學(xué)出版社，2002．

［4］ 何孝森．天井鉆機(jī)工作參數(shù)的合理選擇［J］．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，1999，19（10）：24－26．