分體式履帶鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

鄔 迪

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

分體式履帶鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

鄔 迪

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

目前常用的分體式鉆機(jī)和整體式履帶鉆機(jī)存在這樣的缺陷：不能將井下機(jī)動(dòng)性高、外形尺寸小、操作人員安全性高等特點(diǎn)融合在1臺(tái)設(shè)備上，使瓦斯抽采鉆孔施工效率低，鉆機(jī)對(duì)復(fù)雜鉆場(chǎng)和礦井條件適應(yīng)性差。分體式履帶鉆機(jī)是一種新型瓦斯抽采鉆孔施工裝備，由于采用分體式履帶結(jié)構(gòu)，新型鉆機(jī)外形尺寸小、井下移動(dòng)靈活，工人可遠(yuǎn)離孔口和主機(jī)對(duì)鉆孔施工進(jìn)行控制和操作。結(jié)合復(fù)雜條件礦井煤/巖層賦存條件與鉆場(chǎng)施工條件，通過分析和研究分體式履帶鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要功能、關(guān)鍵技術(shù)和液壓系統(tǒng),設(shè)計(jì)了適用于不同工況和施工環(huán)境的分體式履帶鉆機(jī)系列。工業(yè)性試驗(yàn)表明，分體式履帶鉆機(jī)外形尺寸小適中、井下機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、綜合鉆進(jìn)效率高、工藝適應(yīng)范圍廣，在復(fù)雜條件礦井具有良好的應(yīng)用前景。

煤礦 分體式履帶鉆機(jī) 瓦斯抽采 液壓系統(tǒng)

1 煤礦用鉆機(jī)分類

隨著我國(guó)煤礦向深部開采，出現(xiàn)了很多煤層瓦斯壓力高、地應(yīng)力大等復(fù)雜條件礦井。煤礦井下鉆孔是進(jìn)行瓦斯綜合治理的有效手段，而井下鉆機(jī)是進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔施工的專用設(shè)備[1-2]。常用的井下鉆機(jī)有分體式鉆機(jī)、整體式履帶鉆機(jī)、分體式履帶鉆機(jī)3大類，不同鉆機(jī)的主要特點(diǎn)和適用范圍如表1所示。

傳統(tǒng)的分體式鉆機(jī)由主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)等部分組成，井下布局靈活；但無論采用爬履式還是步履式鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，井下工作和搬遷時(shí)仍需頻繁拆卸和組裝，不但增加了輔助時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且容易造成液壓系統(tǒng)污染，導(dǎo)致閥芯卡滯或過度磨損，降低鉆機(jī)的可靠性。

表1 常用鉆機(jī)分類Table 1 Classification of common drilling machine

整體式履帶鉆機(jī)是將主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)集成安裝在履帶平臺(tái)上，具有機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度減輕、瓦斯抽采鉆孔施工效率提高等優(yōu)點(diǎn)[3-5]；但整體式履帶鉆機(jī)和操作者工作時(shí)必須直接面對(duì)可能發(fā)生瓦斯突出的鉆孔孔口，存在安全隱患；由于整體式履帶鉆機(jī)體積大，在運(yùn)輸條件較差的礦井下井時(shí)，不得不先拆解、再運(yùn)輸、井下再安裝，降低了綜合施工效率。

分體式履帶鉆機(jī)是一種新型瓦斯抽采鉆孔施工裝備，鉆機(jī)的泵車、鉆車等部分分別由履帶底盤驅(qū)動(dòng)，井下機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、各部分體積小、對(duì)礦井運(yùn)輸條件要求低，鉆機(jī)在特殊礦井(如瓦斯突出)施工時(shí)，操縱臺(tái)可遠(yuǎn)離孔口布置，提高了設(shè)備和人員的安全性。

2 分體式履帶鉆機(jī)的研制

分體式履帶鉆機(jī)是根據(jù)復(fù)雜條件礦井煤/巖層賦存條件、礦井運(yùn)輸條件和巷道鉆場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)的新型履帶式煤礦用坑道鉆機(jī)。

目前，中國(guó)煤科西安院根據(jù)鄭煤、淮北、淮南、西山等用戶的瓦斯抽采鉆孔施工要求，研制了3款不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的分體式履帶鉆機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 分體式履帶鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 Split type crawler driller parameters

2.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ZDY3200LF型和ZDY4000LF型分體式履帶鉆機(jī)(如圖1、圖2)采用2體3部分結(jié)構(gòu)，由鉆車、泵車和操縱臺(tái)3部分組成。搬遷行走時(shí)，鉆機(jī)操縱臺(tái)安裝在鉆車上，泵車和鉆車分別由履帶底盤驅(qū)動(dòng)行走；鉆孔施工時(shí)，3部分可根據(jù)鉆場(chǎng)實(shí)際工況靈活布置，各部分之間通過高壓膠管連接，提高操作人員和設(shè)備的安全性。

圖1 ZDY3200LF型分體式履帶鉆機(jī)Fig.1 ZDY3200LF split type crawler driller

圖2 ZDY4000LF型分體式履帶鉆機(jī)Fig.2 ZDY4000LF split type crawler driller

ZDY4300LF型分體式履帶鉆機(jī)(如圖3)采用緊湊型2體結(jié)構(gòu)，由鉆車、泵車組成，各部分最大寬度為0.85 m，是國(guó)內(nèi)最窄的煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)。

圖3 ZDY4300LF型分體式履帶鉆機(jī)Fig.3 ZDY4300LF split type crawler driller

研制的3款分體式履帶鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：

(1)采用分體式雙履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，符合煤與瓦斯突出礦井安全要求。由于采用分體式履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，在不影響鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，各部分體積小，寬度降低到1.15 m以內(nèi)，適合絕大部分礦井的運(yùn)輸條件和鉆場(chǎng)施工條件。鉆機(jī)施工時(shí)，回轉(zhuǎn)器、夾持器、給進(jìn)裝置等主執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在鉆車上，需布置在鉆孔孔口前方；而電機(jī)、電柜和機(jī)燈等電器設(shè)備則布置在泵車上，可遠(yuǎn)離鉆孔孔口或避開瓦斯突出方向布置，避免了瓦斯突出時(shí)攜帶的煤粉和巖石對(duì)電器隔爆性能的損害，降低了瓦斯突出對(duì)礦井安全生產(chǎn)的危害。由于操縱臺(tái)布置位置靈活，操作人員觀察孔口方便，人員和設(shè)備安全性高。

(2)鉆進(jìn)姿態(tài)調(diào)整范圍大，穩(wěn)固可靠、速度快。在煤礦井下機(jī)巷和風(fēng)巷內(nèi)，沿煤層走向施工本煤層順層鉆孔和鄰近層穿層鉆孔，鉆孔束呈平行、扇形或交叉網(wǎng)狀布置，鉆孔數(shù)量多、鉆機(jī)搬遷穩(wěn)固頻繁、施工效率要求高[3]。

鉆孔施工時(shí)，分體式履帶鉆機(jī)的鉆車部分在鉆場(chǎng)進(jìn)行短距離位置、角度調(diào)整時(shí)，泵車可原地不動(dòng)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了輔助工序效率；主機(jī)置于鉆車車體回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，方位角調(diào)整范圍達(dá)到180°，方便進(jìn)行巷道兩側(cè)幫和迎頭的瓦斯抽采鉆孔施工；主機(jī)最大仰角可達(dá)到80°，滿足了穿層鉆孔的施工要求；為了提高施工的穩(wěn)定性和穩(wěn)固速度，鉆車上采用三級(jí)穩(wěn)固油缸系統(tǒng)，分別對(duì)履帶車體、回轉(zhuǎn)平臺(tái)和主機(jī)進(jìn)行穩(wěn)固，整體穩(wěn)固可靠，可有效避免強(qiáng)力起拔時(shí)鉆機(jī)移位事故的發(fā)生。

2.2 液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

分體式履帶鉆機(jī)液壓系統(tǒng)根據(jù)其功能可分為泵車系統(tǒng)和鉆車系統(tǒng)2部分。泵車系統(tǒng)提供動(dòng)力源，鉆車系統(tǒng)為執(zhí)行和控制部分，2部分各包含1組行走控制系統(tǒng)。

鉆機(jī)行走時(shí)，Ⅰ泵、Ⅱ泵輸出的高壓介質(zhì)分別進(jìn)入鉆車和泵車行走多路閥，獨(dú)立控制鉆車和泵車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和速度。工作時(shí)，Ⅰ泵、Ⅱ泵輸出的高壓介質(zhì)通過單向閥組合流，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)回路；Ⅲ泵輸出的高壓介質(zhì)通過副泵油路板調(diào)壓和限壓后，驅(qū)動(dòng)給進(jìn)/起拔回路，回轉(zhuǎn)回路和給進(jìn)回路的參數(shù)可獨(dú)立調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。由于行走多路閥采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，行走控制手柄誤操作后履帶無動(dòng)作，提高了鉆機(jī)穩(wěn)固的可靠性和人員安全。

分體式履帶鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：

(1)具有豐富聯(lián)動(dòng)功能的泵控液壓系統(tǒng)。分體式履帶鉆機(jī)采用了泵控液壓系統(tǒng)，對(duì)比傳統(tǒng)的閥控系統(tǒng)，減少了高壓溢流損失，具有能耗低、發(fā)熱量小、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，適合地層軟硬變化頻繁的穿層鉆孔施工[6-9]。

系統(tǒng)具有卡轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)、卸扣聯(lián)動(dòng)、夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)等聯(lián)動(dòng)回路，通過1個(gè)操作閥實(shí)現(xiàn)夾持器、卡盤、回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)等主執(zhí)行機(jī)構(gòu)的符合動(dòng)作，降低了誤操作發(fā)生概率和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，人機(jī)互動(dòng)性好[10-12]。

(2)雙泵驅(qū)動(dòng)工作回路。為了實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)2車體井下的獨(dú)立行走和控制，采用雙泵獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制，2部分壓力和流量無相互影響，井下行走的穩(wěn)定性和操控精確性好。

3 分體式履帶鉆機(jī)的應(yīng)用

2011年9月，ZDY3200LF型和ZDY4000LF型分體式履帶鉆機(jī)分別在鄭州煤業(yè)集團(tuán)淮北礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

ZDY4000LF型分體式履帶鉆機(jī)在淮北礦業(yè)集團(tuán)蘆嶺煤礦Ⅱ817-2#機(jī)巷內(nèi)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。其中，普通ZDY3200S型分體式鉆機(jī)瓦斯抽采鉆孔深度在60～70 m，而新型ZDY4000LF型鉆機(jī)鉆孔深度達(dá)到90 m以上，平均月進(jìn)尺達(dá)到1 978 m。在Ⅱ842巷道內(nèi)，ZDY4000LF型鉆機(jī)鉆孔平均月進(jìn)尺3 252 m，最大月進(jìn)尺達(dá)到4 068 m。ZDY4000LF和ZDY3200S型鉆機(jī)平均月進(jìn)尺如表3所示。

表3 鉆機(jī)進(jìn)尺對(duì)比Table 3 Drilling footage contrast

工業(yè)性試驗(yàn)中，對(duì)ZDY3200S和ZDY4000LF型鉆機(jī)在搬運(yùn)、調(diào)角和穩(wěn)固3個(gè)輔助工序的人員和耗時(shí)方面進(jìn)行對(duì)比(如表4)得出，ZDY4000LF型鉆機(jī)輔助工序工人勞動(dòng)強(qiáng)度和耗時(shí)減少50%以上，證明新型分體式履帶鉆機(jī)井下機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、調(diào)角和穩(wěn)固操作方便、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，滿足高效的瓦斯抽采鉆孔施工要求。

表4 鉆機(jī)輔助工序?qū)Ρ萒able 4 Rig auxiliary process comparison

通過工業(yè)性試驗(yàn)表明，新型ZDY4000LF型分體式履帶鉆機(jī)綜合施工效率提高20%以上，輔助工序效率提高50%以上，平均鉆孔深度提高30%以上。工業(yè)性試驗(yàn)檢驗(yàn)了新型分體式履帶式全液壓鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力、鉆機(jī)可靠性和靈活性、液壓系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，為分體式履帶鉆機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

作為一種新型鉆機(jī)，分體式履帶鉆機(jī)系列產(chǎn)品性能可靠，系列產(chǎn)品滿足類似西南礦區(qū)小型巷道運(yùn)輸、施工條件和類似兩淮礦區(qū)高瓦斯突出礦井的安全要求。分體式履帶鉆機(jī)開孔姿態(tài)調(diào)整范圍大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、工藝適應(yīng)范圍廣、施工效率高，是煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工的新型裝備。

[1] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992. Yu Qixiang.Mine Gas Prevention and Control[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,1992.

[2] 石智軍,胡少韻,姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2008. Shi Zhijun，Hu Shaoyun，Yao Ningping.New Drilling Construction Technology of Pumping(Putting) Gas in Coal Mine[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,2008.

[3] 姚 克.ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)的研制及應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭,2012,38(1):68-71. Yao Ke.Development and application of ZDY series all hydraulic crawler driller[J].China Coal，2012,38(1):68-71.

[4] 盧 寧,趙繼云,張德生,等.煤礦井下全液壓鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦機(jī)械,2011(3):1-3. Lu Ning,Zhao Jiyun,Zhang Desheng,et al.Present situation and developing tendency of underground coal mine hydraulic drilling machine[J].Coal Mine Machinery,2011(3):1-3.

[5] 姚寧平,孫榮軍,葉根飛.我國(guó)煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工裝備與技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(3):12-16. Yao Ningping，Sun Rongjun，Ye Genfei.Equipment and technology of borehole construction for gas drainage in China underground mine[J].Coal Science and Technology,2008,36(3):12-16.

[6] 殷新勝,田宏亮,姚 克,等.負(fù)載敏感技術(shù)在全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī)上的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(1):75-77. Yin Xinsheng，Tian Hongliang，Yao Ke，et al.Application of load sensitive technology to mine roadway hydraulic driving head drilling rig[J].Coal Science and Technology，2008,36(1):75-77.

[7] 張建明,劉慶修,田宏亮,等.煤礦井下千米定向鉆機(jī)液壓控制特性分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(S2):341-345. Zhang Jianming，Liu Qingxiu，Tian Hongliang，et al.Performance analysis of hydraulic control for kilometer directional rig used in underground coalmine[J].Journal of China Coal Society，2012,37(S2):341-345.

[8] 姚 克,凡 東,殷新勝.基于泵控液壓技術(shù)的ZDY4000L履帶鉆機(jī)液壓系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009,37(3):68-70. Yao Ke，F(xiàn)an Dong，Yin Xinsheng.Hydraulic system of ZDY4000L crawler driller based on pump controlled hydraulic technology[J].Coal Science and Technology,2009,37(3):68-70.

[9] 方 鵬,田宏亮,鄔 迪,等.ZDY6000LD(A)型履帶式全液壓定向鉆機(jī)及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2011,39(2):75-77. Fang Peng，Tian Hongliang，Wu Di，et al.Development and application of the track-mounted ZDY6000LD(A) hydraulic directional drilling rig[J].Coal Geology and Exploration，2011,39(2):75-77.

[10] 姚 克,孫保山,殷新勝,等.ZDY系列履帶定向鉆機(jī)的研制及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(3):28-31. Yao Ke，Sun Baoshan，Yin Xinsheng，et al.Development and application of ZDY series crawler mode directional drilling rig [J].Coal Science and Technology,2013,41(3):28-31.

[11] 孫保山,殷新勝,田宏亮.ZDY6000L履帶式全液壓坑道鉆機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].煤炭工程,2008(3):94-96. Sun Baoshan，Yin Xinsheng，Tian Hongliang.Design and experiment of ZDY6000L caterpillar type full hydraulic tunnel drilling rig[J].Coal Engineering,2008(3):94-96.

[12] 田宏亮.大直徑近水平長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采全液壓坑道鉆機(jī)的研制[J].煤炭工程,2008(10):97-99. Tian Hongliang.Development of mining full hydraulic tunnel drilling drainage with large diameter horizontal long borehole gas[J].Coal Engineering,2008(10):97-99.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Development and Application of the Split Crawler Drilling Rig

Wu Di

(CCTEGXi'anResearchInstitute，Xi'an710077，China)

There are some shortcomings in the split drilling rig and the entire crawler drilling rig，that can not integrate such functions as high flexibility，small size，high personnel security into one device.So the drilling efficiency for gas extraction is lowered and the drilling rig has a poor adaptability under complex drilling field and mines.The split crawler drilling rig is a new type of drilling and construction equipment for gas extraction.Due to its split and crawler structure，this new-type rig owns small size，flexible underground mobility，and workers can stay away from the orifice and the host to realize control and operation of drilling.Combined with complex conditions of coal mine/rock occurrence and drilling field，and based on analysis and investigation of the structural features，the main function，the key technologies and the hydraulic systems of split crawler drilling rig，the split crawler rig series for different condition and construction environment were designed.The industrial test showed that the split crawler rig has moderate dimensions，high flexibility at underground，high comprehensive drilling efficiency，and wide adaptability.It has a good prospect in mines with complex conditions.

Coal mine，Split-type crawler drilling rig，Gas drainage，Hydraulic system

2013-12-01

“十二五”國(guó)家油氣重大專項(xiàng)(編號(hào)：2011ZX05041-001)。

鄔 迪(1980—)，男，副研究員，碩士。

P634.3

A

1001-1250(2014)-03-120-04