浅析牙轮钻机作业效率影响因素

林 杨

（中国有色金属建设股份有限公司，北京 100038）

牙轮钻机是大中型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。它与其他类型的钻机相比，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、化工、国防等工业部门的大中型矿山中[1]。穿孔作业为爆破工作提供装放炸药的炮孔，是露天矿开采的首道工序。穿孔质量对其后生产工艺如爆破、采装、运输等工作的效率产生直接影响，并且，穿孔爆破成本占据采矿成本很大一部分比例，一般可达到20%～30%。选择合适穿孔设备进行穿孔作业十分关键[2]。

1 牙轮钻机简述

牙轮钻机按其钻孔孔径和轴压力的大小，将牙轮钻机分为小型、中型、大型和特大型4种类型，钻机分类见表1。

表1 牙轮钻机分类

在露天矿生产过程中，穿孔设备的生产能力必须满足后续生产工艺的需要[3]。

式（1）中：k为平均爆破率，m3/m；Ui为第i种钻机年平均效率，m/(台·a)；Fi为钻机的在籍台数，n为钻机类型数；Qj为第j种电铲的年效率，m3/(台·a)；Pj为第j种电铲的在籍台数；m为电铲类型数。

2 牙轮钻机作业效率

2.1 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的吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。

2.2 牙轮钻机作业能力理论公式推导

牙轮钻机的台班作业能力Vb为：

式（2）中：Vb牙轮钻机台班生产能力，m/台·班；v牙轮钻机钻进速度，cm/min；Tb班工作时间，h；η工作时间利用系数。

牙轮钻机速度为：

式（3）中：n为钻头转速，r/min；p为轴压，kN；f为岩石的坚固系数；D为钻头直径，cm。

将公式（3）代入公式（2）可得，牙轮钻机台班生产能力Vb为：

2.3 牙轮钻机作业效率影响因素分析

从公式（4）可以看出，影响牙轮钻机钻进效率有以下几个因素：

（1）轴压p。轴压力是钻头牙齿压人岩石形成破碎坑的原动力，是影响钻进速度的主要因素。一般来说轴压和钻速成正比关系，轴压越大，钻速就越高，但也并不意味着轴压越大越好，这是因为当轴压增大到矿岩的极限抗压强度，矿岩发生破坏，钻头牙齿全部嵌入破碎坑，钻速就不再增高，反而增加了钻头的磨损。因此，对于某一种特定岩石，存在一个最佳的轴压力值P0，经验公式为：

式（5）中：P0为最佳轴压力；σ为岩石抗压强度；D为钻孔直径。

抗压看出，施加在钻头上的最佳轴压力与岩石抗压强度和钻头直径有关。

（2）转速n。根据公式（3）可以看出，当轴压为最佳轴应力时，穿孔速度与钻头的转速成正比关系。在其他条件特定的情况下，转速与穿孔速度的关系可简化为下式：

式中：a为系数。

然而，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。

（3）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310 mm、380 mm，还试用了445 mm，近期问世的P&H120A型牙轮钻机的最大钻孔直径可达到559 mm。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。

（4）矿岩硬度f。从公式（4）可以看出，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。

（5）工作时间利用系数η。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。

3 结论和建议

（1）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公式。

（2）结合推导公式，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。

（3）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。