新型中深孔采礦鉆車研究

侯仰松，劉欽山，柳愛民，趙統(tǒng)武，甘海仁，高波

（1.魯中冶金礦業(yè)集團(tuán)公司，山東萊蕪271100；2.長沙礦冶研究院，湖南長沙410012）

1 前言

中深孔鑿巖設(shè)備的鉆孔能力和生產(chǎn)效率是制約我國地下礦山采礦效率和生產(chǎn)發(fā)展的主要技術(shù)矛盾。

我國目前一些礦山采用的中深孔鑿巖設(shè)備主要是氣動鑿巖設(shè)備。這些設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但其鉆孔效率低，自動化程度差，工作條件惡劣，特別是鉆進(jìn)深孔能力差，不能滿足大結(jié)構(gòu)參數(shù)采礦法鉆孔的需要。近年來，少數(shù)大型地下礦山引進(jìn)了國外全液壓采礦鉆車，全液壓鉆車雖然具有鉆孔效率高、鉆進(jìn)深孔能力強(qiáng)、作業(yè)條件好等優(yōu)點，但其價格昂貴，且系統(tǒng)復(fù)雜，備品備件難以保證，維修保養(yǎng)困難，難以在我國廣泛推廣。因此，借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗，開發(fā)一種起點高、系統(tǒng)簡單、工作可靠、鉆孔能力強(qiáng)、自動化程度高、工作條件好、符合我國國情的新型高效鑿巖設(shè)備就成為必然的選擇。

此中深孔采礦鉆車與國內(nèi)現(xiàn)有氣動采礦鉆車相比，具有鉆進(jìn)速度快（為其2～3倍）、且具有較高的自動化水平；與國外全液壓鉆車比，技術(shù)生產(chǎn)率可達(dá)其80%以上，但保持了氣動鑿巖設(shè)備可靠性高、便于維修、價格低（僅為進(jìn)口鉆車的1/2）的特點，便于推廣應(yīng)用。

2 鉆車總體方案

鉆車采用全液壓方案，鑿巖機(jī)采用HYD300型液壓鑿巖機(jī)，具有較高的鉆孔效率。

2.1 液壓鑿巖機(jī)

HYD300型液壓鑿巖機(jī)性能遠(yuǎn)高于YGZ90型氣動鑿巖機(jī)，其主要技術(shù)特性比較見表1。

表1 SCOP1238液壓鑿巖機(jī)和YGZ90氣動鑿巖機(jī)主要技術(shù)特性比較

由表中可以看出：

（1）液壓鑿巖機(jī)的輸出總功率為氣動鑿巖機(jī)的3.07倍，這是液壓鑿巖機(jī)具有高效率的根本原因，其鑿速一般可達(dá)氣動鑿巖機(jī)的2～3倍。

（2）由于液壓鑿巖機(jī)采用液壓傳動，其能量利用率大大提高，為氣動鑿巖機(jī)的6.8倍。

鑿巖機(jī)外形見圖1。

2.2 車體

采用通用底盤，其相關(guān)的主要技術(shù)性能和參數(shù)與芬蘭Tamrock公司QUASAR 1L采礦鉆車車體極其相近，相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較見表2。

2.3 鉆臂和推進(jìn)器

鉆臂技術(shù)特性為：

推進(jìn)器回轉(zhuǎn)±45°

圖1 HYD300液壓鑿巖機(jī)外形

推進(jìn)器俯仰向前45°，向后34°

推進(jìn)器補償700mm

推進(jìn)器平移1100mm

推進(jìn)器技術(shù)特性：

總長2800mm

釬桿長1120mm

最小工作高度2800mm

最大工作高度3500mm

最大推進(jìn)力20kN

3 液壓系統(tǒng)

表2 兩種車體的相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較

3.1 鉆車工作的液壓參數(shù)要求及油泵配置

1、鉆車工作的液壓參數(shù)要求及油泵配置見表3

表3 鉆車工作的液壓參數(shù)要求及油泵配置

軸向柱塞泵供鑿巖機(jī)沖擊和鉆車行走。

齒輪泵供鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)、鉆車轉(zhuǎn)向、鉆臂移位、卷纜和制動。

系統(tǒng)采用兩個油箱，一個用于軸向柱塞泵回路；另一個用于齒輪泵回路。

3.2 行走回路

行走采用閉式回路（見圖2），由軸向柱塞泵-液壓馬達(dá)驅(qū)動鉆車行走。

圖2 行走回路

3.3 液壓鑿巖機(jī)工作回路

液壓鑿巖機(jī)工作回路見圖3。

圖3 液壓鑿巖機(jī)工作回路

沖擊回路由軸向變量柱塞泵供油，系統(tǒng)壓力由電磁溢流閥實現(xiàn)兩級壓力控制，在鉆頭未頂緊巖面時，電磁溢流閥為低壓狀態(tài)，用于實現(xiàn)輕沖擊保護(hù)鑿巖機(jī)；當(dāng)鑿巖機(jī)頂緊巖面時，電磁溢流閥為高壓狀態(tài)，使鑿巖機(jī)變?yōu)閺?qiáng)力沖擊，用于鑿巖。電磁溢流閥的壓力變換受沖壓變換開關(guān)或推進(jìn)繼電器控制。手動換向閥用于控制啟閉液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)。液壓鑿巖機(jī)在工作時，沖擊回路單獨回油，以減少背壓。

旋轉(zhuǎn)回路由齒輪泵供油，經(jīng)電磁換向閥進(jìn)入旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，換向閥用于控制轉(zhuǎn)向。

推進(jìn)回路由齒輪泵供油，串接手動和電磁換向閥控制推進(jìn)馬達(dá)，以實現(xiàn)鑿巖機(jī)的進(jìn)退。手動和電磁換向閥的A、B出油口并接于推進(jìn)馬達(dá)，可分別實現(xiàn)推進(jìn)的手控和電控（電控用于遙控和防卡控制）。在推進(jìn)馬達(dá)的進(jìn)油路上并接一個單獨的溢流閥，用于調(diào)整推進(jìn)壓力。

3.4 鉆臂回路

鉆臂回路由齒輪泵供油，見圖4。

圖4 鉆臂回路

鉆臂回路各執(zhí)行元件（1）由多路換向閥（4）操縱，其回路壓力由閥組中的溢流閥整定。

除夾釬器油缸外，其余各執(zhí)行元件均設(shè)有外置雙向液壓鎖（2），其作用是防止泄漏引起油缸位置的改變。

在俯仰油缸和鉆臂旋轉(zhuǎn)油缸回路中，安裝了節(jié)流-單向閥（3），以控制油缸速度，避免引起系統(tǒng)的油壓沖擊；并減小移動速度。

夾釬器油缸，采用了并聯(lián)油路，由多路換向閥中的一個閥控制，以簡化操作。

4 液壓鉆車的自動防卡控制

卡釬現(xiàn)象是鑿巖作業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)的“故障”，它直接影響著鑿巖過程的順利進(jìn)行，減少和防止卡釬對提高鑿巖作業(yè)整體工效有著十分重要的意義。

自動防卡釬系統(tǒng)是在液壓鑿巖鉆車上，通過液壓系統(tǒng)設(shè)置，提供預(yù)報和控制，使鉆車能自動（或輔以必要的人工操作）減少和消除卡釬故障。

推進(jìn)-沖擊控制：由推進(jìn)壓力對沖擊壓力實施控制，當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定的壓力閾值時（對應(yīng)于鉆車平時非鉆進(jìn)狀態(tài)），電磁溢流閥在低壓段工作，使鑿巖機(jī)輕沖，以保護(hù)鑿巖機(jī)和整個沖擊系統(tǒng)；當(dāng)推進(jìn)壓力高于設(shè)定的壓力閾值時（對應(yīng)于鉆車鉆進(jìn)工況），由壓力繼電器發(fā)出信號，使電磁溢流閥切換至高壓段，實現(xiàn)鑿巖機(jī)強(qiáng)力沖擊。

旋轉(zhuǎn)-推進(jìn)控制，由旋轉(zhuǎn)壓力對推進(jìn)方向?qū)嵤┛刂?，?dāng)鉆進(jìn)過程面臨卡釬（旋轉(zhuǎn)壓力高于設(shè)定壓力閾值）時，由壓力繼電器發(fā)出信號，使推進(jìn)換向閥換向，鑿巖機(jī)后退，同時鑿巖機(jī)輕打，避免卡死。

系統(tǒng)同時通過自動/手控轉(zhuǎn)換開關(guān)，并聯(lián)有手動系統(tǒng)，以備清孔和在防卡系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。

實施方案見圖5。

5 鉆車試驗

建立了寬5.4m、高3.2m的立式試驗臺架，進(jìn)行了鉆車行走、鉆臂移位和鑿巖試驗。

鉆車行走和鉆臂移位功能達(dá)到了設(shè)計預(yù)定的要求。

鑿巖試驗采用花崗巖（f=14～16）、T38-1100接桿釬、φ76球齒鉆頭，試驗結(jié)果見表4。

試驗表明：鉆車液壓系統(tǒng)能分別滿足鉆車行走，鉆臂移位和液壓鑿巖機(jī)工作的需要。在采用φ76鉆頭的情況下，其鑿巖速度可達(dá)726～853mm/min，約為同樣情況下采用氣動鑿巖機(jī)（YGZ90）鑿速的2倍，顯示了液壓鑿巖機(jī)高的鉆孔效率。

圖5 實施方案

表4 鑿巖速度試驗結(jié)果

6 結(jié)語

本文介紹了一種新的采用通用底盤研制的中深孔液壓采礦鉆車，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、通用化程度高、全部國產(chǎn)化和鉆孔效率高等特點。在產(chǎn)品生產(chǎn)定型后，適于在我國地下小截面巷道金屬礦山推廣應(yīng)用。