天井钻机钻导孔和扩孔参数的合理选择

武楠楠，李自贵，杨天苗，王 玮

（1．太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024；2．湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

0 引言

天井钻机适用于地下煤矿、通风井、下料井等工程井。随着科学技术发展，地下煤矿向深部的发展，采矿方法不断改变，天井钻机的主要制造厂为了向更深部开采和更坚硬岩石的开采而制造了大扭矩大推拉力的天井钻机。合理的工作参数是设计钻机的主要根据，天井钻机的主要工作参数包括转速、钻导孔时的轴压和扭矩、扩孔时的扩孔拉力和扭矩等。本文主要探讨了标准天井钻机导孔、扩孔时的轴压和扭矩，并得出其计算公式，为以后设计更先进更智能化的天井钻机提供参考依据。

1 天井钻机的钻进参数选择

1．1 导向孔钻进工作原理

天井钻机用于导向孔钻进的刀头型式一般是牙轮钻头，其工作原理与牙轮钻机的工作原理基本相同，属于旋转冲击式破碎岩石，钻导向孔工作原理如图1所示。轴压力P和回转扭矩Mn是通过钻杆施加在钻头上的。在轴压力P的作用下，牙轮的齿牙逐渐压入岩石，当该力达到了岩石的抗压强度时，岩石发生破碎。而在回转扭矩Mn的作用下，牙轮在钻孔的底部以n1的速度做滚动，从而产生剪切力，可以使破裂的岩石剥离岩面，且连续旋转冲击破碎岩石，形成钻孔。

1．2 钻导孔时合理轴压的计算

天井钻机的导向孔是用牙轮钻头进行钻进的，其钻孔过程与牙轮钻机的工作过程相似，又因为天井钻机的工作参数目前尚无专门的计算方法，通常天井钻机钻导向孔时候的工作参数是借鉴牙轮钻机相关参数的计算方法来确定的。

图1 钻导向孔工作原理

钻进时的轴压是用于破碎岩石的轴向静压力，它是通过钻具施加于孔底的。实践证明，用于破碎岩石的力既不能过于小也不能过于大，而是有一个可以使岩石发生体积破碎的合理值。天井钻机钻导向孔时候的轴压通常是按照式（1）确定，它是前苏联学者以直径Φ214mm的钻头为标准进行大量的实验而得到的。如果作用在岩石上的压力超过岩石抗压强度极限的30%～50%，岩石就能顺利地从原岩体中被破碎下来。对于不同直径的钻头，其轴压力P（kN）和钻头直径D1（mm）的经验公式为：

其中：f为固性系数，f＝2～20；K0为经验系数，K0＝1．3～1．5，一般取K0＝1．4；D0为实验钻头直径，D0＝214mm。

1．3 钻导孔时回转扭矩的计算分析

回转机构输出的功率主要用在牙轮滚动和滑动破碎岩石、克服钻头与孔底、钻头和钻杆与孔壁的摩擦力以及克服钻头轴承的摩擦力上。然而这些因素都与岩石性质、钻孔直径、回转速度、轴压力、钻头的结构型式及新旧程度、孔底排渣状况等有关。足够的回转力矩是保证钻孔工作连续进行所必须的条件。回转扭矩Mn（N·m）的计算方法如下：

其中：K为岩石特性系数，其值见表1。

表1 岩石特性系数K

上述计算轴压和扭矩的公式，考虑了钻进过程中的主要影响因素，如岩石性质、轴压、孔径等，但没有反映钻进过程中卡钻、排渣等对回转功率的影响。计算结果比实际选用数值小，只供设计时参考。

至此，天井钻机钻进时基本参数确定完毕。接下来需要确定的是扩孔时候的参数。

2 天井钻机的扩孔参数选择

2．1 扩孔工作原理

天井钻机扩孔作业时，通常采用的扩孔刀盘是由多把滚刀构成的，其工作原理与用牙轮钻头钻导向孔的工作原理类似，也是属于旋转冲击式破碎岩石，扩孔工作原理如图2所示。

轴拉力T和回转扭矩Mk由钻机通过钻头施加到刀盘的滚刀上。滚刀上的硬质合金齿在轴拉力的作用下压入岩石，当接触应力达到岩石的抗压强度时，岩石破裂。在回转扭矩Mk的作用下，滚刀在破岩面上以n2速度滚动，产生使破裂的岩石剥离岩面的剪切力，且连续旋转冲击破碎岩石，形成扩孔。

2．2 扩孔拉力的计算

扩孔拉力取决于刀具形式与数量、岩石特性以及跟随刀具运动的重量等因素，扩孔拉力T（N）可由下式计算：

其中：m总为钻杆重量与扩孔刀盘重量之和，kg；F推为刀具总推力，N。刀具总推力计算公式为：

其中：D2为钻机的扩孔直径，m；η为经验系数，取2～4；F为每把球齿滚刀轴压，一般取为70N～110N。

图2 扩孔工作原理

为了验证上述公式的合理性，本文搜集了世界上主流的天井钻机的参数（见表2），通过对该数据分析计算，并通过计算机软件对其拟合，得到了天井钻机扩孔时拉力的计算公式：

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 均为拟合系数。经计算，拟合系数为：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 主流天井钻机参数

参数拟合曲线见图3。拟合后，经过对比可知，式（3）与式（5）所得出的结果很相近，因此，两个式子都可以运用到实际计算中。

2．3 扩孔扭矩的计算

对于扩孔扭矩，在过去天井钻机的设计中，一直都没有可以借鉴的公式或者理论，都是沿用公式（2），这是很不合理的。因为天井钻机扩孔与牙轮钻孔不但工作过程不同，而且破碎机理也不同。本文通过对上述数据进行整理分析，发现扭矩和拉力的关系接近一条直线，故可以按照一元线性回归方程来计算：

M′＝C＋HT 。

其中：C、H均为回归方程的回归系数。方程的求解过程从略。最后求得的回归系数为：H＝0．048 11，C＝

14．999 33。因此有：

图3 参数拟合曲线

3 结论

现代天井钻机计算方法中没有一套理论的计算方法可以运用，故我们通过对搜集到数据进行分析总结，并对其拟合得出了计算公式，经验证基本可行。总之，我们对天井钻机工作参数的合理选择问题做了如上探讨，但由于数据还不太多，实践资料也有限，因此关于天井钻机的工作参数和它们相互间的关系及其计算方法，今后仍需做大量的工作。

［1］ 苑忠国．采掘机械［M］．北京：冶金工业出版社，2009．

［2］ 徐小荷，余静．岩石破碎学［M］．北京：煤炭工业出版社，1984．

［3］ 陈桂明．MATLAB数理统计［M］．北京：科学出版社，2002．

［4］ 何孝森．天井钻机工作参数的合理选择［J］．矿业研究与开发，1999，19（10）：24－26．