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气动锚杆钻机与液压锚杆钻机特性分析及现场应用选择

卓力通过对气动锚杆钻机与液压锚杆钻机的特性分析、理论数据对比、工况分析对比及实践数据对,为煤矿巷道支护锚杆钻机机具现场应用选择提供了依据。
气动锚杆钻机与液压锚杆钻机作为巷道支护的两种主要钻孔机具,锚杆钻机的正确合理选择,关系到巷道支护效率的有效提高,是煤矿巷道掘进速度提高的关键。
    锚杆钻机特性
    1.1 气动锚杆钻机
    使用压缩空气作为动力,重量轻,转速、推进速度随负载变化而变化,易于管理,维护维修方便。但是功率不大,能量转化效率低。以目前最常用的型号MQT-130/3.0看,参数为3kw,耗气量为4m3/min。
    由于使用压缩性很强的空气作为动力,使得气动锚杆钻机的转速转矩特性很软,转速从0-700r/min,转矩从200-0N.m。试验数据如下:
 
压力MPa 0.5
转速r/min 0 100 150 200 240 280 330 380 430 470 520 620 690
转矩N.m 239 211 170 137 122 106 86 60 58 48 38 29 19
  一级缸筒 二级缸筒 三级缸筒
气压 0.5MPa
支腿推力 9.1kN 7.5 kN 5.6 kN
      
    1.2  液压锚杆钻机
    液压锚杆钻机以不可压缩的高压油为动力,体积小,功率大,能量转化效率高。但重量大,维护维修要求高。由于液压油是不可压缩的液体,使得液压锚杆钻机的转速转矩特性较硬。以市场上最常用的型号MYT-120/320为例,试验数据如下:
 
压力MPa 7 11.5 14 15.5 16.5 17 18 19 19.5 20 21
转速r/min 454 441 430 423 417 413 408 399 396 200 0
转矩N.m 0 50 80 100 110 120 130 140 150 160 170
  一级缸筒 二级缸筒
压力 3 MPa 3 MPa
支腿推力 13 kN 7 kN

锚杆钻机钻锚杆孔时的影响因素 
    设备因素:马达输出转矩、转速,支腿推力。
    地质条件:岩石硬度、抱钻特性、钻孔深度。
    目前锚杆孔多用直径为φ27mm的两翼式旋转钻头,常用钻杆为B19mm和B22mm的六方钻杆。以长1.5m的B22mm六方钻杆为例,其能承受的轴向失稳推力不超过15kN。
    锚杆钻机钻孔时,只有达到转矩、转速、推力三者合理匹配时,方能得到最高的钻进效率。一般转速低于200r/min时,钻孔效率明显降低。
工况分析 
    在软岩(一般岩石硬度小于f6)钻进中,钻进阻力不大,推进力也不需要很大。这时气动锚杆钻机发挥了气体弹性大的优势,在提供足够的转矩和支腿推力下,可以实现较高的转速及较快的推进速度,钻孔效率高,并且回落时,支腿中的压缩空气直接排到大气中,可以实现支腿的快速回落(5s)。使整个钻孔过程速度快。液压锚杆钻机则不然,由于使用不可压缩的高压油为动力介质,并且一般为定量系统,只要负载转矩不超过锚杆钻机供油的设定压力,马达就会以一个恒定的转速旋转,支腿也只能以供油量按照恒定的速度推进(11s)和回落(14s)。这时液压锚杆钻机没有任何速度上的优势。
    在硬岩(一般岩石硬度大于f8)钻进中,由于气动锚杆钻机的支腿推力小,钻头的吃刀量会很小,这时钻机的转矩负载会很小,马达会高速旋转,大量消耗压缩空气。这时不但钻进速度慢,而且对钻头的磨损严重,极易消耗钻头(有经验的操作者此时会把供给马达的风量减少,以便更多的风量提供到支腿中,提高支腿内的气压,进而提高支腿推力。否则大量的压缩空气就会通过马达损失掉,致使供风压力降低,导致支腿的推力更不足);液压锚杆钻机则不然,由于液压锚杆钻机的推进力较大,此时,钻头的吃刀量会比气动锚杆钻机好得多,在加上液压锚杆钻机恒定的转速特性,此时钻进速度要比气动锚杆钻机快得多。当然前提条件是钻进阻力没有超过液压锚杆钻机的设定值。
    对于有抱钻倾向的地址条件,一般岩石或煤层会很软,此时不需要多大的推进力,而需要高转速、高转矩的钻机,并且宜使用麻花钻。因为高速旋转的麻花钻可以将向内塌陷的孔壁刮削掉,并快速排屑,避免孔壁向内塌陷抱钻。
    钻孔越深时,由于钻杆直线度低、钻屑不易排出,造成钻杆与孔壁的摩擦力增大,致使转矩负载增大,要求锚杆钻机要有足够的转矩。
    从动力供给分析,一般有现成的压风系统时,宜选用气动锚杆钻机,否则宜选用液压锚杆钻机。当然,也可用移动空压力配气动锚杆钻机,不过由于井下空气质量不好以及空压力散热问题,容易导致空压机故障,维修不便,成本高。
    实践试验数据
    试验过程使用的气动锚杆钻机型号为MQT-130/3.0,试验过程使用的液压锚杆钻机型号为MYT-120/320。
 
  气动锚杆机 液压锚杆机 气动锚杆机 液压锚杆机 气动锚杆机 液压锚杆机
试验地点 煤矿井下现场 煤矿井下现场 煤矿井下现场
岩石硬度 f3-f4 f6-f7 f10-f11
钻头 φ28普通金刚石两翼钻头 φ28加强金刚石两翼钻头 φ28高强金刚石两翼钻头
钻杆类型 19方钻杆
钻孔深度 800mm 8000mm 500mm
钻孔时间 20s 70s 13min 9min45s 12min30s 1min14s
钻孔速度 2400mm/min 686 mm/min 615 mm/min 820 mm/min 40 mm/min 405 mm/min
               

    通过气动锚杆钻机和液压锚杆钻机试验台检测数据与煤矿井下现场试验和工厂试验数据,可以得出同扭矩气动锚杆钻机与液压锚杆钻机在同地质条件下,岩石硬度f≤6时,气动锚杆钻机优势明显,在岩石硬度f3时,气动锚杆钻机钻进速度是液压锚杆钻机的3.5倍,因此选择气动锚杆钻机钻孔较适宜。岩石硬度f≥6时,液压锚杆钻机的效率较气动锚杆钻机开始凸现,在岩石硬度f10时,液压锚杆钻机钻进速度是气动锚杆钻机的10倍,因此选择液压锚杆钻机钻孔较适宜的结论。

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