大功率定向鉆探機性能試驗研究

尚澤龍

（晉能控股煤業集團四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

隨著煤炭工業的發展和大型綜采設備在工作面的應用，煤礦的開采長度和深度不斷增加，對地質條件復雜的工作面，只有充分掌握其地質規律和礦壓規律，才能保證整個工作面的高效、安全生產。地質鉆探機是地質勘探的主要設備，目前國內各種型號的地質鉆探機在實際應用中存在鉆孔深度淺、鉆進速度慢以及鉆進參數無法存儲和實時動態監測的問題[1]。因此，為滿足實際鉆探需求，提升鉆探機的功率成為解決問題的主要途徑之一。本文重點對大功率地質鉆探機進行設計，并對其性能進行試驗研究。

1 大功率鉆探機結構分析與設計

如何提高地質鉆探機的鉆探精度和適用范圍，對地質條件的勘測尤為重要。為了滿足煤礦井下相對惡劣的生產環境和復雜的地質條件，有必要研發一款大功率、大扭矩、功能全面且集成性高的鉆探機。

1.1 大功率鉆探機的功能分析

結合實際生產需求，要求地質鉆探機必須能夠完成超長、高位、大直徑的鉆孔。因此，要求大功率鉆探機具有大扭矩輸出、大起拔能力等。同時，大功率鉆探機還需配置高性能的泥漿泵，以滿足高壓力、大流量泥漿的輸出和排渣需求。

在實際施工過程中，鉆探機還需具備機械化擰卸鉆桿、主軸制動等功能。同時，為了能夠在工作面快捷地搬遷移位，要求鉆探機具備方便行走的功能。為保證鉆探機整機的輸出能力較大且整機能獨立布局，采用全液壓傳動的動力頭式結構[2]。結合鉆探機的實際應用需求，大功率鉆探機需滿足如下特點：大通孔式全液壓動力頭可實現主軸制動功能；可滿足多種施工條件下的鉆進工藝需求；為滿足不同角度的施工需求，整機布置遵循大功率緊湊型布置的原則；要求鉆探機具備鉆進參數實時動態監測和可快速實現擰卸鉆桿的功能。

在實際生產需求和理論計算的基礎上，大功率鉆探機的主要性能參數如表1 所示。

表1 大功率鉆探機性能參數

1.2 大功率鉆探機功能模塊設計

考慮到煤礦的使用環境，大功率鉆探機采用分體式布局形式，主要由鉆機和泵車組成，其結構如圖1 所示。

圖1 大功率鉆探機結構圖

1.2.1 動力泵設計

動力泵為大功率鉆探機的核心動力機構，根據實際工況需求為其配置三個液壓油泵。其中，在實際鉆進施工過程中由兩個泵驅動，當其中一個存在故障中由第三個液壓油泵進行驅動。

1.2.2 泥漿泵單元設計

鉆探機所配套的泥漿泵主要為鉆探機的孔底動力鉆提供動力介質，同時有助于排渣功能和冷卻孔底鉆頭的作用[3]。為實現泥漿泵的無級調節，本工程采用大扭矩液壓馬達直接驅動式對泥漿泵進行控制，整個系統的連接如圖2 所示。

圖2 泥漿泵系統連接圖

2 大功率鉆探機的性能試驗

大功率鉆探機的工作性能直接決定其鉆進性能和安全性。本文主要對大功率鉆探機進行室內試驗和現場工業性試驗。

2.1 室內試驗

鉆探機室內試驗通過在實驗室內搭建試驗平臺完成，主要包括機械加載系統和性能測試系統。通過性能測試系統對大功率鉆探機的性能進行測試，包括在空載、負載和過載情況下對行走性能、整機效率和安全性等進行測試[4]。

對大功率鉆探機的性能參數與設計初期的參數進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 大功率鉆探機測試性能參數與設計性能參數對比

分析表2 可知，大功率鉆探機在綜合性能參數的實際測量值和設計值之間的偏差不大，且實際測試性能均高于設計性能，即大功率鉆探機性能滿足設計要求。

2.2 工業性試驗

通過現場試驗方式對大功率鉆探機性能進行評價，進行工業性試驗的工作面煤層的平均厚度為6.5m，煤層條件相對穩定。煤層所屬工作面的地質條件如表3 所示。

表3 試驗工作面地質條件

為驗證大功率鉆探機的性能，在實際工作面完成2 個試驗鉆孔，其中1 號試驗孔的深度為1 880 m，鉆孔直徑為120 mm。2 號試驗孔的深度為1 200 mm，鉆孔直徑為120 mm。經現場試驗可知：1 號試驗孔的實際鉆孔深度為1 881 m，鉆孔直徑為121 mm，對應的總進尺為2 601 m；2 號試驗孔的實際鉆孔深度為1 209 m，鉆孔直徑為121 mm，對應的總進尺為1 767 m。鉆孔記錄具體如下：

1）在1 號試驗孔施工時，平均進尺為210 m。在整個過程中鉆探機給進壓力和回轉壓力分別為4.1MPa 與6 MPa，遠小于鉆探機的額定壓力值，在整個過程中鉆探機的各個關鍵部件和整個液壓系統均處于穩定狀態。

2）在2 號試驗孔施工時，當鉆進至1 188 mm時，鉆探機鉆頭出現較為嚴重的卡鉆事故，在大功率、大扭矩的作用下鉆頭被解出，且并未發生損壞現象。整個過程中鉆探機給進壓力和回轉壓力分別為4.2 MPa 和6.6 MPa，遠小于鉆探機的額定壓力值，在整個過程中鉆探機的各個關鍵部件和液壓系統均可穩定運行[5]。

3 結語

鉆探機為煤礦生產中必不可少的設備，該設備主要用于對煤礦地質勘探，為保證勘探結果的準確性，對鉆探機的性能提出了更高的要求，尤其是在實際鉆進過程中的鉆進速度、精度等要求。本文所設計的大功率鉆探機主要對其進行室內和現場試驗驗證其性能，試驗結果證明：鉆探機的整個結構合理且穩定性強；整個鉆探機的工業性適應能力強，且該設備的鉆進效率極高；在實際操作中，鉆探機液壓操作系統具有操作方便靈活且對應性能穩定等優勢；在實際操作中，現場操作人員可通過上位機實時掌握鉆探機的動態參數。