反井鉆機ZX315鎬型鑲齒滾刀有效鉆壓分析

譚 昊，荊國業，韓 博

(1. 北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

反井鉆機因其機械化程度高，人員不下井，施工相對安全和成井速度快等特點，被廣泛應用于具備下水平巷道條件的礦山、水電、市政工程中[1]。隨著反井鉆機和刀具的作用對象由原有單一煤系地層擴展為非金屬礦山的花崗巖或者更為堅硬的金屬礦脈等地層，在施工中常遇到鑲齒滾刀鉆進參數與地層條件不匹配、鑲齒滾刀非正常損耗等問題。在施工中常遇到因反井鉆桿和硐室空間問題限制鉆機能力，較低的鉆壓會造成鉆進效率極低、破巖滾刀非正常損耗等問題。由于反井鉆機施工工藝的特殊性，鑲齒滾刀磨損后需要下井更換，此時井筒未做任何支護措施，易發生安全事故。因此研究反井鉆機能夠有效破巖的最低鉆壓(即有效鉆壓)，在某些特殊的反井工程中，對指導鉆機選型和鉆進參數的選取有重要意義。

反井鉆機的鉆進參數可通過研究鑲齒滾刀的鉆進參數取得，因此需要得到鑲齒滾刀對應不同地層的最優鉆壓以及鉆壓與滾動力之間的關系。滾刀破巖過程是壓入和沖擊作用的復雜過程[2]。在巖石的沖擊動力學方面，劉漢香等[3]通過顆粒流數值試驗研究加載速率對白云巖力學特性的影響；陳俊宇等[4]采用分離式霍普金森壓桿裝置對砂巖進行動態沖擊壓縮試驗分析了煤礦區砂巖的動力學特性及能量損耗規律。針對破巖機理研究，劉泉聲等[5]分析了滾刀運動規律，推導鉆壓和滾動力的計算公式并對其進行了實驗驗證；張照煌等[6]建立巖石在盤形滾刀作用下的力學模型，給出形變的幾何方程、物理方程和平衡方程；譚青等[7]通過數值模擬對常見壓入深度下最優刀間距問題進行分析，得到不用壓入深度下比能與刀間距關系； 韓博等[8]選用單排鑲齒滾刀進行了巖石破碎實驗得到鉆壓與滾動力的關系；龔秋明等[9]研究了不同刀間距作用下的平均鉆壓、平均滾動力和比能關系；鄧建明等[10]分析了反井鉆機鉆速、鉆壓和轉速之間的關系。

上述研究通過理論分析、數值模擬、室內或現場實驗等方式對滾刀的最優鉆進參數進行了大量研究，目前鉆頭選型方法多基于對多種巖石力學參數及實鉆參數的分析，操作煩瑣，流程復雜[11]。而采用全尺寸滾刀進行破巖實驗可建立鉆壓與破巖體積之間以及鉆壓與滾動力之間的關系，并可通過分析壓深、比能和巖碴粒徑得到所需鉆壓。此外在工程中經?？梢杂^察到，當鉆壓超過一定值以后，鉆進速度的加快會伴隨鉆頭位置粉塵明顯下降和塊狀巖碴增多。因此，現結合工程中觀察到的破巖體積突變現象，通過研究破巖體積增速拐點對應的鉆壓值得到有效鉆壓，并通過鉆壓與滾動力的關系得到ZX315鎬型鑲齒滾刀在花崗巖中的滾動摩擦因數，進而得到鉆機鉆壓與扭矩的關系，計算得到鉆機有效扭矩，最終取得的鉆壓和扭矩值即為花崗巖的有效鉆進參數。另外，還通過對比不同單軸抗壓強度巖石的有效鉆壓，分析得到單軸抗壓強度和有效鉆壓的線性關系公式，在已知巖石單軸抗壓強度的情況下，可據此推算有效鉆壓，方便施工現場鉆機選型，指導鉆進參數設計。

1 ZX315鎬型鑲齒滾刀有效鉆壓實驗

實驗采用煤礦深井建設技術國家工程實驗室的直線往復式滾刀破巖實驗裝置，主機由主框架、豎向推力油缸、水平推力油缸、實驗箱及傳感器等部分組成[12]，如圖1所示。

1為豎向推力油缸；2為主框架；3為傳感器；4為實驗箱；5為水平推力油缸圖1 直線往復式滾刀破巖實驗裝置主機Fig.1 Device of reciprocating liner cutting machine

巖石試樣為花崗巖，取自北京市房山區。通過單軸抗壓實驗得到其平均單軸抗壓強度為141.6 MPa，平均彈性模量為26.5 GPa，泊松比為0.24。巖石試樣的長、寬、高分別為1 400 mm、400 mm和200 mm。為保證實驗精度，滾刀與巖石接觸面需與實驗臺水平，確保滾刀滾動方向不存在整體上下浮動的情況。巖石試樣與實驗箱用低收縮水泥漿進行澆灌固化。

實驗選用ZX315鎬型鑲齒滾刀(以下簡稱滾刀)，鑲齒共6排，齒間距為20～28 mm。滾刀上共有鎬型鑲齒145個，球形鑲齒31個，滾刀的大端直徑為315 mm。鎬型鑲齒齒形參數如圖2所示。其中，鉆齒齒頂圓弧半徑R=4 mm。

圖2 鎬型鑲齒齒形參數Fig.2 Parameters of pick insert

該型滾刀刀軸和刀座的設計最大承載鉆壓為250 kN，實驗發現，鉆壓為25 kN時，巖石試樣出現較淺壓痕，故設定25 kN為實驗起點。當鉆壓達到100 kN時，已出現拐點；當鉆壓達到150 kN時，刀齒已全部壓入巖石，故設定150 kN為實驗終點。鉆壓選取6組，分別為25、50、75、100、125、150 kN。實驗中首先保持滾刀水平方向不動，然后緩慢增加滾刀鉆壓，鉆壓達到預定值后，使水平推力油缸以 0.2 m/s的速度勻速移動，完成滾壓過程。鉆壓由小到大進行實驗，每次實驗做1次往復滾壓運動，實驗結束后對巖碴進行收集和稱重，對破巖面進行全面清理，并記錄不同鉆壓下的鉆壓、滾動力、巖碴質量等實驗數據。每次實驗結束后，使用5 kN的鉆壓對巖石表面進行多次往復運動，并清除期間掉落的巖碴。清理完成后，進行下一個循環的實驗。

2 房山地區花崗巖有效鉆壓分析及對應扭矩計算

觀察實驗過程中的破巖面及巖碴可以發現：鉆壓為50 kN以內時，滾刀的破巖效果不明顯，在 25 kN時僅在巖石表面產生部分壓痕[如圖3(a)和圖3(b)]；當鉆壓增加到75 kN時，刀齒擠壓巖石的痕跡較為明顯[如圖3(c)]，但巖碴仍以粉末狀為主，巖石破碎量較少；當鉆壓達到100 kN及以上時，巖石表面產生明顯的巖屑碎塊，使用毛刷用力清潔破巖面，在鉆齒壓痕之間會清理出明顯的巖石碎塊，鉆壓在125 kN時，不需用力清理便可將巖石碎塊剝離破巖面[如圖3(d)和圖3(e)]；鉆壓達到150 kN時，刀齒全部壓入巖石，此時破巖面上留有刀殼的明顯痕跡[如圖3(f)]，巖面受刀殼擠壓表面相對平整。

分析以上現象可知：鉆壓過小時，巖石表面不會產生明顯的體積破碎，巖屑多為粉末狀，在工程實踐中這種條件下鉆進速度非常慢，而且粉塵污染嚴重，屬于不正常鉆進狀態。鉆壓過大時，會給破巖造成不利影響，首先，會使得貫入深度超過鑲齒齒高，巖石將與刀盤基座產生相互作用，降低滾刀破巖效率及使用壽命；其次，會使得巖石發生過度破碎，產生大量巖粉和碎石，破巖比能低，破碎同樣體積巖石比高效破巖點需要更大的鉆壓扭矩，并且加劇滾刀磨損。

觀察實驗臺采集到的鉆壓(P)和滾動力(Nz)可以發現，滾刀滾動過程中，存在鉆齒上下跳動以及巖石破碎卸載過程，造成實測鉆壓的波動；使用滾動力模擬鉆機的扭矩時，由于水平推力油缸為恒速，滾動力數值為不穩定狀態，跳動較大，因此對滾動力原始數據取平均值處理后，得到鉆壓與滾動力的關系；然后對巖碴進行稱重，并通過巖石密度計算滾刀在每次實驗中的破巖體積，如圖4所示。

由曲線可以看出，破巖體積隨鉆壓增加呈增大趨勢。鉆壓為100 kN以內時，破巖體積增加較為平緩。鉆壓達到100 kN后破巖體積顯著增大。由圖3(d)可以看出，鉆壓達到100 kN時，破巖面開始產生塊狀破碎，此時破巖過程進入有效破碎狀態，因此有效鉆壓為100 kN。當鉆壓增大時，滾動力絕對值隨之增加，相應鉆機輸出扭矩也有所增大。鉆壓為75 kN時，產生滾動力拐點，而后滾動力呈線性

圖3 鉆壓25～150 kN滾刀破巖效果Fig.3 Rock breaking effect under pressure of 25～150 kN

圖4 鉆壓與滾動力、破巖體積關系Fig.4 Relationship between pressure, rolling force and rock breaking volume

增大趨勢。選取鉆壓在75～150 kN的4個點進行線性擬合，根據擬合直線的斜率，得到滾刀和花崗巖巖面之間的摩擦因數fg=0.203。通過該摩擦因數、鉆壓和鉆機刀盤的滾刀布置方式，可以計算鉆機所需扭矩。反井鉆機扭矩(N)與鉆壓(P)的關系為

N=fgP(D-d)/2

(1)

式(1)中：N為反井鉆機扭矩；P為反井鉆機鉆壓；D為擴孔鉆頭直徑；d為導孔鉆頭直徑。

3 巖石單軸抗壓強度與有效鉆壓的關系

通過研究巖石物理參數與有效鉆壓的關系，可以根據工程所在地的巖層情況估算有效鉆壓。因此需要對不同巖石條件下的有效鉆壓進行分析。武士杰等[13]曾對ZX315鎬型鑲齒滾刀采用鎬型鑲齒對山東泰安抽水蓄能電站花崗巖(單軸抗壓強度310 MPa)、云南溪洛渡水電站玄武巖(單軸抗壓強度250 MPa)、四川瀑布溝水電站花崗巖(單軸抗壓強度265 MPa)進行單齒壓入實驗，得到不同鉆壓作用下的破巖體積。實驗中破巖體積增速拐點為有效鉆壓，結合單齒壓入實驗數據，可以發現單齒破巖體積大于0.05 m3時，為破巖體積增速拐點，由此判定每種巖石在該鎬型鑲齒作用下的有效鉆壓。假設施加在六排齒滾刀上的鉆壓可以被平均分配到每一排，則每個鉆齒受到的最大鉆壓為滾刀鉆壓的1/6。分析得到巖石單軸抗壓強度σc與每個鉆齒有效破巖鉆壓之間關系，如圖5所示。

圖5 巖石單軸抗壓強度與有效破巖鉆壓的關系Fig.5 Relationship between uniaxial compressive strength and effective rock breaking pressure

通過圖5可以看出，有效鉆壓與巖石的單軸抗壓強度近似呈一定線性關系，且擬合曲線的截距近似為0。通過擬合曲線的斜率得到每個或每排鉆齒的有效鉆壓近似為巖石單軸抗壓強度的12.58%，即以6排齒的ZX315鎬型鑲齒滾刀為例，其有效鉆壓為巖石單軸抗壓強度的75.48%。以新疆阿勒泰地區蒙庫鐵礦的巖層為例，該礦區巖層的單軸抗壓強度最大可達214 MPa，則該巖層條件下6排齒的ZX315鎬型鑲齒滾刀鉆進所需的有效鉆壓為161.53 kN。假設反井擴孔直徑為3 m、深度為 300 m，則需要該滾刀16把，共需要2 584.44 kN的鉆壓。以反井鉆機所使用的直徑254 mm鉆桿為例，每米鉆桿的質量約為1 t，因此300 m鉆桿共需要3 000 kN的提升力。因此可以計算得到施工該井筒所需要的反井鉆機拉力應大于5 584.44 kN，才能在井筒下水平使巖石發生有效的塊狀破碎。

此外，雖然泰安抽水蓄能電站與瀑布溝水電站均為花崗巖，但單軸抗壓強度相差較大，瀑布溝水電站花崗巖的有效破巖鉆壓相對較高，故認為這是由于巖石的脆性或巖石的各向異性造成的。雖然在工程中受到巖石節理、地壓、采動和地下水等影響，鉆進參數須進行一定程度的調整，但在施工前可根據當地巖石的單軸抗壓強度，通過本文實驗方法估算反井鉆機鉆進參數。

4 結論

為合理匹配鉆機鉆進參數與地層條件，解決工程現場鑲齒滾刀非正常損耗，提高使用壽命，采用直線往復式滾刀破巖實驗裝置，研究了ZX315鎬型鑲齒滾刀破碎花崗巖時的有效鉆壓、有效扭矩以及不同單軸抗壓強度下的有效鉆壓。得到如下結論。

(1) ZX315鎬型鑲齒滾刀針對單軸抗壓強度141.6 MPa花崗巖的有效鉆壓為100 kN，滾刀滾動摩擦因數為0.203，根據反井鉆機扭矩與鉆壓的關系公式，在現場施工時，可根據有效鉆壓計算得到有效扭矩，進而確定有效鉆進參數，降低滾刀損耗，提高工程效能。

(2)有效破巖鉆壓與巖石單軸抗壓強度近似呈一定的線性關系，通過分析得到ZX315鎬型鑲齒滾刀的有效鉆進鉆壓近似為巖石單軸抗壓強度的75.48%。因此，可根據地層巖石情況，通過巖石單軸抗壓強度推算得到有效鉆壓，進而根據反井鉆機扭矩與鉆壓的關系公式推得有效扭矩，對實踐具有一定的指導意義。