基于钻孔和截割的新型硬岩快速掘进工艺探讨 sup ① _sup _彭文.pdf

基于钻孔和截割的新型硬岩快速掘进工艺探讨 ① 彭 文 中山市松凯工程自动化有限公司,广东 中山 528427 摘 要 为了解决硐室工程领域硬岩快速掘进的问题,在“钻孔液压冲击”的基础上,提出了“钻孔振动截割”的新型硬岩快速 掘进工艺。 在此基础上,分别对孔边距不变和总钻孔数不变情况下的关键钻孔直径进行了综合分析和对比,结果表明,钻孔直径 140 mm 时的截割头截割效率高,但总的节拍时间和效率并不明显占优。 综合考虑液压凿岩机的价格、质量及对钻臂结构强度尺寸 的影响,钻孔直径应在 90～115 mm 之间。 关键词 硬岩巷道； 掘进； 凿岩； 截割； 截割头； 钻孔； 振动 中图分类号 TD231文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.04.008 文章编号 0253-6099201904-0035-04 A New Technique for Rapid Advancement in Hard Rock Mining Based on the Combination of Drilling and Cutting PENG Wen Zhongshan Songkai Engineering Automation Co Ltd, Zhongshan 528427, Guangdong, China Abstract In order to solve the advancement problem for the hard rock roadway in underground chamber construction engineering, a new technique consisting of “drilling vibration cutting” for rapid advancement in hard rock mining was proposed based on the previous technique of “drilling hydraulic impact”. On this basis, a comprehensive analysis and comparison were made for the diameters of critical drilling holes with the distance of hole margin and the hole numbers kept constant. The results show that the cutter head can have a higher cutting efficiency in drilling the hole with diameter of 140 mm, but it shows little advantage in the total tact time and the overall efficiency. With the price and quality of hydraulic rock drill, and the impact on the strength of drill arm taken into the comprehensive consideration, the drill hole diameter in the range of 90～115 mm shall be selected. Key words hard rock roadway； advancement； rock drill； cutting； cutter head； drill hole； vibration 煤矿生产过程中多采用掘进先行、以采定掘、以掘 保产的组织协调原则,以保证生产过程的均衡和稳定。 岩石普氏坚固性系数在 10 以上的超硬全岩巷道在煤 矿巷道年总进尺数的占比不超过 5％［1］,但却严重制 约整个掘进的进度,进而影响整个煤矿的采掘接续和 持续生产。 如何实现超硬全岩巷道或硐室的安全、高效和快 速掘进,一直是困扰工程领域的技术难题。 目前常用 的解决方案是钻爆法和硬岩掘进工艺。 其中,钻爆法 采用手动或机械钻孔、手工装药爆破,但存在所需人员 和配套设备多、对硬岩的爆破效率低仅有 30％ ～ 50％、巷道成型效果可控性差超挖欠挖严重、对围 岩的伤害大易引起瓦斯爆炸、突水、冒顶等致命性安 全事故、操作环境恶劣、人员劳动强度大等一系列问 题,正逐步被硬岩掘进工艺所替代。 然而,岩巷掘进常 用的硬岩掘进设备也存在截割效率低下、截齿消耗率 高和设备损耗加剧等问题,在岩石节理发育不良时,为 了提高进尺速度,常常还需在工作面上进行松动炮作 业,无法保证煤矿生产的进尺和安全要求。 为了解决硬岩快速掘进问题,本文在“钻孔液压 冲击”的基础上,提出了“钻孔振动截割”的新型硬 岩快速掘进工艺。 1 “钻孔截割”工艺 龙日升等人于 2009～2013 年间提出“钻孔液压 冲击”的超硬全岩掘进工艺［1-2］,即先在工作面上根据 岩石的抵抗线距离进行钻孔,以形成足够多的自由面, 然后再采用大冲击功的液压破碎锤进行直接一次破 ①收稿日期 2019-01-08 作者简介 彭 文1966-,男,湖南桃源人,中级工程师,主要从事机电类新产品研发与管理工作。 第 39 卷第 4 期 2019 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №4 August 2019 ChaoXing 碎。 根据其提供的分析和现场试验数据来看,钻孔确实 可以显著提高液压破碎锤破碎花岗岩的效率,是单纯采 用液压破碎锤作业的 3.72 倍,可以达到1.78～2.1 m3/ h。 这样的效率距离满足不同巷道面积日进尺 3 m 所需的 单位小时岩石破碎量见表 1仍相距遥远。 此外,钻 孔节拍、相关设备整合以及收料等都是该工艺亟待解 决的问题。 表1 不同巷道截面积液压破碎锤日进尺3 m 所需的每小时岩 石破碎量 巷道截面积/ m2总岩石破碎量/ m3每小时岩石破碎量/ m3h -1 12363.60～4.50 14424.2～5.25 16484.8～6.00 18545.4～6.75 20606.00～7.50 为此,在“钻孔液压冲击”的基础上,提出了基于 “钻孔振动截割”的新型硬岩掘进工艺,即掘进前亦 在工作面上根据岩石的抵抗线距离进行钻孔,然后利 用大功率硬岩掘进机进行直接截割破碎。 花岗岩的抵 抗线距离在 200～250 mm 左右,钻孔的存在会提供足 够的截割自由面,同时也会导致截割头工作过程中存 在明显而强烈的振动。 振动的能量会在孔周产生反 射,形成拉压交变应力,有利于岩体的破碎如图 1 所 示。 此外,硬岩掘进机截割头也有助于获得较为平 整的断面,便于岩石的收料和出货。 岩屑与粉尘的喷涌 拉伸应力 压缩应力 钻孔 钻孔孔底岩屑 孔壁反射的拉伸应力波 冲击钎杆 破碎坑 岩屑坑底残留 冲击压缩应力波 图 1 “钻孔振动截割”硬岩掘进工艺破岩机理 2 基本计算 2.1 钻孔直径的选择计算 “钻孔液压冲击”破岩试验结果表明 1 200 mm 的抵抗线距离是钻孔自由面是否对破 岩产生影响的核心参数。 当孔边距超过 200 mm,钻孔 自由面对破岩的影响快速衰减。 当孔边距小于 200 mm, 钻孔过程消耗的时间又过长。 因此,对于不同的岩石, 需要试验确定其最佳的抵抗线距离。 2 当钻孔直径超过一定值后,在不减小孔边距的 情况下,钻孔直径对破岩的积极影响程度会逐渐降低。 即钻孔直径的增大将不会显著提高破岩效率［1-2］。 以巷道尺寸为 5 000 mm 4 000 mm 的拱形巷道 净断面约17.31 m2为例,取任意两孔边缘距离200 mm, 孔边距不变的情况下,钻孔直径 90 mm 时钻孔总数约 为236；钻孔直径115 mm 时钻孔总数约为206；钻孔直 径 140 mm 时钻孔总数约为 170。 如图 2 所示。 图 2 孔边距不变时的钻孔分布情况 a Φ90 mm； b Φ115 mm； c Φ140 mm 根据对液压凿岩机厂家的咨询情况,取钻孔直径 90、115 和 140 mm 时的平均钻孔速率分别为 1.8,1.3 和 1.0 m/ min。 根据乌海公乌素煤矿井下的实际调研 情况,取单次钻孔深度 1 000 mm,钻臂的平均定位时 间 8 s,平均开孔时间 4 s,平均退钎时间 5 s。 采用双 臂同时钻孔作业,但图 2 区域 A 的钻孔只能由一个钻 臂完成,因此,定义双臂同时作业系数 Λ 为 Λ NA 2NB NA N B 1 式中 NA和 NB分别为区域 A 和区域 B 的钻孔数量。 定义孔效率系数 Ψ 为 Ψ S S0 L0 L T0 T 2 式中 S0为钻孔直径90 mm 时形成的总自由面面积,m2； S 为其它钻孔直径时形成的自由面总面积,m2；L0为钻 孔直径 90 mm 时的孔边距,mm；L 为其它钻孔直径时 的孔边距,mm；T0为钻孔直径 90 mm 时的钻孔总时 长,h；T 为其它钻孔直径时的钻孔总时长,h。 根据钻孔节拍数据和固定孔边距下的总钻孔数, 可以计算得到不同钻孔直径下的钻孔参数,如表 2 所 63矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 示。 由表 2 可见,不同钻孔直径下的总钻孔时间基本 相当,自由面总面积约增加了 10％,孔效率系数增大 不到 2％。 考虑到花岗岩的抵抗线距离,此时截割头的 截割效率也应该相当。 即钻孔直径 140 mm 较 90 mm 没有明显的破岩效率优势。 表 2 孔边距不变时不同钻孔直径下的钻孔参数 钻孔直径 / mm 总钻孔时间 / h 总自由面面积 / m2 孔效率 系数 902.8766.691.00 1153.1474.391.018 1403.1674.731.017 若钻孔数量固定按 Φ 90 mm 计算,钻孔数约 236,如图 3 所示,此时的钻孔参数见表 3。 显然,钻 孔数量相等时,钻孔直径越大,孔边距越小。 钻孔直径 140 mm 时,孔边距为 150 mm,工作面自由面总面积较 钻孔直径 90 mm 时增大 1.56 倍。 但此时钻孔时间相 差很大,钻孔直径 140 mm 比 90 mm 要多耗费约 1.5 h。 考虑到花岗岩的抵抗线距离,钻孔直径 140 mm 时的 截割头截割效率较高,可以有效缩短截割时间,但缩短 的时长不会超过 1.5 h。 因此,可以认为钻孔直径 140 mm 较 90 mm 没有明显的综合破岩效率优势。 图 3 孔数量不变时的钻孔分布情况 a Φ90 mm； b Φ115 mm； c Φ140 mm 表 3 钻孔数不变时不同钻孔直径下的钻孔参数 钻孔直径 / mm 总钻孔时间 / h 总自由面面积 / m2 孔效率 系数 902.8766.691.00 1153.6085.221.164 1404.39103.751.356 2.2 对比试验情况 采用第一代“Φ90 mm 钻孔振动截割”设备样 机,配合液压钻孔台车,在广东省中山市南头镇松德机 械园区内进行孔边距不变和钻孔总数不变的现场对比 试验,采用的岩石为花岗岩来自广东清远,岩石硬度 11.3。 在不计钻孔等辅助时间的情况下,对钻孔完成后 的岩石进行截割,截割时长为 30 min,然后通过测量岩 石剥落的体积折算,得到的破岩量数据如表 4 所示。 表 4 不同钻孔直径下的破岩数据 条件钻孔直径/ mm破岩量/ m3h -1 904.89 孔边距不变1155.15 1405.03 904.81 钻孔总数不变1155.72 1406.58 现场对比试验的截割效率情况与先前的分析基本 一致,孔边距不变时,钻孔直径 140 mm 较 90 mm 没有 明显的破岩效率优势,破岩效率相差 2％～5％,原因可 能跟人的操作有关；钻孔总数不变时,钻孔直径 140 mm 较 90 mm 时的截割效率高约 15％。 3 存在的问题 1 掘进机截割头的主要设计参数有截割头头体 类参数 6 项截割头长度、大端面直径、圆柱段长度、 圆锥段长度、半锥角、圆球段半径,螺旋参数 3 项螺 旋线头数、螺旋升角、螺旋线高度,截齿空间结构参 数 7 项截齿个数、排列方式、截齿间轴向距离、截齿 截割回转半径、圆周角、倾角、倒角。 然而,当前硬岩 掘进机截割头设计以类比法为主,且大多基于载荷波 动最小这一设计准则,无法给“钻孔振动截割”新工 艺提供理论支撑［3-5］。 因此,未来需要围绕钻孔和强 载荷波动进行深入的理论和试验研究。 2 纵轴式硬岩掘进机在横向摆动截割时,截割头 的反作用力与截割臂形成的力矩将使掘进机在设备水 平面内产生较大的振动甚至摆动。 在加入“钻孔”和 “强载荷波动”之后,更需要考虑它们三者之间的耦合 作用,并对掘进机本体采取措施,譬如需加大机身质量 或装设辅助支撑装置水平面内和垂直方向,增强整 机的稳定性。 3 “钻孔”和“强载荷波动”与掘进机截割过程因 反作用力引起的振动进行耦合之后,更易导致设备各 部分联结螺栓的松动,加速齿轮和轴承的失效,降低整 机工作可靠性。 因此,需要加强相关连接紧固件、齿 73第 4 期彭 文 基于钻孔和截割的新型硬岩快速掘进工艺探讨 ChaoXing 轮、轴承和传感器等在强振动环境下的可靠性、耐久性 设计。 4 结 语 在“钻孔液压冲击”的基础上,提出了“钻孔振 动截割”的新型硬岩掘进工艺,并对其中关键的钻孔 直径进行了分析和计算。 1 孔边距是决定硬岩掘进的关键参数。 当钻孔 总数相等时,虽然钻孔直径 140 mm 时的截割头截割 效率高,但总的节拍时间和效率并不明显占优。 综合 考虑到液压凿岩机的价格、质量及对钻臂结构强度尺 寸的影响,钻孔直径应在 90～115 mm 之间。 2 孔边距保持 200 mm,钻孔直径 90 mm 时的截 割效率已经可以满足 16 ～ 19 m2断面巷道的月进尺 100 m 的要求。 3 “钻孔”和“强载荷波动”与掘进机截割过程因 反作用力引起振动间的耦合机理研究,及其相应的截 割头设计和可靠性设计方法,是未来需要重点研究的 内容。 参考文献 ［1］ Long Risheng, Sun Shaoni, Lian Zisheng. 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