对锚杆钻机研制中几个问题的探讨

2005/10/14 16:05:07

　　摘　要　提出旋转钻削式锚杆钻机设计的新思路，针对我国煤矿岩巷围岩特征，根据岩石破碎学和钻削理论，找出与岩石钻孔效果密切相关的因素和各因素之间的关系。
　　关键词　锚杆钻机　岩石钻孔　弹性配合

Discussion on Some Issues in Research and Development of Roof Bolting Machine

　　According to rock breaking theory and rock cutting theory and base on the surrounding rock features in China coal mines，the factors closely related to rock drilling results and the relationship between the factors were found．>From the analysis and study of the rock drilling features，the paper introduced the elastic theory of the rock drilling．The rock drilling features are mainly including the drilling speed，revolution speed，torque and thrust．For rock with a certain strength，there will be a optimum revolution speed during a drilling operation．Over the optimum drilling speed range，the speed will be reduced．For different rock，the optimum speed range will be different．During the grinding and repeated breaking，the high torque will continue to be changed．The torque in the cutting area will be smaller and keep in constant．Putting the parameters in a same reference system for a comprehensive analysis will more actually reflect the actual processing of the operation．A proposal for a conception of elastic match area will provide a reference target for a study of output feature of roof bolt machine with different power and provide design reference and boundary conditions for the rational match of the main parameters.

1　问题的提出
　　以往钻机的设计研制过程，比较注重钻机本身的输出特性，一味通过追求尽可能大的转速和转矩来提高钻机的破岩钻进能力。但对于单体锚杆钻机来说，要求体积小，重量轻，因而不能无限止地提高转速、转矩和推力。只有最大限度地提高钻机输出功率的利用率，即提高破岩钻削效率，才能在有限的输出功率下取得较高的钻进速度。
　　根据这个要求，提出旋转钻削式锚杆钻机设计中的一个新思路，即从岩石破碎学和钻削理论出发，针对我国煤矿巷道围岩的特征，研究相应岩石的钻孔特性，找出与岩石钻孔效果密切相关的因素和这些因素之间的相互关系，从而指导锚杆钻机设计中主参数的确定。本文从岩石钻孔特性的分析研究出发，对岩石钻孔的弹性配合理论作一简要论述。

2　岩石钻孔特性分析
　　我国煤矿煤层围岩大部分是炭质页岩、页岩、砂质页岩、砂岩、石灰岩，少部分地区还有砾岩等。根据从东北、华北、华东、中南24个矿务局55个矿100条巷道的调查资料，煤层围岩抗压强度在10～120 MPa之间，少数可达150 MPa，整个抗压强度分布接近一个以50 MPa为峰值的正态分布（0～70 MPa约占77%，70～100 MPa约占16%，大于100 MPa约占7%）。
　　煤矿围岩虽然种类不多，但其力学性质变化范围较大，岩石力学性质中的波动性、离散性大，连续性差，给研究分析带来一定的困难。但对于旋转钻孔状态来说，由于钻头深入岩体，外力作用的边界条件相对稳定、封闭，在相对小的封闭区域内，材料的不稳定性、波动性可限定在一定的范围之内；同时实践和试验表明，不同岩石力学参数在统计学上具有较明显的规律性，这给对岩石钻孔力学性质进行不仅是定性而且是定量的分析研究提供了可能性和相当的置信度。下面就岩石钻孔的特性分别作简要分析：
2.1　推进特性
　　岩石钻孔特性主要指钻进速度S和钻具的转速N，转矩M和推进力T之间的变化关系和规律。在这方面，前苏联学者阿里莫夫根据试验把它们的关系用推力与钻速和比功的关系曲线来说明，如图1所示。

t38-1.gif (2617 bytes)

图1　推力与钻速和比功的关系
1—比功与推力关系；2—转速与推力关系；
A—第Ⅲ区的最高点

　　他把三者之间的关系变化特点分为4个区，即：Ⅰ为研磨区，钻速与推力是斜率较小的线性关系，而比功（单位钻削体积所耗功）很大；Ⅱ为过渡区，这时钻速与推力线性关系的斜率增大，比功减小；Ⅲ为钻削区，钻速随推力增长最快，比功最小，研磨、摩擦等功耗也最小，接近钻削破岩的理想状态；超过Ⅲ区进入Ⅳ区，处于重复破碎状态，加上温升等原因，钻速增长率随推力增加而下降，比功上升。因而Ⅲ区是钻削破岩的最佳状态。阿里莫夫的划分是符合实际钻孔情况的。但它也有不足之处，即只分析了推力、功率与钻速之间的关系，没有具体分析转速、转矩与钻速之间的关系。另外，对岩性变化时，这些参数之间的关系又是怎样也未作出回答，而这些对于锚杆钻机的设计又恰恰是很重要的。因此有必要深入一步对岩石钻孔过程的转矩、转速特性进行研究。
2.2　转速特性
　　在同种岩石中，转速对钻削破岩的影响体现在两个方面：一是随钻头直径不同，最大切削线速度不同，切削破岩在边缘处首先达到极限；二是随转速增加，破碎过程加快，超过一定范围后摩擦增大，温升加剧，钻进速度减慢。因而对一定强度的岩石，钻孔时有一个最佳的转速范围，在这个范围内，钻进阻力最小，钻进速度最快，有效功最大。超过这个范围，钻速反而降低。
　　在不同岩性下钻孔时，由于岩石的力学性质发生了变化，钻孔速度也要相应变化。岩石强度越高，钻头所要克服的阻力就越大，转速也就越低，相应最佳速度也要降低，如图2所示。

t38-2.gif (2678 bytes)

图2　不同岩石强度下的最佳转速

　　因此，当锚杆钻机在岩性变化的岩层中钻孔时（例如页岩、砂岩互层），对应的就不是一个最佳转速点或一个最佳转速区，而是多个最佳转速点或最佳转速区。
2.3　转矩特性
　　理论上，在同种岩性下，岩石的抗压、抗剪强度不变。钻机输出的转矩也基本保持恒定。但试验表明实际情况并不完全如此，转矩并非一成不变。在研磨和重复破碎的状态下，转矩较大，且不断变化，而在钻削区间内则转矩最小，且保持相对恒定。
　　当岩性发生变化时，随着岩石的抗压、抗剪强度增大，钻机施加在钻头上的转矩也必须相应增大。试验表明，在钻削区内，转矩与岩石的抗压和抗剪强度基本上是线性关系。同时，在钻削过程中，由推力在刀刃上产生的垂直分力与转矩产生的水平分力组成合力。在推力与转矩匹配较好的情况下，二者之间应是同步上升和下降的关系。

3　岩石钻孔各参数的弹性配合
　　通过以上几个特性的分析，把各个参数放在同一参考系中进行综合分析，就可以更准确更真实地反映钻孔作业的实际过程。
　　用岩石抗压强度σ来表述每种岩石的综合指标。对应每一种岩石，一方面可以得到一个推力的最佳区间Ⅲ，另一方面，又得到一个最佳的扭矩区间和对应的最佳转速区间，这一组3个区间就组成了锚杆钻机工作的最佳范围。这不是一个点或一条线，而是一个区域。在此区域内工作，各参数可以发挥最佳的效能，有效功率可以得到充分利用。由此还可以得到此时的最佳输出功率和最佳钻进速度。
　　对于不同的岩石强度σ，可以得到一组不同的但对应的推力、转速和转矩以及功率和钻进速度值（区间）。把这些参数综合起来，得到如图3这样的岩石钻孔特性图。

t39.gif (5214 bytes)

图3　弹性配合区

　　图中1～4四条曲线分别表示在岩石硬度f3、f5、f7以及f＞9时的各参数之间的关系。图中A、B、C、D与A′、B′、C′、D′分别是4条曲线上的转折点。AA′、BB′、CC′和DD′就分别是岩石抗压强度一定条件下的最佳比功区，交点A、B、C、D分别表示了在上述不同岩性中保持最佳钻削状态的最高参数值，而A′、B′、C′、D′则是该最佳比功区的下限。因此，在曲线ABCDD′C′B′A′A所围成的区域内，各参数相互的配合协调性最好，称之为“弹性配合区”。
　　假定钻机开始在f7的岩石中钻孔，推力、转速和转矩沿曲线上升至C′点进入弹性配合区，并最终至C点达到最佳钻速。当岩石强度变大时，切割阻力增加，扭矩增加，转速、推力则产生弹性退让，参数变化趋势是由曲线3向曲线4，此后工作点沿曲线4上升到D点。与C点相比，扭矩、推力上升，转速下降,相应的钻速也下降。反之，岩石强度变小，例如变为f5，工作点将趋向曲线2的B点。即推力、扭矩降低，转速上升，钻进速度加快。这种岩石强度变化时，钻机输出参数的退让和顶进性，表现了弹性配合区内岩石钻孔的优良特性。
　　弹性配合区概念的提出，是在研究分析了岩石钻孔特性以后提出的对锚杆钻机输出特性的要求。它为各种动力的锚杆钻机输出特性的研究提供了一个参考目标，也为锚杆钻机研制中各主要参数的合理匹配提供了计算依据和边界条件。在锚杆钻机的实际研制工作中，有十分现实的作用。

作者简介：孙正心，1948年生，高级工程师，1982年中国矿业学院本科毕业，1990年复旦大学管理学院研究生毕业。一直从事煤矿机械研究和科研管理工作。现任煤炭科学研究总院上海分院党委书记兼副院长。地址：上海市天钥桥路1号，邮码：200030。
作者单位：煤炭科学研究总院上海分院

煤炭网版权与免责声明：

凡本网注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "的所有文字、图片和音视频稿件，版权均为"煤炭网www.coal.com.cn "独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用时必须注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "，违反者本网将依法追究责任。

本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息的目的，并不意味着本网赞同其观点或证实其内容的真实性。其他媒体、网站或个人从本网转载使用时，必须保留本网注明的稿件来源，禁止擅自篡改稿件来源，并自负版权等法律责任。违反者本网也将依法追究责任。如本网转载稿件涉及版权等问题，请作者在两周内尽快来电或来函联系。