牙轮钻机钻孔能耗分析

张云鹏 马志伟 武 旭

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063000;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063000)

在矿山开采中，钻孔能耗占矿山开采能耗的一大部分，钻机的选型及实际工作状况直接影响着后续工作的能耗和生产计划［1］。在钻孔作业中，影响其能量消耗的因素很多，其中包括所钻岩层的地质条件、钻进过程中的岩石性质、钻孔的深度、钻进效率等［2］。本研究通过对矿山正在使用的KY310A型牙轮钻机、45R型牙轮钻机和YZ55型牙轮钻机的调研，结合地质条件和岩石性质进行了分析，得出了牙轮钻机钻孔能耗的一些规律，对矿山钻孔节能降耗有一定的指导意义。

1 孔深与钻孔能耗的关系

由文献［3］知，随钻进深度的增加，可钻性级值提高，这是导致机械钻速降低、能耗增加的一个重要影响因素。某矿使用KY310A牙轮钻机进行钻孔，露天台阶高度为15 m，设计炮孔深度为17 m，钻孔深度为17 m。根据钻进过程中回转电流、回转速度、加压电流、加压速度、钻进深度、钻进时间、排渣风压、控制风压等一些列数据的记录，结合各个工作电机的功率进行计算［4-5］，对采集到的数据进行处理分析，用matlab进行拟合，得出孔深与能耗的关系如下:

式中，E为延米耗电量，kWh/m;E'为累计耗电量，kWh;h为钻孔深度，m;A，A'分别为与岩石性质有关系数，A=1.7～4.9，A'=0.86～2.26，不同钻孔，钻孔条件与岩石性质不同，取值不同，见表1。

表1 孔深与钻孔能耗的关系Table1 The relationship of drilling depth and drilling energy consumption

钻孔深度与能耗的关系如图1所示。可知，牙轮钻机在钻进过程中，延米耗电量与钻孔深度呈线性关系，而随着钻孔深度的增加累计耗电量呈指数关系增长。说明随着钻进深度的增加，围岩对钻杆的夹制力增强，岩石重复破碎消耗部分能量，排渣能耗也随之增大。

图1 钻孔深度与能耗拟合关系曲线Fig.1 The curve fitting of drilling depth and drilling energy consumption

2 岩石坚固性系数与钻孔能耗的关系

岩石的性质对钻机的钻进效率及能量消耗有很大的影响［6］。在不同的岩性条件下对45R型牙轮钻机和YZ55型牙轮钻机耗电量进行了统计，对岩石坚固性进行了现场测试，用matlab对所得数据进行处理与分析，得出了牙轮钻机能耗与岩石坚固性系数呈线性关系:

式中，E(f)为延米耗电量，kWh/m;f为岩石坚固性系数;a，b为不同型号牙轮钻机和钻孔条件相关系数，如表2所示。

表2 岩石坚固性系数与钻孔能耗的关系Table2 The relationship of Protodyakonov coefficient and drilling energy consum ption

图2所示为45R型和YZ55型牙轮钻机的拟合曲线。可知，两型牙轮钻机钻孔延米能耗与岩石坚固性系数f呈线性关系。45R型牙轮钻机的斜率稍大于YZ55型牙轮钻机，说明随着岩石坚固性系数增大，大孔径牙轮钻机能耗增速低。

图2 岩石坚固性系数与延米耗电量关系曲线Fig.2 The curve fitting of Protodyakonov coefficient and drilling energy consum ption

3 钻孔能耗与钻孔速率的关系

钻机的钻孔速率等于钻机每日进尺与工作时间之比。影响钻机钻进速率的主要因素有钻机性能、钻头型式、孔径、岩石坚固性系数等，此次统计计算的钻进速率与钻孔能耗为其平均值。露天台阶高度为15 m，设计炮孔深度为19 m，钻孔深度为19.5 m，统计结果如表3和图3所示。

表3 不同型号钻机钻孔能耗、钻孔速率及岩石坚固性系数Table3 The drilling rate and energy consumption in the same Protodyakonov coefficient of different type drillings

图3 钻孔速率与延米耗电量关系曲线Fig.3 The curve fitting of drilling rate and drilling energy consumption

得到钻孔速率与延米耗电量关系式:

式中，E(v)为延米耗电量，kWh/m;v为钻孔速率，m/h;a1，b1，c为不同型号牙轮钻机和钻孔速率相关系数，如表4所示。

表4 45R型钻机、YZ55型钻机钻孔速率与延米耗电量关系系数Table4 45R rig，YZ55 rig drilling rate and drilling energy consumption coefficient

由图3可以看出，对于45R型牙轮钻机，在岩石坚固性系数为10的情况下，当钻孔速率为5.34 m/h，钻机延米耗电量最少，但钻孔时间相对增加，不利于工作效率的提高。45R型牙轮钻机钻孔速率在7～8 m/h时最适宜。对于YZ55型牙轮钻机，在岩石坚固性系数为10的情况下，当钻孔速率为12.3 m/h时，钻机延米耗电量最少。此时钻机钻孔速率高，能量消耗少，故YZ55型牙轮钻机钻孔速率在12～14 m/h时最适宜。

4 钻孔能耗与钻孔孔径的关系

调查了孔径为250 mm的45R型和310 mm孔径的YZ55型牙轮钻机，钻机孔径之比为1.24。露天台阶高度为15 m，设计炮孔深度为18 m，钻孔深度为18 m，孔网参数为分别为6.5 m×6.5 m和8 m×8 m，不同孔径延米耗电量及爆破单位岩石钻孔耗电量如表5和图4所示。

表5 不同孔径钻机在相同岩石坚固性系数中钻孔能耗Table5 The drilling energy consumption of different rigs drill in the same rock solid

图4 不同孔径钻孔能耗与爆破单位岩量钻孔能耗Fig.4 Drilling different pore volume of energy consumption and blasting rock drilling unit energy consumption

小孔径钻机延米钻孔能耗小于大孔径钻机，而爆破单位岩量钻孔能耗则是大孔径钻机远小于小孔径钻机，而且随着岩石坚固性系数增大，这种趋势越明显。

5 结论

通过对牙轮钻机能耗的初步统计分析，可以得出粗浅的结论。牙轮钻机钻孔的延米耗电量与钻孔深度、岩石坚固性系数成线性关系，与钻孔速率成指数关系。不同的牙轮钻机有其最适宜的钻孔速率。不同孔径的牙轮钻机钻孔延米耗电量不同，小直径孔钻孔延米耗电量明显偏低，但对于爆破单位岩量的钻孔耗电量而言，大孔径炮孔钻孔能耗远小于小孔径钻孔能耗。

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