適應復雜煤層救援鉆進工藝的鉆具快速擰卸裝置

王賀劍，李冬生，李旺年，翁寅生

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下存在多種地質災害如礦井突水，礦井火災，瓦斯、粉塵爆炸，煤與瓦斯突出等，這些災害是煤礦事故頻發的主要因素[1-3]。隨著近年來國家對煤礦安全的投入不斷增加，煤礦事故已大幅減少。據有關數據統計，中國煤礦每百萬噸死亡率依然高于發達國家[4-5]。礦難發生后，通常礦工被困井下，由于巷道發生坍塌，變形等因素救援人員不能通過原有巷道到達災區[6]。為了實施快速救援，普遍采用大直徑鉆孔來構建逃生通道和救援物資保障通道，營救被困礦工。大直徑鉆孔施工目前均采用地面應急救援車載鉆機通過快速鉆井技術結合隨鉆測量技術，跟管鉆進技術來實現[7]。任何大直徑鉆孔必須圍繞安全和高效成孔為中心，通過工藝技術的創新和配套設備的改進提高鉆進效率。特別是當應用于煤礦搶險救援時，能夠提供堅實可靠的技術保障[8-9]。車載鉆機的快速擰卸裝置是救援車載鉆機的關鍵部件，其性能和可靠性等直接影響施工效率。

當前可用于應急救援的國內外地面車載鉆機，主要為下述4款產品：國外有德國BAUER（寶峨）RB-T90[10]救援鉆機以及美國SCHRAMM（雪姆）公司生產的TX200XD多功能全液壓車載鉆機；國內有中煤科工集團西安研究院有限公司研發制造的ZMK5530TZJ100型車載鉆機[11-14]以及北京天和眾邦CMD100煤層氣多功能鉆機[15]等。但是上述車載鉆機井口平臺普遍存在下述3個問題：①均采用一體式結構，整體質量大，復雜路況通行能力差；②與主機給進裝置連接固定，造成車載鉆機運輸高度超限，難以符合國內道路通行規則；③手動操作卸扣，自動化程度低。為此，開發了一適應復雜煤層救援鉆進工藝的鉆具快速擰卸裝置。

1 快速擰卸裝置總體方案

快速擰卸裝置總體結構如圖1。

圖1 快速擰卸裝置總體結構Fig.1 General structure of rapid screw-off device

快速擰卸裝置總體方案，主要含以下部分：①具備實時監測與自動調平功能的U型井口平臺，承載力120 t，整體結構尺寸小，開口直徑大，井口平臺與機身大梁采用插銷式連接方式，快速可靠，井口平臺自動適應機身動力頭井口中心位置，實時對中；②液壓卡盤可通過更換不同規格的卡瓦組合滿足多規格鉆具的夾持和通過；③具有手動、自動雙控功能的擰卸鉗總成（一鍵擰卸鉆具），擰卸鉗整體寬度小、上卸扣直徑范圍大，滿足傳統鉆進和液壓吊卡鉆進2種工藝要求。

2 井口平臺機械系統及調平原理

2.1 U型井口機械平臺

U型機械井口平臺如圖2。

圖2 U型機械井口平臺Fig.2 The U-shaped mechanical wellhead platform

如圖2，井口平臺采用模塊化設計，底翹結合框架式4支腿結構，實現與鉆機主機快速安裝。井口平臺采用4支腿支撐平臺，主要由液壓支腿、機械框架和可拆卸補心組成。液壓支腿采用4個帶自鎖功能的液壓缸組成，可以調節機械框架組成的高度。機械框架采用型鋼焊接，滿足井內鉆具的承載要求，具備足夠的強度與剛度。

2.2 井口平臺調平原理

井口平臺結構示意圖如圖3。

圖3 井口平臺簡圖Fig.3 A schematic view of the wellhead platform

井口平臺平臺的調節采用單向調節方法。井口平臺傾角時監測平臺水平狀態，采用閉環控制調平系統，傾角超過限定值（精度設定值）時，監測系統向司鉆人員發出報警信號，司鉆在確定滿足調平要求時，啟動自動調平系統，使平臺傾角回歸到設定范圍內。依次沿著x軸方向和y軸方向調平。這種調平方式時間上略長，優點在于能夠提高可靠性和協調性。調平過程為了不會出現虛腿，主要是對4點的相對位置做調整，這樣保證了系統的調節精度。調節過程保持相對最高點穩定，逐步調整低點高度，以最高點為基準（平臺的最高點可以借助水平傳感器的檢測信號找出），這種情況下平臺就只有上升運動。

平臺通過圖3中4個點實現承載。支撐平臺為4個垂直的液壓缸實現鉆具承載及平臺調平功能。水平傳感器1和水平傳感器2分別沿x、y方向布置；則平臺的傾斜角度θ可由式（1）表示為：

如果2個方向的控制精度為±δ，則調平后平臺的水平誤差為：

式中：α為傳感器1與x方向的水平傾角；β為傳感器2與y方向的水平傾角；γ為2個傳感器間的夾角；δ為控制精度，（°）。

依據式（2）可以推出，在控制精度δ給定的條件下，2個傳感器垂直分布即當γ=90°時，平臺的水平誤差θ的最小值為2δ。兩邊的水平控制精度為整個平臺水平控制精度的1/2。平臺傾斜角度用雙軸水平傳感器檢測。

2.3 大開口液壓卡盤

液壓卡盤結構如圖4。

圖4 液壓卡盤Fig.4 The hydraulic chuck

液壓卡盤的驅動機構為曲柄連桿機構，有2個對分的卡瓦組件，由2個卡瓦連接在轉動臂上構成1個卡瓦組件。轉動臂的另一端分連接左右曲軸，左右曲軸之間用連桿相連。動力裝置是驅動連桿實現曲軸圍繞中心轉動。卡瓦提升時放開管柱，卡瓦下放時將管柱加緊。通過止退塊與連桿臺肩面的嚙合完成轉軸的制動。在卡瓦在本體內咬緊管柱情況下，止退塊同時與連桿臺肩咬合，可防止管柱的松動。平行的管柱在卡盤配備的活門和卡瓦間通過。由于活門的特殊截面，允許同時通過電潛泵的電纜及任意尺寸的油管柱。

3 卸扣鉗結構及控制

3.1 卸扣鉗機械系統

卸扣鉗總成如圖5。

圖5 卸扣鉗總成Fig.5 Shackle tongs assembly

卸扣鉗系統底座是背鉗、沖扣鉗（主鉗）與旋扣鉗的基座，用于對中鉆具，可實現鉗頭水平、垂直移動，可承受旋扣鉗的反扭矩。底座采用雙導軌形式，既可以實現卸扣鉗總成整體移動，也可以實現旋扣鉗單獨移動。沖扣鉗和背鉗分別通過2個油缸驅動“V”形牙板夾緊鉆具接頭。鉆具上扣和沖扣過程通過沖扣油缸驅動沖扣鉗旋轉過程完成。旋扣鉗采用液壓缸夾緊和旋扣馬達帶動滾子滑塊實現旋扣動作。旋扣鉗可沿垂直方向運動，補償鉆具旋扣時垂直位移，彈簧復位。卸扣鉗設計參數如下：①最大上扣扭矩：80 kN·m；②最大沖扣扭矩：100 kN·m；③旋扣速度：80 r/min；④操作方式：手動、全自動；⑤整體水平移動行程：1 000 mm；⑥旋扣鉗水平移動行程：500 mm；⑦垂直移動行程：500 mm。

3.2 卸扣鉗液壓系統

卸扣鉗總成采用全液壓控制方式，要求設計簡單、可靠，有較高的功重比，且操作維修便捷。液壓系統主要包括沖扣鉗液壓系統、旋扣鉗液壓系統、底座液壓系統。沖扣鉗液壓系統是由背鉗夾緊、沖扣鉗夾緊、沖扣油缸沖扣3個液壓分系統組成。在背鉗夾緊和沖扣鉗夾緊過程中要求夾緊力保持穩定，在2個系統中分別才用壓力可調雙向平衡閥控制，根據使用工況要求，可調節夾緊力。沖扣油缸液壓系統要求油缸伸縮平穩、位置精準、沖扣速度快，系統采用磁致伸縮油缸設計。旋扣鉗液壓系統中采用4個帶有制動器的擺線馬達，4個馬達采用并聯油路設計，液壓馬達的制動油缸采用梭閥和彈簧控制，當馬達一側有壓力時，高壓油經梭閥進入制動器油缸，打開制動器，馬達正常運轉；當控制閥處于中位時，制動油缸液壓油泄出液壓油，制動器夾緊馬達軸，馬達停止工作。底座液壓系統采用液壓缸和控制閥進行單獨控制，實現沖扣裝置整體的水平和垂直運動。

4 結語

通過救援用車載鉆機模塊化和智能化技術，開發了一種鉆具快速擰卸裝置。鉆具快速擰卸裝置采用模塊化、自動化的設計思路，實現了多種規格鉆具的快速擰卸，最大卸扣扭矩達到100 kN·m，最大鉆具通過直徑達到900 mm。快速擰卸裝置采用自動化控制程序，可以實現一鍵擰卸鉆具，大大提高了鉆具的擰卸效率，為救援施工節省了大量輔助時間。