露天潛孔鉆機鉆孔出渣顆粒分布試驗研究

呂兆川，杜佳明，鄭建明，徐 偉，靳曉波

濟南臨工礦山設備科技有限公司 山東濟南 250100

潛孔鉆機廣泛用于露天采礦工程中，主要完成 爆破孔作業(yè)[1]。潛孔鉆機破巖鉆孔是依靠高壓氣體推動沖擊器產生沖擊力傳遞給鉆頭，沖擊、粉碎巖石，然后由液壓馬達驅動經減速機傳遞到鉆頭上的轉矩撕裂切削碎石[2]。鉆孔產生的巖渣粉塵由沖擊器做功殘余氣體經鉆桿與孔壁環(huán)形通道吹出地面。鉆孔過程中鉆具鏈上同時施加有推進力用來保持鉆頭前沿與巖層始終接觸，保證每次鉆孔動作的高效性。在大孔徑、深孔和硬巖工況中，潛孔鉆機有明顯優(yōu)勢。沖擊穿孔原理復雜，鉆孔過程中產生的渣塵顆粒尺寸和形狀都有較大差異。鉆孔產生的小顆粒粉塵是礦區(qū)空氣污染的主要來源，處理不好不但危害工人身體健康，還可能會造成停工停產[3]。此外，鉆孔過程中渣塵在鉆機集塵系統(tǒng)中高速流動，會對集塵管壁造成沖蝕磨損[4-5]，并且粉塵也會堵塞集塵濾芯。顆粒尺寸是粉塵的重要物理屬性，顆粒群材料的特性很大程度上與顆粒尺寸分布有關。

熊攀等人[6]研究發(fā)現，旋風分離器分離效率受顆粒尺寸影響，分離器只能有效分離大于 5 μm 顆粒，因此，在分級除塵工藝中采用旋風分離器處理粗顆粒。楊柳松等人[7]研究了 5～150 μm 顆粒在旋風分離器中的分離特性，發(fā)現小蝸殼進風結構對粒徑小于 30 μm 的物料有更高的分離效率。黃勇等人[8]通過對潛孔錘鉆進中巖屑顆粒的分布研究，討論了潛孔錘反循環(huán)鉆進過程的碎巖機理。JIANG H X 等人[9]采用分形理論研究了碎巖過程切削加載時間-碎屑顆粒特性，通過碎屑顆粒分布，推測出切削碎巖的非線性過程。張福宏等人[10]采用數值模擬的方法對煤層干式鉆孔粉塵顆粒分布進行研究，得出了粉塵粒徑與擴散、沉降的關系，應用于鉆孔粉塵控制技術與裝置的研發(fā)。從以往顆粒分布研究中取得的成果可以看出，顆粒特性分析對碎巖機理研究和鉆孔設備工程應用指導的重要性。已有潛孔沖擊鉆孔顆粒的研究方向多集中于煤礦開采，而對石料場巖層鉆孔研究較少，不同巖層堅固性指標存在差異，影響鉆機的鑿巖碎石效率，因此有必要對潛孔鉆機巖石層工況進行研究。

顆粒分布研究可以為鉆機設計參數確定、調試效果驗證和施工對環(huán)境影響程度評價提供基礎數據。大顆粒巖屑尺寸可用于集塵系統(tǒng)臨界懸停速度[11]確定，進而指導集塵風機和管徑參數的選擇；顆粒狀巖屑占比可作為鉆孔回轉與推進參數匹配合理性及集塵管受沖蝕磨損程度判斷依據；而粉塵顆粒尺寸、含量的確定可用于集塵濾芯的選擇和粉塵污染防治措施的指導。因此，筆者以 LGMRT-SDC130 露天一體潛孔鉆機為對象，研究了鉆孔時所產生的巖渣粒徑分布特點。

1 試驗工況與方法

1.1 工況

試驗鉆機為濟南臨工礦山設備科技有限公司生產的 SDC130 露天一體鉆機。該鉆機主鉆孔徑為 90～130 mm，空壓機風量為 14 m3/min，最大風壓為 1.7 MPa。測試場地位于濟南市東部某采石場，鉆具選用 4 英寸沖擊器，鉆頭直徑為 115 mm，測試鉆孔深度為 24 m。分析樣本取一段穩(wěn)定鉆孔時間內集塵系統(tǒng)收集到的巖渣。樣本收集后用分樣篩依次篩分出不同粒徑范圍的顆粒，篩分網孔規(guī)格依次是 2、5、10、20、40、50、70、120 和 200 目，共計篩分出 9 個粒徑區(qū)間的顆粒。樣本篩分后對比觀察，稱重分析。

1.2 方法

采用 Rosin-Rammler (RR) 模型研究顆粒尺寸分布已得到廣泛認可。該模型適用于不同類型、不同尺寸的顆粒分布研究，對磨碎、碾磨和壓碎產生的顆粒尤為適用[12]。筆者采用 RR 模型對收集的巖渣樣本數據分析，研究鉆孔作業(yè)中出渣顆粒的特性。RR 分布模型基本表達式為

式中：F(d) 為分布函數；d為顆粒尺寸，mm；m為顆粒尺寸分布指數；l為顆粒中位尺寸，mm，對應F(d)=0.632 時的取值。

對 RR 函數兩端兩次取對數轉換得到變形式

對已存在的顆粒，其中位尺寸是固定常數。若顆粒尺寸分布符合 RR 模型，采用最小二乘法對 lnd和 ln{-ln [1 -F(d)]} 散點線性擬合可以得到一直線，直線斜率即m，直線截距即 -mlnl。

對F(d) 微分運算，得到 RR 模型密度函數表達式

2 結果分析與討論

試驗收集的鉆孔出渣樣本顆粒尺寸、分段粒徑范圍內質量和及總體占比如表 1 所列。

2.1 顆粒篩分結果分析討論

從表 1 可以看出，所研究的工況下鉆孔過程中產生的渣塵最小粒徑在 0.074 mm 以下，并且該范圍內顆粒質量占比較高，約占 15.94%。國際上將粒徑小于 75 μm 的固體懸浮物定義為粉塵[13]。以往研究報道指出，鉆機施工會產生大量粉塵[14-15]，并且有研究發(fā)現，礦山道路揚塵中 0.050～0.060 mm 范圍內顆粒占 60% 以上[16]。這說明潛孔鉆作業(yè)容易引發(fā)礦區(qū)揚塵污染。潛孔鉆機穿孔鉆進效率受多種因素影響，主要包括回轉速度、沖擊力、推進力和巖石硬度。鉆頭碎巖包括沖擊破碎和回轉破碎兩個過程。盡管鉆機經出廠調試時已匹配好回轉與推進參數，但是在具體作業(yè)時，難以避免出現局部破碎和重復破碎的情況，并且在實際工況下，前次破巖產生的碎屑不可能完全排出孔底，部分殘留碎屑會被二次破碎甚至多次破碎，因此鉆孔過程中會產生相對較多的細顆粒粉塵。

表1 鉆孔出渣顆粒粒徑篩分結果Tab.1 Sieving results of particle size of dust from drilling hole

鉆孔過程中產生的最多顆粒尺寸范圍為 2～5 mm，質量約占 19.48%?？傮w分布中，粒徑大于 1 mm 的顆粒質量占 51.71%，并且最大顆粒尺寸接近 12.5 mm，表明鉆孔過程出渣顆?？傮w偏向粗顆粒碎屑。此外，從篩分結果看，出渣顆粒群既有粉塵又含大顆粒碎屑，粒徑分布范圍較廣。顆粒分布特征與沖擊器鉆頭破巖原理相關，沖擊器做功破巖是非常復雜的非線性過程，且有大形變和破碎形式多樣的特點，每次破巖做功對巖石造成的破壞程度不完全一致，因此形成的碎屑顆粒尺寸差別較大。潛孔鉆頭在沖擊力作用下，鉆齒接觸破碎巖石主要包括壓碎和剪崩兩部分。穿孔鉆進時，鉆齒正面巖石承受較大沖擊載荷，形成高應力區(qū)，巖石被壓碎，該過程主要產生小顆粒碎屑和粉塵；同時，鉆齒周圈巖石受到擠壓發(fā)生剪切崩裂，該過程主要產生大顆粒碎屑。鉆進沖擊過程中的回轉動作會帶動鉆齒產生轉矩，在該轉矩作用下，巖石沿鉆桿旋轉方向受剪切而從巖層主體上脫落造成破碎，該過程產生的碎屑顆粒尺寸相對較大。鉆孔過程出渣顆粒分布總體偏向粗顆粒，表明潛孔鉆頭碎巖過程中剪切崩裂起關鍵作用。

分析表 1 發(fā)現，中等尺寸范圍 0.125～1.000 mm 顆?？傆嫾s為 22.56%，相對較少，說明每次沖擊鉆進產生的大顆粒碎屑能有效地排出孔底，沒有過多殘留渣被反復研磨而影響穿孔效率。

2.2 顆粒篩分數據分布函數擬合

運用 RR 函數研究顆粒分布時，分布函數F(d) 的含義是顆粒累計質量占比，即d以下粒徑顆粒所占比例。根據表 1 所列，可以得出篩分樣本的顆粒分布曲線，如圖 1 所示。進一步分析數據繪制 lnd～ln{-ln [1 -F(d)]} 散點圖，線性擬合得到鉆孔出渣顆粒 RR 函數擬合曲線，如圖 2 所示。

圖1 鉆孔出渣顆粒分布Fig.1 Particle size distribution of dust from drilling hole

圖2 鉆孔出渣顆粒分布 RR 函數擬合Fig.2 RR function fitness of particle size distribution of dust from drilling hole

從圖 1 可以看出，鉆孔出渣顆粒群累計質量分數為 0.632 時顆粒尺寸在 2 mm 附近，總體偏向粗顆粒巖屑。根據圖 2 得到擬合線方程

相關系數R2=0.969 9，表明樣本顆粒分布能較好地符合 RR 模型。根據式 (4)，可計算出顆粒分布指數m=0.488 3，中位徑尺寸l=1.85 9 mm。據此得到鉆孔出渣顆粒分布函數表達式

確定顆粒分布函數表達式意義在于通過函數曲線可以直觀評價顆粒群分布寬窄和顆粒尺寸差異。從圖 2 可以看出，當式 (4) 斜率越大，即分布指數m越大時，擬合線越陡，對應橫坐標顆粒直徑分布的范圍相對越窄，此時顆粒群的粒徑尺寸相對集中。相反，則顆粒群粒徑尺寸相對分散。對比文獻 [17] 運用 RR 模型研究的同類型煤粉粒徑分布，分布指數m=1.190 4，研究得出的粒徑范圍在 0～0.9 mm，本試驗中m=0.488 3＜1.190 4，粒徑分布范圍相對更廣，在 0～12.5 mm，驗證了 RR 模型預測粒徑分布的可靠性。由式 (4) 截距計算出的l(顆粒群中位徑)，反映顆粒群粗細程度，l越小表明細顆粒粉塵含量較多，l越大表明粗顆粒碎屑含量較多。根據分布函數預測的中位徑l=1.859 mm，落點在顆粒篩分結果曲線中的 2 mm 附近，證實分布函數對粒徑分布預估的準確性。

2.3 分布函數應用

RR 模型密度函數是分布函數F(d) 的微分方程，F(d) 曲線中任意橫坐標點d0對應的函數值代表尺寸小于d0的顆粒群所占質量分數。而f(d) 任意兩個區(qū)間點對應的豎軸和f(d) 圍成的區(qū)域，代表該尺寸區(qū)間 [d1，d2] 內顆粒質量占比。F(d) 確定后，借助函數計算可以預估某一顆粒群中特定尺寸范圍內顆粒含量，特別是針對篩分條件不能實現區(qū)分的小顆粒群，獲取極端尺寸條件下顆粒群的分布數據更具價值。即

篩分結論中發(fā)現小顆粒粉塵含量較多，對其細分顆粒分析預測，參照國標[18]對呼吸性粉塵的規(guī)定，空氣動力學直徑小于 7.07 μm 為呼吸性粉塵。運用分布函數F(d) 對鉆孔作業(yè)中產生的呼吸性粉塵評估，F(d=0.007 07)=0.063 7，表明鉆孔時產生了約 6.37% 的呼吸性粉塵。露天鉆機設備干式集塵系統(tǒng)末端氣體都經濾芯過濾后排入大氣，因此，顆粒分布的確定也可為集塵濾芯過濾精度的選取提供依據。鉆孔作業(yè)中，渣塵顆粒在集塵管道中高速流動沖刷管壁、粗濾桶和集塵箱，而沖蝕率受顆粒大小影響。有研究發(fā)現，管道運輸中，當傳送顆粒大于 150 μm 時，沖蝕率隨顆粒尺寸增大而增大[19]。根據分布函數F(d) 預測，F(d=0.150)=0.253 6，鉆孔過程中 74.64% 的顆粒尺寸在 0.15 mm 以上，說明鉆孔作業(yè)時集塵系統(tǒng)受沖蝕損耗嚴重，這也是鉆機集塵系統(tǒng)在重要部位都加裝防磨膠墊的原因。

3 結論

(1) 通過實際工況鉆孔試驗，收集了潛孔鉆機巖層工況鉆孔產生的渣塵顆粒樣本，采用篩分法得到了顆粒分布特征和相應質量分數。

(2) 鉆孔過程產生的顆粒最小粒徑在 0.074 mm 以下，并且該部分顆粒占比較大，約為 15.94%，表明潛孔鉆機鉆孔過程中有局部重復破碎現象，鉆孔作業(yè)容易造成礦山揚塵污染。粒徑大于 1 mm 的顆粒質量占51.71%，顆粒尺寸總體偏向粗顆粒，并且顆粒最大尺寸接近 12.5 mm，表明鉆孔產生的渣塵顆粒尺寸分布較廣。顆粒尺寸大小不同、質量分布不均，表明潛孔鉆進破巖機理復雜。

(3) 運用 Rosin-Rammler 分布模型擬合樣本篩分數據，得到了鉆孔出渣顆粒分布函數，根據擬合結果證實了顆粒符合 RR 分布。計算確定了 RR 分布關鍵參數m=0.488 3，中位徑l=1.859 mm。分布指數較小，表明顆粒群粒徑分布跨度較大，顆粒相對分散，函數預測值與實測結果相一致。

(4) 顆粒分布特征的確定，為鉆機工程應用中不同工況下集塵系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率進一步優(yōu)化，以及鉆孔參數最優(yōu)化匹配，提升穿孔效率提供了參考數據。本試驗對某一種鉆孔參數下出渣顆粒分布研究，尚不足以明確不同鉆孔參數 (推進力、回轉速度和風壓等)、孔徑和巖層硬度等對出渣顆粒分布的影響規(guī)律，鉆孔出渣顆粒分布有待繼續(xù)深入研究，本試驗所得結論可提供對比借鑒。