第5章牙轮钻机选型

牙轮钻机设备选型1.已知：表一矿山深孔爆破参数及钻机数量计算表单位东采场西采场备注矿石岩石矿石岩石矿石硬度f=6～12凿岩量万t 588 4165 882 5390 岩石硬度f=5～10年爆破量万3m163.52 1340.95 245.27 1735.35段高m12 12 12 12孔径mm 310mm孔距m 7.5 8 7.5 8排距m 5.5 6 5.5 6孔深m 14 14 14 14 超深2m延米爆破量3m/m35.36 41.14 35.36 41.14延米爆破质量t/m 125.42 127.67 125.42 127.67年穿孔米数万m 4.87 34.31 7.3 44.4 5%废孔率总计万m39.18 51.7年穿孔个数个3477 24506 5216 31713 总计个27983 36929钻机效率万m/ 台年计算台数台合计台数台选取台数台 5 62.要求：（1）按照前面所学知识将表格中的孔填全，并编写计算分析的说明书。

（2）附加一份钻机论文（写出论文的解决问题的核心部分）3.选型原则：（1）牙轮钻机是露天矿技术先进的钻孔设备，适用于各种硬度岩石的钻孔作业，设计大中型矿山设备首选牙轮钻机（2）中硬以上硬度的矿岩选用选用牙轮钻机钻孔优于其他钻孔设备。

（3）在满足矿山年钻孔量的同时，牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其他参数。

（4）根据矿区自然地理条件选择设备及配套部件。

（5）动力条件。

一般选用电动（经济）。

（6）工作可靠，寿命长，价格便宜，零部件供货周期长，应进行综合分析对比。

4.钻机预选：表二炮孔直径岩石硬度中硬坚硬极硬270-310 60-R（Ⅲ）YZ-5560-R（Ⅲ）KY-310YZ-2560-R（Ⅲ）KY-310YZ-25310-380 YZ-5560-R（Ⅲ）Z-5560-R（Ⅲ）YZ-5560-R（Ⅲ）根据以上选型原则以及已知条件可以预选钻机为KY-310型或YZ-55型5.钻机的工作参数：表三名称KY-310 YZ-55 钻孔直径/mm 250～310 310-380钻孔深度/m 17.5 19 钻孔方向/（°）90°90°最大轴压/KN 450 550钻进速度/m·min-1交流～0.98 0~1.2 直流0～4.5 0~2回转转速/m·min-10～100 0~120 回转扭矩/N·m 7210 8330 提升速度//m·min-10～11.87～20 30 行走速度/km·h-10～0.63 0~1.1 爬坡能力/（°）12 25 排渣风量/m3·min-140 37 排渣风压/MPa 0.35 2.74外形尺寸（长×宽×高）/m ×m×m 钻架竖起时13.838×5.695×26.326 14.25×6.11×27.08钻架放倒时26.606×5.695×7.620 27.03×6.11×7.55整机重量/t 123 140 1.轴压力fDP)07.0~06.0(=式中f----岩石坚固性系数；D----钻头直径(1)矿石中钻具的轴压力矿石的坚固性系数f为6～12，此时f取12P=0.07×12×310=260.4kN(2)岩石中钻具的轴压力岩石的坚固性系数为5～10，此时取10=P0.07×10×310=217kN2.钻具转矩M=29.6kD 1.5P式中 k-----岩石特性系数，见岩石特性系数表； P-----轴压力，kN (1)矿石中钻具的转矩M=29.6×10×-510×310× 1.5260.4=3855.8N.m (2)岩石中钻具的转矩M=29.6×10×-510×310× 1.5217=2933.2N.m表四 岩石特性系数表 岩石种类 最软 软 中软 中 硬 最硬 抗压强度 /M a P——17.5 56 210 475 k14×-510 12×-51010×-5108×-5106×-5104×-5103.排渣风量式中 b----岩渣的最大粒度，mm ；取5mm ρ----岩石密度，kg/3mQ= 22660πk (D d )v410-⨯ 式中 k----考虑漏风系数，取k=1.1～1.5,此时取1.3d----钻杆外径，mmQ=22660 3.14 1.5(310290)10.5410⨯⨯⨯-⨯⨯=8.93m /min 根据以上经验公式可以计算出钻出该大小的孔所需的钻机的工作参数表五 牙轮钻机工作参数钻孔扭矩/N ·m -1轴压力/KN排查风量/m ³·min -1矿石 3855.8 260.48.9岩石2933.2270根据计算的出的数据与钻机规格参数对比，可知选钻机KY-300较为合适5.选型计算： 1.钻孔速度v=3.75Pn fD式中 P----轴压力 D----钻孔直径f----岩石坚固性系数 n----钻具钻速2.台班生产能力0.6bb bV vT η=式中b V —— 牙轮钻机台班生产能力，m/(台.班)； v ——牙轮钻机的钻进速度，cm/min; b T ——每班工作时间，h ；ηb ——钻机台班时间利用系数，取0.4～0.5；3.台年综合效率3a b a V V Nη=⨯⨯⨯式中a V ——牙轮钻机的台年钻机效率，万m/台年；a η——牙轮钻机的年工作利用率，一般取，0.8； N ——一年所有的工作日，取360；4.设备数量N=1QQ q (1e)-式中 Q ---设计的矿山年采剥总量，t 1Q ---每台牙轮钻机的年穿孔效率。

牙轮钻头选型原则(1)软地层应选择有移轴、超顶、复锥3种结构的牙轮钻头，齿应是高、宽、稀、齿尖角大的铣齿或镶齿。

随着岩石硬度增大，选择钻头的上述3种结构值应相应减小，齿也应矮、窄、密，齿尖角也要相应减小。

(2)钻研磨性地层，应该选用带保径齿的镶齿钻头。

当发现上一个钻头的外排齿磨圆而中间齿磨损较少时，则下一个钻头应该选用有保径齿的镶齿钻头。

(3)在易斜地层钻进时，应选用不移轴或移轴量小、无保径齿并且齿多而短的钻头；同时，在保证移轴小的前提下，所选钻头适应的地层应比所钻地层稍软一些，这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。

(4)选用镶硬质合金齿钻头时要注意：所钻地层页岩占多数时，用楔形齿钻头；钻石灰岩地层时，使用抛物体形或双锥形齿钻头；当用高密度钻井液钻井时，使用楔形齿钻头；当所选地层中页岩成分增加或钻井液密度增大时，用偏移值大的钻头；钻石灰岩或砂岩地层，选用偏移值小的钻头；钻硬的研磨性石灰岩、燧石、石英石时，用无移轴的球齿轱斗。

(5)在软硬交错地层钻进时，一般应按其中较硬的岩石选择钻头类型，这样既在软地层中有较高的机械钻速，也能顺利地钻穿硬地层。

在钻进过程中钻井参数要及时调整，在软地层钻进时，可适当降低钻压并提高转速；在硬地层钻进时可适当提高钻压并降低转速。

(6)浅井段岩石一般较软，同时起下钻所需时间较短，应选用能获得较高机械钻速的钻头；深井段地层一般较硬，起下钻时间较长，应选用有较高总进尺的钻头。

(7)在小井眼(井眼直径小于177mm)钻井中常选用单牙轮钻头，单牙轮钻头比同尺寸三牙轮钻头的牙轮、牙齿、轴径、轴承大，强度高，破岩效率高。

(8)按钻头产品目录选择钻头类型。

钻头生产厂家通过大量的试验，对各型钻头的适用地层情况进行了界定，形成了钻头产品目录。

根据钻头产品目录，结合所钻地层性质选择钻头类型，基本能够做到对号入座，匹配合理。

表卜10为国产三牙轮钻头产品目录。

(9)由于即使是同一种岩性，其机械性能差别也很大，所以仅根据岩性按钻头产品目录来确定钻头类型是不够全面的，还应收集邻近井相同地层钻过的钻头资料及上一个钻头的磨损分析，结合本井的具体情况来选择。

1．已知条件1、某煤矿东采场矿石硬度6～12，凿岩量588万t，体积163.52万m3；岩石凿岩量4165万t，体积1340.95万m3；某煤矿西采场矿石硬度5～10，凿岩量882万t，体积245.27万m3；岩石凿岩量5390万t，体积1735.35万m3；2、作业时间一年360天，三八工作制；2．要求1.确定钻机的型号；2计算各采场所需要设备数量及总数量；3.绘制表格矿山深孔爆破参数和钻机总数表格；3．参考文献1、李晓豁.露天采矿学机械[M]. 北京：冶金工业出版社，2010.92、吴顺川.露天采矿学[M]. 长沙：中南大学出版社，2010.113、孟爱国老师经典《课堂笔记》4．设备选型计算4.1确定型号（一）、设计和生产中矿山采剥量和矿山规模与钻孔直径有如表4—1关系：采剥总量与钻孔直径关系表4—1 采剥总量/万t.400～500600～10001500～20003000～4000钻孔直径/mm 200～250250～310310～380380～450经上述查表则确定该煤矿钻孔直径选250～310mm；（二）、牙轮钻机选择与爆破总量、岩石性质、装运设备等因素相关，见表4—2：牙轮钻机选择表4—2岩石硬度炮孔直径/mm中硬坚硬极硬250 KY—250 KY—250 YZ—35YZ—35 45—R YZ—35 45—R310 YZ—5560—R（Ⅲ）KY—31060—R（Ⅲ）YZ—5560—R（Ⅲ）经上述（一）和（二）查证所得，此煤矿东西采场钻孔机械选择KY—250和KY—310牙轮钻机。

4.2牙轮钻机的生产能力衡量牙轮钻机的生产能力的主要指标，是牙轮钻机的台班生产能力与台年综合市场效率。

4.2.1 主要参数计算（一）、钻机转速的确定目前，国内外牙轮钻机的钻具转速为0～150r/min,低转速用于接卸钻杆，大孔径和硬岩的钻孔，高转速则用于小孔径和软岩钻孔。

则:选KY—250牙轮钻机转速90r/min，选KY—310牙轮钻机转速80r/min （二）、轴压力的确定合理的轴压力可根据下式计算：则KY-250P=0.07⨯10⨯250=175kNK Y-31P=0.07⨯8⨯310=173.6kN式中P——轴压力，kN；f——岩石的坚固性系数；D——钻头的直径，mm；；（三）、钻机钻进速度的确定牙轮钻机的钻进速度可按公式估算：则KY—250牙轮钻机的钻进速度为KY—310牙轮钻机的钻进速度为式中 P ——轴压，kN ； n ——钻具的转速，r/min ； D ——钻头的直径，mm ；f ——矿岩的硬度系数； 4.2.2 确定牙轮的生产能力衡量牙轮钻机的生产能力的指标是牙轮钻机的台班生产能力与台年综合生产率。

牙轮钻头类型的选择钻头类型的选型对钻井速度影响很大，往往由于钻头选型不当，使得钻井速度慢成本高。

正确的选择钻头，一方面要对现有钻头的工作原理与结构特点清楚的了解，另一方面还应对所钻进的地层岩石物理机械能有充分的认识，地层岩石物理机械性能主要是指岩石的硬度，塑脆性，研磨性，可钻性以及埋藏深度，上覆岩层压力，孔隙压力与渗透性等岩层性质的了解，由于即使同一种岩性，其物理机械性能差别也很大，所以仅根据岩性按钻头产品目录来确定钻头类型是不够全面的，还应收集邻近井相同地层钻过的钻头资料及上一个钻头的磨损分析，结合本井的具体情况来选择。

1.研磨性地层的选型：研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速降低很快，钻头进尺少，特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻头直径磨小轴承外露，加速钻头的损坏，这时最好选用镶齿钻头。

2.浅井段与深井段钻头的类型的选择：为了达到最好的经济效果，在浅井段应选用机械钻速较高类型的钻头，深井段应该考虑使用寿命长的钻头。

如上部的松软地层可选用喷射式的P1或P2型钻头，深部的软地层可选用简易滑动喷射式H P2型钻头，这样可达到降低每米成本的目的，特别是在海洋钻井与钻机成本较高的井队，经济效果更为明显。

3.深部软地层的选型：根据生产实践知道,约在3000米以下井深遇到泥岩，页岩等软地层岩石时，往往选用硬地层钻头时，钻头机械钻速很低，如使用软地层钻头钻进时，又易造成过多断齿的现象，人们形象地称这种地层为”橡皮地层”，这是由于软岩石在深部处于各向高压状态时，岩石物理机械能就要改变，岩石的硬度增大，塑性也增大。

因而使用主要靠冲击破碎岩石的硬地层钻头类型时，破碎岩石效果差，机械钻速慢，而用软地层钻头加大刮挤作用来破碎岩石时，易断齿，钻头使用寿命短，所以这时最好方法是用低固相优质轻泥浆，选择中硬地层钻头类型，往往效果较好。

4.易井斜地层的选型：地层倾角较大是造成井斜的客观因素，而下部钻柱的弯曲与钻头类型选择不当，是造成井斜的技术因素。

露天矿牙轮钻机选型1、已知条件：见附表2、选型原则：2.1 牙轮钻机是露天矿技术先进的钻孔设备，使用于各种硬度矿岩的钻孔作业，设计大中型矿山设备首选牙轮钻机。

2.2中硬以上硬度的矿岩选用牙轮钻机钻孔优于其他钻孔设备。

2.3在满足矿山年钻孔量的同时，牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其他参数。

2.4根据矿区自然地理条件选择设备及配套部件。

2.5动力条件。

一般选用电动（经济）。

2.6工作可靠，寿命长，价格便宜，零部件供货周期长，应综合分析对比。

3、设备匹配3.1 钻具钻速：n=60dλt Z D式中d----牙轮大端直径3.2 轴压力P=（0.06～0.07）fD式中 f----岩石坚固性系数；D-----钻头直径3.2.1 矿石中钻具的轴压力矿石的坚固性系数f为6～12，此时f取12 P=0.07×12×310=260.4kN3.2.2岩石中钻具的轴压力岩石的坚固性系数为5～10，此时取10P=0.07×10×310=217kN3.3钻具转矩M=29.6kD1.5P式中 k-----岩石特性系数，见岩石特性系数表； P-----轴压力，kN3.3.1矿石中钻具的转矩M=29.6×10×-510×310×1.5260.4=3855.8N.m3.3.2岩石中钻具的转矩M=29.6×10×-510×310×1.5217=2933.2N.m3.4排渣风量式中 b----岩渣的最大粒度，mm ；取5mmρ----岩石密度，kg/3mQ= 22660πk (D d )v410-⨯ 式中 k----考虑漏风系数，取k=1.1～1.5,此时取1.3d----钻杆外径，mmQ=226603.141.5(310290)10.5410⨯⨯⨯-⨯⨯=8.93m /min 岩石特性系数表岩石种类 最软 软 中软 中 硬 最硬 抗压强度 /M a P ——17.5 56 210 475 k 14×-510 12×-51010×-5108×-5106×-5104×-5104 钻机的选择根据以上计算选择的钻机技术参数如下所示：KY-310A 牙轮钻机主要技术参数性能 孔径 /mm 钻孔深度 /m 钻孔方向(°)最大 轴压kN 钻进 速度 /m.1m i n - 回转 钻速 /r.1m i n - 回转 扭矩 /N.m 排渣 风量 3m .min 行走速度km/h基本参数 310 18 90 490 0～4.5 0～1007477400～ 0.635 钻机台数确定 钻孔速度 v=3.75P n f D式中 P----轴压力 D----钻孔直径f----岩石坚固性系数 n----钻具钻速 钻孔效率b v =0.6v b T η式中 b v ----台班生产能力 b T -----钻机班时间η-----钻机班台世间利用率，取0.8 N=1QQq (1e )-式中 Q ---设计的矿山年采剥总量，t 1Q ---每台牙轮钻机的年穿孔效率。

露天矿牙轮钻机选型设计说明书设计课题：露天矿牙轮钻机选型设计专业班级：2010级采矿工程一班学生姓名：贾磊2010171121指导教师：孟爱国学生成绩：露天矿牙轮钻机选型已知条件：见表格要求：（1）计算所需设备的数量。

（2）完成表格填空。

（3）列出两种设备的技术规格和工作参数。

参考文献：（1）、李晓豁.露天采矿学机械[M]. 北京：冶金工业出版社，2010.9（2）、吴顺川.露天采矿学[M]. 长沙：中南大学出版社，2010.11（3）、孟爱国老师经典《课堂笔记》1、牙轮钻机1.1 概述牙轮钻机是一种近代钻孔设备，多用于大型露天矿山。

半个世纪以来，露天穿孔设备经历了“磕头钻”、喷火钻、冲击（潜孔）钻的发展，最终牙轮钻机以钻孔孔径大、穿孔效率高、成本低，安全可靠和使用范围广等优点成为大、中型露天矿目前普遍使用的穿孔设备。

随着露天矿山大型化和数字化，国外牙轮钻机也在向大型化和自动化、智能化发展，穿孔直径由早期的270mm、311mm逐步向更大孔径发展。

如美国BI公司49RⅢ型孔径达406mm，59R孔径达到444mm，P&H 公司100XP和120A分别达到349mm和559mm，以适应特大型重型金属矿山的穿孔作业,但大型露天矿使用最多的炮孔直径仍为310～380mm。

1.2基本原理牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。

牙轮在孔底滚动中连续地挤压、切削冲击破碎岩石，有一定压力和流量流速的压缩空气经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。

1.3牙轮钻机的主要结构特征1.3.1钻具牙轮钻机钻具主要有牙轮钻头、钻杆、稳杆器和回转稳定器。

1）牙轮钻头(1)构造：三牙轮钻头由切削元件（牙轮），轴承和钻头体（牙爪）三个主要部分组成。

牙轮安装在轴承上，绕着轴承芯轴转动，轴承芯轴则与钻头体连成一体，当钻头转动时，具有一定轴芯偏移和轴芯倾角的牙轮将产生挤压，铲凿和刮削作用，在地层中产生最佳的钻进效果。

牙轮钻机设备选型1.已知条件：见附表2.选型原则：①牙轮钻机是露天矿技术先进的钻孔设备，适用于各种硬度岩石的钻孔作业，设计大中型矿山设备首选牙轮钻机。

②中硬以上硬度的矿岩选用选用牙轮钻机钻孔优于其他钻孔设备。

③在满足矿山年钻孔量的同时，牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其他参数。

④根据矿区自然地理条件选择设备及配套部件。

⑤动力条件。

一般选用电动（经济）。

⑥工作可靠，寿命长，价格便宜，零部件供货周期长，应进行综合分析对比。

3.设备匹配：3.1轴压力P=（0.06～0.07）fD式中：P——轴压力，kN；f——岩石的坚固性系数；D——钻头的直径，mm；；3.2钻孔速度3.75Pn fDν=⨯式中： v——牙轮钻机钻进速度，cm/minn—钻具的转速，r/min；3.3钻机效率0.6bbbVvT η=式中： V b —— 牙轮钻机台班生产能力，m/(台.班)； v ——牙轮钻机的钻进速度，cm/min; T b ——每班工作时间，h ；ηb ——钻机台班时间利用系数，取0.83.4钻机数量的确定1Q N Q .q(1-e)=式中： Q ——设计的矿山年采剥总量，t ；Q 1———每台牙轮钻机的年穿孔效率，m/a ； q ——每米炮孔的爆破量，t/m ； e ——费孔率，一般取5%；4.计算过程：4.1对于矿石： 4.1.1轴压力当系数取0.07时有P=0.07×10×310=217KN 4.1.2钻孔速度当n=95r/min 时有V=3.75×217×95/（10×310）=24.94cm/min 4.1.3钻机效率Vb=0.6×（24.93 /100）×8×60×0.8=57.44m 4.1.4钻机数量的确定Q 1=57.44×3×300=51695m/a 东采场：N=)05.01(42.125516955880000-⨯⨯=0.95台取N=1台 西采场：N=)05.01(42.125516950000882-⨯⨯=1.43台取N=2台4.2对于岩石：4.2.1轴压力当系数取0.07时有P=0.07×12×310=260.4KN 4.2.2钻孔速度当n=80r/min 时有V=3.75×260.4×80/（10×310）=25.2cm/min 4.2.3钻机效率Vb=0.6×（25.2 /100）×8×60×0.8=58.06m 4.2.4钻机数量的确定Q 1=58.06×3×300=52254m/a 东采场：N=)05.01(68.1275225441650000-⨯⨯=6.57台西采场： N=)05.01(68.1275225453900000-⨯⨯=8.5台4.3综上所计算：4.3.1本次设计所选用的牙轮钻机为KY-310型号 4.3.2东采区共配有0.95+6.57=7.52台，取8台 4.3.3西采区共配有1.43+8.5=9.93台，取10台5、 KY-310型牙轮钻机型号表KY -310型牙轮钻机技术特征名称特征参数 适应岩石硬度（f ） 5~20 钻孔直径/m 250~310 钻孔深度/m17.5钻孔方向/（°） 90（垂直） 最大轴压/kN 交流 500 直流310 钻进速度/m ·min -1 交流0~0.98 直流 0~0.45 回转速度/ m ·min -1 0~100 回转扭矩/N ·m 7210提升速度/ m ·min -10~11.87~20 行走方式 液压驱动履带 行走速度/km ·h -1 0~0.63 爬坡能力/（°） 12 接地比压/MPa 0.05除尘方式 干湿任选 空压机类型螺杆式排渣风量/m3·min-140 排渣风压0.35 装机功率/kW 450外形尺寸（长*宽*高）/m*m*m 钻架竖起时13838*5.695*26.326 钻架放到时26.606*5.695*7.620整机重量/t 1236、产品描述：KY-310型钻机由钻架和机架、回转供风机构、加压提升机构、接卸及存入钻杆机构、行走机构、除尘装置以及压气系统和液压系统等组成，该机全部采用电动，由高压电缆向机内输电。