大中山隧道液压凿岩台车钻具损耗简析

现以大中山隧道三臂液压凿岩台车钻具消耗为例进行简析液压凿岩台车钻具应用与选择。

一、概况

中铁上海工程局集团有限公司承建的大中山隧道, 位于河南省三门峡市卢氏县五里川镇及瓦窑沟乡境内, 是蒙华铁路全线重点控制性工程。目前三臂凿岩台车用于大中山隧道1号斜井小里程方向, 该隧道断面面积88㎡, 区域岩体大部分由Ⅱ级围岩组成, 达1720米, 另包括Ⅲ级围岩340米, Ⅳ级围岩140米。

二、台车使用成本分析

根据对台车两个月的成本消耗情况进行了统计分析。统计出两个月内共计开挖石方25543m3, 消耗设备租费、耗材费、材料费、管理费等各项费用1132154.2元) 经计算, 目前三臂凿岩台车开挖成本为成本为44.32元/m3, 同期人工开挖成本为54.9元/m3, 人工开挖成本相差10元/m3左右

其中配件、钻具、油料等易损易耗件消耗见下表

由表中数据可以看出钻具费有占据整个易损易耗件消耗的的72%以上, 因此钻具选择与使用极大影响了隧道开挖成本。本文从以下几个方面简介一下钻具损耗原因及如何进行钻具选择及在处理, 以降低用户使用成本, 提高施工效率。

三、钻具寿命影响因素

1、钻具故障现象

1) 钻杆

从钻杆断裂部位来看, 大都属于螺纹部位 (与钻头、连接套连接部位) 磨损破裂 (见图1) 。

2) 钻头

钻头失效主要表现为钻齿磨损及脱落 (见图2)

3) 连接套

连接套损坏原因主要是螺纹部位断裂或磨损 (见图3)

2、原因分析及应对措施

①钻具同轴度

钻杆、连接套及钎尾三者之间不同心造成钻具弯曲变形, 产生应力, 引起连接部位松动。

检查钻杆、连接套及钎尾连接后同轴度, 保证钻杆中部最大径向跳动, 钎尾与连接套拧紧后其端部径向跳动均在正常范围内。

(2) 回转速度

回转速度应与钻头直径、凿岩机功率、岩石硬度等因素相匹配。因该台车配备蒙特备HC109凿岩机, 钻头直径45mm, 岩石硬度为122MPa, 根据凿岩机厂家给出回转速度应在160-220r/min, 根据现场实际使用情况进行多次调整试验, 测出最佳转速为180 r/min。此情况下不仅钻具消耗较少, 也提高了打孔速度。

(3) 推进力

在正常钻孔过程中推进力过小, 不仅凿岩速度低, 还会引起连接套松动, 容易引起钻具疲劳损坏。如果推力过高, 钻头转速会降低, 同样造成凿岩效率下降, 易出现卡钻及钻杆弯曲现象。

为减少钻具磨损同时又要保证钻进效率, 根据岩石特性并结合凿岩机使用要求, 在低冲时推进压力调整为6MPa, 高冲时推进压力调整为11 MPa。同时观察钻杆弯曲情况, 若出现钻杆弯曲, 立即调小推进压力, 直至钻杆不再弯曲为止。

(4) 冲击压力

如果冲击压力大小不合理, 将直接影响回转速度与凿岩效率, 还将影响钻具寿命。冲击压力过小, 岩石破碎较浅, 钻头旋转时直接与岩石摩擦, 加快球齿磨损。冲击压力过大, 岩石破碎较深, 易形成空打, 易造成钻具应力集中。

在正常冲击范围内:低冲压力为7 MPa左右, 高冲压力时12MPa左右。

(5) 排渣

如果排渣不畅也会加速钻具磨损, 降低钻具使用寿命, 合理选择钻孔与钻杆之间间隙有利于排渣。

四、钻具选取

合理选择凿岩钻具在提高钻具使用寿命同时, 还有利于提高凿岩机钻孔效率及质量, 对整个设备性能, 隧道作业成本带来重大影响。

1、钻头

根据不同应用工况 (岩石情况, 钻孔要求) 来选择相应的钻头形

式:球齿钻头或尖齿钻头。主要综合考虑钻孔速度要求、钻孔精度及钻头使用寿命, 一般尖齿钻头在硬岩情况下会取得良好效果。

钻头是由金属体与硬质合金组合而成, 其耐磨性及良好的再修磨特性成为首要选择。

2、钻杆

钻杆作为整个钻具中最重要价值量最高的元件, 在钻孔中起到传

递能量作用。根据岩石状况可以选择六方钻杆或圆形钻杆, 方形钻杆相较于圆形钻杆具有更高抗疲劳强度及较高刚度, 能量传递越有效, 就能获得更大能量传递到钻头。因大中山隧道岩石硬度较高, 使用方形钻杆具有更高经济性。

在进行钻杆选型过程中主要考虑以下因素:钎尾连接处螺纹;根据推进梁长度确定钻杆长度;合适的钻杆直径, 使钻杆能自如旋转、合理的孔间隙实现有效的排渣效果。

3、钎尾

钎尾是整个钻具系统中极为重要元件, 主要传递扭矩、推进压力、

冲击压力, 不仅承受冲击能量, 还要承受旋转扭矩。其选择要依据凿岩机型号及规格, 推进梁及钻杆长度, 同时高质量, 高可靠性的钎尾, 避免因钎尾的非正常失效破坏凿岩机内部结构, 降低连接套及钻杆使用寿命。

4、连接套

连接套主要起到连接钎尾及钻杆的作用, 使钻杆与钎尾的端面实

现面对面的有效连接。才能有效传递能量。因该台车选用凿岩机功率接近19KW, 应选择T38连接套。

因地质情况较为复杂, 对钻具材料有着特殊要求:坚固性、高抗疲劳性、高强度及高耐磨型。

五、钻具修复再利用

当钻具磨钝、达到其使用寿命或出现细微开裂时, 一般认定报废不能再使用, 否则不仅降低打孔速度, 还会损坏与其相连接钻具等。根据大中山隧道现场统计, 在两个月时间内共消耗钻头24个, 钻杆41根, 占据台车使用成本70%左右, 为降低损耗, 可对其进行修复再利用。

1、钻头修复

当球齿磨平部分的直径接近或达到其直径1/3, 或出现裂纹时, 就应对球齿进行修磨。这样会使钻头寿命延长1倍左右, 定期并正确修磨钻头不仅提高钻孔速度, 还可延长钻杆、连接套及钎尾使用寿命。同时减少钻杆由于内部应力过高引起故障, 降低凿岩设备中其它零部件内应力。

2、钻杆修复

大中山隧道用三臂台车选用5.2米钻杆, 在使用过程中多出现螺纹损坏或钻头连接处被扭断现象。

对钻杆端部磨损较严重的废钻杆, 将其做成成4.5m左右钻杆, 两端重新车削螺纹, 对螺纹处作热处理, 制作成新钻杆。

对钻杆端部磨损轻微或被扭断的废钻杆, 紧靠原螺纹处进行车削, 进行热处理, 制成长约5米的“新钻杆”, 可直接使用。

采用这种钻杆再利用技术, 大大减少钻杆的消耗, 节约了大量资金。

六、结束语

其根据大中山凿岩台车使用情况看, 钎具的使用寿命不仅与钎具的本身设计制造有关, 还与其科学的选择、合理的使用及再制造有着重要的关系。根据不同地质情况合理选择钻具, 调整台车系统参数才能提升凿岩效率, 提高钻具使用寿命, 降低使用成本。

摘要：目前隧道开挖主要以钻爆法为主, 随着2014年《隧道施工安全九条规定》下发, 各施工单位均提出“机械化换人, 自动化减人”的要求。尤其是近期开工的蒙华铁路、郑万铁路等国家级重点工程已被明确要求机械化施工, 凿岩台车越来越多被应于隧道打孔作业中。台车使用过程中钻具消耗占据大部分使用成本, 根据现场应用情况看, 钻具合理使用不仅影响施工经济效益, 更主要会影响到施工效率。

关键词：隧道,液压凿岩台车,钻具