李池佳，甘海仁，呂 闖

（長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

0 引言

海洋富含各種礦產(chǎn)資源， 鈷結(jié)殼賦存在水深500-4000m 的海山、島嶼斜坡上，富含鈷、鉑、鎳、錳、銅、鐵、磷、鈦、鋅、鉛等金屬，鈷的平均含量最高，品位高達0.8%-1.2%，最高可達到2%，是多金屬結(jié)核中鈷含量的4 倍， 比陸地原生礦高幾十倍，鉑平均含量高于陸地相應(yīng)礦床的80 倍[1-2]。 這些礦石存在于深海這一極其復(fù)雜的環(huán)境之中，若要開采，則海底破碎作業(yè)設(shè)備的動力要通過幾千米電纜傳輸，其傳遞功率受到嚴格的限制，故海底破碎設(shè)備應(yīng)具有最高的效率和最節(jié)約的功率。根據(jù)以前的對巖石破碎方式的理論研究和試驗證明：旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進的破碎方式相對于單獨的沖擊、旋轉(zhuǎn)鉆進破碎具有高效性，且能減少切削刀具所受的作用力和提高切削刀具壽命[3]，而對于鈷結(jié)殼基巖鉆進破碎方式， 目前國內(nèi)外研究比較少。本文用旋轉(zhuǎn)、 沖擊、 旋轉(zhuǎn)-沖擊三種鉆進破碎方法， 對鈷結(jié)殼基巖模擬料進行探索性的鉆進試驗，得出了鈷結(jié)殼基巖在給定試驗條件下的鑿巖速度v 和破碎比功， 并對旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進中旋轉(zhuǎn)和沖擊功率匹配進行了初步分析，為鈷結(jié)殼基巖鉆進方式選擇和設(shè)備設(shè)計提供依據(jù)。

1 巖石鉆進破巖原理

巖石鉆進是一種機械破巖方式，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、石油、礦山和各種土石方工程，形成巖孔，進行勘探、采油和后續(xù)爆破作業(yè)[4]。其工作原理均是通過鉆頭對巖石進行軸向和切向侵入（加載），使巖石產(chǎn)生裂紋、擴展和破碎，并伴隨著推進和旋轉(zhuǎn)，形成鉆孔[5]。 巖石鉆進一般有三種鉆進方式：

（1）旋轉(zhuǎn)鉆進：用鉆頭切削破碎巖石。適用于軟巖，如錨桿鉆機。

（2）沖擊鉆進：主要由鉆頭沖擊破碎巖石，鉆頭轉(zhuǎn)動只起變位作用，如小型鑿巖機。

（3）旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進：主要是指在沖擊鉆進的基礎(chǔ)上， 給鉆具施加較大的軸壓力和旋轉(zhuǎn)扭矩，在沖擊和旋轉(zhuǎn)剪切的共同作用下， 破碎巖石，鉆進成孔。鉆頭對巖石同時作用切向的旋轉(zhuǎn)切削力和軸向的沖擊力這兩種載荷，和單一的旋轉(zhuǎn)鉆進相比，它具有適應(yīng)硬巖鉆進特色；同時，其鉆進效率又遠高于一般的沖擊鉆進[6-7]。

2 試驗裝置和方法

為研究鈷結(jié)殼基巖鉆進破碎特性，研制了專用旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆孔破碎器， 建立了鈷結(jié)殼基巖鉆進模擬試驗系統(tǒng)。

2.1 旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆孔破碎器

圖1 旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆孔破碎器

旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆孔破碎器見圖1， 主要由沖擊部分和旋轉(zhuǎn)部分構(gòu)成，由液壓油驅(qū)動。 在沖擊機構(gòu)中，由液壓油驅(qū)動沖擊活塞1 往復(fù)運動，對釬尾實施沖擊；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由液壓馬達3 通過齒輪副減速，帶動釬桿旋轉(zhuǎn)。

2.2 鈷結(jié)殼基巖鉆進試驗系統(tǒng)

海底巖石破碎試驗系統(tǒng)由立式臺架、旋轉(zhuǎn)沖擊破碎器，推進機構(gòu)、測試儀表和試驗箱體幾大部分組成，在試驗箱體中旋轉(zhuǎn)巖石試樣并充注海水，以模擬海底鈷結(jié)殼的環(huán)境條件，如圖2 所示。

旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆孔破碎器12 固結(jié)于推進導(dǎo)軌15 上，巖石試樣2 固定于臺架3 下部，由推進缸13 實施推進，對巖石進行鉆孔；在旋轉(zhuǎn)、沖擊和推進回路上分別設(shè)置壓力傳感器10， 檢測三個回路工作時的實時壓力，在釬桿側(cè)邊安置有轉(zhuǎn)速傳感器16 檢測釬桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速， 四個傳感器的信號經(jīng)放大器7 濾波、放大，接入存儲示波器6 和計算機5 顯示記錄。

2.3 巖石試件物理性能參數(shù)

本試驗用的巖石是鈷結(jié)殼基巖的模擬巖料。根據(jù)來自我國富鈷結(jié)殼調(diào)查區(qū)內(nèi)的拖網(wǎng)樣品力學(xué)性能的測量數(shù)據(jù)，由長沙礦冶研究院制作鈷結(jié)殼基巖的模擬巖料。模擬巖料物理力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。其單軸抗壓強度與中等硬度煤巖相似[8]。

圖2 鈷結(jié)殼基巖鉆進破碎試驗系統(tǒng)

表1 模擬巖料物理力學(xué)性能參數(shù)

2.4 試驗參數(shù)的測量和計算

試驗直接測量得出的參數(shù)如表2 所示。

試驗除要測量表2 的參數(shù)外，還需要在立式?jīng)_擊能試驗臺和扭矩測量儀上對旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆孔器進行標定試驗，得出不同沖擊壓力的沖擊能E和沖擊頻率f； 對應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)進油壓力和流量的旋轉(zhuǎn)扭矩 T，從而計算出沖擊功率（Np=E·f）、旋轉(zhuǎn)功率（Nr=T·m/9.55）、破碎比功（a=t(Np+Nr)×103÷0.785d2·h）。

表2 試驗測量的參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

試驗分三組，按不同的鉆進方式進行，推力從小到大逐漸改變，以獲取最優(yōu)軸推力和最高鉆速。 試驗用的鉆頭是同一個鉆頭，且所有試驗都是在同一塊模擬料中進行。圖3 為示波器記錄得出的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)壓力、沖擊壓力、推進力的信號曲線。

圖3 中曲線從上而下分別為轉(zhuǎn)速（CH4）、旋轉(zhuǎn)壓力 （CH1）、 沖擊壓力 （CH2）、 推進力（CH3）。

圖3 鉆孔試驗的示波器記錄圖

3.1 旋轉(zhuǎn)鉆進

表3 旋轉(zhuǎn)鉆進

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出：推進壓力選取在2左右比較適合，如果推進力增加過大時，鉆進速度會反而下降；旋轉(zhuǎn)壓力對鉆進速度的影響很明顯。

3.2 沖擊鉆進

因為沖擊鉆進試驗需要鉆頭變位形成鉆孔，所以試驗時亦施加了較小的旋轉(zhuǎn)壓力，轉(zhuǎn)速保持在100 r/min 左右。 表4 試驗數(shù)據(jù)表明，沖擊壓力和功率增大，鉆進速度會增大，同時破碎比功亦相應(yīng)增大。

表4 沖擊鉆進

表5 旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進試驗

3.3 旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進

從表5 中可以看出， 旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進較之單一的旋轉(zhuǎn)或沖擊鉆進，具有最高的鉆速，其鉆速和比功不僅取決于旋轉(zhuǎn)和沖擊功率，且和它們之間的匹配（旋/沖功率比）相關(guān)，在最適宜的匹配具有最大鉆速和最小的比功。圖4 給出了鉆速和比功隨旋/沖功率比r 的變化關(guān)系。

圖5 給出了三種鉆進方式鉆速和比能的分布。

4 結(jié)語

對目前鈷結(jié)殼基巖模擬材料的鉆進試驗表明：

圖4 鉆速和比功隨旋/沖功率比r 的變化關(guān)系

圖5 三種鉆孔方式的鉆速-比能分布

（1） 旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進較之單一的旋轉(zhuǎn)和沖擊鉆進具有最高的鉆速和最小的破碎比功，是鈷結(jié)殼基巖鉆進方式的優(yōu)先選擇。

（2）在相近工作參數(shù)條件下，得出的旋轉(zhuǎn)鉆進最高鉆速，沖擊鉆進最高鉆速，旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進最高鉆速為旋轉(zhuǎn)和沖擊最高鉆速的1.21 倍，這說明旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進不是旋轉(zhuǎn)和沖擊鉆進兩者的簡單的線性疊加，存在非線性交互影響，二者具有相互促進作用。

（3）旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進因需要切削破碎巖石，亦需和旋轉(zhuǎn)鉆進相等的較大推力， 在本實驗條件下，試驗中適用推力為2.75 kN。

（4）旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進要求旋轉(zhuǎn)/沖擊功率的合理匹配，對目前較軟的鈷結(jié)殼基巖而言，其最佳旋/沖功率比約為3。

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