分體式履帶鉆機的研制與應(yīng)用

鄔 迪

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

分體式履帶鉆機的研制與應(yīng)用

鄔 迪

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

目前常用的分體式鉆機和整體式履帶鉆機存在這樣的缺陷：不能將井下機動性高、外形尺寸小、操作人員安全性高等特點融合在1臺設(shè)備上，使瓦斯抽采鉆孔施工效率低，鉆機對復雜鉆場和礦井條件適應(yīng)性差。分體式履帶鉆機是一種新型瓦斯抽采鉆孔施工裝備，由于采用分體式履帶結(jié)構(gòu)，新型鉆機外形尺寸小、井下移動靈活，工人可遠離孔口和主機對鉆孔施工進行控制和操作。結(jié)合復雜條件礦井煤/巖層賦存條件與鉆場施工條件，通過分析和研究分體式履帶鉆機的結(jié)構(gòu)特點、主要功能、關(guān)鍵技術(shù)和液壓系統(tǒng),設(shè)計了適用于不同工況和施工環(huán)境的分體式履帶鉆機系列。工業(yè)性試驗表明，分體式履帶鉆機外形尺寸小適中、井下機動性能強、綜合鉆進效率高、工藝適應(yīng)范圍廣，在復雜條件礦井具有良好的應(yīng)用前景。

煤礦 分體式履帶鉆機 瓦斯抽采 液壓系統(tǒng)

1 煤礦用鉆機分類

隨著我國煤礦向深部開采，出現(xiàn)了很多煤層瓦斯壓力高、地應(yīng)力大等復雜條件礦井。煤礦井下鉆孔是進行瓦斯綜合治理的有效手段，而井下鉆機是進行瓦斯抽采鉆孔施工的專用設(shè)備[1-2]。常用的井下鉆機有分體式鉆機、整體式履帶鉆機、分體式履帶鉆機3大類，不同鉆機的主要特點和適用范圍如表1所示。

傳統(tǒng)的分體式鉆機由主機、泵站、操縱臺等部分組成，井下布局靈活；但無論采用爬履式還是步履式鉆機結(jié)構(gòu)，井下工作和搬遷時仍需頻繁拆卸和組裝，不但增加了輔助時間和勞動強度，而且容易造成液壓系統(tǒng)污染，導致閥芯卡滯或過度磨損，降低鉆機的可靠性。

表1 常用鉆機分類Table 1 Classification of common drilling machine

整體式履帶鉆機是將主機、泵站和操縱臺集成安裝在履帶平臺上，具有機動性能強、勞動強度減輕、瓦斯抽采鉆孔施工效率提高等優(yōu)點[3-5]；但整體式履帶鉆機和操作者工作時必須直接面對可能發(fā)生瓦斯突出的鉆孔孔口，存在安全隱患；由于整體式履帶鉆機體積大，在運輸條件較差的礦井下井時，不得不先拆解、再運輸、井下再安裝，降低了綜合施工效率。

分體式履帶鉆機是一種新型瓦斯抽采鉆孔施工裝備，鉆機的泵車、鉆車等部分分別由履帶底盤驅(qū)動，井下機動性強、各部分體積小、對礦井運輸條件要求低，鉆機在特殊礦井(如瓦斯突出)施工時，操縱臺可遠離孔口布置，提高了設(shè)備和人員的安全性。

2 分體式履帶鉆機的研制

分體式履帶鉆機是根據(jù)復雜條件礦井煤/巖層賦存條件、礦井運輸條件和巷道鉆場尺寸設(shè)計的新型履帶式煤礦用坑道鉆機。

目前，中國煤科西安院根據(jù)鄭煤、淮北、淮南、西山等用戶的瓦斯抽采鉆孔施工要求，研制了3款不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的分體式履帶鉆機，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 分體式履帶鉆機技術(shù)參數(shù)Table 2 Split type crawler driller parameters

2.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點

ZDY3200LF型和ZDY4000LF型分體式履帶鉆機(如圖1、圖2)采用2體3部分結(jié)構(gòu)，由鉆車、泵車和操縱臺3部分組成。搬遷行走時，鉆機操縱臺安裝在鉆車上，泵車和鉆車分別由履帶底盤驅(qū)動行走；鉆孔施工時，3部分可根據(jù)鉆場實際工況靈活布置，各部分之間通過高壓膠管連接，提高操作人員和設(shè)備的安全性。

圖1 ZDY3200LF型分體式履帶鉆機Fig.1 ZDY3200LF split type crawler driller

圖2 ZDY4000LF型分體式履帶鉆機Fig.2 ZDY4000LF split type crawler driller

ZDY4300LF型分體式履帶鉆機(如圖3)采用緊湊型2體結(jié)構(gòu)，由鉆車、泵車組成，各部分最大寬度為0.85 m，是國內(nèi)最窄的煤礦用履帶式坑道鉆機。

圖3 ZDY4300LF型分體式履帶鉆機Fig.3 ZDY4300LF split type crawler driller

研制的3款分體式履帶鉆機整機結(jié)構(gòu)特點包括：

(1)采用分體式雙履帶鉆機結(jié)構(gòu)，符合煤與瓦斯突出礦井安全要求。由于采用分體式履帶鉆機結(jié)構(gòu)，在不影響鉆機機動性能的基礎(chǔ)上，各部分體積小，寬度降低到1.15 m以內(nèi)，適合絕大部分礦井的運輸條件和鉆場施工條件。鉆機施工時，回轉(zhuǎn)器、夾持器、給進裝置等主執(zhí)行機構(gòu)安裝在鉆車上，需布置在鉆孔孔口前方；而電機、電柜和機燈等電器設(shè)備則布置在泵車上，可遠離鉆孔孔口或避開瓦斯突出方向布置，避免了瓦斯突出時攜帶的煤粉和巖石對電器隔爆性能的損害，降低了瓦斯突出對礦井安全生產(chǎn)的危害。由于操縱臺布置位置靈活，操作人員觀察孔口方便，人員和設(shè)備安全性高。

(2)鉆進姿態(tài)調(diào)整范圍大，穩(wěn)固可靠、速度快。在煤礦井下機巷和風巷內(nèi)，沿煤層走向施工本煤層順層鉆孔和鄰近層穿層鉆孔，鉆孔束呈平行、扇形或交叉網(wǎng)狀布置，鉆孔數(shù)量多、鉆機搬遷穩(wěn)固頻繁、施工效率要求高[3]。

鉆孔施工時，分體式履帶鉆機的鉆車部分在鉆場進行短距離位置、角度調(diào)整時，泵車可原地不動，降低了工人勞動強度，提高了輔助工序效率；主機置于鉆車車體回轉(zhuǎn)平臺上，方位角調(diào)整范圍達到180°，方便進行巷道兩側(cè)幫和迎頭的瓦斯抽采鉆孔施工；主機最大仰角可達到80°，滿足了穿層鉆孔的施工要求；為了提高施工的穩(wěn)定性和穩(wěn)固速度，鉆車上采用三級穩(wěn)固油缸系統(tǒng)，分別對履帶車體、回轉(zhuǎn)平臺和主機進行穩(wěn)固，整體穩(wěn)固可靠，可有效避免強力起拔時鉆機移位事故的發(fā)生。

2.2 液壓系統(tǒng)特點

分體式履帶鉆機液壓系統(tǒng)根據(jù)其功能可分為泵車系統(tǒng)和鉆車系統(tǒng)2部分。泵車系統(tǒng)提供動力源，鉆車系統(tǒng)為執(zhí)行和控制部分，2部分各包含1組行走控制系統(tǒng)。

鉆機行走時，Ⅰ泵、Ⅱ泵輸出的高壓介質(zhì)分別進入鉆車和泵車行走多路閥，獨立控制鉆車和泵車的前進、后退、轉(zhuǎn)彎和速度。工作時，Ⅰ泵、Ⅱ泵輸出的高壓介質(zhì)通過單向閥組合流，驅(qū)動回轉(zhuǎn)回路；Ⅲ泵輸出的高壓介質(zhì)通過副泵油路板調(diào)壓和限壓后，驅(qū)動給進/起拔回路，回轉(zhuǎn)回路和給進回路的參數(shù)可獨立調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。由于行走多路閥采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，當鉆機回轉(zhuǎn)鉆進時，行走控制手柄誤操作后履帶無動作，提高了鉆機穩(wěn)固的可靠性和人員安全。

分體式履帶鉆機液壓系統(tǒng)主要特點是：

(1)具有豐富聯(lián)動功能的泵控液壓系統(tǒng)。分體式履帶鉆機采用了泵控液壓系統(tǒng)，對比傳統(tǒng)的閥控系統(tǒng)，減少了高壓溢流損失，具有能耗低、發(fā)熱量小、系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點，適合地層軟硬變化頻繁的穿層鉆孔施工[6-9]。

系統(tǒng)具有卡轉(zhuǎn)聯(lián)動、卸扣聯(lián)動、夾轉(zhuǎn)聯(lián)動等聯(lián)動回路，通過1個操作閥實現(xiàn)夾持器、卡盤、回轉(zhuǎn)器、給進等主執(zhí)行機構(gòu)的符合動作，降低了誤操作發(fā)生概率和工人勞動強度，人機互動性好[10-12]。

(2)雙泵驅(qū)動工作回路。為了實現(xiàn)鉆機2車體井下的獨立行走和控制，采用雙泵獨立驅(qū)動和控制，2部分壓力和流量無相互影響，井下行走的穩(wěn)定性和操控精確性好。

3 分體式履帶鉆機的應(yīng)用

2011年9月，ZDY3200LF型和ZDY4000LF型分體式履帶鉆機分別在鄭州煤業(yè)集團淮北礦業(yè)集團進行工業(yè)性試驗。

ZDY4000LF型分體式履帶鉆機在淮北礦業(yè)集團蘆嶺煤礦Ⅱ817-2#機巷內(nèi)進行工業(yè)性試驗。其中，普通ZDY3200S型分體式鉆機瓦斯抽采鉆孔深度在60～70 m，而新型ZDY4000LF型鉆機鉆孔深度達到90 m以上，平均月進尺達到1 978 m。在Ⅱ842巷道內(nèi)，ZDY4000LF型鉆機鉆孔平均月進尺3 252 m，最大月進尺達到4 068 m。ZDY4000LF和ZDY3200S型鉆機平均月進尺如表3所示。

表3 鉆機進尺對比Table 3 Drilling footage contrast

工業(yè)性試驗中，對ZDY3200S和ZDY4000LF型鉆機在搬運、調(diào)角和穩(wěn)固3個輔助工序的人員和耗時方面進行對比(如表4)得出，ZDY4000LF型鉆機輔助工序工人勞動強度和耗時減少50%以上，證明新型分體式履帶鉆機井下機動性強、調(diào)角和穩(wěn)固操作方便、工人勞動強度低，滿足高效的瓦斯抽采鉆孔施工要求。

表4 鉆機輔助工序?qū)Ρ萒able 4 Rig auxiliary process comparison

通過工業(yè)性試驗表明，新型ZDY4000LF型分體式履帶鉆機綜合施工效率提高20%以上，輔助工序效率提高50%以上，平均鉆孔深度提高30%以上。工業(yè)性試驗檢驗了新型分體式履帶式全液壓鉆機的鉆進能力、鉆機可靠性和靈活性、液壓系統(tǒng)等優(yōu)點，為分體式履帶鉆機系列產(chǎn)品的開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

作為一種新型鉆機，分體式履帶鉆機系列產(chǎn)品性能可靠，系列產(chǎn)品滿足類似西南礦區(qū)小型巷道運輸、施工條件和類似兩淮礦區(qū)高瓦斯突出礦井的安全要求。分體式履帶鉆機開孔姿態(tài)調(diào)整范圍大、機動性強、工藝適應(yīng)范圍廣、施工效率高，是煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工的新型裝備。

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(責任編輯 徐志宏)

Development and Application of the Split Crawler Drilling Rig

Wu Di

(CCTEGXi'anResearchInstitute，Xi'an710077，China)

There are some shortcomings in the split drilling rig and the entire crawler drilling rig，that can not integrate such functions as high flexibility，small size，high personnel security into one device.So the drilling efficiency for gas extraction is lowered and the drilling rig has a poor adaptability under complex drilling field and mines.The split crawler drilling rig is a new type of drilling and construction equipment for gas extraction.Due to its split and crawler structure，this new-type rig owns small size，flexible underground mobility，and workers can stay away from the orifice and the host to realize control and operation of drilling.Combined with complex conditions of coal mine/rock occurrence and drilling field，and based on analysis and investigation of the structural features，the main function，the key technologies and the hydraulic systems of split crawler drilling rig，the split crawler rig series for different condition and construction environment were designed.The industrial test showed that the split crawler rig has moderate dimensions，high flexibility at underground，high comprehensive drilling efficiency，and wide adaptability.It has a good prospect in mines with complex conditions.

Coal mine，Split-type crawler drilling rig，Gas drainage，Hydraulic system

2013-12-01

“十二五”國家油氣重大專項(編號：2011ZX05041-001)。

鄔 迪(1980—)，男，副研究員，碩士。

P634.3

A

1001-1250(2014)-03-120-04