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摘 要：牙轮钻机是大中型露天铁矿山普遍使用的穿孔设备，穿孔作业为爆破工作提供装放炸药的炮孔，是露天铁矿开采的首道工序。穿孔质量对其后生产工艺如爆破、采装、运输等工作的效率产生直接影响。牙轮钻机作业效率是多种因素综合影响的结果，为了提高穿孔作业效率，并分别确定了钻机效率计算公式，并从减小钻机外障影响时间、提高维修效率方面提出了提高钻机效率的措施。
关键词：露天矿;牙轮钻机;作业效率
由于矿层形成原因及过程，矿层顶板以上岩层多为沉积岩，多数的矿石性质较强且硬度较大。露天开采采用大型采运设备将矿岩从原位将其采出，受到挖掘设备作业能力及挖掘特性影響，硬度多大的岩石影响开采效率并增加挖掘设备的消耗。因此，在矿岩硬度超过挖掘设备作业要求的最大限制硬度，或要提高挖掘机采装设备效率时，需通过采用必要的手段对矿岩进行松碎。而矿岩的松碎程度，对后续采运设备的效率及采运排生产的安全和成本等有着直接的影响。
一、牙轮钻机作业效率
1、牙轮钻机基本原理。牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转力矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续的挤压，切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断的吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。
2、牙轮钻机作业能力理论公式
牙轮钻机的台班作业能力Vb 为：
牙轮钻机速度为：
二、牙轮钻机作业效率影响因素
从公式可以看出，影响牙轮钻机钻进效率有以下因素：
1、轴压p。轴压力是钻头牙齿压人岩石形成破碎坑的原动力，是影响钻进速度的主要因素。一般来说轴压和钻速成正比关系，轴压越大，钻速就越高，但也并不意味着轴压越大越好，这是因为当轴压增大到矿岩的极限抗压强度，矿岩发生破坏，钻头牙齿全部嵌入破碎坑，钻速就不再增高，反而增加了钻头的磨损。因此，对于某一种特定岩石，存在一个最佳的轴压力值P0，经验公式为：
式中：P0 为最佳轴压力;σ 为岩石抗压强度;D为钻孔直径。抗压看出，施加在钻头上的最佳轴压力与岩石抗压强度和钻头直径有关。
2、转速n。根据公式可以看出，当轴压为最佳轴应力时，穿孔速度与钻头的转速成正比关系。然而，穿孔速度与转速的正比关系不是无限的。首先，有效接触时间。钻头牙齿与岩石的接触时间不少于0.02s-0.03s 才能获得对岩石有效的破碎，有效接触时间不够只能产生低效的疲劳破碎，为了保证接触时间，大孔径、硬岩钻孔时应采用较小的转速;其次，共振效益。牙轮钻机有自己的振动频率，当钻头转速与钻机的固有频率相同时，钻机将产生共振，造成机件损坏;再次，设备的使用寿命。钻头转速过快时，牙轮以很大的加速度冲击孔底，势必对合金齿和轴承产生破坏作用，缩短设备使用寿命，特别在有裂隙的硬岩上钻孔时问题更加突出。
3、钻孔直径D。在现有的炮孔直径范围内，直径越大，装药量就越大，孔网尺寸增大了，每米炮孔的爆破量就增加。钻头消耗减少了，钻孔成本则明显下降。近20 年来，一些大型矿山把炮孔直径从250mm、增大到310 mm、380 mm，还试用了445 mm，近期问世的P&H120A 型牙轮钻机的最大钻孔直径可达到559 mm。这一发展趋势也反映了大孔径可以获得较好的经济指标。
4、矿岩硬度f。从公式可以看出，钻机台班效率与矿岩硬度成反比关系，矿岩硬度越大，其钻进效率越低，反之矿岩硬度越小其钻进效率越高，而在矿岩硬度系数较大的情况下，为保证有足够的钻进速度，需选择轴压与钻速较大的钻机。
5、工作时间利用系数η。我国牙轮钻机的时间利用系数是不高的，其平均台时利用系数为0.4-0.5，非作业时间大部分消耗在检修、等待配件和无工作面正常停机上，这就说明钻机的结构、钻具、和工作参数以及组织管理工作还有待完善。除了公式分析出的影响因素，实际上还存在其他因素对牙轮钻机作业效率产生影响：排渣风量和风压。若风量和风压不足，不能及时有效地排除孔底岩渣，将导致岩渣的重复破碎，增加无益的破碎功，同时磨损牙轮;若风量风压过大，整机功率消耗和设备投资加大，同时也会造成钻杆的气蚀，降低了钻杆的寿命。操作人员技术水平。操作人员技术水平对穿孔效果会产生很大的影响，钻机一次钻孔时可能会穿过多种不同岩性的地层，操作人员必须根据各种仪表读数、机械装置的声音甚至在座位上对振动的感觉，分析判断炮孔中排渣情况和钻进情况，及时调节合理钻进参数，以达到最佳穿孔效果。
三、提高钻机生产能力的途径
钻机生产能力及效率由众多内因、外因及环境因素影响，由于特定岩石特性及硬度条件为已定因素，钻机效率主要取决于钻机质量和管理等因素。由以上分析可知，设备实动率和可用率是影响钻机生产能力的关键因素，钻机在一个工作日的总时间由实际作业时间、故障时间、操作延误时间及停机待命时间构成，钻机实动率=1-外障率-内障率，因此需着重从管理、维修及司机操作能力等方面提出提高钻机生产能力和效率考虑。
1、减小钻机外障影响时间。钻机外障率是外障台时占总台时的比重，反映了露天铁矿生产组织管理及调度因素造成的操作延误和停机等待[1]。而在外障期间，对设备自身而言，设备状态完好，但并未投入生产，致使设备效率和生产能力的降低。需要通过加强管理人员技能培训、对现场情况的了解及设备状态的把握、矿山工程地质状况，减小管理疏漏及失误造成的钻机设备完好而非作业时间，减小钻机外障率。
2、提高维修效率降低内障率。钻机在钻进过程中与钻孔周围岩体间的强大扭矩与摩擦，是造成钻头、钻杆磨损和破断的重要因素。钻具、钻架发生故障时，系统处于内障，零部件供给时间、部件质量及维修程度是影响钻机内障率。
结论
1、依据钻机效率计算公式，确定了矿岩硬度、钻机风压及钻具质量是影响钻机效率的重要因素。
2、针对影响钻机效率的因素，从减小钻机外障影响时间、提高维修效率及提高操作人员熟练程度等方面提出了提高钻机效率的措施。
参考文献
[1]戈雄，邵学智，沈九州.牙轮钻机破岩作用机理及受力分析[J].西部探矿工程，2016（2）：72-73.
[2]翟大成.对中小型露天矿潛孔钻机效率影响因素的分析[J].化工矿物与加工，2018（5）：6-8.
[3]张岩华.冲击负荷对牙轮钻机液压马达的危害[J].矿山机械，2017（9）：10.
关键词：露天矿;牙轮钻机;作业效率
由于矿层形成原因及过程，矿层顶板以上岩层多为沉积岩，多数的矿石性质较强且硬度较大。露天开采采用大型采运设备将矿岩从原位将其采出，受到挖掘设备作业能力及挖掘特性影響，硬度多大的岩石影响开采效率并增加挖掘设备的消耗。因此，在矿岩硬度超过挖掘设备作业要求的最大限制硬度，或要提高挖掘机采装设备效率时，需通过采用必要的手段对矿岩进行松碎。而矿岩的松碎程度，对后续采运设备的效率及采运排生产的安全和成本等有着直接的影响。
一、牙轮钻机作业效率
1、牙轮钻机基本原理。牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转力矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续的挤压，切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断的吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。
2、牙轮钻机作业能力理论公式
牙轮钻机的台班作业能力Vb 为：
牙轮钻机速度为：
二、牙轮钻机作业效率影响因素
从公式可以看出，影响牙轮钻机钻进效率有以下因素：
1、轴压p。轴压力是钻头牙齿压人岩石形成破碎坑的原动力，是影响钻进速度的主要因素。一般来说轴压和钻速成正比关系，轴压越大，钻速就越高，但也并不意味着轴压越大越好，这是因为当轴压增大到矿岩的极限抗压强度，矿岩发生破坏，钻头牙齿全部嵌入破碎坑，钻速就不再增高，反而增加了钻头的磨损。因此，对于某一种特定岩石，存在一个最佳的轴压力值P0，经验公式为：
式中：P0 为最佳轴压力;σ 为岩石抗压强度;D为钻孔直径。抗压看出，施加在钻头上的最佳轴压力与岩石抗压强度和钻头直径有关。
2、转速n。根据公式可以看出，当轴压为最佳轴应力时，穿孔速度与钻头的转速成正比关系。然而，穿孔速度与转速的正比关系不是无限的。首先，有效接触时间。钻头牙齿与岩石的接触时间不少于0.02s-0.03s 才能获得对岩石有效的破碎，有效接触时间不够只能产生低效的疲劳破碎，为了保证接触时间，大孔径、硬岩钻孔时应采用较小的转速;其次，共振效益。牙轮钻机有自己的振动频率，当钻头转速与钻机的固有频率相同时，钻机将产生共振，造成机件损坏;再次，设备的使用寿命。钻头转速过快时，牙轮以很大的加速度冲击孔底，势必对合金齿和轴承产生破坏作用，缩短设备使用寿命，特别在有裂隙的硬岩上钻孔时问题更加突出。
3、钻孔直径D。在现有的炮孔直径范围内，直径越大，装药量就越大，孔网尺寸增大了，每米炮孔的爆破量就增加。钻头消耗减少了，钻孔成本则明显下降。近20 年来，一些大型矿山把炮孔直径从250mm、增大到310 mm、380 mm，还试用了445 mm，近期问世的P&H120A 型牙轮钻机的最大钻孔直径可达到559 mm。这一发展趋势也反映了大孔径可以获得较好的经济指标。
4、矿岩硬度f。从公式可以看出，钻机台班效率与矿岩硬度成反比关系，矿岩硬度越大，其钻进效率越低，反之矿岩硬度越小其钻进效率越高，而在矿岩硬度系数较大的情况下，为保证有足够的钻进速度，需选择轴压与钻速较大的钻机。
5、工作时间利用系数η。我国牙轮钻机的时间利用系数是不高的，其平均台时利用系数为0.4-0.5，非作业时间大部分消耗在检修、等待配件和无工作面正常停机上，这就说明钻机的结构、钻具、和工作参数以及组织管理工作还有待完善。除了公式分析出的影响因素，实际上还存在其他因素对牙轮钻机作业效率产生影响：排渣风量和风压。若风量和风压不足，不能及时有效地排除孔底岩渣，将导致岩渣的重复破碎，增加无益的破碎功，同时磨损牙轮;若风量风压过大，整机功率消耗和设备投资加大，同时也会造成钻杆的气蚀，降低了钻杆的寿命。操作人员技术水平。操作人员技术水平对穿孔效果会产生很大的影响，钻机一次钻孔时可能会穿过多种不同岩性的地层，操作人员必须根据各种仪表读数、机械装置的声音甚至在座位上对振动的感觉，分析判断炮孔中排渣情况和钻进情况，及时调节合理钻进参数，以达到最佳穿孔效果。
三、提高钻机生产能力的途径
钻机生产能力及效率由众多内因、外因及环境因素影响，由于特定岩石特性及硬度条件为已定因素，钻机效率主要取决于钻机质量和管理等因素。由以上分析可知，设备实动率和可用率是影响钻机生产能力的关键因素，钻机在一个工作日的总时间由实际作业时间、故障时间、操作延误时间及停机待命时间构成，钻机实动率=1-外障率-内障率，因此需着重从管理、维修及司机操作能力等方面提出提高钻机生产能力和效率考虑。
1、减小钻机外障影响时间。钻机外障率是外障台时占总台时的比重，反映了露天铁矿生产组织管理及调度因素造成的操作延误和停机等待[1]。而在外障期间，对设备自身而言，设备状态完好，但并未投入生产，致使设备效率和生产能力的降低。需要通过加强管理人员技能培训、对现场情况的了解及设备状态的把握、矿山工程地质状况，减小管理疏漏及失误造成的钻机设备完好而非作业时间，减小钻机外障率。
2、提高维修效率降低内障率。钻机在钻进过程中与钻孔周围岩体间的强大扭矩与摩擦，是造成钻头、钻杆磨损和破断的重要因素。钻具、钻架发生故障时，系统处于内障，零部件供给时间、部件质量及维修程度是影响钻机内障率。
结论
1、依据钻机效率计算公式，确定了矿岩硬度、钻机风压及钻具质量是影响钻机效率的重要因素。
2、针对影响钻机效率的因素，从减小钻机外障影响时间、提高维修效率及提高操作人员熟练程度等方面提出了提高钻机效率的措施。
参考文献
[1]戈雄，邵学智，沈九州.牙轮钻机破岩作用机理及受力分析[J].西部探矿工程，2016（2）：72-73.
[2]翟大成.对中小型露天矿潛孔钻机效率影响因素的分析[J].化工矿物与加工，2018（5）：6-8.
[3]张岩华.冲击负荷对牙轮钻机液压马达的危害[J].矿山机械，2017（9）：10.