天井钻机钻导孔参数的合理选择

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1、天井钻机钻导孔和扩孔参数的合理选择武楠楠 1，李自贵 1，王玮 1，杨天苗 21 太原科技大学机械工程学院 山西太原 0300242 湖南大学土木工程学院 湖南长沙 410082摘要：随着科学技术的发展，矿用天井钻机已经朝着大扭矩大推力的方向发 展。本文对标准天井钻机的工作参数进行探讨，提出了其主要工作参数的确定方 法。而天井钻机的工作参数是设计钻机的主要依据，也是合理使用钻机的依据。 因此，工作参数的确定至为重要。关键词 天井钻机；牙轮；轴压；扭矩；拟合Analysis and Reasonable Choice Of Drill pilot hole and reamingOf Raise

2、 BorerWu Nannan1，Li Zigui1，Wang Wei1,Yang Tianmiao21School of mechanical and Electronic,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,Shanxi ,China2School of Civil Engineering , Hunan University ,Changsha 410082,Hunan,ChinaAbstract：With the development of science and technology , the R

3、aise boring machine has developed to the direction of large torque and thrust.This paper discusses the working parameters of the raise boring machine and proposes the method to determine the main parameters . However the design and use for the raise boring machine mainly bases on the working paramet

4、ers , thus the confirm for the working parameters is very important.武楠楠（1987-），男，太原科技大学在读硕士，机械设计及理论Keywords： raise Borer ;cone bit ;axial load;torque;fitting引言天井钻机适用于地下煤矿、通风井、下料井 等工程井。而随着科学技术的发展，地下煤矿向 深部的发展，采矿方法的不断改变，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。合理的选择工作参数，是设计钻机的主要根据。天井 钻机的主要工作参数是指转速

5、、钻导孔时的轴 压、扭矩和扩孔时的扩孔拉力、扭矩等。本文主 要探讨了标准天井钻机的导孔、扩孔时的轴压和 扭矩，并得出计算公式，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设计1.1导向孔钻进工作原理1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，工作情况 如图1-1所示。轴压力P和回转扭矩Mn是通过钻杆施加在 钻头上的。在该力的作用下，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。而在回转扭矩的作用下，牙轮在钻孔 的底部以片的速度做滚动，从而产生剪切力， 可以使破裂的岩石剥

6、离岩面，且连续旋转冲击破 碎岩石，形成钻孔。图1-1 钻导向孔工作原理1-风水接头2-回转加压机构3-排出的岩渣4-钻杆5-牙轮钻头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 借鉴牙轮钻机的相关计算方法来确定的。钻进时的轴压是用以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（1-1） 确定，它是前苏联学

7、者2以直径214mm的钻头 为标准进行大量的实验而得出来的。如果作用在 岩石上的压力超过岩石的抗压强度极限的 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 （单位 为kN）和钻头直径的关系可用如下的经验公式 表达：P = 10 fK-D（1-1）D0式中f :岩石坚固性系数，f =220； K : 经验系数，K =1.31.5, 般取K =1.4； D : 设计选用的钻头直径,mm； D0 :试验钻头直径, D =214mm。01.3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

8、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。其计算方法可按式（1-2） 计算：PM = 9360KD （）1.5（1-2）10i丿式中 D：钻头直径，单位cm； P：轴压力，单 位kn； K：岩石特性系数，见表一。国坏気匱|囲出訓E常扶育I.2K1D-1I7MIOkLO3林TDD0表一岩石特性系数上述计算轴压和扭矩的计算公式，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

9、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设计2.1扩孔工作原理1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，工作情况如图2-1所示。轴拉力T和回转扭矩M是钻机通过钻头施 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M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。图2-1扩孔工作原理1-

10、风水接头2-回转加压机构3-钻杆4-滚刀5-刀盘6-岩渣2.2扩孔拉力的计算扩孔拉力一般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，可由下式(2-1)计算，F = m x g + F(2-1)拉 总推丿式中F 拉:扩孔拉力，kN； m总：接入总钻杆 拉总重量与扩孔刀盘重量之和，kg； F推：刀具总推 推力, kN。刀具总推力：F =(6.6D +n)x F(2-2)推式中：D：刀盘直径，m；耳：经验系数，取 24。F :每把球齿滚刀轴压70110kn。Iti ifflmi1MDiMODD200D3iiHJQD-扭柜firm435T.5m237TT35265564MDt-700I

11、lfflCi13300表二主流天井钻机参数并得到了天井钻机扩孔时拉力的计算公式为了验证上述公式的合理性，故搜集了世界 上主流的天井钻机的参数(表二)。通过对该数 据分析计算，并通过计算机软件3对其拟合(拟 合图形如图2-2)。(2-3)：F = A + A * cos( D * W) + B * sin( D * W) +o iiA * cos(2D * W) + B * sin(2D * W) +22A * cos(3D * W) + B * sin(3D * W)33(2-3)式中 D：钻机的扩孔直径,mm； A0、AA2、图2-2参数拟合图像2.3扩孔扭矩的计算对于扩孔扭矩，在过去天井钻

12、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（1-2）,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。故本文通过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如图2-3所 示，顾可以按照一元线性回归方程来计算 M=C+H*P （C、H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=0.04811，C=14.99933。因此，A3、B、b2、b3、w：拟合系数，取值如下， A0=7040，A=354.7，A2=-633.1、A3=-633.1、 B,=-5699 B2 -1623、B3=-447.3、W=

13、0.0008507。12=3图2-3扭矩和扩孔拉力的关系3结论自第一台天井钻机问世以来，机械钻井法迅 速在全世界得到广泛应用。天井钻机的研制与生 产也日新月异，适用于各种作业条件的天井钻机 与扩孔刀具不断涌现。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。参考文献：1 苑忠国，采掘机械M, 2009.8,冶金工业出版社， 105109。2 徐小荷，余静岩石破碎学M, 1984,煤炭工 业出版社。M=0.04811P+14.99933(2-4)xmxsi 陈桂明，MATLAB数理统计（6.x） M, 2002，科 学出版社。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）： 2426。