23 000 N·m 大直徑定向鉆機關鍵技術

陳澤平

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039）

我國煤礦煤層地質條件復雜、瓦斯含量高、壓力大，瓦斯災害事故時常發生，嚴重威脅井下從業人員生命安全和煤礦安全生產[1-2]。定向鉆進技術具有鉆孔軌跡可控、鉆進距離遠、成本低、瓦斯抽采效率高等優點，近年來在我國煤礦井下瓦斯治理方面得到廣泛應用[3-5]。但在復雜地質條件下，定向鉆機深孔大直徑施工能力不足，導致鉆孔效率低、深度淺、瓦斯抽采效率低，無法滿足煤礦井下瓦斯高效治理及“以孔代巷”實際需求。

“十二五”期間，中煤科工集團重慶研究院研制了ZYWL-13000DS 定向鉆機，主機功率132 kW，推力/拉力最大280 kN，最大扭矩13 000 N·m，配套泵車流量480 L/min。該鉆機在晉煤成莊礦43163 巷道頂板復雜地質條件下，采用“先導孔+擴孔”二次成孔工藝技術，實現了一次鉆孔直徑?120 mm，最大鉆孔深度810 m[6]。中煤科工集團西安研究院在山西晉城寺河礦，采用ZDY-12000LD 定向鉆機，實現先導孔一次成孔?120 mm，最大鉆孔深度456 m[7]。

“十三五”期間，為滿足煤礦井下煤層氣（瓦斯）高效抽采和提質增效的要求，中煤科工集團重慶研究院承擔了國家重大科技專項任務“大直徑高位長鉆孔鉆進技術及裝備”，重點研制ZYWL-23000DS大直徑定向鉆機，滿足一次鉆孔直徑達?153 mm、成孔深度1 000 m 以上。要實現以上目標，需要在井下空間受限條件下大幅提高定向鉆機裝備整體性能參數，對鉆機總體布局、關鍵部件設計等提出了更高的要求。

1 總體方案設計

ZYWL-23000DS 定向鉆機整體尺寸比ZYWL-13000DS 定向鉆機增加幅度較大，在井下巷道的適應性將會受到很大限制。因此，將鉆機主機及泵車采用分體式結構，均采用全液壓履帶底車驅動，并在長度和寬度方向上的尺寸進行嚴格控制，以滿足煤礦井下運輸和鉆場適應性。定向鉆機主機和泵車之間可通過1 根液壓先導管和水管的連接成為一個有機的整體。

定向鉆機除具備回轉鉆進、定向鉆進和復合定向鉆進等基本功能外，還需要在定向鉆孔過程中處理孔底事故時，具備大轉矩和強力起拔力能力。泵車需要大流量輸出，滿足在深孔鉆進時高效率排渣需要。鉆機主要技術參數為：①額定轉矩：23 000～5 000 N·m；②額定轉速：45～150 L/min；③主軸通孔直徑：135 mm；④制動轉矩：4 000 N·m；⑤推進/起拔力：400 kN；⑥輸出泵量：800 L/min；⑦爬坡角度：20°；⑧電機功率：200 kW；⑨主機外形尺寸：5 500 mm×1 600 mm×2 300 mm；⑩泵車外形尺寸：3 550 mm×1 450 mm×1 860 mm。

2 大直徑定向鉆進裝備關鍵技術

定向鉆機需要滿足一次鉆孔直徑?153 mm 以上，在頂板巖中鉆孔施工能力達到1 000 m 以上，相較于“十二五”期間有大幅提升。基于總體方案設計，重點需要解決整機結構布局、大扭矩動力頭、大推力給進系統、大流量泥漿泵車、輔助上桿裝置、鉆桿吊裝車等關鍵技術。

2.1 鉆機總體布局

為滿足狹窄巷道運輸和施工要求，鉆機采用全液壓驅動、履帶車行走形式，各功能部件集成在履帶底車上。定向鉆機結構布局如圖1，其中油箱、電動機組件、操作臺、防爆電腦等依次排成一列，機架、動力頭等單獨成列。電腦組件采用可轉動式設計，有效利用了履帶車上方空間，較常規固定式電腦組件而言，避免了視線的阻擋，操作者能夠更容易觀察鉆孔數據、動力頭和上鉆桿等動作情況；各部分組件均采用模塊化設計，液壓閥組設置在機架附近空隙部位，各組件通過液壓管路實現功能連接。鉆機整體通過工業造型設計，具有布局合理、結構緊湊、易于維修的特點。

圖1 定向鉆機結構布局圖Fig.1 Structural layout of directional drilling rig

2.2 雙泵并聯大流量泥漿泵車

泥漿泵車作為定向鉆孔的核心配套裝備，有“鉆進心臟”之稱[8]，其輸出流量在很大程度上決定了定向鉆進的排渣能力和鉆進效率。常規煤礦井下泥漿泵車均為單泵配置，額定輸出流量都在500 L/min以下[8-9]，輸出流量很難進一步提升。為滿足深孔大直徑定向鉆進需求，提出了基于雙泵并聯的泥漿泵車新方案。泥漿泵車結構布局圖如圖2。

圖2 泥漿泵車結構布局圖Fig.2 Structural layout of mud pump truck

泵車的關鍵在于雙水泵并聯設計，將流量為500 L/min 和300 L/min 的2 個泥漿泵進行并聯，總體輸出流量范圍為0～800 L/min，最高輸出壓力10 MPa，總體成本為單泵輸出方案的30%～40%。為了控制并聯結構整體尺寸，將主、副泥漿泵上下布置，并合理布置雙泥漿泵、驅動馬達、進出水管路的位置及朝向，得到了最小尺寸布置方案。

2.3 雙馬達驅動大扭矩動力頭

動力頭的主要作用提供輸出轉矩和轉速，以及滿足定向鉆進中多種鉆進工藝需要，是實現大直徑深孔定向鉆進的關鍵部件。為滿足大扭矩輸出要求，設計了“雙液壓馬達+齒輪傳動”式動力頭，動力頭最大輸出扭矩達到23 000 N·m，在驅動齒輪軸處設置了2 個剎車裝置，制動扭矩達到4 000 N·m。動力頭通孔孔徑達到?135 mm，能夠滿足可配套?102、?114、?127 mm 等多種規格的定向鉆桿和事故打撈鉆具，適用于定向鉆進、回轉鉆進、復合鉆進、鉆具打撈等各種鉆進工藝。雙馬達驅動動力頭結構圖如圖3。

圖3 雙馬達驅動動力頭結構圖Fig.3 Structure diagram of dual motor driving power head

2.4 “剎車優先”邏輯控制技術

剎車裝置是依靠剎車卡瓦夾緊時的摩擦力來實現動力頭主軸的制動，是定向鉆機的關鍵部件，也是易損件。在定向鉆進時，需要剎車裝置處于制動狀態，動力頭禁止旋轉。在實際應用中，鉆機操作人員經常在剎車制動狀態下操作動力頭旋轉手柄，一方面對剎車裝置造成沖擊，導致剎車卡瓦磨損或損壞；另一方面容易導致動力頭小幅度旋轉，造成螺桿馬達彎頭方向改變、鉆孔軌跡控制不精確。為解決這一問題，將動力頭與剎車的先導控制油路設計成“剎車優先”邏輯控制回路，起到“剎車優先”的作用，“剎車優先”邏輯控制液壓系統如圖4。

圖4 “剎車優先”邏輯控制液壓系統Fig.4 “Brake priority”logic control hydraulic system

“剎車優先”邏輯控制工作原理：

1）剎車狀態。操作剎車裝置控制手柄至“剎車”位時，控制油B3通油，主換向閥3 切換至左位，剎車裝置使動力頭主軸處于鎖緊狀態。此時，控制油A3通過液控單向閥9 進入液控換向閥6、換向閥7、換向閥8 的液控口X，使其換向至右位，從而使動力頭正反轉先導油路強制切斷，B1、B2口卸壓。此時，動力頭與剎車形成邏輯互鎖，即使操作動力頭控制手柄，動力頭不旋轉，操作無效。

2）解鎖狀態。操作剎車裝置控制手柄至“解鎖”位時，控制油A4使液控單向閥9 反向打開，液控換向閥液控口X 卸壓，液控換向閥6、換向閥7、換向閥8 在復位彈簧的作用下換向至左位，動力頭正反轉先導油路接通。此時操作動力頭控制手柄，動力頭旋轉，操作有效。

“剎車優先”邏輯控制技術從根本上解決了因人為誤操作導致剎車沖擊磨損、孔底馬達彎頭方向改變的問題，保證了鉆孔軌跡控制的精確性，提高了深孔鉆進鉆孔安全。

2.5 雙油缸-雙導向桿給進系統

給進系統是鉆機的核心部件之一，是鉆機動力頭的承載部件，兩者配合完成加減壓鉆進、裝卸鉆桿、處理孔內事故等功能[10]。為進一步提高定向鉆進深孔鉆進施工能力，設計了雙油缸-雙導向桿大起拔力推進系統。雙油缸-雙導向桿給進系統如圖5。

圖5 雙油缸-雙導向桿給進系統Fig.5 Double cylinder-double guide rod feeding system

雙油缸-雙導向桿給進系統整體結構緊湊，受力情況好，傳遞效率高，最大推進/起拔力達到400 kN，大幅提高了復雜地質條件下處理孔底事故能力。導向桿部分采用“銅套+密封潤滑脂”密封結構，實現導向桿的密封潤滑，惡劣工況下使用壽命3 年以上。采用調斜油缸和導向柱相結合的方式，實現了較大傾角定向鉆進時機架的角度調整，提高了定向鉆機的適應性。

2.6 輔助上鉆桿技術

大直徑鉆機所使用的定向鉆桿和擴孔鉆桿直徑分別達到了?102 mm 和?127 mm，單根鉆桿長度3 m，質量達到50 kg 以上，若采用常規“肩扛手擰”的方式預擰緊鉆桿，人工勞動強度大，存在一定的安全隱患。為控制鉆機整體尺寸，保證巷道通過性能，同時滿足3 m 長鉆桿輔助擰緊需求，設計了后置式輔助上鉆桿裝置，主要由底座、主動輪、從動輪、托桿組件、油缸等組成。輔助上桿裝置如圖6。

圖6 輔助上桿裝置Fig.6 Auxiliary rod loading device

后置式輔助上桿裝置工作原理：將2 根鉆桿分別放置在鉆機動力頭中空部位，卡盤和夾持器夾緊鉆桿，通過調整輔助上桿裝置底座墊片高度、調節螺桿等，使得2 根鉆桿中心線重合，從而完成輔助上桿裝置、卡盤、夾持器中心對中；調節輔助上桿裝置轉動油缸，使鉆桿壓緊；操作輔助上桿裝置擺線馬達控制手柄，驅動主動輪旋轉，實現前后鉆桿的自動擰緊。該輔助上桿裝置具有結構簡單、體積小、過載時可以打滑保護鉆桿絲扣等優點。

3 性能測試和工業性試驗

2019 年7 月，委托國家安全生產重慶礦用設備檢測檢驗中心對樣機進行了整機性能測試，測試內容主要有外觀、安全性能、負載運轉、過載運轉、剎車機構、行走機構性能等。檢驗結果表明：鉆機各項性能指標達到了設計要求。鉆機主要技術參數測試結果為：①負載運轉：額定工況轉速為46.3～152 L/min，額定工況轉矩為23 464～5 212.7 N·m，空載推進速度為1.55 m/min；②推進機構：推進/起拔力為418.8/393.1 kN，最大推進力為482.0 kN；③剎車裝置：動作靈活、可靠；④整機效率：56.8%；⑤行走性能：爬坡角度20°。

2020 年4 月，ZYWL-23000DS 定向鉆機成套技術裝備在河南鶴壁三礦進行了工業性試驗，在頂板巖層中施工鉆孔5 個，一次成孔直徑?153 mm，其中孔深1 000 m 以上鉆孔2 個，總進尺3 978 m，平均日進尺效率約95 m。試驗結果表明：定向鉆進裝備整體工作性能穩定，泥漿泵車排渣能力強，具有較好的事故處理能力。通過檢測，該巷道上隅角瓦斯體積分數控制在0.4～0.5 之間，滿足生產要求。

4 結 語

1）23 000 N·m 大直徑定向鉆機通過鉆機總體結構布局和關鍵部件創新設計，解決了井下空間受限條件下大能力輸出和緊湊型設計之間的矛盾，定向鉆進裝備巷道適應性強，提高了鉆機整體性能和可靠性。

2）23 000 N·m 大直徑定向鉆機采用后置式上桿裝置，實現了3 m 大直徑定向鉆桿的輔助擰緊，大幅降低了現場人工勞動強度，提高了工作效率和安全性能。

3）鉆機的性能測試驗證了各項技術指標達到設計要求，工業性試驗表明ZYWL-23000DS 定向鉆機裝備能夠滿足煤礦井下頂板高位大直徑、深孔鉆進施工需求，為煤礦井下瓦斯高效治理提供了先進的技術與裝備保障。