浅析牙轮钻机作业效率影响因素

张巴特

（国能集团准能集团公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

在矿山开采中，钻孔能耗占矿山开采能耗的一大部分，钻机的选型及实际工作、状况直接影响着后续工作的能耗和生产计划。在钻孔作业中，影响其能量消耗的因素很多，其中包括所钻岩层的地质条件、钻进过程中的岩石性质、钻进效率等。牙轮钻机是露天矿山普遍使用的穿孔设备，它是利用牙轮钻头破碎岩石并依靠压缩空气排除岩渣的自行式钻机，具有穿孔效率高、成本低、安全可靠、使用范围广和劳动强度低等特点，广泛应用在冶金、煤炭、工业部门的大中型矿山中。

一、国内牙轮钻机的现状

我国从20 世纪60年代起开始研制牙轮钻机，经过多次改良和淘汰，现在还在生产和使用的有KY 和YZ 两大系列12 种型号。主要研制单位有：洛阳矿山机械工程设计研究院、南昌凯马有限公司和中钢衡重公司等。国产牙轮钻机已达到美国20 世纪90年代初的技术水平，但在整体性能上与国外当今的同类产品差距很大，具体体现在品牌单一，表现为动力单一，功能单一，结构形式单一，传动方式落后等。11.南京凯马KY系列牙轮钻机，全部配套件均立足国内，因而制造成本相对低廉，主要有KY-250 型和KY-310 型及其派生产品。洛矿院和南昌海马合作开发的KY-250A 型钻机在宝钢白云鄂博铁矿f16～f20 的矿岩上穿孔，日穿孔效率为128～199.5m/台·日，最高为644m/台·日。钻机采用了交流变频电机驱动，顶部回转，减速机—封闭链条—齿轮齿条连续加压，高钻架，电动、气动、液压联合操纵，压气排渣工作机构，可在f ≥5 的各种矿岩上穿凿310mm、孔深为18m 的爆破炮孔。2.中钢衡重公司主要生产YZ-35 型和YZ-5 型及其派生产品。YZ-35 型钻机也是获得国家金质奖的产品，性能超过比塞洛斯公司的45-R。YZ-55 型钻机是目前我国生产的最大型号的牙轮钻机，YZ-55A 已应用于首钢秘鲁铁矿。为增大钻头的推进力度，YZ-55 型钻机在回转系统和主传动机构设计了3 个交流变频电机，以满足提高电压和频率的需要，这一设计在国内尚属首创。此外，中钢衡重还在YZ-55 型牙轮机上应用了可编程控制器PLC、人机界面HMI 技术，改进了空压机并将机棚与驾驶室分离等，增强了整机的防腐防锈功能。

二、牙轮钻机作业效率影响因素

（一）牙轮钻机基本原理

牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转力矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续的挤压，切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。

（二）牙轮钻机作业效率影响因素

穿孔速度与转速的正比关系不是无限的。首先，有效接触时间。钻头牙齿与岩石的接触时间不少于0.02s—0.03s 才能获得对岩石有效的破碎，有效接触时间不够只能产生低效的疲劳破碎，为了保证接触时间，大孔径、硬岩钻孔时应采用较小的转速；其次，共振效益。牙轮钻机有自己的振动频率，当钻头转速与钻机的固有频率相同时，钻机将产生共振，造成机件损坏；再次，设备的使用寿命。钻头转速过快时，牙轮以很大的加速度冲击孔底，势必对合金齿和轴承产生破坏作用，缩短设备使用寿命，特别在有裂隙的硬岩上钻孔时问题更加突出。因此，一般钻头生产厂家都推荐了合理的转速范围。钻孔直径D。在现有的炮孔直径范围内，直径越大，装药量就越大，孔网尺寸增大了，每米炮孔的爆破量就增加。钻头消耗减少了，钻孔成本则明显下降。近20年来，一些大型矿山把炮孔直径从250mm、增大到310mm、380mm，还试用了445mm，近期问世的P&H120A 型牙轮钻机的最大钻孔直径可达到559mm。这一发展趋势也反映了大孔径可以获得较好的经济指标。所以如有可能，建议尽量采用大的孔径。矿岩硬度钻机台班效率与矿岩硬度成反比关系，矿岩硬度越大，其钻进效率越低，反之矿岩硬度越小其钻进效率越高，而在矿岩硬度系数较大的情况下，为保证有足够的钻进速度，需选择轴压与钻速较大的钻机。钻机的钻孔速率等于钻机每日进尺与工作时间之比。影响钻机钻进速率的主要因素有钻机性能、钻头型式、孔径、岩石坚固性系数等。工作时间利用系数。我国牙轮钻机的时间利用系数是不高的，其平均台时利用系数为0.4～0.5，非作业时间大部分消耗在检修、等待配件和无工作面正常停机上，这就说明钻机的结构、钻具、和工作参数以及组织管理工作还有待完善。除了上述根据公式分析出的影响因素，实际上还存在其他因素对牙轮钻机作业效率产生影响：1.排渣风量和风压。若风量和风压不足，不能及时有效地排除孔底岩渣,将导致岩渣的重复破碎，增加无益的破碎功，同时磨损牙轮；若风量风压过大，整机功率消耗和设备投资加大，同时也会造成钻杆的气蚀，降低了钻杆的寿命。2.操作人员技术水平。操作人员技术水平对穿孔效果会产生很大的影响，钻机一次钻孔时可能会穿过多种不同岩性的地层,操作人员必须根据各种仪表读数、机械装置的声音甚至在座位上对振动的感觉，分析判断炮孔中排渣情况和钻进情况，及时调节合理钻进参数，以达到最佳穿孔效果。

（三）牙轮钻机技术

新研制的压牙轮钻机，采用高钻架结构，一次性成孔，省却钻孔过程中接卸钻杆环节，可有效减少辅助作业时间；增大了钻孔轴压和转矩，增加排渣风量，以应对工作中的卡钻现象，提高钻孔效率。增大了钻机钻孔范围，在某些场合，可以用一台钻机通过更换钻具来满足250mm 和310mm孔径的作业需求。压牙轮钻机配置标准的四轮一带组成的履带底盘，液压马达和行走减速器直接驱动履带。钻具的回转与加压均采用液压马达驱动，分散了驱动点，取代了以往的主驱动机构，各驱动点得到加强，配合电气控制系统，可以有效应对不同工况，根据工作需要调整系统参数，以适应不同的地质结构，并具有可靠的过载保护，增加了设备的安全性。回转小车采用液压马达驱动，通风管采用机械密封，由弹簧提供密封比压和自动补偿磨损量。对于加压轴承，采用弹簧施加预压，以提高减振效果。减速器通过减振接头和钻具相连，以减缓破岩时的冲击振动对减速器的影响，该结构经过实践检验，性能优良。加压系统和钻架集成在一起，可靠性更高，配合电比例控制，实现无级调速，操作便捷，反应速度快。高压电动机的应用，减小了变压器容量和启动电流，双输出轴电动机同时驱动空气压缩机和液压站，结构紧凑，简化了控制系统。钻头和钻杆之间配以具有气、水分离功能的稳杆器，延长钻头使用寿命。配置标准的四轮一带组成的履带底盘，液压马达和行走减速器直接驱动履带。钻具的回转与加压均采用液压马达驱动，分散了驱动点，取代了以往的主驱动机构，各驱动点得到加强，配合电气控制系统，可以有效应对不同工况，根据工作需要调整系统参数，以适应不同的地质结构，并具有可靠的过载保护，增加了设备的安全性。回转小车采用液压马达驱动，通风管采用机械密封，由弹簧提供密封比压和自动补偿磨损量。对于加压轴承，采用弹簧施加预压，以提高减振效果。减速器通过减振接头和钻具相连，以减缓破岩时的冲击振动对减速器的影响，该结构经过实践检验，性能优良。加压系统和钻架集成在一起，可靠性更高，配合电比例控制，实现无级调速，操作便捷，反应速度快。高压电动机的应用，减小了变压器容量和启动电流，双输出轴电动机同时驱动空气压缩机和液压站，结构紧凑，简化了控制系统。钻头和钻杆之间配以具有气、水分离功能的稳杆器，延长钻头使用寿命。

（四）开沟生产所使用的穿孔设备YZ-35B 型钻机，各项技术性能优良，能够胜任开沟生产的基本需求

钻机在实际作业过程当中，由于地下水位较高，在排渣压缩空气的作用下对孔口的冲刷导致的塌方很严重，成孔率下降的幅度很大。孔深的不足无法满足爆破工作的需求，给采场正常的生产组织及生产计划的实施，带来一定的压力。重复穿孔对作业面破坏严重，影响爆破效果的正常发挥，使穿孔效率下降，穿孔成本成倍增长。存在的问题。1.地表向下约2m 浮石碎块较多，由于2m 以下出水量逐步增大，水在排渣压缩空气的作用下对孔壁及孔口进行反复的冲刷，使孔壁及孔口的岩渣失去支撑，塌落在孔壁周围。如果采取反复提升钻具的方式使塌落的碎石掉入孔底，将会导致孔口及孔壁的塌落范围增大，直接影响钻孔的深度。2.矿岩的裂隙较多，排渣所使用的压缩空气有一部分浪费掉，没有真正发挥应有的作用，粉碎的岩渣没有足够的力量排出孔外，造成岩渣的多次破碎，穿孔速度及穿孔效率下降幅度递增。3.操作人员缺乏特殊部位作业应有的应变能力和操作技能，出现的问题没有很好的对策和方式进行解决，综合能力有待提高。

（五）改进方案及措施

通过对从事开沟生产的钻机现场观察，解决孔深不足的最好办法首先是孔口的防护改进，解决了孔口塌方的问题，孔的深度才有保障。设计制作一种孔口防护套筒，内径φ260mm，外径φ290—310mm，长度为1325mm,选用金属材料制作，内径φ265mm，外径φ270—272mm，制作材料可选金属或非金属材料。使用防护套筒前，钻机先打孔2m 左右，将钻杆提出孔外，使用钻杆将套筒下入炮孔内，套筒口与地面保持100mm的距离。操作钻杆从套筒孔内穿入其中，使套筒与孔壁尽量保持对中位置，筒壁与孔壁之间的缝隙使用石块或编织袋装土进行封闭，一个是防止漏气反渣，另一个是防止套筒晃动孔口塌方进入孔内。继续操作钻具下放打孔，并随时观察套筒周围的塌方情况，必要时采取继续堵塞的方式进行操作。

（六）使用效果分析

未进行孔口防塌方改进前，主要穿孔指标孔距、排距、孔深无法满足爆破技术要求，成孔率不足30%无法保障穿孔质量，导致生产计划实施困难，给正常的生产组织带来诸多的不利因素和影响。通过炮孔防塌方的攻关改进，成孔率提高到90%以上，能够满足爆破工作的基本需求，前景比较乐观，具有较高的推广价值。为了尽快使开沟工作顺利进行，充分发挥其在生产组织当中的作用，需从根本上消除存在的缺陷和问题，使特殊部位的穿孔效率及成孔率得到真正意义上的提高，同时根据采场矿岩结构的实际情况，穿孔设备作业的特点，优化操作技能在现场的执行情况。提高开沟作业成孔率问题的提出和实施，解决了长期存在的问题，给爆破工作及采场正常的生产组织带来很大的便利。

结束语：论述了牙轮钻机钻孔作业原理，理论推导出了牙轮钻机作业能力。分析了轴压、钻速、时间利用率、钻孔直径和矿岩硬度等影响因素，并进一步分析了风量风压和操作人员技术水平对牙轮钻机作业效率存在的影响。牙轮钻机作业效率是多种因素综合影响的结果，为了提高穿孔作业效率，提升矿山技术经济效益，除了对这些影响因素进行合理的控制外，更应该在今后对矿山穿孔设备进行关键技术研究，开发拥有自主知识产权的矿山穿孔设备，达到国际先进水平。同时为矿山培养一批设备人才，造就一支科研队伍，加快国家“863”机器人产业化基地建设，建立矿山设备的研发基地，研发出更安全、更高效的穿孔设备。