礦用掘錨一體機探放水鉆機的設計

□ 陳克鋒

山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦 山西呂梁 033100

1 設計背景

井下水害指在作業過程中地下水淹至頂板、底板突入礦井的現象,一旦發生井下水害,不但會造成極大的經濟損失,而且會導致嚴重的人員傷亡事故。因此,煤礦安全規程要求在井下巷道掘進過程中必須提前進行探放水作業,保證巷道掘進的安全性。目前在井下進行探放水時,通常使用氣動架柱式鉆機、分體鉆機或者ZLJ系列坑道鉆機進行鉆進,在作業時需要掘錨機進行讓位。這些分體式鉆機有的鉆進能力不足,有的整體結構質量大、調整靈活性差、操作難度大,嚴重影響了井下探放水的效率,限制了巷道掘進效率的進一步提升。

針對上述問題,結合國內外學者的研究經驗,設計了一種礦用掘錨一體機探放水鉆機,在掘錨機的機體上拆除通風的除塵風機,將探放水鉆機安裝在除塵風機的位置,可靈活、方便地進行更換。同時結合井下實際情況,提出礦用掘錨一體機探放水鉆機工藝流程及卡鉆處理流程,提高掘錨機的鉆進安全性。實際應用表明,礦用掘錨一體機探放水鉆機能夠很好地適應井下狹窄的巷道作業環境,可以有效提升探放水效率和安全性。

2 礦用掘錨一體機探放水鉆機設計

2.1 布局

根據煤礦井下有掘必探的要求,為了解決現有巷道掘進、錨固、支護、探放水效率低的不足,對掘錨機進行改造,增加探放水鉆機。以掘錨機為機體,通過液壓泵站和電控系統實現對探放水鉆機的調控,實現在巷道內的自動探放水作業,減少鉆孔準備時間,提升探放水作業效率。探放水鉆機布局如圖1所示。

圖1 探放水鉆機布局

布局包括探放水鉆機、液壓泵站及電控系統。探放水鉆機安裝于掘錨機機體上原先安裝除塵風機的位置,不占用掘錨機額外的機體結構,因此不影響掘錨機在井下的作業。

掘錨機在達到掘進深度后,開始轉為鉆探狀態,利用推移油缸將鉆進模塊頂出至探放水鉆機為止。然后利用回轉驅動機構對探放水鉆機的水平角進行調整,滿足指定傾角的鉆進需求。在鉆進的過程中輔以俯仰角調整,避免在鉆進過程中探放水鉆機和掘錨機機體干涉。

2.2 結構

探放水鉆機結構如圖2所示。

圖2 探放水鉆機結構

探放水鉆機包括框架、連接平臺、垂直旋轉回轉驅動、水平回轉驅動、支撐立柱回轉驅動、液壓夾持器等結構。連接平臺用于將探放水鉆機機體固定至掘錨機上。垂直旋轉回轉驅動用于控制探放水鉆機的旋轉角度,滿足不同鉆進傾角的需求。動力頭在推進油缸的作用下控制鉆頭的鉆進。支撐立柱用于對探放水鉆機進行支撐,確保探放水鉆機在進行探放水孔鉆進時的穩定性和精確性。

2.3 安裝

探放水鉆機在工作狀態時需要從掘錨機上伸出,在非工作狀態下需要收起,而且在進行鉆進時需要支護,在鉆進時還需保證不能和機架干涉,因此對探放水鉆機的安裝要求極高。

在綜合分析后,確定了探放水鉆機安裝連接方案,如圖3所示。

圖3 探放水鉆機安裝連接方案

探放水鉆機的安裝充分利用了原有除塵風機的連接孔,無需增加額外的連接孔,方便進行更換和維護,提高了探放水鉆機的應用靈活性。

3 控制

3.1 鉆進流程

礦用掘錨一體機井下施工通常配備直徑75 mm的復合內凹鉆頭,所用鉆桿的直徑為50 mm,鉆桿組合長度可達1 000 m。在鉆進過程中,液壓控制系統的冷卻器使用井下靜壓水沖洗冷卻。為了避免靜壓水壓力過大導致冷卻器損壞,在管道中間位置安裝截止閥,用于管道系統的保護。為了提升鉆進效率,優化后的礦用掘錨一體機采用中間加桿、后側卸桿的加卸方式,在鉆進時無需反復拆卸,提高了換桿效率。

為了保證鉆進施工的可靠性,結合礦用掘錨一體機運行方式,開發了探放水鉆機鉆進工藝流程。探放水鉆機行駛至鉆進位置后,進行探放水鉆機穩固,待接通沖洗液后開始進行鉆進。整個鉆進工藝流程如圖4所示。

圖4 探放水鉆機鉆進工藝流程

3.2 卡鉆處理

井下地質結構較為復雜,在鉆進過程中可能會出現卡鉆情況。根據分析,卡鉆的主要原因包括兩種,一種是排渣受阻導致,另一種是井下地層突變或者存在裂隙導致。出現卡鉆以后,輕者會影響鉆進效率,重者會導致鉆頭斷裂,引發鉆進安全事故。結合施工經驗,制定了掘錨一體機鉆進時的井下卡鉆處理流程,如圖5所示。

圖5 井下卡鉆處理流程

在鉆進過程中,卡鉆檢測系統會對探放水鉆機的鉆進壓力進行監控。當鉆進壓力大于系統預設的鉆進閾值時,系統判斷出現了卡鉆。此時先關閉推進油缸,停止動力頭旋轉,避免卡鉆程度加劇。之后控制鉆頭返鉆退出,每次退后距離為200 mm。再控制鉆頭正轉進給,繼續進行作業。若還存在壓力升高的問題,則進一步退鉆,直至正常進給。

4 應用

4.1 應用情況

某礦井下1號煤層的埋深為440～520 m,平均煤層厚度為7.12 m。該煤層上側為中粒砂巖,平均厚度為4.1 m,下側為泥巖和細粒砂巖的混合結構層,平均厚度為0.88 m。井下運輸巷的斷面寬度為5 300 mm,高度為3 600 mm。為了保證井下掘進安全,設置了1號～4號共四個探放水孔,鉆孔深度為100 m,掘進進尺為69 m。掘進作業面鉆孔布置如圖6所示。

圖6 作業面鉆孔布置

鉆孔參數見表1。

表1 鉆孔參數

4.2 應用效果

利用礦用掘錨一體機探放水鉆機鉆孔,在鉆進過程中采用井下靜壓水方式進行介質沖洗,單臂只需要2.2 h就能完成一個100 mm鉆孔的施工,包括調整時間四個鉆孔只需4.5 h即可完成,相較于采用分體式鉆進方案,鉆進時間縮短了60.4%。在鉆進過程中礦用掘錨一體機探放水鉆機移動靈活,調整速度快,從而提升了巷道井下的掘進效率和安全性。

5 結束語

在原有掘錨機基礎上提出了結構優化方案,將探放水鉆機集成至掘錨機上,實現了掘錨、鉆孔一體化作業。探放水鉆機布局主要包括探放水鉆機、液壓泵站及電控系統,探放水鉆機位于掘錨機機體上原先安裝除塵風機的位置,應用靈活。

礦用掘錨一體機采用中間加桿、后側卸桿的加卸方式,在鉆進時無需反復拆卸,可提高換桿效率。

實際應用表明,礦用掘錨一體機探放水鉆機較傳統分體式鉆機鉆進時間縮短60.4%,能夠顯著提升井下探放水作業的效率和安全性。