淺析牙輪鉆機作業(yè)效率影響因素

張巴特

（國能集團準能集團公司哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

在礦山開采中，鉆孔能耗占礦山開采能耗的一大部分，鉆機的選型及實際工作、狀況直接影響著后續(xù)工作的能耗和生產(chǎn)計劃。在鉆孔作業(yè)中，影響其能量消耗的因素很多，其中包括所鉆巖層的地質(zhì)條件、鉆進過程中的巖石性質(zhì)、鉆進效率等。牙輪鉆機是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，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、工業(yè)部門的大中型礦山中。

一、國內(nèi)牙輪鉆機的現(xiàn)狀

我國從20 世紀60年代起開始研制牙輪鉆機，經(jīng)過多次改良和淘汰，現(xiàn)在還在生產(chǎn)和使用的有KY 和YZ 兩大系列12 種型號。主要研制單位有：洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院、南昌凱馬有限公司和中鋼衡重公司等。國產(chǎn)牙輪鉆機已達到美國20 世紀90年代初的技術(shù)水平，但在整體性能上與國外當(dāng)今的同類產(chǎn)品差距很大，具體體現(xiàn)在品牌單一，表現(xiàn)為動力單一，功能單一，結(jié)構(gòu)形式單一，傳動方式落后等。11.南京凱馬KY系列牙輪鉆機，全部配套件均立足國內(nèi)，因而制造成本相對低廉，主要有KY-250 型和KY-310 型及其派生產(chǎn)品。洛礦院和南昌海馬合作開發(fā)的KY-250A 型鉆機在寶鋼白云鄂博鐵礦f16～f20 的礦巖上穿孔，日穿孔效率為128～199.5m/臺·日，最高為644m/臺·日。鉆機采用了交流變頻電機驅(qū)動，頂部回轉(zhuǎn)，減速機—封閉鏈條—齒輪齒條連續(xù)加壓，高鉆架，電動、氣動、液壓聯(lián)合操縱，壓氣排渣工作機構(gòu)，可在f ≥5 的各種礦巖上穿鑿310mm、孔深為18m 的爆破炮孔。2.中鋼衡重公司主要生產(chǎn)YZ-35 型和YZ-5 型及其派生產(chǎn)品。YZ-35 型鉆機也是獲得國家金質(zhì)獎的產(chǎn)品，性能超過比塞洛斯公司的45-R。YZ-55 型鉆機是目前我國生產(chǎn)的最大型號的牙輪鉆機，YZ-55A 已應(yīng)用于首鋼秘魯鐵礦。為增大鉆頭的推進力度，YZ-55 型鉆機在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和主傳動機構(gòu)設(shè)計了3 個交流變頻電機，以滿足提高電壓和頻率的需要，這一設(shè)計在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。此外，中鋼衡重還在YZ-55 型牙輪機上應(yīng)用了可編程控制器PLC、人機界面HMI 技術(shù)，改進了空壓機并將機棚與駕駛室分離等，增強了整機的防腐防銹功能。

二、牙輪鉆機作業(yè)效率影響因素

（一）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)形空間不斷地吹至孔外，直至形成所需孔深的鉆孔。

（二）牙輪鉆機作業(yè)效率影響因素

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。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310mm、380mm，還試用了445mm，近期問世的P&H120A 型牙輪鉆機的最大鉆孔直徑可達到559mm。這一發(fā)展趨勢也反映了大孔徑可以獲得較好的經(jīng)濟指標。所以如有可能，建議盡量采用大的孔徑。礦巖硬度鉆機臺班效率與礦巖硬度成反比關(guān)系，礦巖硬度越大，其鉆進效率越低，反之礦巖硬度越小其鉆進效率越高，而在礦巖硬度系數(shù)較大的情況下，為保證有足夠的鉆進速度，需選擇軸壓與鉆速較大的鉆機。鉆機的鉆孔速率等于鉆機每日進尺與工作時間之比。影響鉆機鉆進速率的主要因素有鉆機性能、鉆頭型式、孔徑、巖石堅固性系數(shù)等。工作時間利用系數(shù)。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情況，及時調(diào)節(jié)合理鉆進參數(shù)，以達到最佳穿孔效果。

（三）牙輪鉆機技術(shù)

新研制的壓牙輪鉆機，采用高鉆架結(jié)構(gòu)，一次性成孔，省卻鉆孔過程中接卸鉆桿環(huán)節(jié)，可有效減少輔助作業(yè)時間；增大了鉆孔軸壓和轉(zhuǎn)矩，增加排渣風(fēng)量，以應(yīng)對工作中的卡鉆現(xiàn)象，提高鉆孔效率。增大了鉆機鉆孔范圍，在某些場合，可以用一臺鉆機通過更換鉆具來滿足250mm 和310mm孔徑的作業(yè)需求。壓牙輪鉆機配置標準的四輪一帶組成的履帶底盤，液壓馬達和行走減速器直接驅(qū)動履帶。鉆具的回轉(zhuǎn)與加壓均采用液壓馬達驅(qū)動，分散了驅(qū)動點，取代了以往的主驅(qū)動機構(gòu)，各驅(qū)動點得到加強，配合電氣控制系統(tǒng)，可以有效應(yīng)對不同工況，根據(jù)工作需要調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以適應(yīng)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并具有可靠的過載保護，增加了設(shè)備的安全性?；剞D(zhuǎn)小車采用液壓馬達驅(qū)動，通風(fēng)管采用機械密封，由彈簧提供密封比壓和自動補償磨損量。對于加壓軸承，采用彈簧施加預(yù)壓，以提高減振效果。減速器通過減振接頭和鉆具相連，以減緩破巖時的沖擊振動對減速器的影響，該結(jié)構(gòu)經(jīng)過實踐檢驗，性能優(yōu)良。加壓系統(tǒng)和鉆架集成在一起，可靠性更高，配合電比例控制，實現(xiàn)無級調(diào)速，操作便捷，反應(yīng)速度快。高壓電動機的應(yīng)用，減小了變壓器容量和啟動電流，雙輸出軸電動機同時驅(qū)動空氣壓縮機和液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，簡化了控制系統(tǒng)。鉆頭和鉆桿之間配以具有氣、水分離功能的穩(wěn)桿器，延長鉆頭使用壽命。配置標準的四輪一帶組成的履帶底盤，液壓馬達和行走減速器直接驅(qū)動履帶。鉆具的回轉(zhuǎn)與加壓均采用液壓馬達驅(qū)動，分散了驅(qū)動點，取代了以往的主驅(qū)動機構(gòu)，各驅(qū)動點得到加強，配合電氣控制系統(tǒng)，可以有效應(yīng)對不同工況，根據(jù)工作需要調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以適應(yīng)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并具有可靠的過載保護，增加了設(shè)備的安全性?；剞D(zhuǎn)小車采用液壓馬達驅(qū)動，通風(fēng)管采用機械密封，由彈簧提供密封比壓和自動補償磨損量。對于加壓軸承，采用彈簧施加預(yù)壓，以提高減振效果。減速器通過減振接頭和鉆具相連，以減緩破巖時的沖擊振動對減速器的影響，該結(jié)構(gòu)經(jīng)過實踐檢驗，性能優(yōu)良。加壓系統(tǒng)和鉆架集成在一起，可靠性更高，配合電比例控制，實現(xiàn)無級調(diào)速，操作便捷，反應(yīng)速度快。高壓電動機的應(yīng)用，減小了變壓器容量和啟動電流，雙輸出軸電動機同時驅(qū)動空氣壓縮機和液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，簡化了控制系統(tǒng)。鉆頭和鉆桿之間配以具有氣、水分離功能的穩(wěn)桿器，延長鉆頭使用壽命。

（四）開溝生產(chǎn)所使用的穿孔設(shè)備YZ-35B 型鉆機，各項技術(shù)性能優(yōu)良，能夠勝任開溝生產(chǎn)的基本需求

鉆機在實際作業(yè)過程當(dāng)中，由于地下水位較高，在排渣壓縮空氣的作用下對孔口的沖刷導(dǎo)致的塌方很嚴重，成孔率下降的幅度很大?？咨畹牟蛔銦o法滿足爆破工作的需求，給采場正常的生產(chǎn)組織及生產(chǎn)計劃的實施，帶來一定的壓力。重復(fù)穿孔對作業(yè)面破壞嚴重，影響爆破效果的正常發(fā)揮，使穿孔效率下降，穿孔成本成倍增長。存在的問題。1.地表向下約2m 浮石碎塊較多，由于2m 以下出水量逐步增大，水在排渣壓縮空氣的作用下對孔壁及孔口進行反復(fù)的沖刷，使孔壁及孔口的巖渣失去支撐，塌落在孔壁周圍。如果采取反復(fù)提升鉆具的方式使塌落的碎石掉入孔底，將會導(dǎo)致孔口及孔壁的塌落范圍增大，直接影響鉆孔的深度。2.礦巖的裂隙較多，排渣所使用的壓縮空氣有一部分浪費掉，沒有真正發(fā)揮應(yīng)有的作用，粉碎的巖渣沒有足夠的力量排出孔外，造成巖渣的多次破碎，穿孔速度及穿孔效率下降幅度遞增。3.操作人員缺乏特殊部位作業(yè)應(yīng)有的應(yīng)變能力和操作技能，出現(xiàn)的問題沒有很好的對策和方式進行解決，綜合能力有待提高。

（五）改進方案及措施

通過對從事開溝生產(chǎn)的鉆機現(xiàn)場觀察，解決孔深不足的最好辦法首先是孔口的防護改進，解決了孔口塌方的問題，孔的深度才有保障。設(shè)計制作一種孔口防護套筒，內(nèi)徑φ260mm，外徑φ290—310mm，長度為1325mm,選用金屬材料制作，內(nèi)徑φ265mm，外徑φ270—272mm，制作材料可選金屬或非金屬材料。使用防護套筒前，鉆機先打孔2m 左右，將鉆桿提出孔外，使用鉆桿將套筒下入炮孔內(nèi)，套筒口與地面保持100mm的距離。操作鉆桿從套筒孔內(nèi)穿入其中，使套筒與孔壁盡量保持對中位置，筒壁與孔壁之間的縫隙使用石塊或編織袋裝土進行封閉，一個是防止漏氣反渣，另一個是防止套筒晃動孔口塌方進入孔內(nèi)。繼續(xù)操作鉆具下放打孔，并隨時觀察套筒周圍的塌方情況，必要時采取繼續(xù)堵塞的方式進行操作。

（六）使用效果分析

未進行孔口防塌方改進前，主要穿孔指標孔距、排距、孔深無法滿足爆破技術(shù)要求，成孔率不足30%無法保障穿孔質(zhì)量，導(dǎo)致生產(chǎn)計劃實施困難，給正常的生產(chǎn)組織帶來諸多的不利因素和影響。通過炮孔防塌方的攻關(guān)改進，成孔率提高到90%以上，能夠滿足爆破工作的基本需求，前景比較樂觀，具有較高的推廣價值。為了盡快使開溝工作順利進行，充分發(fā)揮其在生產(chǎn)組織當(dāng)中的作用，需從根本上消除存在的缺陷和問題，使特殊部位的穿孔效率及成孔率得到真正意義上的提高，同時根據(jù)采場礦巖結(jié)構(gòu)的實際情況，穿孔設(shè)備作業(yè)的特點，優(yōu)化操作技能在現(xiàn)場的執(zhí)行情況。提高開溝作業(yè)成孔率問題的提出和實施，解決了長期存在的問題，給爆破工作及采場正常的生產(chǎn)組織帶來很大的便利。

結(jié)束語：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。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。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)濟效益，除了對這些影響因素進行合理的控制外，更應(yīng)該在今后對礦山穿孔設(shè)備進行關(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，達到國際先進水平。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。