ZDY2-1000LF型探放水鉆機的研制及應(yīng)用

闞志濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤炭儲量與產(chǎn)量豐富，煤炭賦存水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦開采過程中，受水威脅的面積、類型和威脅程度非常嚴重[1]。水害具有突發(fā)性強、危害性大等特點，它會在短期內(nèi)對煤礦造成無法估量的傷害[2]。而掘進工作面探放水作為最直接、有效探查巷道前方水文地質(zhì)情況的方式，在預(yù)防煤礦水害事故中發(fā)揮著越來越重要的作用[3，4]。

目前我國大多數(shù)煤礦掘進巷道前要求在掘進工作面施工多個不同方位、角度的探水孔，以便更全面地反映前方的水文地質(zhì)情況，排除安全隱患。采用的鉆探設(shè)備以常規(guī)分體鉆機為主，這類鉆機主機與泵站分開，主要為進行瓦斯抽放施工研發(fā)，雖然也可用于探水孔的施工，但其質(zhì)量大、搬遷移位困難，且每次只能施工一個鉆孔，嚴重制約了探放水孔的施工效率，進而降低了巷道掘進速度，影響礦井正常生產(chǎn)[5-10]。針對這一情況，中煤科工集團西安研究院有限公司研發(fā)了ZDY2-1000LF型高效探放水專用鉆機。鉆機具有機身窄、移動靈活、穩(wěn)固調(diào)角速度快、可同時施工兩個鉆孔的特點，有效解決了鉆掘交替矛盾問題，提高鉆孔施工效率，保證煤礦巷道安全高效掘進。

1 鉆機的總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思路

ZDY2-1000LF型探放水鉆機的總體設(shè)計思路是將鉆機分為鉆車及泵車兩部分，鉆車是執(zhí)行機構(gòu)，泵車是動力源；鉆車與泵車采用窄機身，方便與掘進機、錨桿機交替進行施工；執(zhí)行機構(gòu)包含兩個主機，液壓系統(tǒng)相對獨立，可單獨也可同時工作；主機采用多自由度變幅機構(gòu)，調(diào)角范圍廣，巷道適應(yīng)性強[11-15]。

1.2 鉆機主要性能參數(shù)

ZDY2-1000LF型探放水鉆機的主要性能參數(shù)見表1。

表1 ZDY2-1000LF型探放水鉆機主要性能參數(shù)

1.3 鉆車結(jié)構(gòu)

鉆車是鉆機的執(zhí)行機構(gòu)，由主機、操作臺、履帶車體、穩(wěn)固油缸等部分組成。

1.3.1 主機

主機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主機由回轉(zhuǎn)器、主給進裝置、夾持器、扶正器、前頂油缸、下滑動平臺、旋轉(zhuǎn)裝置、變幅機構(gòu)組成。

圖1 主機結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)器是主機的核心部件，由液壓卡盤、變速箱和液壓馬達三部分組成。液壓卡盤采用油壓夾緊、彈簧松開的常開式結(jié)構(gòu)，可選配42/50/73三種不同型式的卡瓦，滿足不同工況的施工需要。變速箱內(nèi)主軸采用中心通孔式結(jié)構(gòu)，鉆桿加/卸靈活，長度不受鉆機給進行程的限制。液壓馬達采用斜軸式軸向柱塞變量馬達，可手動調(diào)節(jié)排量，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。

主給進裝置采用單油缸雙鏈條倍速機構(gòu)，由雙桿雙作用油缸、機身、拖板、鏈條、滑輪等部件組成，如圖2所示。

圖2 油缸鏈條倍速給進機構(gòu)示意圖

設(shè)計要求的最大給進/起拔力F1不小于45kN，根據(jù)油缸鏈條給進機構(gòu)的特點，油缸理論上提供的給進/起拔力F2為F1的2倍，即F2為90kN。已知給進系統(tǒng)壓力P為18MPa，油缸缸徑D為100mm，則油缸的桿徑d可根據(jù)下式計算：

F2≤Pπ(D2-d2)/4 (1)

式中，F(xiàn)2為油缸提供的給進/起拔力，N；P為給進系統(tǒng)壓力，Pa；D為油缸缸徑，m；d為油缸桿徑，m。

代入數(shù)據(jù)，計算得到d≤60mm，參選油缸廠家標準桿徑系列后初定d=55mm。根據(jù)選取的桿徑，計算得到油缸實際提供的給進/起拔力F3為98.6kN。

鏈條的選取應(yīng)滿足極限工況下的強度要求，可按下式計算：

r=Q/F4(2)

式中，r為安全系數(shù)，一般情況下靜強度安全因數(shù)不應(yīng)小于6；Q為鏈條的最小破斷荷載，N；F4為鏈條承受的最大拉力，N。

單油缸雙鏈條結(jié)構(gòu)中單根鏈條的所承受的最大拉力F4為F3的四分之一，即F4為24.65kN，代入式(2)，鏈條的最小破斷載荷Q為147.9kN。結(jié)合設(shè)計尺寸要求，選鏈條型號為LH1644，最小破斷載荷為169kN。

夾持器用于夾持鉆桿，并配合回轉(zhuǎn)器實現(xiàn)鉆桿的擰卸。夾持器為復(fù)合式結(jié)構(gòu)，采用碟簧夾緊、油壓松開的常閉式工作方式。為增大夾持器夾持鉆桿的作用力，增加一個副油缸，回轉(zhuǎn)器反轉(zhuǎn)時壓力作用到副油缸，利用副油缸的推力和碟簧的張力共同作用夾緊鉆桿。

扶正器固定在給進裝置機身的前端，用于對鉆桿扶正，防止打鉆過程中鉆桿因重力作用下沉、偏向。前頂油缸連接變幅機構(gòu)和主給進裝置，施工時將給進機身牢牢固定在巷道幫上，保證打鉆過程中鉆機的穩(wěn)定、可靠。變幅機構(gòu)及旋轉(zhuǎn)裝置可使現(xiàn)主軸傾角在-90°～+60°，水平方位角在-90°～+90°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，下滑動平臺可調(diào)整兩主機間的水平距離，提高了鉆機巷道適應(yīng)性。

1.3.2 操作臺

鉆車操縱臺包括左主操作臺、右主操作臺、左姿態(tài)調(diào)整操作臺、右姿態(tài)調(diào)整操作臺、主輔助操作臺、鉆車行走操縱臺。

左主操作臺和右主操作臺用于兩個回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進動作，施工時可旋轉(zhuǎn)一定角度，使操作人員遠離孔口、保障人身安全；鉆車行走操縱臺用于履帶行走；左姿態(tài)調(diào)整操作臺、右姿態(tài)調(diào)整操作臺及主輔助操作臺用于兩個主機調(diào)角及車身穩(wěn)固。

1.3.3 履帶車體

履帶車體由履帶總成、車體及中央回轉(zhuǎn)減速器三部分組成。履帶總成選用無輪摩擦式履帶底盤，行走馬達選用進口元件，可靠性高，適應(yīng)于多種工作環(huán)境。車體由鋼板焊接而成，通過中央回轉(zhuǎn)減速器與履帶總成連接。

1.3.4 穩(wěn)固油缸

穩(wěn)固裝置由上穩(wěn)固裝置和下穩(wěn)固裝置組成。上穩(wěn)固裝置由上穩(wěn)固油缸、加長桿及接地裝置等組成，設(shè)置于變幅結(jié)構(gòu)上；下穩(wěn)固裝置由下穩(wěn)固油缸、接地裝置等組成，下穩(wěn)固裝置布置于車體四角，用于調(diào)平車體，保證車體穩(wěn)固。

1.4 泵車結(jié)構(gòu)設(shè)計

泵車結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。泵車是鉆機的動力源，由電機泵組、油箱、電磁啟動器、機車燈、冷卻器、行走操作臺等組成。

圖3 泵車結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)

電機泵組由串聯(lián)泵及隔爆電機組成，串聯(lián)泵通過泵座與電機固聯(lián)，泵從油箱吸油并排出高壓油，通過操縱臺的控制和調(diào)節(jié)進入各執(zhí)行機構(gòu)工作。油箱為泵提供所需的油液，同時各執(zhí)行元件的回油經(jīng)過冷卻器、回油濾油器回到油箱。行走操作臺設(shè)置在車體后端，方便人員操作。電磁起動器用于控制電機的起動、停止及機車燈的開合，具有過載、斷相、短路、漏地閉鎖等保護功能。此外，配備的液壓水泵可以提供高流量或壓力的沖洗液，縮短返渣等待時間，提高鉆孔效率。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

鉆機液壓系統(tǒng)采用開式循環(huán)四泵串聯(lián)形式，可分為水路系統(tǒng)、鉆進系統(tǒng)、鉆車行走系統(tǒng)、泵車行走系統(tǒng)及卡盤/夾持器控制系統(tǒng)。履帶行走時，Ⅱ泵向泵車行走系統(tǒng)供油、Ⅲ泵向鉆車行走系統(tǒng)供油；鉆進工作時，Ⅱ泵通過左主操縱臺驅(qū)動左主機的回轉(zhuǎn)馬達、 給進油缸等執(zhí)行機構(gòu)，Ⅲ泵通過右主操縱臺驅(qū)動右主機的回轉(zhuǎn)馬達、給進油缸等執(zhí)行機構(gòu)，左、右主機液壓系相對獨立，互不影響；水路系統(tǒng)工作時，Ⅰ泵與負載敏感閥組成負載敏感系統(tǒng)，工作時液壓泵只提供與負載相匹配的壓力、流量，液壓系統(tǒng)中不產(chǎn)生過剩壓力和過剩流量，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著；卡盤/夾持器控制系統(tǒng)相對獨立，由Ⅳ泵向兩主機的卡盤、夾持器同時供油，實現(xiàn)卡盤、夾持器的夾緊、松開。

3 鉆機試驗

3.1 型式試驗

ZDY2-1000LF型探放水鉆機在車間裝配、調(diào)試完成后在國家安全生產(chǎn)西安鉆機檢測檢驗中心的鉆機性能試驗臺上進行了測試，其負載性能測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 負載性能測試曲線

從圖4中可以看出，回轉(zhuǎn)器Ⅰ和回轉(zhuǎn)器Ⅱ在高速擋時，轉(zhuǎn)速大于280r/min，對應(yīng)扭矩大于280N·m，在低速擋時，轉(zhuǎn)速大于90r/min，對應(yīng)扭矩大于1000N·m，數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)速、扭矩均滿足設(shè)計要求。給進/起拔試驗時，分別將回轉(zhuǎn)器Ⅰ和Ⅱ主軸連接在拉力測量裝置上，在停止回轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，利用給進加載裝置由低到高逐漸加載，測得給進裝置Ⅰ和給進裝置Ⅱ的最大給進/起拔力均大于45kN。此外，還對鉆機進行了空載運轉(zhuǎn)性能、過載試驗、整機效率、溫升、耐壓等試驗，結(jié)果表明，鉆機性能良好，各測試技術(shù)指標均滿足設(shè)計及行業(yè)標準要求。

3.2 工業(yè)性試驗

2018年7月至2018年9月，ZDY2-1000LF型探放水鉆機在山西高河能源有限公司E2308主運巷掘進工作面進行了探放水施工工業(yè)性試驗。試驗共完成探放水孔施工6次，最大鉆孔深度200m，累計鉆孔深度1065m。當使用靜壓水作為沖洗液時，鉆機單主機作業(yè)2.5h完成100m鉆孔，雙主機同時作業(yè)3h完成2個100m鉆孔；當使用液壓水泵提供的水作為沖洗液時，單主機作業(yè)2h即可完成100m鉆孔。通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗檢驗了鉆機的施工效率，驗證了鉆機的結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)的可靠性，達到了預(yù)期的試驗?zāi)康摹?/p>

4 結(jié) 論

1)ZDY2-1000LF型探放水鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足煤礦巷道探放水施工的需求。

2)鉆機具有機身窄、移動靈活、穩(wěn)固調(diào)角速度快，可同時施工兩個不同方位、角度的鉆孔等特點，能大幅提高掘進工作面探水孔的施工效率。

3)鉆機的液壓系統(tǒng)分為水路系統(tǒng)、鉆進系統(tǒng)、鉆車行走系統(tǒng)、泵車行走系統(tǒng)及卡盤/夾持器控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、可靠。

4)鉆機的型式試驗和工業(yè)性試驗進一步驗證了結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)的可靠性，為煤礦安全高效掘進提供了可靠的裝備保障。