第一章矿山钻孔机械设备

第一章矿山钻孔机械设备内容1矿山钻孔机械设备1.1凿岩机及其分类1.2风动凿岩机主要性能参数计算1.3凿岩台车第一节凿岩机及其分类机械破碎岩石钻孔的方法：冲击转动式破碎岩石钻孔；旋转式破碎岩石钻孔；旋转-冲击联合破碎岩石钻孔。冲击载荷破碎岩石的成孔过程：在坚硬岩石上钻孔时，用冲击栽荷破碎岩石是一种有效的方法。当具有一定质量的冲击锤以速度V冲击钎子时，钎尾产生的压缩应力波传播到楔形钎头，压应力波通过钎头作用在孔底岩石上面，使岩石破碎并形成一条构槽I—I，在冲击锤第二次冲击之前，将钎子转动一个角度，则第二次冲击使岩石破碎的沟槽落在另一位置II-II上，如果连续不断的冲击和转动，并不断排出岩屑，便形成圆形炮孔。冲击式钻孔示意图旋转式钻孔破碎岩石的成孔过程：在磨蚀性小以及中硬以下的岩石中钻孔时，采用旋转式多刃切割岩石钻孔是很有效方法。旋转式钻孔过程是钻头在一定轴向压力P的作用下，连续旋转切割岩石，使其钻刃以螺旋线推进，并将破碎的岩粉排出孔外，形成圆形炮孔。旋转式钻孔一般分为炮孔全断面切割岩石钻孔和取岩芯式圆环切割岩石钻孔。旋转式钻孔示意图旋转冲击式钻孔破碎岩石过程牙轮钻机属于旋转冲击式钻孔机械，钻孔过程见下图；钻孔过程：钻机通过钻杆将牙轮钻头送至孔底，在钻杆的作用下，并通过对钻杆的加压是钻头接触孔底，同时在旋转钻杆的作用下，使钻头上带齿(球齿或凿齿)的牙轮滚动，通过滚齿传递冲击和压入力，使岩石破碎。因锥体牙轮的滚动轨迹为一圆面，故在钻杆不断旋转的同时，再将破碎的岩屑不断排出孔外，便可形成炮孔。牙轮钻头类型：牙轮钻头的类型很多，在脆性坚硬岩石上钻孔时使用的钻头是具有只滚动而不滑动（以冲击式破岩为主）；在中硬以下的塑脆性岩石中钻孔时所用钻头的牙轮除具有滚动作用外，还有滑动作用，或者说，这种钻头除具有纯滚动的牙轮破碎岩石的特点外，还具有切削型钻头切削岩石的特点；在塑性岩石中钻孔时，牙轮的滑动作用将设计得更大些，使牙轮以切削岩石的作用为主。旋转冲击式钻孔示意图钻头与牙轮的运动关系热力钻孔破碎岩石原理火钻是利用氧气和煤油混合后燃烧产生的高温火焰来进行工作的。火焰由喷嘴射向孔底岩石，使岩石因表里温度的不均匀分布和造岩矿物膨胀系数的不同而产生热应力，当热应力超过岩石的极限强度时，岩石便开始剥离破碎。破碎后的岩屑由燃烧后的气体和冷却水的水蒸汽带出孔外。为了保持形成圆形，还需要以每分钟10—20转的速度使火焰喷嘴转动。适用条件：弹性模数大、硬度高、研磨性强，机械破碎比较困难。火力钻孔示意图凿岩机械按使用的动力分类目前，世界各国金属矿山矿石回采和巷道掘进基本上还是采用传统的凿岩爆破方法。按所采用动力的不同，可将凿岩机械分为：风动凿岩机、液压凿岩机、内燃凿岩机和电动凿岩机几种类型。矿山应用最广泛的是风动凿岩机，但近年来液压凿岩机的发展速度很快，而且应用越来越普通。一、风动凿岩机的类型及应用范围1．风动凿岩机的类型（1）按重量、工作中安装及推进方式的不同，一般分为以下几种：1)手持式凿岩机重量较轻(在20—25公斤以下)，手持操作，各种方向较浅的小直径炮眼。2)气腿式凿岩机带有起支承及推进作用的气腿（矿山广泛使用）。如7655（YT23)、YT24、YT26及YTP26等型号。重量23—30公斤，孔深2—5米、直径为34—42毫米的水平或带有一定倾角的炮眼。3)上向式(伸缩式)凿岩机它的气腿与主机在同一纵向轴线上固结成一体，专用于打60°-90°的向上炮眼。主要用于采矿和天井掘进的凿岩作业。矿山常用的上向式凿岩机有YSP45及01~45两个型号。4)导轨式凿岩机机体较重(一般在30-100公斤)，装在凿岩台车导轨上工作，改善作业条件，减轻劳动强度和提高凿岩效率。可打水平和各种方向的较深(5—10米以上)炮眼。这类凿岩机有YGP28、YGP35、YG40、YG80及YGZ90等型号。（2）、风动凿岩机的其他分类方法1）、按冲击频率分类：低频凿岩机(冲击频率在2000次／分以下)高频凿岩机(冲击频率征2500次／分以上)，优点：凿岩速度显著。如：国产YTP26、YSP45及YGP28型均属于高频凿岩机。1）、按回转机构（内回转、外回转）分类：为了更好地适应矿岩性质的变化和提高凿岩速度，冲击机构和转钎机构各自独立的外回转凿岩机，近年来在国外有了很大的发展。如我国的YGZ90型外回转导轨式凿岩机。2．各类型风动凿岩机的应用范围各类型风动凿岩机由于结构和技术特征不同应用范围也有区别。在选择凿岩机的类型时，一般应考虑以下几点：(1)作业场所(平巷、天井、竖井和采矿场等)(2)所凿炮眼的方向、孔径和深度；(3)矿岩的坚硬程度等。表1—1列出了各类型风动凿片机的应用范围，供选用时参考。技术参数见设备手册。各类风动凿岩机的应用范围表二、气腿式凿岩机的构造及工作原理1、凿岩机的工作机构组成不论那一种凿岩机，要能顺利地完成炮眼，必须具备下述机构：（1）冲击及其配气机构；（2）转钎机构；（3）排粉机构，（4）推进机构；（5）操纵机构；（6）润滑机构。2、基本原理气动凿岩机是利用压缩空气推动凿岩机气缸中活塞往复运动冲击钎杆，钎头对岩石做功，从而破碎岩石。为了凿出圆形炮孔，在活塞连续冲击钎杆的过程中，由凿岩机的转钎机构旋转钎杆，在凿岩机工作过程中延伸和形成炮孔。上向式凿岩机外形图YSP45型凿岩机外貌导轨式凿岩机外形图气腿类型：配用FT-160型气腿；最大轴向推力：160千克力；最大推进行程：1362mm。3、气腿凿岩机：结构较为复杂，以7655（YT23)型气腿凿岩机为例简介。1-手柄；2-柄体；3气缸；4-消音器；5-钎卡；6-钎杆；7-机头；8-连接螺栓；9-气腿连接轴；10-自动注油器；11-气腿7655型气腿式凿岩机外形图气腿式凿岩机的推进机支撑原理1-连接轴；2-架体；3-气针；4-活塞；5-气缸；6-活塞杆；7-顶叉凿岩机工作位置：它的组成部件及与凿岩机的连接关系上图所示。钻孔过程：图示为凿岩机水平钻凿水平炮孔的工作状态。这时气腿轴心线与地平面成一定角度。当气缸5上腔进压气时，活塞杆6伸出，抵住地面，气缸5带动凿岩机上行，把凿岩机支持在适当的钻孔位置。顶叉7抵住底板后，气缸上腔继续进压气，则对凿岩机产生一轴向作用力R,水平分力的作用为平衡凿岩机后坐力及提供凿岩机合适的轴向推力，以获得最优的钻凿速度，垂直分力是平衡凿岩机和钎杆重量。随着钻孔的加深，为获得最优的推进速度和轴推力，通过调节活塞进气量来实现，如果气腿的活塞已完全伸出，则移动顶叉到合适位置后，重新开始凿岩工作。第二节风动凿岩机主要性能参数计算一、凿岩机类型标记手持式凿岩机：代号Y；气腿式：代号YT，T表示气腿；向上向式：代号YSP，S表示向上，P表示高频；导轨式：代号YG、YGZ，G代表导轨、Z表示外回转。二、风动凿岩机性能主要参数1、主要参数：（1）主要参数：冲击功、冲击频率、功率、扭矩、转速、耗风量和耗水量等。（2）、参数测定及理论计算：1）测定：对于已生产的凿岩机或试制的样机，借助电测和高速摄影等方法，便能比较精确地得出凿岩机的有关性能参数。2）理论计算：由于凿岩机气缸内压力变化复杂，加之其它因素的影响，要用理论公式精确计算这些性能参数(特别是冲击功)，目前还存在不少困难。因此，工程上仍然采用简化计算法来确定凿岩机的有关性能参数。风动凿岩机性能参数计算示意图2、冲击功计算（1）定义：指单次冲击功，在某种程度上它能表明凿岩机工作的能力。（2）计算1）工作行程时，作用在活塞左端面的力为：d为活塞杆直径。螺旋棒用于转钎机构。在工作行程接近终了时，活塞所具有的能量，即冲击功为在供气压力一定的情况下，活塞的冲击功与活塞冲程时的有效面积、活塞行程成正比。当增大活塞直径和行程时，冲击功增大，但也将使机器尺小加大，重量增加。供给风动凿岩机的压气压力一般在5个大气压左右。如果要进一步提高压气压力，会受到现有空气压缩设备能力的限制。另外，凿岩机使用压气压力太高，还会引起压气管路损耗增加等。3、冲击频率冲击频率是指活塞每分钟对钎杆的冲击次数。在其它各项性能参数一定的情况下，凿岩效率与冲击频率成正比。因此冲击频率也是表明凿岩机工作能力的重要性能参数之一。在计算冲击频率时，除前述一般假定外，还假定活塞在压气作用下，初速度为零，然后以等加速度运动。•活塞工作行程时间•活塞返回行程时间4、凿岩机功率风动凿岩机的功率，指的是它的冲击功率。因此当活塞冲击功和冲击频率计算以后，即可用下式计算凿岩机的功率5、扭矩凿岩机的扭矩用来克服凿岩过程中作用在钎头和钎杆上的岩石的阻力矩，以保证钎杆转动，进行连续作业。扭矩是风动凿岩机的主要技术指标之一。对于内回转的凿岩机，其扭矩大小与凿岩机回程时的气缸压力、螺旋棒角度，以及材料性质有关，对外回转的凿岩机，其扭矩由单独的风马达发出，与凿岩机内部结构无关。6、钎子的转角和转速当两次冲击之间钎头的转角所形成的两相邻凿痕间的岩石恰能被破碎时，此转角即为钎头的最优转角。转角若比它小，岩石重复破碎，能量不能得到充分利用，凿岩速度低；反之，转角过大，炮眼底部相邻两条凿痕间的岩石不能被剪碎，需要反复冲击几次才能被曲碎，凿岩速度也不会高。若知凿岩机的冲击频率和钎子转角，则钎子转速，即每分钟的回转数即可求出。7、耗风量耗风量是风动凿岩机在单位时间内所消耗的自由空气的体积(米3／min)。是衡量风动凿岩机使用经济性的基本指标之一。在已知凿岩机功率的情况下，耗风量愈小，凿岩机的使用费用愈低。耗风量包括冲击、回转和吹孔三部分所消耗的空气量。第三节、凿岩台车凿岩台车不仅提高了掘进速度和采矿效率，而且，减轻了工人的劳动强度，改善了劳动条件。一、凿岩台车分类凿岩台车按其使用场所和用途：掘进台车、采矿台车和锚杆台车；按行走机构分类：轨轮式台车、轮胎式台车和履带式台车；台车行走机构的驱动方式有电力(交流、直流)真接驱动、电力液压驱动、风动和柴油机驱动四种。按装设凿岩机的台数分类(支臂数)：单机、双机、三机及多机凿岩台车。二、凿岩台车的应用1、平巷掘进中的应用：平巷凿岩台车钻凿掘进炮眼。凿岩台车与装载、转载、运输设备配合使用，可以组成机械化作业线。2、分段崩落法采矿：国产CTC700型自行轮胎式凿岩台车得到了广泛的应用。台车配用重型导轨式凿岩机，采用接杆凿岩，它可钻凿扇形和向上平行中深孔。台班生产能力可达150—200米。3、露天矿中的应用：凿岩台车可作为中小型矿山的穿孔设备。在大型矿山，凿岩台车从事辅助作业(清理边邦、清除根底和二次破碎等)。4、竖井掘进：应用机械化程度较高的环形钻架和伞形钻架。SZ—6型伞形钻架配用6台YGZ—70型独立回转凿岩机，推进器一次推进行程为2．5米。可用于净直径5.0—6.6米竖井掘进。5、公里、铁路隧道和水工建筑中，凿岩台车也有着广泛的应用。三、凿岩作业对台车的设计要求1、凿岩作业的工艺要求要正确选择和设计凿岩台车，必须了解凿岩作业的工艺要求。1）、炮孔间距和炮孔方向等凿岩参数要求无论是平巷掘进或采矿工作面，台车必须按照炮孔设计的要求钻凿炮孔，确保炮孔的布置规范(炮孔间距和炮孔方向)。因此，台车应有灵活的移位和摆角机构。在平巷掘进时，由于直线掏槽的推广，要求支臂有一套平行机构，以保证支臂移位时，推进器能保持平行。对需要钻凿平行炮孔的采矿台车，也应有平行机构。2）、开挖形状要求：为了形成一定尺寸的巷道，凿岩机不仅应在巷道边邦、顶、底部进行凿岩，而且在打周边眼时，应尽量靠近岩壁，并向外成一小的倾角，这样才能打出周边平整的巷道。如果要求平巷掘进台车能打锚杆孔，过长的推进器就成为障碍，所以必须设计一种可折叠的(或可伸缩的)推进器，而且要加大支臂及推进器变幅机构摆角的范围。2）对凿岩台车的要求是：•配高效能的中、重型和外回转凿岩机，提高凿岩效率；•有较长的推进器行程，以便加大循环进尺；•工作稳定、可靠，减少卡钎事故；•高度机械化，实行集中控制，以提高自动化水平；•具有钻凿平行眼、倾斜眼及周边眼的平行机构。四、凿岩台车的组成及工作原理为完成平巷掘进的凿岩工作，凿岩机及凿岩台车对工作面应有下列相对运动和作业位