排齿间距对镶齿滚刀破岩效果影响试验研究∗

邵方源刘志强

（1.天地科技建井研究院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013；3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京市朝阳区，100013）

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排齿间距对镶齿滚刀破岩效果影响试验研究∗

邵方源1，2，3刘志强1，2，3

（1.天地科技建井研究院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013；3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京市朝阳区，100013）

镶齿滚刀的破岩效率是影响反井钻机钻进速度的关键因素，对反井钻机在坚硬岩石中的破岩过程进行了研究，介绍了镶齿滚刀的破岩机理，阐述了镶齿滚刀的试验设计及过程，最后对试验现象进行了分析。通过对破岩数据的整理和分析，得出了岩石表面的平整度对镶齿滚刀的单齿压入效果有显著影响，提出了针对此类岩石或同等硬度岩石破岩效率最高的多排镶齿滚刀的排齿间距值。

反井钻机 镶齿滚刀 排齿间距 比能

我国反井钻机采用镶齿滚刀破岩，属于机械破岩，这种非爆破式破岩方式具有对围岩扰动较小、形成的孔壁光滑、施工安全以及工作效率高等特点，目前已应用于煤矿、金属矿山、水电工程和交通工程等多个领域。反井钻机施工过程中消耗的主要材料就是破岩滚刀，随着反井钻机应用领域的不断扩大，遇到的地层地质岩层更加复杂，因此针对不同岩石条件下的高效和低能耗滚刀的研究越来越重要。

镶齿滚刀的破岩效率是影响反井钻机钻进速度的关键因素，故高硬度岩石破岩滚刀的研制对于反井钻机技术和装备的发展具有重要意义。科学高效地应用反井钻机进行破岩，降低施工成本，需要对滚刀破岩参数进行合理计算和分析，设计与典型地层岩石条件对应的滚刀，以减少刀具的磨损，降低破岩能耗，提高破岩效率。

1　破岩机理的分析

反井钻机在钻进过程中存在滚刀破岩效率低等问题，刀具与岩石相互作用关系尚不明确。反井钻机在硬岩钻机作业过程中采用的是多排镶齿滚刀，因此合理的排齿间距是提高滚刀破岩效率的关键因素。为了合理地设计多排镶齿滚刀的排齿间距，在反井钻机破岩模拟试验台进行单排镶齿模型滚刀模拟试验。每完成一次切割后将滚刀上提，通过横向移动试验箱使滚刀移动到下一切割位置，试验箱横向移动的距离即为排齿间距，通过对比不同排齿间距下的破岩体积和能耗来确定最优的排齿间距。排齿间距示意图如图1所示。

图1　排齿间距示意图

图1中B为排齿间距，h为侵入深度，当排齿间距过大时，中间有岩石不完全破碎，成脊背状（图1（a））；当排齿间距过小时，虽可以保证排齿间岩石破碎，但其破碎量并不一定是最大的（图1（c））；图1（b）并不常见，通常破岩漏斗是光滑相交的（图1（b）中虚线所示）。

岩石破碎主要靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。在参数计算中主要以推力为主，因为它决定了扭矩（滚动力），在功率计算和能耗计算中，扭矩是重要部分，因为它占破碎功的主要部分。Teale R 1965年提出用比能参数来衡量破岩效率和效果，并将比能定义为：破碎单位体积岩石所消耗的能量。由于滚刀破岩过程极其复杂，研究破岩机理需要将力学模型简化，得到如下滚刀破岩的比能计算公式：

式中：Wf——法向力做的功，J；

Wg——滚动力做功，J；

Ff——滚刀受到的平均法向力，k N；

Fg——滚刀受到的平均滚动力，k N；

hi——侵入深度，mm；

s——滚刀的破岩轨迹（0＜s＜l），mm；

V——破岩体积，cm3。

在滚刀滚动的过程中，由于滚刀刀齿交替作用在岩石上，滚刀的轴心上下往复振动，使得侵入深度hi在破岩过程中不断变化，所以应将每次侵入所做的功进行加和。破岩体积通过破岩质量与岩石密度之比求得，在滚刀破岩的过程中，法向力作用下所做的破岩功远小于滚动力作用下的破岩功，因此可以将其忽略，最后破岩比能公式简化为式（2）：

2　试验设计及过程

2.1 模拟试验台

滚刀模拟试验台的结构采用立式龙门架结构，可以有效减小整个加载系统的体积和重量。试验箱内部空间长×宽×高为1500 mm×500 mm× 300 mm，采用拼装结构既可以方便拆卸，也可以反复进行试验使用。试验过程中滚刀位置不动，竖向加载油缸向滚刀施加代替钻压的法向力，试验箱通过水平加载油缸推动进行移动，带动滚刀旋转完成破岩。采用液压推进可以实现恒压或恒速的推进控制，采用直流电源的供桥方式和直接测量放大器，从而构成应变测量系统，对法向力、扭矩、转速、位移、刀具受力等多个参数进行测量并实时保存到计算机上，实验结束后可拷贝数据进行处理和分析。反井钻机滚刀破岩模拟试验台结构示意图如图2所示。

图2　反井钻机滚刀破岩模拟试验台结构示意图

2.2 试验试件

本次试验所用的岩石试件取自山西大理岩，在进行滚压破岩试验研究之前，通过取芯并试验测得此岩石试件的密度为2.60 g/cm3，单轴抗压强度为251.4 MPa，经过切削使之符合试验箱的要求，其长×宽×高为1200 mm×400 mm×200 mm，用水泥砂浆将其固定在试验箱内。在试验过程中，计算机可以采集法向力-时间、滚动力-时间以及位移-时间等曲线。

2.3 试验设计与过程

岩石试件表面经过打磨后比较平整且未经滚刀切削称为平整岩面（简称平整面），而经过滚刀切削且在岩石表面形成刀齿切槽称为非平整岩面（简称切槽面）。试验中以法向力为自变量逐级加载，水平油缸推进的速度和行程保持不变，分别是60 mm/min和950 mm，滚刀在两种不同平整度的岩石表面先后进行破岩试验，之后经过切削处理使岩石表面形成与反井钻机实际工况相同的切槽面，进行不同排齿间距的破岩试验。

实际施工过程中由于每两把滚刀啮合进行破岩，所以破岩轨迹将在原滚刀排齿间距的基础上缩减一半，例如实际多排齿滚刀的排齿间距为32 mm，则两把滚刀啮合破岩后，在岩石上的破岩轨迹间距为16 mm。试验中单排齿的镶齿直径为16 mm，为保证无重复破碎，单排镶齿滚刀试验时最小的排齿间距为16 mm，本试验中排齿间距按照直径的1倍、1.5倍、2倍（即16 mm、24 mm、32 mm）间距分别进行试验，其示意图如图3所示。

图3　镶齿滚刀在岩石表面的破岩轨迹示意图

试验开始在未经切削的光滑平整面进行单齿压入试验，根据滚刀在不同压力作用下的压入压痕情况，初步判断出破岩效果明显的法向力，对岩石表面进行滚压处理，使镶齿滚刀在与反井钻机实际工况相同的切槽面，在排齿间距16 mm、24 mm和32 mm的条件下，分别进行法向力20 k N、25 k N、30 k N、35 k N、40 k N的滚压试验，每次切割试验完成后，收集破碎下来的岩屑并称重。

3　试验现象及分析

3.1 试验现象及分析

（1）平整面上的单齿压入试验。当法向力Ff≤20 k N时，岩石表面只有压痕产生；当法向力20 k N＜Ff≤45 k N，岩石表面有微小“坑”产生；当法向力45 k N＜Ff≤50 k N，岩石表面有岩屑崩裂产生。

（2）切槽面上的单齿压入试验。当法向力Ff≥10 k N时，岩石表面开始有张裂和崩裂现象产生。

通过以上描述可知，岩石表面经过滚压多次以后，其自由面数目增多，当受相同法向力的作用时，切槽面的压入效果更为显著。

3.2 试验数据处理及分析

按照公式（2），对已形成一系列切槽的岩石滚压过程所得数据进行整理，计算得出不同平均法向力和排齿间距的破岩比能曲线如图4所示。

图4　不同排齿间距下比能随法向力变化曲线

由图4可以看出，在切槽面3种排齿间距下，比能随法向力的变化趋势基本一致，呈“V”型。其中单排齿试验排齿间距为24 mm时，当Ff＜35 k N时，比能基本随着法向力的增大而降低；当Ff≥35 k N时，比能值开始随着法向力的增大而升高，即比能最低点Ff=35 k N。当排齿间距为16 mm和32 mm时，比能值最低点对应的法向力分别是35 k N和34 k N。

在相同排齿间距作用下，镶齿滚刀破岩比能随着平均法向力的增加而减小，这是因为镶齿滚刀随着法向力的增大，滚刀切入岩石的深度增加，破岩的体积相应增大，破岩效率提高，破岩比能下降。当法向力达到一定数值时，如果继续增加法向力，会使滚刀下侧产生更多密实核或向岩石内部扩展无效裂纹，此时虽消耗能量但并不增加破岩体积，故破岩比能随着法向力的增大而增加。

在相同法向力作用下，破岩比能由低到高的破岩轨迹间距分别是24 mm、16 mm和32 mm（即设计对应多排齿的排齿间距为48 mm、32 mm和64 mm）。从曲线变化趋势可以得出，试验排齿间距为16 mm时，啮合破岩过程中排齿间岩石破碎比较充分，与排齿间距24 mm相比破岩量小且比能大，接近图1（c）情况；试验排齿间距为32 mm时，破岩过程中排齿间距过大，破岩过程中形成的裂纹未能充分扩展和贯通，与另外两种排齿间距相比其破岩量小且比能大，接近图1（a）情况；试验排齿间距为24 mm时，在两次破岩轨迹间更容易形成裂纹并贯通形成岩片，接近图1（b）所示虚线情况。

3　结语

在外加法向力相同条件下，岩石表面的平整度对滚刀单齿压入效果影响显著。当岩石表面有切槽（即自由面较多）时，滚刀压入过程中有明显岩片产生；而在表面平整（即自由面的数目少）时，滚刀压入过程中只有压痕和少量岩屑。根据破岩效率试验研究得出，当试验单排齿间距为24 mm时破岩效率最高，由于实际工程为两把滚刀相互啮合进行破岩，故每把多排齿的间距应为48 mm，该参数对多排齿设计具有重要的参考价值。

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［2］ 武士杰.反井钻机镐形镶齿滚刀破岩效果的研究［D］.北京：煤科总院建井研究所，2007

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（责任编辑 路 强）

Experimental study on the effect of tooth row space of inserted tooth hob on rock breaking

Shao Fangyuan1，2，3，Liu Zhiqiang1，2，3
（1.Institute of Mine Construction，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Beijing China Coal Mine Engineering Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.National Engineering Laboratory for Deep Shaft Construction Technology in Coal Mine，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Rock breaking efficiency of inserted tooth hob was a key factor in improving the drilling rate of raise boring machine.A study on raise boring machine＇s rock breaking process through hard rock was carried on，the rock breaking mechanism of inserted tooth hob was introduced，and the experiment design and process of inserted tooth hob were elaborated，then the experiment phenomena were analyzed.Through analyzing the rock breaking data，the results showed that surface evenness of rocks had obvious effects on press-in process of single-tooth of inserted tooth hob，based on this，the best tooth row space value which could achieve highest rock breaking efficiency on this kind of rock or equivalent hardness rock was put forward.

raise boring machine，inserted tooth hob，tooth row space，specific energy

TD421.53

A

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA06A403）

邵方源（1990-），男，河北唐山人，硕士，主要从事岩土工程和反井法钻进技术方面的研究工作。