滾壓破岩

利用滾動刀具在岩面上滾動產生的衝擊壓力和剪下力， 壓碎和碾碎岩石的破岩方法。牙輪鑽機、鑽井機和全斷面掘進機都採用這種破岩方法。所用的刀具是牙輪、盤形滾刀或它們的組合型式。牙輪具有截頂圓錐狀的外形，表面鑲嵌不同形狀的齒。破碎堅硬岩石的牙輪，常鑲嵌球形齒;破碎頁岩或塑性較大的中硬岩石的牙輪， 常鑲嵌楔形齒。礦用穿孔鑽頭主要為三牙輪鑽頭。盤形滾刀呈圓盤狀，周邊呈楔形，一般不鑲齒，用於較大面積的破岩。與切削、衝擊和研磨等破岩方式相比，滾壓破岩效率高，對不同岩性的適應性最強。

基本介紹

• 中文名：滾壓破岩
• 外文名：rock breaking by rolling
• 學科：採礦工程
• 設備：滾動刀具
• 優點：效率高、適用性強
• 原理：滾動碾碎岩石

滾壓破岩機理

牙輪和盤形滾刀都是用軸向壓力壓碎岩面，牙輪鑽鑽桿和盤形滾刀的扭矩，使牙輪和盤形滾刀在岩面上滾動從而碾碎岩面。盤刀滾壓在岩面 上造成連續破碎(圖1a)，牙輪滾壓(圖1b)使岩面造 成不連續破碎，都是基於衝擊壓碎和剪下碾碎的綜合作用。

衝擊壓碎作用

岩石具有各向異性和不均質性， 大多數中硬和堅硬岩石更具有脆性。滾壓時，在岩面上 軟的地方刀具壓入得較深，而在硬的地方壓入得較淺。 因而，滾壓過程伴隨有刀具的上下跳動，不斷地衝擊岩 面。嵌齒的牙輪滾壓時，交替地以一個齒尖或兩個齒尖 接觸岩面，它們的上下跳動和對岩面的衝擊就更大。嵌 齒與岩面一次接觸的時間(衝擊周期)決定於齒數和轉 速，它應大於破碎岩石所需的時間。在相同的條件下， 脆性岩石衝擊破碎所需要的時間比塑性岩石短得多。

剪下碾碎作用

滾壓時，刀具與岩面接觸處的摩 擦力，刀具沿圓周滾動其內側對岩石的擠壓，以及設計 時人為造成刀具對岩面的滑動，使得牙輪和盤刀具有 剪下和碾碎岩石的作用。刀具對岩面的滑動可以產生 類似切削的作用，把衝擊壓碎形成的凹陷破碎掉，因而 擴大岩石的破碎面積，提高破碎效率。牙輪鑽設計中， 用各種辦法人為造成刀具對岩面的滑動，比如使牙輪 軸心與鑽頭不重合(稱為移軸)，使牙輪有兩個錐頂角 (稱為復錐)，使牙輪錐頂超出鑽頭中心(稱為超頂)，或 使牙輪錐頂縮在鑽頭中心以內(稱為退頂)等，可以使 牙輪的運動速度和牙輪與被破碎岩面的接觸速度不一 致，達到產生滑動和剪下作用的目的。滾壓破岩的過程相當複雜，至今仍有許多問題有待研究。

破碎體的成因

滾壓破岩時，刀具對岩面的推力 和侵深、滾動力和侵深都存在躍進式的規律，也存在密 實核和溝槽側面崩裂等現象。滾壓破岩形成的破碎體，由粉碎體、碎斷體和斷裂體三部分組成。它們 各自包含不同破碎塊度的岩石： 粉碎體為0.03～ 2.5mm; 碎斷體為2.5～20mm; 斷裂體大於20mm。

粉碎體是剪下錯動的產物。因岩石的抗剪強度比 抗壓強度低得多，岩石易被剪下破碎。形成粉碎體後， 岩體內的應力分布不再服從赫茲(Hertz)理論。刀具 通過粉碎體向尚未破碎的岩體部分施加作用力。在此 過程中，粉碎體被壓實和積蓄能量，向其周圍的岩體均 勻地傳力，使之產生切向拉應力，逐漸形成徑向裂紋。 粉碎體中的岩粉侵入裂紋，使裂紋擴張，形成碎斷體， 碎斷體的體積膨脹，把靠近自由面的岩體部分劈開，形 成斷裂體。

盤刀參數對破碎量的影響

由實驗得到盤刀參數對岩石破碎量的影響規律如下：

軸向推力必須超過被破碎岩石相應的臨界值，刀具才能侵入岩面。軸向推力越大，刀具侵入越深。

刀刃角必須小於被破碎岩石相應的臨界值，刀具才能侵入岩面。刀刃角越大，刀具侵入越淺。

軸向推力一定時，盤刀直徑越大，破碎量越少，刀刃圓角半徑越大，破碎量越少，且軟岩的破碎量比硬岩的破碎量減少得多。

盤刀相鄰軌跡的徑向間距，稱為刀間距。對於岩石，在一定的軸向推力下，有一個破碎量最多的最佳刀間距。大於或小於這個最佳值的刀間距，都使破碎量減 少。刀間距超過最大臨界值，則各盤刀的滾壓破岩過程互不影響，和單刀的破岩效果一樣。

牙輪鑽主要參數的影響

牙輪鑽穿孔的主要參數為軸壓、扭矩、轉速和排渣風量。軸壓不但影響鑽速， 還影響破岩的機理。當軸壓很小時，岩石是靠摩擦力引 起的表面磨損破碎的，鑽頭磨損嚴重，鑽速低。當軸壓 較大，但牙輪對岩石的接觸壓力仍未達到岩石極限強 度時，牙輪使岩石產生微裂紋並使裂紋增多後，才形成 大顆粒岩屑。軸壓足夠大，接觸壓力達到岩石的極限強 度後，才產生破岩效果的躍進。鑽速與鑽頭轉速呈線性 關係。扭矩的影響比較小，基本不隨轉速變化。排渣風 量對鑽速和鑽頭使用壽命影響很大。增大風量可以有 效排渣，改善破岩條件，降低能耗，提高鑽速。但風速 過高引起的噴砂作用，會加速鑽桿和鑽具的磨損。故鑽 桿與鑽孔壁之間的排渣風速大約在15.3～25.4m/s 為宜。