多截齿协同破岩机理与硬岩钻头的选择

（1）钻头刃具与岩石作用的主要形式

目前，破碎岩石多采用机械方法，按其破碎岩石的机理不同，可有不同分类。机械破碎岩石按照钻具在孔底破碎岩石的机理不同，可分为冲凿、碾压、切削和磨削4类，如图2.2所示。回转式钻机和电钻的翼状钻头在轴推力的作用下压入岩石，同时在回转力矩的作用下，连续切削破碎岩石，并将产生的岩屑排出孔外。回转式钻机和电钻分别适用于软岩和煤层。牙轮钻机和隧道掘进机是以碾压为主破碎岩石的，钻孔时钻头在很高的轴推力下回转运动，对岩石进行碾压。金刚石钻头通过回转以磨削的方式破碎岩石，其眼孔规整，常用于硬岩芯钻。回转冲击钻进破岩是在钻头已经承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同作用于岩石的钻孔方法，如液压凿岩机，适用于坚硬岩石的破碎，常用于岩巷掘进工程中。

图2.2　常见机械破碎岩石方法

（2）钻头的分类和选择

在隧道工程中，常常运用的凿岩机有风动的、液压的以及很少采用的内燃的与电动的凿岩机。它们的工作原理都是利用镶嵌在钻头体前段的凿刃反复冲击和转动而达到破碎岩石的目的，最终形成成形的孔。在不同硬度岩石的钻进过程中，有的可以通过调节冲击能和钻头转速以达到最佳的钻孔效果。影响钻孔的速度除了冲击功、冲击能量、岩石性质、钻眼直径等因素以外，钻头的结构也是一个很重要的因素。凿岩机的钻具由钎头、钎杆与钎尾三部分组成，而钎头起着直接破碎岩石的作用，它的加工工艺好坏、材质优劣、结构与形状是否合理都直接影响到钻眼效率的高低。因此，在冲击凿岩施工时，对钎头的主要要求有：形状与结构合理，具备的机械强度要达到一定标准，耐磨性强，排屑功能强，使用时间长以及成本较低。现阶段所运用的钎头形式主要有一字形、十字形以及球齿形这3种，如图2.3所示。其材料主要是碳铬钼镍钢、硅锰铬钼镍合金钢或低碳钢等。国内主要采用一字形和球齿形，国外主要使用十字形和球齿形，本文选取球齿形钻头为研究对象。(www.xing528.com)

①一字形钎头。一字形钎头是我国最开始运用的，也是运用最广泛的凿岩机具。其参与凿岩的部位是镶嵌在钎头上的硬质合金刀片，通过实际应用知道，由于其结构相对简单，所以，加工比较容易且成本很低，对于韧性较好的整体岩石的钻进比较适宜，因而应用比较广泛。但是，钎头的强度往往不够，在径向上的磨损比较迅速，容易发生卡钎情况，常常发生的损坏现象有：刀体部断裂、刀刃发生崩刃、刀片脱落或破碎以及整体变形等。同时，锥孔深度不够，钎头和钎杆连接不紧密，在凿岩的过程中易出现断裂或者堵塞出水孔；排屑管道不畅，钻进速度不够、磨损迅速，钎头容易发生倒锥；钎头重磨频率高，能够重磨的次数也不多，造成刀片不能合理使用，使生产支出相对提高，在国外早已被淘汰。

②十字形钎头。十字形钎头已成为主要的钎头机具。它的直径范围能够达到32～48mm，十字形钎头刀片呈十字形排布，其耐磨性能较一字形增大了30％～50％，且几何结构很稳定，易于生产加工，刀片固定且质量好，刀刃凿碎数目多，容易操作，能够很好地适应不同的凿岩条件，对于有腐蚀性、韧性与裂隙特点的岩石比较容易钻进。

图2.3　钎头类型

③球齿形钎头。球齿形钎头是为了提高钻眼效率和降低工人劳动强度，而伴随着液压凿岩机向大功率方向发展而成长起来的。球齿形钎头所使用的齿形主要有球状、圆锥状以及锥球状，其中，球齿状的耐磨性能与强度是最好的，锥球状居中，而圆锥状最不好，可是圆锥状的凿岩效率最高，所以，对不同类型的凿岩机要选取合适齿形的球齿钎头。在冲击凿岩过程中，参与凿岩的主要是边齿，球齿钎头发生失效的是边齿破碎。对于硬岩钻进，应选择齿形是球齿的钎头；对于中等硬岩钻进，应选择中齿齿形是圆锥形而边齿齿形是球齿形的钎头；对于中软岩钻进，则应选择齿形是圆锥形的钎头。本文研究冲击频率和回转速度耦合作用下钻头的破岩情况，所以，选择球齿形的液压凿岩机钻头为建模对象，研究钻头连续破岩情况，优化钻机钻削参数，提高凿岩机破岩效率。