ZDY系列履帶定向鉆機的研制及應用探討

巨靜齋 熊躍峰

摘要：在煤礦開采工程中，履帶定向鉆機是主要的機械設備，發揮著十分重要的作用，其中ZDY系列是履帶定向鉆機中較為常用的型號?；诖?，文章結合定向鉆機系列化開發的依據和思路進行了介紹，同時對ZDY系列履帶定向鉆機的性能參數進行了分析。

關鍵詞：ZDY系列；履帶定向鉆機；煤礦開采；瓦斯抽采施工；煤礦井下作業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD41 文章編號：1009-2374（2016）17-0136-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.066

對于宏華集團等石油鉆機的設計研發公司來說，了解和掌握煤礦鉆機的設計和研發不但可以增加新技術的應用范圍，同時也可以拓展鉆機的開發和銷售范圍，提高公司的效益和抗經濟風險的能力。而ZDY系列履帶定向鉆機作為現有煤礦鉆機的發展趨勢，發揮著十分重要的作用，因此應當對其研制和應用加以重視，從而進一步提升煤礦開采的效率。

1 ZDY系列履帶定向鉆機的性能參數

在煤礦井下的瓦斯抽采施工中，定向鉆機具有很大的優勢，布孔采用了梳狀空、羽狀孔、集束多分支孔等方式，對過去的鉆孔施工方式進行替代，不但能夠提升瓦斯抽采的效率，還能夠降低工作的勞動強度。在研究ZDY系列履帶定向鉆機性能參數的過程中，選取具有代表性的煤礦巷道條件，從而對鉆機的產品配套、整機外形尺寸、整體結構布局等進行研究。在鉆機的關鍵部位，通過系列化和模塊化設計，采用高質量的液壓元器件，能夠在300～1000m的深度進行定向鉆孔，具有150～250kN的起拔能力，功率約為55～90kW。對于不同的施工工藝、巷道條件來說，都能夠加以滿足，更好地實現復合鉆進、孔底馬達動力鉆進、孔口回轉鉆進等施工任務。

2 ZDY系列履帶定向鉆機的關鍵技術

2.1 鉆機結構布局

結合不同的抽放鉆孔布置方式以及煤礦巷道的實際條件因素，履帶定向鉆機可以有很多種不同形式的結構布局。而在影響和決定鉆機結構布局的過程中，有很多方面的因素會對其產生影響，例如在鉆孔過程中，安全性和視野性是否良好；在鉆孔施工中，是否需要進行大角度臨近層穿層的操作；鉆機配套的泥漿泵，采用的是液壓驅動形式還是電機驅動形式；瓦斯閉鎖開關、啟動開關電柜等附屬設備是否配備；是否將泥漿泵配套安裝在鉆機平臺中；鉆機掉頭和轉彎的操作當中，巷道的尺寸和寬度是否能夠符合要求；鉆機設備的下井方式等。因此，對于不同要求的用戶來說，無法通過一種裝備滿足所有的要求，因此需要針對不同的施工環境，有針對性地進行鉆機結構布局。

ZDY系列履帶定向鉆機主要有整體式和兩體式結構，針對不同的礦井條件，不同結構形式的鉆機都應當對質量、能力、功能、尺寸等方面的要求進行滿足。在整體式結構中，緊湊型結構中包括防爆計算機、控制電柜、外配泥漿泵；一體型結構包括外配防爆計算機、控制電柜、泥漿泵；多功能型結構包括瓦斯閉鎖裝置、急停開關、防爆計算機、控制電柜、帶泥漿泵。在兩體式結構中，一種是履帶泵車和履帶鉆車結合的形式，其中包括了瓦斯閉鎖裝置、急停開關、防爆計算機、控制電柜、帶泥漿泵，其主要的特點是機動性強、安全性高、結構緊湊；另一種則是膠輪泵車和履帶鉆車結合的形式，其中包括了防爆計算機、控制電柜、帶泥漿泵，其主要的特點是安全性高、結構緊湊。

2.2 鉆機液壓系統

在ZDY系列履帶定向鉆機的液壓系統中，對比例先導控制液壓技術、恒壓變量泵控技術、負載敏感技術等進行了應用。其功能回路能夠適應常規鉆進工藝、孔底馬達定向鉆進工藝等要求。鉆機結構、液壓系統等也能夠匹配鉆進工況。同時，能夠滿足快速搬遷穩固位移、遠程控制、鉆機節能等要求，操控性和可靠性十分良好。在液壓系統中，主要包括輔助功能回路、制動保護回路、鉆機回轉鉆進系統、履帶行走系統等部分，能夠確保履帶鉆機的安全行走、制動和轉彎，為鉆具提供回轉動力，提供起拔力和給進力，同時可以在鉆進中保護主軸和鉆具，從而滿足鉆機的工作需求。

2.3 鉆機安全防護

在定向鉆孔施工中，定向鉆機裝備使用、成套技術的可靠性和安全性十分關鍵，因此，在成套裝備中，應當裝載安全機構和保護回路。將液控通斷閥設置在遠控比例閥供油回路中，從而避免定向鉆進過程中的回轉手把誤操作。通過對動力頭馬達的浮動，阻斷回轉手把的作用，從而避免意外動作。在運動部件、操縱臺等重要的位置，要對警示標志和安全操作注意事項等進行設置，同時對主機端部和操縱臺設置急停開關按鈕。此外，還應在配套泥漿泵車上設置瓦斯閉鎖開關、瓦斯監測儀器等，從而提升定向鉆機的可靠性和安全性。

3 ZDY系列履帶定向鉆機的零件結構

3.1 制動裝置

為了解決孔底馬達鉆進的反轉矩問題，采用了定向制動裝置，能夠對鉆桿進行任意位置的鎖定，迅速加緊、徹底松開，從而確保鉆孔的良好精度以及施工的順利進行。通常情況下，鉆機注重具有4000～6000N/m的轉矩，因此可以設置1000N/m轉矩的配套制動裝置，從而對孔底馬達鉆進反扭矩加以克服。在實際應用中，主要包括摩擦盤式定向制動裝置、斜面增力式定向制動裝置等。此外，可以通過CAE軟件對定向制動裝置的安全、性能、功能等進行計算和優化。

3.2 穩固裝置

ZDY系列履帶定向鉆機的穩固裝置主要包括伸縮桿、下接地裝置、上接地裝置、穩固油缸等部分，對于鉆機的鉆孔施工來說，穩固裝置的剛度和強度，有著極大的影響，同時布置穩固裝置的位置也會對鉆機的可靠性和穩定性產生直接的影響。因而在實際施工過程中，通常將鉆機自帶的穩固裝置與頂底板頂緊，同時利用頂在機身前端煤壁的輔助支撐、落在車體平臺死角的地錨等，對鉆機進行穩定，從而在正常鉆進的過程中或是發生埋鉆、卡鉆等問題的時候，能夠確保鉆機的穩固

安全。

3.3 主軸夾持裝置

在ZDY系列履帶定向鉆機中，應用了動力頭主軸通孔式結構，通過與夾持器、全液壓卡盤的作用，能夠進行推進和回轉的操作，其中設計的動力頭主軸通孔有78～110mm的直徑，能夠應用73～102mm直徑的打撈鉆具、中心通纜鉆桿、常規鉆桿等，利用相應規格的卡瓦，在不同工況下，能夠滿足鉆具的夾緊要求，從而使鉆具的使用規格范圍得以擴大，對于孔內事故，鉆機也能夠更好地進行處理。常開式液壓卡盤采用的是彈簧松開、油壓夾緊的膠筒式結構。

3.4 給進和調角裝置

鉆機的給進性能參數以及鉆機的質量，與給進裝置的結構形式有著十分密切的聯系，通常采用的是油缸加鏈條倍速結構或是油缸直接推進結構。在給進裝置中，主要包括調角裝置、前后夾頭體、拖板、機身、油缸等部分，在機身前后兩端固定機身，在機身拖板上固定缸筒。通過撐桿、衡量、調角油缸等，能夠完成鉆機的調角功能，在這一過程中，通過調角油缸的動作，能夠更加省力、可靠、迅速地完成鉆機調角，有效地降低勞動強度和輔助時間。

3.5 履帶底盤和車體平臺

ZDY系列履帶定向鉆機采用的液壓式履帶底盤，采用高強度、耐磨的鋼制履帶片作為履帶總成。車體平臺主要是對操縱臺、泵站、主機等進行安裝，所以其空間位置和強度必須滿足使用要求。在設計過程中，對于礦井的運輸條件、鉆機的整體布局等，都要加以考慮，在滿足這些要求的基礎上，盡量縮小鉆機的尺寸，從而能夠適應更多不同的巷道條件。通常是平行布置定向鉆機的履帶和主機，所以可通過給進裝置的長度，對鉆機的長度進行控制。在履帶底盤總成上，通過轉盤對車體平臺進行連接，從而實現大角度的旋轉，能夠有效地提升鉆進施工的效率。

4 ZDY系列履帶定向鉆機的實際應用

目前在我國很多煤礦井下，就已經對ZDY系列履帶定向鉆機進行了應用，例如在神華烏海能源公司平溝煤礦、神華神東保德煤礦、神華寧煤汝箕溝煤礦等數十個礦井中，都對ZDY履帶定向鉆機進行了十分廣泛的應用，并且取得了十分良好的應用效果。在陜西彬長大佛寺煤礦中，對ZDY6000LD履帶定向鉆機及其配套裝備、配套技術工藝等進行了應用，在施工現場，進行了1212m深度的定向長鉆孔施工。在施工中，定向長鉆孔的水平偏差控制在孔深的0.5%以內，垂直偏差也控制在了孔深的0.1%以內。在煤礦井下定向鉆孔施工領域中，這是利用我國擁有自主知識產權的裝備和技術所取得的一個非常良好的成果。在施工過程中，在煤層頂底板上進行了梳狀鉆孔的施工，從而對很多煤礦中存在的問題進行了有效的解決，例如煤層中不宜鉆孔抽放瓦斯、容易發生塌孔抱鉆、瓦斯壓力過大、煤層較軟等問題，從而有效地確保定向鉆孔施工的效率和質量。

5 結語

在煤礦開采等很多工程中，都需要進行定向鉆進施工，因此需要用到定向鉆機。在該領域中，ZDY系列履帶定向鉆機是一種應用較為廣泛的機械設備，在實際應用中，能夠有效地提高施工效率和施工效果。因此，結合淺層石油鉆機現有的技術及煤炭企業實際需求，對ZDY系列履帶定向鉆機的研制進行分析，從而實現其更為良好的應用。

參考文獻

[1] 石智軍，董書寧，姚寧平，李泉新，田東莊，姚克.煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進技術與裝備[J].煤炭科學技術，2013，（3）.

作者簡介：巨靜齋（1979-），男（回族），青海西寧人，四川宏華石油設備有限公司產品研究所機械工程師，研究方向：石油鉆井機械。

（責任編輯：秦遜玉）