淺析牙輪鉆機作業效率影響因素

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工作的能耗和生產計劃。在鉆孔作業中，影響其能量消耗的因素很多，其中包括所鉆巖層的地質條件、鉆進過程中的巖石性質、鉆進效率等。牙輪鉆機是露天礦山普遍使用的穿孔設備，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，廣泛應用在冶金、煤炭、工業部門的大中型礦山中。

一、國內牙輪鉆機的現狀

我國從20 世紀60年代起開始研制牙輪鉆機，經過多次改良和淘汰，現在還在生產和使用的有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計研究院、南昌凱馬有限公司和中鋼衡重公司等。國產牙輪鉆機已達到美國20 世紀90年代初的技術水平，但在整體性能上與國外當今的同類產品差距很大，具體體現在品牌單一，表現為動力單一，功能單一，結構形式單一，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，因而制造成本相對低廉，主要有KY-250 型和KY-310 型及其派生產品。洛礦院和南昌海馬合作開發的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動，頂部回轉，減速機—封閉鏈條—齒輪齒條連續加壓，高鉆架，電動、氣動、液壓聯合操縱，壓氣排渣工作機構，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YZ-35 型和YZ-5 型及其派生產品。YZ-35 型鉆機也是獲得國家金質獎的產品，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的最大型號的牙輪鉆機，YZ-55A 已應用于首鋼秘魯鐵礦。為增大鉆頭的推進力度，YZ-55 型鉆機在回轉系統和主傳動機構設計了3 個交流變頻電機，以滿足提高電壓和頻率的需要，這一設計在國內尚屬首創。此外，中鋼衡重還在YZ-55 型牙輪機上應用了可編程控制器PLC、人機界面HMI 技術，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、回轉機構通過鉆桿，對鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉力矩，牙輪鉆頭在巖石上同時鉆進和回轉，對巖石產生靜壓力和沖擊動壓力作用。牙輪在孔底滾動中連續的擠壓，切削沖擊破碎巖石，有一定壓力和流量流速的壓縮空氣經鉆桿內腔從鉆頭噴嘴噴出，將巖渣從孔底沿鉆桿和孔壁的環形空間不斷地吹至孔外，直至形成所需孔深的鉆孔。

（二）牙輪鉆機作業效率影響因素

穿孔速度與轉速的正比關系不是無限的。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、硬巖鉆孔時應采用較小的轉速；其次，共振效益。牙輪鉆機有自己的振動頻率，當鉆頭轉速與鉆機的固有頻率相同時，鉆機將產生共振，造成機件損壞；再次，設備的使用壽命。鉆頭轉速過快時，牙輪以很大的加速度沖擊孔底，勢必對合金齒和軸承產生破壞作用，縮短設備使用壽命，特別在有裂隙的硬巖上鉆孔時問題更加突出。因此，一般鉆頭生產廠家都推薦了合理的轉速范圍。鉆孔直徑D。在現有的炮孔直徑范圍內，直徑越大，裝藥量就越大，孔網尺寸增大了，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。這一發展趨勢也反映了大孔徑可以獲得較好的經濟指標。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、巖石堅固性系數等。工作時間利用系數。我國牙輪鉆機的時間利用系數是不高的，其平均臺時利用系數為0.4～0.5，非作業時間大部分消耗在檢修、等待配件和無工作面正常停機上，這就說明鉆機的結構、鉆具、和工作參數以及組織管理工作還有待完善。除了上述根據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效率產生影響：1.排渣風量和風壓。若風量和風壓不足，不能及時有效地排除孔底巖渣,將導致巖渣的重復破碎，增加無益的破碎功，同時磨損牙輪；若風量風壓過大，整機功率消耗和設備投資加大，同時也會造成鉆桿的氣蝕，降低了鉆桿的壽命。2.操作人員技術水平。操作人員技術水平對穿孔效果會產生很大的影響，鉆機一次鉆孔時可能會穿過多種不同巖性的地層,操作人員必須根據各種儀表讀數、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，及時調節合理鉆進參數，以達到最佳穿孔效果。

（三）牙輪鉆機技術

新研制的壓牙輪鉆機，采用高鉆架結構，一次性成孔，省卻鉆孔過程中接卸鉆桿環節，可有效減少輔助作業時間；增大了鉆孔軸壓和轉矩，增加排渣風量，以應對工作中的卡鉆現象，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動履帶。鉆具的回轉與加壓均采用液壓馬達驅動，分散了驅動點，取代了以往的主驅動機構，各驅動點得到加強，配合電氣控制系統，可以有效應對不同工況，根據工作需要調整系統參數，以適應不同的地質結構，并具有可靠的過載保護，增加了設備的安全性。回轉小車采用液壓馬達驅動，通風管采用機械密封，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，該結構經過實踐檢驗，性能優良。加壓系統和鉆架集成在一起，可靠性更高，配合電比例控制，實現無級調速，操作便捷，反應速度快。高壓電動機的應用，減小了變壓器容量和啟動電流，雙輸出軸電動機同時驅動空氣壓縮機和液壓站，結構緊湊，簡化了控制系統。鉆頭和鉆桿之間配以具有氣、水分離功能的穩桿器，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動履帶。鉆具的回轉與加壓均采用液壓馬達驅動，分散了驅動點，取代了以往的主驅動機構，各驅動點得到加強，配合電氣控制系統，可以有效應對不同工況，根據工作需要調整系統參數，以適應不同的地質結構，并具有可靠的過載保護，增加了設備的安全性。回轉小車采用液壓馬達驅動，通風管采用機械密封，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，該結構經過實踐檢驗，性能優良。加壓系統和鉆架集成在一起，可靠性更高，配合電比例控制，實現無級調速，操作便捷，反應速度快。高壓電動機的應用，減小了變壓器容量和啟動電流，雙輸出軸電動機同時驅動空氣壓縮機和液壓站，結構緊湊，簡化了控制系統。鉆頭和鉆桿之間配以具有氣、水分離功能的穩桿器，延長鉆頭使用壽命。

（四）開溝生產所使用的穿孔設備YZ-35B 型鉆機，各項技術性能優良，能夠勝任開溝生產的基本需求

鉆機在實際作業過程當中，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致的塌方很嚴重，成孔率下降的幅度很大。孔深的不足無法滿足爆破工作的需求，給采場正常的生產組織及生產計劃的實施，帶來一定的壓力。重復穿孔對作業面破壞嚴重，影響爆破效果的正常發揮，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。如果采取反復提升鉆具的方式使塌落的碎石掉入孔底，將會導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，沒有真正發揮應有的作用，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應有的應變能力和操作技能，出現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的鉆機現場觀察，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。設計制作一種孔口防護套筒，內徑φ260mm，外徑φ290—310mm，長度為1325mm,選用金屬材料制作，內徑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，套筒口與地面保持100mm的距離。操作鉆桿從套筒孔內穿入其中，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。繼續操作鉆具下放打孔，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要求，成孔率不足30%無法保障穿孔質量，導致生產計劃實施困難，給正常的生產組織帶來諸多的不利因素和影響。通過炮孔防塌方的攻關改進，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，充分發揮其在生產組織當中的作用，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，同時根據采場礦巖結構的實際情況，穿孔設備作業的特點，優化操作技能在現場的執行情況。提高開溝作業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組織帶來很大的便利。

結束語：論述了牙輪鉆機鉆孔作業原理，理論推導出了牙輪鉆機作業能力。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，并進一步分析了風量風壓和操作人員技術水平對牙輪鉆機作業效率存在的影響。牙輪鉆機作業效率是多種因素綜合影響的結果，為了提高穿孔作業效率，提升礦山技術經濟效益，除了對這些影響因素進行合理的控制外，更應該在今后對礦山穿孔設備進行關鍵技術研究，開發擁有自主知識產權的礦山穿孔設備，達到國際先進水平。同時為礦山培養一批設備人才，造就一支科研隊伍，加快國家“863”機器人產業化基地建設，建立礦山設備的研發基地，研發出更安全、更高效的穿孔設備。