提高釬頭在堅(jiān)硬強(qiáng)磨蝕性礦巖鑿巖中使用壽命的探討與實(shí)踐

陳鳳江，朱 丹，王軍旗

(葫蘆島市蓮花山釬具經(jīng)銷處，遼寧 葫蘆島 125001)

鑿巖爆破是礦山開采和其他采掘基礎(chǔ)工業(yè)的關(guān)鍵工序，其效率和成本對(duì)整個(gè)礦山生產(chǎn)和工程建設(shè)的進(jìn)度和效益起著至關(guān)重要的作用。鑿巖效率的高低除了與選用鑿巖設(shè)備、釬頭制造質(zhì)量和釬頭結(jié)構(gòu)型式有直接關(guān)系外，還與巖石性質(zhì)密不可分。

例如堅(jiān)固性中等或以下的巖石，一支直徑45～115 mm的合金釬頭可以進(jìn)尺幾百米甚至更多，而在堅(jiān)硬強(qiáng)磨蝕性巖石中鑿巖，其壽命僅幾十米，或不足十米，相差十幾倍甚至幾十倍。不同材質(zhì)、不同型號(hào)釬頭的使用壽命也存在顯著差別。如何提高釬頭在鑿巖中的使用壽命，尤其是在堅(jiān)硬強(qiáng)磨蝕性礦巖鑿巖中的使用壽命，是礦山開采中的一個(gè)重要課題。經(jīng)過多年實(shí)踐，探索總結(jié)出幾點(diǎn)在硬巖鑿巖中提高釬頭使用壽命的辦法。

1 改進(jìn)釬頭體型設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高合金有效利用率

中國是礦業(yè)大國，也是釬具生產(chǎn)和消耗的大國，每年僅液壓臺(tái)車用合金釬頭消耗就達(dá)到260多萬支，中深孔采礦和潛孔用合金釬頭300多萬支[1]。

釬頭、釬桿、釬尾、連接套統(tǒng)稱釬具，又稱采掘作業(yè)的掌子面工具。其中釬頭直接接觸礦巖，結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜敏感，所用合金也千差萬別，合金的內(nèi)在質(zhì)量、齒冠形狀等直接決定了釬頭的使用壽命。同時(shí)，釬頭的體型也是決定釬頭使用壽命的重要因素。比如釬頭體為平面、凹心、凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其鑿巖效果都大不一樣。世界上各大釬具生產(chǎn)和設(shè)計(jì)企業(yè)歷來都十分重視釬頭所用合金及體型設(shè)計(jì)的研發(fā)。

通過20多年的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在堅(jiān)硬強(qiáng)磨蝕性巖石中，釬頭上的合金磨損很快達(dá)到合理磨損限度，導(dǎo)致鑿巖速度降低到不足初始速度的1/2，釬頭被迫停止使用 (見圖1)。若繼續(xù)使用，會(huì)造成碎齒、裂體等不正常損壞。經(jīng)測定，此時(shí)一次性使用報(bào)廢時(shí)的釬頭合金的磨損質(zhì)量只占原始質(zhì)量的15%左右，即合金的有效利用率過低，直接導(dǎo)致了釬頭使用壽命的縮短。

圖1 釬頭合金不同磨損程度鑿速示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the bit alloy at different wear degrees

為了解決這一難題，經(jīng)過長期觀察試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)釬頭體通過采用凸臺(tái)結(jié)構(gòu)、合金錐形齒、增大隙角、增大排粉槽等一系列參數(shù)優(yōu)化，對(duì)提高釬頭使用壽命具有顯著效果。改進(jìn)釬頭體型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，既要考慮釬頭在鑿巖過程中有利于破巖效率和合金有效利用率的提高，同時(shí)還要兼顧釬頭體本身及合金柱在復(fù)雜受力條件下的穩(wěn)固性。例如，同樣的合金牌號(hào)，尖齒比球齒易碎，但尖齒的穿孔速度比球齒快[2]。因此釬頭體型的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，必須由釬頭制造者和使用者密切合作，深入揭示釬頭在堅(jiān)硬強(qiáng)磨蝕巖石鑿巖過程中合金磨損和最后報(bào)廢的原因和規(guī)律，然后找出提高釬頭鑿巖效率和延長釬頭壽命的方案。此方案同時(shí)要兼顧釬頭本身的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，只有這樣才能制造出適用于堅(jiān)硬巖石的合金釬頭。方案通過甘肅白銀深部銅礦的兩次釬頭改型設(shè)計(jì)得到了進(jìn)一步的啟示和驗(yàn)證。1998年，針對(duì)當(dāng)時(shí)大多YGZ-90鉆機(jī)的釬頭都不太適應(yīng)甘肅白銀深部銅礦的堅(jiān)硬強(qiáng)磨蝕性巖石的情況，設(shè)計(jì)了型號(hào)為ZQ60D3-R3212的釬頭，此型號(hào)釬頭采用了凸臺(tái)結(jié)構(gòu)、錐形齒合金、大隙角、大排粉槽的參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)證明，在同樣使用條件下，其壽命由平均不到20米提高到30多米。這種結(jié)構(gòu)形式的釬頭在白銀深部銅礦一直沿用至今，全礦上下稱其為“白銀型”釬頭。2018年白銀深部銅礦采礦改用液壓鑿巖臺(tái)車取代低風(fēng)壓YGZ-90鉆機(jī)，由于液壓鑿巖臺(tái)車的沖擊功更高，所以對(duì)釬頭的穩(wěn)定性就有了更高的要求。針對(duì)其配套釬具通用型ZQ70F-T38，進(jìn)尺米數(shù)太少、消耗成本太高的問題，又重新設(shè)計(jì)了一款釬頭?；谏鲜龇桨傅乃悸芬约霸谶x用合金質(zhì)量和釬頭制造技術(shù)大量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，大膽地提出了有別于傳統(tǒng)保守的釬頭設(shè)計(jì)理念，沿用了凸臺(tái)結(jié)構(gòu)、錐形齒合金、大隙角、大排粉槽的設(shè)計(jì)原則。并在合金布齒、水孔分布、加工工藝等方面進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，保證了釬頭質(zhì)量的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在相同的巖石條件和相同型號(hào)鉆機(jī)的使用條件下，釬頭平均壽命由38 m提高到76 m。與常規(guī)通用釬頭相比較，這兩次體型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，主要是大幅度地提高了合金有效利用率，從而延長了釬頭壽命。

2 推廣科學(xué)正確的釬頭使用方法，提高釬頭使用壽命

鑿巖過程中，硬質(zhì)合金柱齒釬頭有兩種使用方法：一種是一次性使用，用壞即報(bào)廢；一種是采用更加科學(xué)正確的使用方法，即合金磨損平頂達(dá)到合金柱直徑D的1/3～1/2時(shí)(見圖2)，停止使用，及時(shí)修磨[3]，這樣可使釬頭多次反復(fù)使用。

圖2 合金磨損程度示意圖Fig.2 Schematic diagram of alloy wear

目前，國內(nèi)90%甚至更多的用戶采用的是第一種使用方法，釬頭使用壽命普遍較低。為了最大限度地使柱齒釬頭的優(yōu)越性得以更充分的發(fā)揮，關(guān)鍵是解決柱齒釬頭修磨問題[4]，從而使釬頭可以反復(fù)、循環(huán)使用。在國外某些國家，早在20世紀(jì)80年代就已形成釬頭修磨反復(fù)使用的科學(xué)方法及相關(guān)規(guī)章制度。結(jié)合自主研發(fā)和探索，同時(shí)借鑒我廠在澳大利亞的銷售公司開展釬頭修磨技術(shù)服務(wù)15年的大量經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出釬頭修磨技術(shù)和方法。

1)形成柱齒釬頭可以修磨的使用標(biāo)準(zhǔn)

(1)合金磨損平頂直徑不大于合金柱直徑的1/3～1/2。

(2)鉆機(jī)穿孔速度降低到初始速度的1/2。

(3)釬頭累計(jì)進(jìn)尺達(dá)到釬頭一次性使用報(bào)廢的70%。

2)修磨設(shè)備和磨具的選擇

(1)瑞典山特維克的Sanroc Multi系列臺(tái)式修磨機(jī)、廈門倍聯(lián)礦山機(jī)械有限公司的手持式和臺(tái)式修磨機(jī)等。

(2)國內(nèi)用戶提供的可修磨釬頭磨損程度都大于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，因此還要增加其它輔助設(shè)備。

(3)為了保證精確的修磨柱形，磨具還要向金剛石制品廠專門定制。

3)加強(qiáng)管理，開展好柱齒釬頭修磨工作

(1)管理人員和操作人員提高對(duì)釬頭科學(xué)使用的正確認(rèn)識(shí)，杜絕打鈍釬頭舊習(xí)。

(2)使用單位建立釬頭領(lǐng)用、更換、回收的保管制度。

(3)選擇有信譽(yù)、能力強(qiáng)、可進(jìn)行釬頭修磨服務(wù)的生產(chǎn)廠家或經(jīng)銷商。

運(yùn)用科學(xué)合理的釬頭修磨技術(shù)和方法，在國內(nèi)開展了大量的推廣服務(wù)。1998年，在三峽電站的永久船閘建設(shè)工程中首次采用。此工程要在兩條平均深200 m、長2 000 m大溝的四個(gè)巖壁上鉆鑿10萬多個(gè)直徑Φ80 mm、深10 m的錨桿孔。巖石是致密花崗巖，對(duì)釬頭的磨蝕性較強(qiáng)。經(jīng)過大量試驗(yàn)和實(shí)踐，證明在同樣的使用條件下，修磨后的釬頭穿孔速度和壽命與新釬頭無大差異。四年內(nèi)共修磨釬頭6 000多支，節(jié)約采購成本150多萬元。另外，在上海洋山港開山填海工程、鞍鋼鲅魚圈新廠區(qū)開山填海工程以及鞍鋼弓長嶺井下礦中深孔采礦工程中，也采用了釬頭修磨技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)施科學(xué)正確的釬頭使用方法，其實(shí)質(zhì)也是大幅度提高合金的有效利用率，從而提高釬頭使用壽命。通過修磨可以大幅度提高鑿巖效率，降低釬具消耗成本，這也是解決堅(jiān)硬、強(qiáng)磨蝕性巖石鑿巖難的有效方法之一。

3 結(jié)論

針對(duì)國內(nèi)柱齒釬頭使用壽命普遍偏低或未達(dá)到最優(yōu)使用效率的問題，提出了提高釬頭使用壽命的措施和方法：

1)通過改進(jìn)釬頭體型設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，處理好釬頭使用壽命與釬頭堅(jiān)固穩(wěn)定性的關(guān)系。在同樣堅(jiān)硬巖石的條件下，可提高釬頭使用壽命30%以上。

2)科學(xué)正確的釬頭使用方法，適時(shí)修磨，多次使用，可以大幅度地提高釬頭的鑿巖效率和使用壽命。

同時(shí)，要加強(qiáng)管理人員及工人對(duì)釬頭使用方法的科學(xué)認(rèn)識(shí)，了解其磨損的內(nèi)在規(guī)律。通過釬頭合理設(shè)計(jì)、科學(xué)修磨，可解決全國絕大多數(shù)硬巖礦山和工程中的鑿巖難題，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為國家節(jié)約大量稀缺金屬資源。