高地应力硬岩多截齿协同破岩机理研究

（1）钻孔机性能参数分析

本文以液压凿岩钻机钻头为研究对象，分析冲击－回转耦合作用下钻头连续破岩的情况，对不同工况下钻机最优的冲击频率和回转速度的匹配参数进行优化研究，在此有必要对液压凿岩机的性能参数进行简单的介绍和分析。

液压凿岩机是凿岩台车完成钻孔作业的核心部分，其性能的优劣直接影响到凿岩台车的钻孔效率和质量，进而影响到施工质量。凿岩台车液压凿岩机的钻孔作业是冲击、回转、推进以及冲洗炮眼这4个过程对岩石共同作用而产生的结果，与其相关的主要工作参数有4个，即冲击压力、回转速度、推进力和冲击频率，其中，对凿岩台车钻孔作业效率影响最大的是液压凿岩机的冲击性能与回转性能，如何使这些工作参数能够达到最佳匹配对破岩工作是十分重要的，因此，对于液压凿岩机的工作性能参数的分析是非常有必要的。

（2）破岩效率的影响因素分析

冲击－回转式钻孔，其原理是：凿岩机的活塞冲击钎尾，将动能以应力波的形式通过钎杆传递给钎头，钎头冲凿岩石，将岩石冲击破碎，同时在两次冲击过程之间，钎杆在回转速度的作用下，钎头回转一定角度，对岩石造成切削破坏，最终在冲击－回转共同作用下实现对岩石的快速破碎。岩石的破碎效率主要和单位面积岩石受到的应力有关，而且和钻头的回转速度也有较大关系。

当单位面积岩石受到的应力比岩石的硬度小时，不能导致岩石发生裂纹，钻头仅能够在岩石表面磨削；当单位面积岩石受到的应力和岩石硬度值相当时，可以使岩石产生一系列的裂纹，经过钻头不断的压入和回转作用，可以有效提高岩石的破碎效率；当单位面积岩石受到的应力远大于岩石的硬度时，在钻头旋转冲击的过程中，钻头可以冲击压入岩石，使岩石发生大的体积破碎，这种情况下，产生的冲击破岩体积最大，岩石的破碎效率也相对较高。对钻头施加高频的冲击振动，在钻头轴推力的作用下，辅助钻头的冲击破岩作用，可以有效提高岩石的破碎效率；增加钻头的冲击频率，相当于增加了钻头的冲击作用，钻头的冲击载荷将会大大增大钻头的冲击力，冲击频率的增大，导致岩石发生变形量增大，在交变冲击载荷作用下，岩石会产生大量的裂纹，随着裂纹的不断产生，岩石的强度迅速下降，随着钻头的继续旋转冲击，导致岩石发生大的体积破碎，从而有效地提高岩石的破碎效率。

在地层较软的情况下，钻头的冲击－回转作用不太明显，但是在中硬以上的地层，这种作用效果就非常明显，通过钻头的回转冲击，可以有效地提高岩石的破碎效率。所以，合理地设置钻头回转、冲击参数，能够最大限度地提高钻头的破岩效果。通常情况下，人们通过破岩比能和破岩速度来衡量破岩效果的好坏。

（3）冲击性能(www.xing528.com)

液压凿岩机的冲击性能是由冲击活塞在高压液压油的流量变化过程中产生的，其性能参数主要由E（冲击能）、f（冲击频率）、p（冲击功率）这3个参数来表现，它们的关系可通过式（2.5）来表示。

其中，p为液压凿岩机的冲击功率，kW；E为液压凿岩机的冲击能，J；f为液压凿岩机的冲击频率，Hz。从式（2.5）中能够得知，液压凿岩机的冲击功率与冲击频率、冲击能有关，而岩石的破碎速度随着冲击功率的增大而增加，在一定范围内，冲击功率随着冲击工作压力的提高而增大，但是，在同样的工况下，由于频率挡次的不同也会产生不一样的效果。通过实际工程应用知道，在岩石的破碎速度基本无差别的情况下，冲击功率的大小会随着液压凿岩机参数匹配的不同而改变，这表明在液压凿岩机冲击凿岩时，对于不同特性的岩石有最佳功率消耗。

液压凿岩机所具有的冲击能指的是冲击活塞每撞击钎尾一次所获得的能量，其大小可根据式（2.6）计算：

其中，E为液压凿岩机的冲击能，J；m为液压凿岩机冲击活塞的质量，kg；v为液压凿岩机活塞的冲击末速度，m/s。对于某一特性岩石性质，冲击能越大，则钻头破岩的速度就越快。冲击能与活塞的冲击速度关系十分紧密，通常情况下，活塞的冲击速度一定要大于岩石破碎的极限速度，即4.5m/s。

（4）回转性能

液压凿岩机的回转机构对其凿岩性能具有重要的影响，高扭矩值能够有效地克服钎杆旋转的阻力而使受冲击岩石发生扭切作用，最终达到破岩的效果。针对不同特性的岩石，液压凿岩机具有不一样的最优钎杆转速，其回转性能与回转扭矩和钎杆转速等参数有关。

其中，η为回归性能参数；M为液压凿岩机的回转扭矩，N·m；n为液压凿岩机的钎杆转速，r/min；Pr为回转机构的工作压力差，MPa；Q为回转机构的工作流量，L/min。