滚刀破岩试验装置的研制及应用

第３６卷第１２期煤矿机械Ｖ０１．３６Ｎｏ．１２

２０１５年１２月ＣｏａｌＭｉｎｅ

Ｍａｅｈｉｎｅｒｖ

Ｄｅｃ．２０１５

ｄｏｉ：１０．１３４３６／ｊ．ｍｋｊｘ．２０１５１２０９２滚刀破岩试验装置的研制及应用术

韩博１．２，３，刘志强１２３，荆国业１卫３，谭昊１卫３（１．天地科技建井研究院，北京１０００１３；２．北京中煤矿山工程有限公司，北京１０００１３；３．煤矿深井建设技术国家工程实验室．北京１０００１３）摘要：反井钻机在钻进过程中存在滚刀破岩效率低等问题。且刀具与岩石相互作用关系尚

不明确。为探讨滚压破岩机理和效果的影响因素．自主研制了滚刀破岩模拟试验装置，能够进行不同滚刀类型和滚压参数的线性截割试验。选用单排镶齿滚刀进行了岩石破碎试验，获得正压力与滚动力关系曲线。结果表明：该试验装置可以实现滚刀在直线方向往复运动下的破岩过程模拟，具有较好的实用性和可靠性，为进一步揭示滚刀破岩机理和研究反井钻井工艺、技术、装备提供有效的测试手段。关键词：岩石破碎；反井钻机；正压力；镶齿滚刀；试验装置中图分类号：ＴＤ４２１．３文献标志码：Ｂ文章编号：１００３—０７９４（２０１５）１２—０２１４—０４

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｆｏｒＲｏｃｋ

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２．ＢｅｉｊｉｎｇＣｈｉｎａＣｏａｌＭｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｎａｔｉｏｎａｌ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｉｓｅｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｈａｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｒｏｃｋｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｂｙｒｏｌｌｉｎｇ

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ｇｏｏｄ

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ｄｅｖｉｃｅ

Ｏ前言滚压破岩是冲击压碎和碾碎的复杂过程。为更好地促进其在工程中的应用．需要进行滚压破岩机理以及影响滚压破岩效果主要因素等方面的研究。在破岩机理研究方面通过理论分析、数值模拟、室内试验以及现场应用等方法对滚刀破岩相关内容进行了有益的探索，但主要针对ＴＢＭ设计与施工．而矿业、水电领域中钻井法使用的滚刀有其自身特点．面临的地层多为中硬及坚硬岩层．施工中存在有滚刀破岩效率低、使用寿命短、钻进成本高等问题。为了更全面和深入地探讨滚压破岩机理及效果．研制了煤矿反井钻机滚刀破岩试验装置并进行｝国家高技术研究发展计划（８６３）项目（２０１２ＡＡ０６Ａ４０３）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目（２０１４ＱＮ０１９）了模型试验，分析了正压力与滚动力的关系。１装置的主要功能与技术参数（１）主要功能滚刀破岩模拟试验装置的滚刀安装在与单出杆变截面竖向推力油缸相联的导向装置上．可以进行Ｚ方向的运动，推动滚刀压人岩石．模拟不同的正压力与贯人度：试验箱底部安装有双出杆水平推力油缸，可以进行Ｘ方向和ｌ，方向的运动．使滚刀和岩石产生相对滚动。且速度和间距可调。从而实现滚刀在直线方向往复运动下的破岩过程模拟。该装置能够更换刀具和岩石类型，进行不同组合的滚刀参数试验，采用较大体积岩石可以避免尺寸效应影响。三向力传感器能够记录试验过程中的正压力、滚动力、竖向位移及水平位移．计算机可以绘制一２１４—

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竖直方向的力一位移、位移一时间、力一时间３种曲线，水平方向的位移一速度、位移一力、时间一速度、时间一位移４种曲线．并在屏幕显示实时函数图像．供试验人员查看。试验完成后，测试数据以ＥＸＣＥＬ格式储存于计算机硬盘内．便于管理．并可按有关标准要求进行分析、处理、打印等操作。（２）主要技术参数试验箱空间／ｍｍ１５００×５００ｘ３００试验箱横向调节行程／ｒａｍ１６０水平推力油缸最大行程／ｍｍ１５００水平推力油缸最大推力／ｋＮ２００水平推力油缸最大速度／ｍ．Ｓ－１０．３竖向推力油缸最大行程／ｍｍ４００竖向推力油缸最大推力瓜Ｎ６００２装置的组成及主要特点滚刀破岩试验装置主要由加载系统（主机）、液压系统（泵站）以及控制系统（控制台）３部分组成，如图１所示．图１滚刀破岩试验装置结构图１．控制系统２．液压系统３．试验箱４．竖向推力油缸５．滚刀６．水平推力油缸（１）主机主机由主框架、竖向（ｚ方向）推力油缸、水平Ⅸ方向）推力油缸、试验箱及传感器等部分组成，直接进行滚刀破岩试验。主框架为刚性机架，采用米字形结构，提高抗载荷能力。两立柱采用箱型结构，提高测量精度。单出杆变截面竖向推力油缸联接导向装置．上面安装破岩滚刀。双出杆水平推力油缸，使试验台在推力不变的情况下往复运行，有利于球齿滚刀试验和刀具连续磨损试验的进行。试验箱为可拆卸钢结构方形箱体．岩石试件放置其内。并用混凝土浇筑固定．防止滚压试验时裂纹扩展到自由边界造成试件整体破裂。试验箱可在ｌ，方向进行＋８０ｍｉｌｌ行程调节．便于单刀试验过程中刀刃轨迹截距变换。传感器记录整个过程的推力位移量并由采集卡采集到计算机中进行数据处理，完成整个试验过程。（２）泵站泵站为推力油缸提供动力。具有２套独立的液压源．分别用于推力较小但运行速度较快的水平油缸和推力较大但对速度要求不高的竖向油缸，提高系统的控制精度。采用吸油过滤和双级精密过滤２套系统．确保液压油清洁度和电液伺服阀工作性能。采用水式油冷却器，保证试验装置能够在高温环境中长时间进行高压工作。（３）控制台控制台由电控制柜、电动机启动装置、伺服控制器、工控计算机以及Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换接口等组成。采用计算机电液伺服闭环控制方式．直接控制油缸的运行位置、速度和推力等参数。试验数据由采集单元和计算机进行采集与存储。采用伸缩式位移传感器测量竖向油缸活塞杆位移、高精度拉线式位移传感器测量水平油缸活塞杆位移．３滚刀破岩试验研究（１）岩样采集与加工岩石试样取自北京市房山区的花岗岩．如图２所示。尺寸：长×宽×高＝１４００ｍｍ×４００

ｍｍｘ２００ｍｍ．

体积满足试验要求。

图２岩石试样试验开始前，进行岩石试件物理力学参数测定。采用单轴压缩试验测试抗压强度．劈裂法测试抗拉强度，８００ｋＨｚ纵波探头测试波速，所有试验均应符合规范要求。得到试验用岩石的物理力学参数（见表１）。表１岩石物理力学参数

密度弹性模量泊松比！虹：里！—ＩＧ—Ｐａ一２６４０２５．８Ｏ．２１抗压强度抗拉强度纵波波速』！堡ａ———／Ｍ—Ｐａ一鱼：！：。１３６．２９．３４１６０

（２）试验方案与现象①试验方案试验选用３８５ｍｍ（１５英寸）的单排镶齿盘形滚

刀，正压力选取１０组，分别为１０ｋＮ、１５ｋＮ、２０ｋＮ、

２５ｋＮ、３０ｋＮ、３５ｋＮ、４０ｋＮ、４５ｋＮ、５０ｋＮ和５５ｋＮ。

进行竖直方向油缸加压，使之缓慢升压；启动

水平方向油缸，控制伺服阀．使水平推力油缸匀速向前移动，完成滚压过程。按照设计由小到大的１０级正压力进行破岩试验，并记录在不同正压力下的试验数据。试验过程中，每级正压力做１次滚压运动，如图３所示。每做完一级滚压后，收集该层所产生的岩片及岩粉．并对其进行称重及筛分。一２１５一

万方数据