滚压破岩牙轮钻主要参数的影响

牙轮钻穿孔的主要参数为轴压、扭矩、转速和排渣风量。轴压不但影响钻速， 还影响破岩的机理。当轴压很小时，岩石是靠摩擦力引 起的表面磨损破碎的，钻头磨损严重，钻速低。当轴压 较大，但牙轮对岩石的接触压力仍未达到岩石极限强 度时，牙轮使岩石产生微裂纹并使裂纹增多后，才形成 大颗粒岩屑。轴压足够大，接触压力达到岩石的极限强 度后，才产生破岩效果的跃进。钻速与钻头转速呈线性 关系。扭矩的影响比较小，基本不随转速变化。排渣风 量对钻速和钻头使用寿命影响很大。增大风量可以有 效排渣，改善破岩条件，降低能耗，提高钻速。但风速 过高引起的喷砂作用，会加速钻杆和钻具的磨损。故钻 杆与钻孔壁之间的排渣风速大约在15.3～25.4m/s 为宜。2100433B

由实验得到盘刀参数对岩石破碎量的影响规律如下：

轴向推力必须超过被破碎岩石相应的临界值，刀具才能侵入岩面。轴向推力越大，刀具侵入越深。

刀刃角必须小于被破碎岩石相应的临界值，刀具才能侵入岩面。刀刃角越大，刀具侵入越浅。

轴向推力一定时，盘刀直径越大，破碎量越少，刀刃圆角半径越大，破碎量越少，且软岩的破碎量比硬岩的破碎量减少得多。

盘刀相邻轨迹的径向间距，称为刀间距。对于岩石，在一定的轴向推力下，有一个破碎量最多的最佳刀间距。大于或小于这个最佳值的刀间距，都使破碎量减 少。刀间距超过最大临界值，则各盘刀的滚压破岩过程互不影响，和单刀的破岩效果一样。

滚压破岩时，刀具对岩面的推力 和侵深、滚动力和侵深都存在跃进式的规律，也存在密 实核和沟槽侧面崩裂等现象。滚压破岩形成的破碎体，由粉碎体、碎断体和断裂体三部分组成。它们 各自包含不同破碎块度的岩石： 粉碎体为0.03～ 2.5mm; 碎断体为2.5～20mm; 断裂体大于20mm。

粉碎体是剪切错动的产物。因岩石的抗剪强度比 抗压强度低得多，岩石易被剪切破碎。形成粉碎体后， 岩体内的应力分布不再服从赫兹(Hertz)理论。刀具 通过粉碎体向尚未破碎的岩体部分施加作用力。在此 过程中，粉碎体被压实和积蓄能量，向其周围的岩体均 匀地传力，使之产生切向拉应力，逐渐形成径向裂纹。 粉碎体中的岩粉侵入裂纹，使裂纹扩张，形成碎断体， 碎断体的体积膨胀，把靠近自由面的岩体部分劈开，形 成断裂体。

牙轮和盘形滚刀都是用轴向压力压碎岩面，牙轮钻钻杆和盘形滚刀的扭矩，使牙轮和盘形滚刀在岩面上滚动从而碾碎岩面。盘刀滚压在岩面 上造成连续破碎(图1a)，牙轮滚压(图1b)使岩面造 成不连续破碎，都是基于冲击压碎和剪切碾碎的综合作用。

滚压破岩冲击压碎作用

岩石具有各向异性和不均质性， 大多数中硬和坚硬岩石更具有脆性。滚压时，在岩面上 软的地方刀具压入得较深，而在硬的地方压入得较浅。 因而，滚压过程伴随有刀具的上下跳动，不断地冲击岩 面。嵌齿的牙轮滚压时，交替地以一个齿尖或两个齿尖 接触岩面，它们的上下跳动和对岩面的冲击就更大。嵌 齿与岩面一次接触的时间(冲击周期)决定于齿数和转 速，它应大于破碎岩石所需的时间。在相同的条件下， 脆性岩石冲击破碎所需要的时间比塑性岩石短得多。

滚压破岩剪切碾碎作用

滚压时，刀具与岩面接触处的摩 擦力，刀具沿圆周滚动其内侧对岩石的挤压，以及设计 时人为造成刀具对岩面的滑动，使得牙轮和盘刀具有 剪切和碾碎岩石的作用。刀具对岩面的滑动可以产生 类似切削的作用，把冲击压碎形成的凹陷破碎掉，因而 扩大岩石的破碎面积，提高破碎效率。牙轮钻设计中， 用各种办法人为造成刀具对岩面的滑动，比如使牙轮 轴心与钻头不重合(称为移轴)，使牙轮有两个锥顶角 (称为复锥)，使牙轮锥顶超出钻头中心(称为超顶)，或 使牙轮锥顶缩在钻头中心以内(称为退顶)等，可以使 牙轮的运动速度和牙轮与被破碎岩面的接触速度不一 致，达到产生滑动和剪切作用的目的。滚压破岩的过程相当复杂，至今仍有许多问题有待研究。

剪压破坏是一个物理概念，剪压破坏衡量的是受弯构件斜截面承载能力，钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力的计算公式便是根据剪压破坏建立的。

这种破坏一般发生在剪跨比适中（1≤γ≤3），箍筋配置数量适当，截面尺寸也合适的梁中。首先在剪弯段的受拉区出现一些垂直裂缝和细微斜裂缝，当荷载增加到一定强度时，就会出现一条又宽又长的主裂缝，称为临界斜裂缝。 这条临界斜裂缝虽向斜上方延伸，但仍保留一定的剪压区混凝土截面而不裂通，直到斜裂缝顶端压区的混凝土在剪应力和压应力共同作用下被压碎而破坏。其特点是破坏过程比较缓慢，破坏荷载明显高于斜裂缝出现时的荷载。剪压破坏的形成主要与箍筋的布置有关。可以通过受剪承载力的计算配置箍筋以及弯起钢筋来防止。2100433B