煤礦用沖擊式液壓鑿巖機(jī)鉆孔速率研究

靳永飛

【摘要】本文論述了沖擊式液壓鑿巖機(jī)的四種分解功能對(duì)鉆孔速率的影響，以及如何結(jié)合巖石的可鉆性和可鑿性給出最佳分解參數(shù)，從理論上分析了他們與整機(jī)鉆孔速率的關(guān)系，并提出了如何提高液壓鑿巖機(jī)鉆孔速率。

【關(guān)鍵詞】液壓鑿巖機(jī)；巖石；可鉆性；可鑿性；鉆孔速率

近十年來(lái)，煤礦上巖巷掘進(jìn)作業(yè)機(jī)械化程度越來(lái)越高，隨著CMJ2-27煤礦用全液壓掘進(jìn)鉆車和CMZY2-150/20煤礦用鉆裝機(jī)組的逐漸推廣和普及，如何合理的提高液壓鑿巖機(jī)的鉆孔速率成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)。就此，我們結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行了研究。

一、沖擊式液壓鑿巖機(jī)主要參數(shù)

液壓鑿巖機(jī)主要由四種功能組合而成：沖擊、進(jìn)給、回轉(zhuǎn)、沖洗。

1.沖擊功能

鑿巖機(jī)所產(chǎn)生的能量借助于機(jī)器中的活塞通過(guò)釬桿和釬頭傳遞給巖石。在沖擊式鑿巖中，活塞加速到一定速度來(lái)沖擊釬尾，沖擊能量以應(yīng)力波的形式傳給釬桿。當(dāng)應(yīng)力波傳到釬頭時(shí)，能量以釬頭作用的形式傳給巖石使之破碎。應(yīng)力波的形狀及能量的傳遞將直接影響其鑿孔速度。沖擊能量及沖擊頻率共同構(gòu)成沖擊輸出功率，其影響穿透速度的函數(shù)關(guān)系見圖1。

2.進(jìn)給功能

推進(jìn)進(jìn)給有兩個(gè)作用，一是對(duì)鑿巖時(shí)推動(dòng)釬桿在巖石中鉆進(jìn)時(shí)支承和推進(jìn)作用，二是退回，當(dāng)鉆孔完成后退出釬桿。最佳推進(jìn)力隨巖石的性質(zhì)，釬頭的尺寸型式而變化。給進(jìn)力和穿透速度的關(guān)系見圖2。

當(dāng)進(jìn)給力不足時(shí)將發(fā)生下列影響：

a.當(dāng)鑿巖機(jī)活塞沖擊釬桿時(shí)，鑿巖機(jī)不在應(yīng)有位置，因而釬頭有時(shí)不能抵住巖石，只有一小部分能量破碎巖石，而另一部分被消耗掉，影響穿透速度。

b.由于能量傳遞不良使釬尾釬桿螺紋嚴(yán)重磨損，連結(jié)松脫，能量變成熱能使釬具損耗加快。

c.由于釬具不到位，回轉(zhuǎn)幾乎無(wú)阻力的空轉(zhuǎn)，扭力很小，強(qiáng)張力波和多種負(fù)荷使釬具發(fā)生應(yīng)變產(chǎn)生變形。

d.使鑲珠和鑲片很快磨損，甚至?xí)斐擅撀洹?/p>

當(dāng)推進(jìn)進(jìn)給力過(guò)大時(shí)會(huì)造成下列不良影響：

a.釬桿和釬尾產(chǎn)生彎曲和磨損。

b.沖洗困難，不易排渣。

c.釬頭硬質(zhì)合金迅速磨鈍。

所以選用合理的推進(jìn)進(jìn)給力將能提高穿透速度和減少故障。

3.回轉(zhuǎn)功能

回轉(zhuǎn)的主要作用是使釬頭每次沖擊釬刃轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置，最佳的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)根據(jù)巖石類型、釬桿和釬頭參數(shù)型式的變化而確定。必須使兩處沖擊之間的回轉(zhuǎn)間距最優(yōu)化，以便產(chǎn)生盡可能多的巖屑提高穿透能力。

4.沖洗功能

沖洗作用是從孔內(nèi)清除破碎的巖屑。如果沖洗不足，鉆孔中將會(huì)發(fā)生重復(fù)研磨，因而使穿透速度減慢。使鉆具嚴(yán)重磨損。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生卡鉆。

鑿巖引起的巖石破碎是由于形成不均勻的應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)是釬頭產(chǎn)生的集中載荷造成的。巖石性能隨材料中發(fā)生的應(yīng)力水平而改變。

在緊靠釬頭的地方巖石被碎成細(xì)粉，在破碎帶周圍形成一個(gè)斷裂帶，裂紋由兩個(gè)帶之間的邊界開始出現(xiàn)。當(dāng)一些裂紋達(dá)到巖石的自由表面時(shí)就出現(xiàn)碎裂。當(dāng)大裂紋延伸到表面時(shí)，將阻止材料內(nèi)部的一些裂紋擴(kuò)展。與釬頭相鄰的巖石發(fā)生變形，目的是消除釬頭下的應(yīng)力，使應(yīng)力在高壓帶中變得均勻。在這個(gè)帶中破碎的產(chǎn)物是細(xì)粉。如果它們來(lái)自斷裂帶粒度更粗。

不同粒度細(xì)粉相對(duì)量以及他們的細(xì)度是鑿巖過(guò)程中能量消耗參數(shù)。如果粒度保持相同，則達(dá)到了最高效率，在這種情況下細(xì)粉與巖石總破碎量的比值達(dá)到最小，巖石破碎效率的進(jìn)一步改善可以靠控制釬頭上的載荷（進(jìn)給力）和釬頭的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。

二、巖石的可鉆性和可鑿性

巖石可鉆性是指鉆進(jìn)靠回轉(zhuǎn)扭矩和推進(jìn)壓力在巖石中鉆孔所得的穿透速度。而可鑿性是指用回轉(zhuǎn)-沖擊式鑿巖機(jī)加推進(jìn)壓力而穿鑿炮孔所得的穿透速度。對(duì)粘性和韌性的巖石采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔，而對(duì)脆性巖石采用回轉(zhuǎn)沖擊式鑿孔會(huì)得到更理想的效果。

不同的巖石對(duì)不同的鑿巖機(jī)來(lái)講效果是不相同的，當(dāng)衡量穿透能力時(shí)應(yīng)選用相同的條件，其值才有可比性。在很輕的沖擊下巖石不會(huì)變化，隨著巖石的開裂，沖擊能量的增加將使巖石破裂加劇。如達(dá)到某一點(diǎn)后（和巖石性能有關(guān)），由于鉆進(jìn)前方的破碎巖石起到了襯墊作用，沖擊能量即使增加，鉆進(jìn)效果也不會(huì)有明顯的提高，因此對(duì)不同的巖石應(yīng)對(duì)液壓鑿巖機(jī)的單次沖擊能進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)應(yīng)沖洗孔底粉屑，才會(huì)使鑿巖機(jī)的沖擊能不被浪費(fèi)。如果進(jìn)給量適當(dāng)，一定量的沖擊能可以最大限度的破碎巖石。巖石鉆進(jìn)中除了巖石的抗壓強(qiáng)度外，巖石的脆性和韌性對(duì)鉆進(jìn)速度也有明顯的影響，因此進(jìn)給力和沖擊能量需要調(diào)節(jié)以滿足不同巖石的鑿巖情況。液壓鑿巖機(jī)在使用過(guò)程中由于鉆孔速率快，鑿巖中的變化情況大致如下：在炮孔沖洗和進(jìn)給正常的情況下，鉆進(jìn)速度取決于每次沖擊的有效鉆進(jìn)量和單位時(shí)間內(nèi)的沖擊次數(shù)。

堅(jiān)硬和韌性的巖石使鉆進(jìn)減慢，因而導(dǎo)致卡鉆或釬桿斷裂和釬頭損害，韌性的巖石極易使釬具磨損。巖石裂隙能夾持釬頭沿裂縫方向鉆進(jìn)而使炮孔偏斜，釬桿跳動(dòng)，使鉆機(jī)發(fā)生震動(dòng)。而軟巖通常對(duì)沖洗炮孔造成障礙。因此對(duì)鑿巖工人來(lái)講了解所開鑿的巷道巖石地質(zhì)狀況可避免鑿巖中出現(xiàn)的故障或加以預(yù)防，減少不應(yīng)有的損失。硬巖或極硬巖要求有大沖擊力和大扭矩的鉆機(jī)以及耐磨性好的釬具。

火成巖雖然堅(jiān)硬，但由于它的整塊性，并且可能出現(xiàn)裂隙不多或又未風(fēng)化，鑿巖穿孔還是比較容易，雖然進(jìn)尺可能會(huì)慢些，但很少有故障，總的來(lái)講也能得到滿意的效果，但鉆具損耗較快。

石灰石的硬度變化于白堊和石碳紀(jì)石灰石之間，不存在鉆具磨損的問題。在硬石灰石中鉆孔，一般的沖擊式鑿巖機(jī)都能勝任，而硬石灰?guī)r多用回轉(zhuǎn)式的。砂巖耐磨性強(qiáng)，在正常的情況下使用沖擊式鑿巖機(jī)，也能很方便的鉆孔。

可鉆性指數(shù)也就是鉆進(jìn)速率指數(shù)，是給不同的巖石的一種相對(duì)可鉆性數(shù)值。它可以幫助預(yù)測(cè)鉆進(jìn)效率。

鉆進(jìn)指數(shù)是用脆度值S20和微型鑿巖試驗(yàn)的J值確定的，這里不作詳細(xì)敘述。用以確定鉆進(jìn)速率指數(shù)和鉆頭磨損指數(shù)的試樣是用金剛石巖芯鉆采取的，并用以進(jìn)行可鉆性評(píng)價(jià)。大多數(shù)類型的巖石鉆進(jìn)速率指數(shù)和鉆頭磨損指數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，巖石鉆進(jìn)速率指數(shù)低，其鉆頭磨損指數(shù)就相對(duì)的高。名稱相同的巖石中，如花崗巖中的礦物成分和石英含量、粒度、形狀的差別是很大的，它們的可鉆性指數(shù)差別也很大，這里只作為一般的知識(shí)介紹一下，實(shí)際工作中如何評(píng)價(jià)和學(xué)習(xí)需要專門的研究。

綜上所述，想要得到理想的鉆孔速率，必須根據(jù)實(shí)際巖石性能確定合理的沖擊輸出功率、最佳進(jìn)給力、最佳回轉(zhuǎn)角速度以及適當(dāng)?shù)臎_洗壓力和流量。