露天矿潜孔钻机设计说明书文档

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1、已知条件：

⑴南露天煤矿全年生产1780万吨原煤，煤的密度为1.48，硬度f

≥5。

⑵年剥离废岩8400万m2，岩的综合硬度 f =6~8

⑶全年爆破煤的孔径：150mm,岩石孔径：262mm

⑷正常作业天数300天，以三班循环作业。

2、要求：

⑴分别计算两种孔径的台班效率 m/台·班

⑵计算所需钻机的数量（四舍五入）

⑶经过查资料列出两种钻机的技术规格和工作参数（列表）

一、钻具结构的选择

1、钻头

钻头是直接破碎岩石的工具。钻孔过程中，钻头上端受活塞的冲击，下端和岩石撞击，同时承受轴压、扭矩和岩渣的腐蚀作用。因此，对钻头的要求是：表面硬度高、耐磨性好、形状简单、有足够的冲击韧性、能承受很大的载荷。

钻头选取的原则：合理的钻头能够获得较大的钻进速度和合理的成本。

1）坚硬岩石凿岩比功较大。每个柱齿和钻头都承受较大额度载荷。要求钻头体和柱齿具有较高的强度。

2）在可钻性比较好的软岩中钻进时，凿岩速度较快，相对排渣较大，这就要求钻头就有较高的排渣能力，最好选用三翼型或四

翼型。

3）在节理比较发育的破碎中钻进时，为减少偏斜。最好选择导向型较好的中间凹陷型或凸出型钻头。

4）在含粘土的岩石凿岩时，中间排渣孔常常被堵死，最好选用侧排渣钻头。

5）在韧性比较好的岩石中钻孔时，最好选用楔形齿钻头。

2、钻杆的直径及流通截面和选取

1）增大孔径-----穿爆效率高；

2）钻杆直径越大，气流速度越高，排渣效果越好。当然也不能大到岩渣难以经过，一般环形截面的环宽取10~25mm。

3）要求钻杆有足够的强度、刚性和冲击韧性。钻杆一般采用后壁无缝钢管，两端有接头。

二、钻机的工作参数合理的匹配

1.转速

转具转速的合理选择对于减小机器震动、提高钻头使用寿命和加快钻进速度都有很大作用。

工作要求：

1）转速的大小应能保证钻头在两次相邻冲击之间的转角最优。

2)岩石越硬，回转速度应越低；频率越高，转速也越高，因此，硬岩、低频选下限，软岩、高频则取上限。

3)保证钻头每次冲击后进入新的工作面，不至于干磨钻头。

4)合理的钻头工作参数。

钻具的合理转速n(r/min)常见以下经验公式确定：

95

.0~78.06500?

?

?

??=D n

式中 D----钻孔直径，mm 。

根据上述公式可知：KQ —150、KQ —250的转速分别为n1、 n2

1n 8

.01506500?

?

? ??=≈20.4 r/min

2n 8

.02506500?

?

? ??=≈13.6 r/min

2、扭矩

钻具的扭矩是用来克服钻头与孔底的摩擦阻力和剪切阻力、钻具与孔壁的摩擦阻力，以及因炮孔不规则造成的各种阻力。

工作要求：

1）能够使钻头克服孔底的摩擦与剪切阻力，孔壁的阻力防止卡钻。

2）扭矩与孔深。钻具阻力矩与钻孔直径、孔深均成正比。 根据实践得出的钻具转矩M （Nm ）与钻头直径的关系：

5

.82

D k M m =

式中 m k ----转矩系数，0.8~1.2，一般取1。

根据上述公式可知：KQ —150、KQ —250的扭矩分别为M1、M2

5

.81502

1=

M ≈2647Nm 5

.82502

2=

M ≈7353Nm

3、轴压力

潜孔钻机钻孔时，轴压力过大不但使钻机产生剧烈振动，还将加速硬币合金的磨损，甚至引起合金崩角或断裂，使钻头过早损坏；轴压力过小，钻头不能很好的与岩石接触，影响能量的有效传递，甚至是冲击器不能工作。

工作要求：

1）保证钻头始终与新面强行接触，不产生磨损。 2)轴压力是钻具推进力与重量之和

潜孔钻机的合理轴压力PH （N ）可用下列公式确定： f P H )5.3~3(=

式中 f —岩石的坚固性系数。

根据上述公式可知：KQ —150、KQ —250的轴压力分别为P1、P2

431?=H P =12kN 432?=H P =12kN

4、冲击功

若已知钻孔直径，可按计算冲击器所需的冲击功A(J)： A=2.54×102-D 78.1

根据上述公式可知：KQ —150、KQ —250的冲击功分别为A1、A2

A 1=2.54×102-×15078.1≈190J A 2=2.54×102-×25078.1≈ 471J 5、排渣风量

排风量的大小对钻孔速度和钻头寿命影响很大，合理的排风量应保证在钻杆与钻壁间的唤醒空间内有足够大的回风速度，以便及时地将孔底岩渣排除孔外。

合理的排风量按下式计算：

10007.4104)(606

22ρπb d D k Q ??-=

式中 b ----岩渣的最大粒度，mm ； ρ----岩石密度，3/m kg ； k -----漏风系数，取k =1.1~1.5； d--------钻杆外径，mm 。

根据上述公式可知：KQ —150、KQ —250的排渣风量分别为Q1、Q2

10001

.257.410

4)133150(3.114.3606

221????-???=Q ≈0.12min /3m 10001.26.117.410

4)219250(3.114.3606

222????-??=Q ≈0.67min /3

m 三、选型计算

1、钻机效率

潜孔钻机的生产能力，采用计算法选取。潜孔钻机的台班生产能力Vb(m)和钻进速度v(cm/min) 分别按式(1—1)和式(1—2)计算：

Vb=0.6vTb η (1-1) v =

a

D k

En z 24π×k ′ (1-2)

式中 v ——钻机钻进速度 cm/min

Tb——钻机班时间，min

η-----钻机台班利用系数。取0.8

E——冲击功，J

Nz——冲击频率，min1-

k——冲击能利用系数，取0.6～0.8

D——钻孔直径，cm

a——矿岩的凿碎比功，J/cm3

k′——修正系数，取3—7.5

E﹑nz :由钻机性能表能够查得，凿岩比功a可按表1—3选取20×9.8（J/cm）

v

1=5

.8

9

30

15

4

.1

3

.8

1000

820

4

2

?

?

?

?

?

?

?cm/min≈63.16cm/min

v

2=5

.8

9

30

25

4

.1

3

.8

1300

1560

4

2

?

?

?

?

?

?

?cm/min≈56.24cm/min

V

b1

=0.6×0.6316×60×8×0.8≈145.5m/台·班

V

b2

=0.6×0.5624×60×8×0.8≈129.6m/台·班

下表为KQ—150的冲击器HDH360性能参数名称数值

钻孔直径（mm）

总长（mm）

外径（mm）

重量（kg）

耗风量（m3/min）冲击功（J）

冲击频率（次/分）与钻杆连接方式

风压（kg/）

可配钻头152、165

1450

136

126

8.5—25

820

820—1475

内AP13—1/2

7—21

DHD360—19A，DHD360—19B

下表为KQ—250的冲击器CWG200性能参数

总长（mm）

外径（mm）

重量（kg）

耗风量（m3/min）冲击功（J）

冲击频率（次/分）与钻杆连接方式

风压（kg/）

可配钻头1734

180

277

12—31

1560

860—1510

内AP14—1/2

7—21

CWG200—19A，CWG200—19B

2、钻机数量的确定

钻机数量N（台）按下式计算：

N=Q/qp（1－e）

式中 Q —设计的矿山规模，t/a

P —钻机台年穿孔效率，m/a

q —每米炮孔爆破量，t/m，煤取33，岩取35

e —废孔率，%

根据上述公式可知：KQ—150、KQ—250的需求量分别为N1、N2

N

1=

)

05

.0

1(

300

3

5.

145

48

.1

33

10

5.

186

-

?

?

?

?

?

?≈3.0台取3台

N

2

=

)

05

.0

1(

300

3

6.

129

48

.1

35

10

716

-

?

?

?

?

?

?≈12.4台取13台

孔钻机除尘系统研潜究

1 概述

当前在中国露天矿山中, 潜孔钻机占钻孔设备总数的50 % - 60 % 。中、小型露天铁矿、石灰矿、有色金属矿山的钻孔设备绝大多数为潜孔钻机。潜孔钻机露天工程爆破孔钻凿在生产过程中产生大量粉尘, 粉尘如果排入大气会产生严重污染, 严重危害职工身体健康, 给劳动者本人和家庭带来不幸和痛苦; 同时, 也严重地影响着企业的经济效益。粒径小于10μm 的粉尘排入大气后, 很难落至地面, 其中的一部分能够几小时、几天、甚至几年浮游在大气中。这些微细粉尘具有很强的吸附能力, 很多有害气体、液体或某些金属元素都能吸附其上。受污染的空气被人吸入后, 会引起或加重呼吸系统的各种疾病。粉尘如果落到设备的运动部件上, 会加速运动部件的磨损,减少

设备的使用寿命, 也会导致产品成本的增加。为减轻粉尘排放浓度和改进职工操作环境, 研究设计一套简单、紧凑、高效、经济的除尘系统很有必要。

2 潜孔钻机除尘系统工作原理

如图1 所示, 工作时捕尘罩紧罩孔口,孔底岩粉经过排尘风压吹至孔口, 再在除尘风机抽吸共同作用下, 粉尘由捕尘罩进入风管, 经旋风除尘器进行一级粗除尘, 再由脉冲除尘器进行二次精细除尘, 达到除尘、提高作业效率的效果。捕尘罩采用自阻力封孔器, 既保证钻进速度, 又实现了快速封孔、导尘的目的。选用半圆周蜗旋切向进入式旋风除尘器, 提高了净化效率, 减少了阻力损失。采用脉冲除尘器, 脉冲喷吹控制仪控制电磁脉冲阀, 喷吹压缩空气对滤芯循序清灰, 使除尘器的阻力保持在设定范围内, 从而保证除尘器的处理能力和收集效率。在除尘器的阻力过大时可将脉冲除尘器的滤芯拆下用高压水冲洗。

3 潜孔钻机除尘系统主要结构组成部分图1 潜孔钻机除尘系统工作原理图

3 . 1 捕尘罩

捕尘罩使用自阻力封孔器, 其结构如图2 所示, 封孔器由橡胶软罩、吸尘罩、隔尘毡垫、封孔器机体、随钻杆转动体、紧固把手、预紧装置以及导尘口等组成。工作时, 先将封孔器机体套在潜孔钻机的钻杆上, 拧动紧固把手, 使紧固把手压紧顶紧装置, 从而增大封孔器与钻杆的摩擦力, 其紧固程度以封孔器在钻杆上不能自行滑动, 但能够用手推动为止。也就是说, 钻杆在不断推进的同时,借助其与封孔器之间的自然阻力, 确保封孔器橡胶软套始终紧贴岩壁, 粉尘既不会泄漏飞扬, 又不影响钻杆钻进。自阻力封孔器既省去预先封孔程序, 又保证钻进速度, 实现了简易快速封孔、导尘的目的。

3 . 2 旋风除尘器

旋风除尘器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力, 将粉尘从气流中分离出来的一种干式气- 固分离装置。它结构简单、制造容易、造价和运行费用较低, 对于捕集5 -10 μm 以上的较粗颗粒粉尘, 净化效率很高。但对于5- 10μm 以下的较细颗粒粉尘净化效率较低, 因此用于潜孔钻机除尘系统的一级除尘系统。旋风除尘器根据进气口的型式可分为: 螺旋面进口、切向进口型、蜗壳进口型和轴向进口型。而根据有关部门的对比试验资料, 以圆筒体外包的蜗壳型结构最为合理。蜗壳与筒体相切面角度有180°与270°两种,其中气流旋转180°后与筒体外缘相切的蜗壳型最好。这种型式的优点是: 进入的气流径向减薄, 能够减少其对内部气流的干扰、撞击作用, 从而多少

能够避免进入气流与排出管撞击产生粗颗粒粉尘的逃逸, 同时减少阻力20%～30%[2]。

由于现有文献上的压力损失计算式只适用于切向进口, 不具有通用性, 因此提出了一种压力损失计算的修正公式, 即考虑入口阻力系数, 使其能适用于各种入口型式下的压力损失计算, 且压力损失的计算式作为设计旋风分离器筒体直径的计算基础, 修正的压力损失计算式是:

对于给定的Q 和 P , 利用( 8 ) 式能够准确地计算出所设计旋风分离器的直径D1, 然后依据式( 7 ) 能够初步完成旋风分离器的其它机构尺寸的设计计算。旋风分离器初步设计完成后, 为减少大量的工业试验,

降低设计成本, 我们采用设计要求的分级粒径值, 对所设计旋风分离器的性能进行理论校验计算。

3 . 3 脉冲喷吹袋式除尘器

脉冲喷吹清灰袋式除尘器是20 世纪60 年代发展起来并得到广泛应用的除尘设备。主要由排气口、上部箱器、喷射管、文丘里管、控制器、脉动阀、进气口、滤袋、框架、中部箱体、灰斗和排灰阀等组成。其优点是清灰效率高, 能有效地保证较低的阻力和相当高的净化效率。脉冲喷吹清灰的基本原理是: 将压缩空气在极短暂的时间内( 不超过0 . 2s ) 高速喷向滤袋, 同时诱导数倍于喷射气量的空气形成空气波, 使滤袋由袋口至底部产生急剧的膨胀和冲击振动, 在短促的时间内形成滤袋往复地“鼓、瘪、鼓”的波浪形变形, 使粉尘层发生变形、断裂, 以块团状脱离滤布并受重力作用下落. 清灰时, 清灰气流在使滤袋膨胀变形的同时也穿过袋壁和粉尘层[2 ]。

脉冲喷吹控制仪是袋式除尘器喷吹清灰系统的主要控制装置, 它的输出信号控制电磁脉动阀, 喷吹压缩空气对滤袋循序清灰, 使除尘器的阻力设定在规定范围内, 以保证除尘器的处理能力和除尘效率。脉冲控制仪硬件以单片机为核心进行设计, 包括CPU 、I / O 接口、键盘、高亮LED显示器、掉电存储电路、隔离电路、输出驱动和电源等部分, 系统的结构框图如图4所示。系统的软件设计采用模块化的结构。根据系统的控制功能, 采用自顶向下的方法进行设计。整个系统软件结构合理, 便于设计和调试。其系统控制软件流程如图5所示。

4 结束语

除尘系统设计的好坏, 直接影响到除尘效率、环境质量以及技术经济性能。本文经过对潜孔钻机的除尘系统的工作原理和结构特点的分析, 采用蜗壳型旋风除尘器和脉冲喷吹袋式除尘器两级除尘系统, 减轻了粉尘的排放浓度, 使粉尘的排放量达到了国家的标准要求, 改进了工人的工作环境, 提高了作业效率。

心得体会

潜孔钻机除尘系统对于延长钻机使用寿命, 保证作业人员的身体健康至关重要。针对当前潜孔钻机除尘系统存在的弊端, 提出采用旋风和过滤两级除尘系统, 减少粉尘污染, 环保效果好。捕尘罩采用自阻力封孔器, 能快速封孔、导尘。一级除尘采用蜗壳型旋风除尘器, 提高了净化效率, 减少了压力损失, 据压力损失模型和分割粒径, 本文论述了一种蜗壳型旋风除尘器的设计方法。二级除尘采用脉冲喷吹袋式除尘器, 脉冲控制仪采用单片机控制, 控制软件采用模块化结构, 可靠性好,除尘效率高。