ZDY15000LD大功率定向鉆機(jī)研制

張 銳

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

順煤層鉆孔抽采瓦斯是煤礦井下最直接、最有效的瓦斯抽采方法，目前我國(guó)煤礦井下普遍采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔方法進(jìn)行井下瓦斯抽采，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)存在鉆孔盲區(qū)，無法精確了解鉆孔的軌跡。為了增大瓦斯抽放效果，需要施工大量的瓦斯抽放孔，難以滿足煤礦井下高效開采的要求。水平定向鉆孔技術(shù)可以精確控制鉆孔軌跡，確保施工過程中鉆孔在煤層中延伸，提高鉆孔瓦斯采效果[1-2]。

大型開采設(shè)備在煤礦的應(yīng)用，導(dǎo)致礦井的規(guī)模和工作面的長(zhǎng)度不斷增加，例如在神東、陜北等大型礦井的工作面長(zhǎng)度最大已達(dá)6 000 m。為了滿足超長(zhǎng)工作面瓦斯抽采鉆孔施工的需要，迫切需要開展1 500 m以上本煤層超長(zhǎng)定向鉆孔施工裝備的研究，達(dá)到超長(zhǎng)定向鉆孔高效施工和精確控制的需要，因此開展大功率定向鉆探技術(shù)裝備研發(fā)的工作勢(shì)在必行[3-4]。

1 鉆機(jī)總體方案和性能參數(shù)

大功率定向鉆機(jī)采用雙列并排布局設(shè)計(jì)，車體寬度為1.6 m，符合井下狹窄巷道緊湊性布局要求[5]。鉆機(jī)平臺(tái)上集成有防爆計(jì)算機(jī)和鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡控制和鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)；采用1 200 mm長(zhǎng)行程給進(jìn)裝置，通過雙桿雙作業(yè)油缸有效提高提起下鉆速度；平臺(tái)前端設(shè)計(jì)操縱臺(tái)，可以方便隨時(shí)觀察孔口情況，鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 ZDY15000LD鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural configuration of ZDY15000LD drilling rig

根據(jù)長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)對(duì)大功率定向裝備的需求進(jìn)行鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定其主要參數(shù)如下：①額定轉(zhuǎn)矩：15 000～3 500 N·m；②額定轉(zhuǎn)速：40～135 r/min；③制動(dòng)轉(zhuǎn)矩：3 000 N·m；④主軸傾角：-10°～20°；⑤最大給進(jìn)/起拔力：300 kN；⑥給進(jìn)/起拔行程：1 200 mm；⑦電動(dòng)機(jī)額定功率：132 kW；⑧外形尺寸：4.2 m×1.6 m×1.9 m。

2 鉆機(jī)關(guān)鍵部件

2.1 雙馬達(dá)大扭矩回轉(zhuǎn)器

回轉(zhuǎn)器具備夾緊鉆桿并將液壓馬達(dá)輸出的動(dòng)能傳遞給鉆桿，是鉆進(jìn)動(dòng)力的輸出端[6]。

為了達(dá)到較大的轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)范圍，設(shè)計(jì)中采用2個(gè)液控變量馬達(dá)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的無極調(diào)節(jié)?；剞D(zhuǎn)器采用行星減速和一級(jí)斜齒輪減速相配合的兩級(jí)減速型式，實(shí)現(xiàn)大減速比條件下的小體積設(shè)計(jì)?；剞D(zhuǎn)器一級(jí)行星減速單元包括中心輪、行星輪、行星輪架和內(nèi)齒圈構(gòu)成。兩級(jí)齒輪傳動(dòng)總的傳動(dòng)比為11.76，回轉(zhuǎn)器傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖2。

回轉(zhuǎn)器的輸出扭矩M為：

圖2 回轉(zhuǎn)器傳動(dòng)示意圖Fig.2 Transmission schematic of rotary head

式中:△p 為壓力差，MPa；qm為馬達(dá)排量，mL/r；ηmm為馬達(dá)的機(jī)械效率；k為馬達(dá)個(gè)數(shù)；i為回轉(zhuǎn)器減速比。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選用的液壓馬達(dá)為200 mL軸向柱塞馬達(dá)，理論排量為50～200 mL/r，馬達(dá)個(gè)數(shù)為2，回轉(zhuǎn)器的輸出轉(zhuǎn)矩和參數(shù)見表1。

表1 回轉(zhuǎn)器輸出性能參數(shù)表Table 1 Table of output performance parameters of rotary head

回轉(zhuǎn)器上安裝有液壓制動(dòng)裝置，用于定向鉆進(jìn)時(shí)主軸制動(dòng)，可以有效鎖緊鉆柱，確保螺桿鉆具在鉆進(jìn)過程中不會(huì)隨意轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 給進(jìn)裝置

給進(jìn)裝置除了用于向鉆頭施加軸向力給給進(jìn)鉆具、提升鉆具、承載擰卸鉆桿扭矩外，還用于孔內(nèi)出現(xiàn)埋鉆、掉鉆事故時(shí)打撈孔內(nèi)鉆具[7]。給進(jìn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧考慮機(jī)身長(zhǎng)度和給進(jìn)行程參數(shù)，設(shè)計(jì)中采用2個(gè)110/55的雙桿雙作用油缸，活塞桿兩端固定在機(jī)身的前后兩端，油缸上安裝有卡套，缸筒來回運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)安裝在托板上的回轉(zhuǎn)器前后運(yùn)動(dòng)。給進(jìn)裝置導(dǎo)軌與機(jī)身采用螺栓連接，上襯板與導(dǎo)軌磨損嚴(yán)重時(shí)可整體更換，拖板組件為鑄造式結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整螺釘可以調(diào)整夾板與導(dǎo)軌間隙。機(jī)身導(dǎo)軌和托板下襯板采用高性能耐磨材料，使用壽命長(zhǎng)，更換方便，給進(jìn)裝置示意圖如圖3。

2.3 調(diào)角裝置

調(diào)角裝置主要用于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)調(diào)整鉆機(jī)主軸的開孔傾角，開孔傾角往往需要根據(jù)不同的煤層賦存條件進(jìn)行調(diào)整，調(diào)角裝置的結(jié)構(gòu)形式直接影響鉆機(jī)的輔助作業(yè)時(shí)間。坑道定向鉆機(jī)中比較常見的調(diào)角方式包括雙支座雙點(diǎn)油缸對(duì)頂調(diào)角、鉸接配合井下絞車調(diào)節(jié)、前后雙支點(diǎn)油缸對(duì)頂調(diào)節(jié)[8-9]。為了降低開孔高度，保證操作的舒適性，本定向鉆機(jī)采用前后雙支點(diǎn)油缸對(duì)頂調(diào)節(jié)的調(diào)角裝置，調(diào)角裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖3 給進(jìn)裝置示意圖Fig.3 Structure schematic of feeding device

圖4 調(diào)角裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure schematic of angle adjusting device

調(diào)角裝置主要由2個(gè)多級(jí)單作用多級(jí)油缸、可拆卸橫梁、固定立柱、活動(dòng)斜撐等部件組成。當(dāng)需要進(jìn)行仰角調(diào)整時(shí)，首先擰松斜撐上的螺釘和中撐桿上的螺釘，然后通過操縱臺(tái)上操作手把來控制給進(jìn)裝置前部的多級(jí)調(diào)角油缸的伸縮從而調(diào)整機(jī)仰身的調(diào)整；當(dāng)需要進(jìn)行俯角調(diào)整時(shí)，首先擰松橫梁上的螺釘和中撐桿上的螺釘，然后通過主操縱臺(tái)上操作手把來控制給進(jìn)裝置尾部的多級(jí)調(diào)角油缸的伸縮從而調(diào)整機(jī)俯身的調(diào)整。

2.4 功能豐富的液壓系統(tǒng)

大功率深孔定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用防爆電機(jī)和三泵通軸串聯(lián)驅(qū)動(dòng)型式。履帶行走與快速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)共用1路負(fù)載敏感閥，Ⅰ泵主要為該回路供油[10]；Ⅱ泵主要為慢速鉆進(jìn)回路與慢速回轉(zhuǎn)回路提供壓力油,正常鉆進(jìn)時(shí)，通過快速鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)鉆具的快速起下鉆，通過慢速鉆進(jìn)方式精確調(diào)節(jié)定向鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)壓力；Ⅲ泵采用恒壓變量控制方式，該方式是一種先進(jìn)的泵控系統(tǒng)，在國(guó)外許多行業(yè)得到了廣泛的推廣,Ⅲ泵主要為鉆機(jī)關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡盤、夾持器以及穩(wěn)固調(diào)角機(jī)構(gòu)供油。

為了減少操作失誤，保護(hù)操作人員安全，液壓系統(tǒng)中增加以下保護(hù)回路。

1）鉆進(jìn)系統(tǒng)和履帶行走系統(tǒng)切換功能。通過該回路能實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)時(shí)，履帶行走功能失效，而在搬遷運(yùn)輸過程中，鉆進(jìn)系統(tǒng)也無法工作，有效保護(hù)操作人員的安全[11-12]。

2）定向鉆進(jìn)保護(hù)功能。制動(dòng)裝置油路上設(shè)計(jì)液控?fù)Q向閥，當(dāng)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工時(shí)，高壓油作用抱緊主軸，主軸制動(dòng)，同時(shí)高壓油切斷回轉(zhuǎn)系統(tǒng)先導(dǎo)控制手柄的控制油，使得主軸抱緊時(shí)操作回轉(zhuǎn)控制手把失效，有效保護(hù)了制動(dòng)裝置，防止因誤操作造成對(duì)制動(dòng)裝置零部件的損壞。

3 性能測(cè)試和工業(yè)性試驗(yàn)

設(shè)備性能測(cè)試是檢驗(yàn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的重要手段，性能測(cè)試一般包括鉆機(jī)外觀、安全性、空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、過載試驗(yàn)、溫升、噪聲、傳動(dòng)效率等。鉆機(jī)負(fù)載性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 鉆機(jī)負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of load performance of drilling rig

為了充分驗(yàn)證鉆機(jī)的各項(xiàng)性能，工業(yè)性試驗(yàn)選取了2個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，具體試驗(yàn)情況如下:

1）2018年7月至10月，在淮南潘三礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)位于潘三礦17102（3）工作面，施工鉆孔為頂板高位定向鉆孔，目的是在工作面回采過程中抽采采空區(qū)及工作面上隅角瓦斯。試驗(yàn)鉆機(jī)為ZDY15000LD型千米定向鉆機(jī)和BLY460/13泥漿泵車，采用鉆具為φ89 mm高強(qiáng)度整體式螺旋鉆桿，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)為泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量，工藝方法為復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)。自2018年7月25日至10月28日，在17102（3）工作面完成頂板高位定向鉆孔7個(gè)，其中孔深500 m以上鉆孔6個(gè)，總進(jìn)尺為3 356 m，鉆孔距煤層高度約32 m，平均單孔鉆進(jìn)用時(shí)9 d。試驗(yàn)結(jié)果表明，大功率定向鉆機(jī)具有較強(qiáng)的鉆進(jìn)能力和事故處理能力。

2）為了有效地解決蘭花集團(tuán)東峰煤礦3109工作面上隅角瓦斯治理難題，2018年6月至7月使用ZDY15000LD型千米定向鉆機(jī)在3109聯(lián)絡(luò)巷抽放鉆場(chǎng)共施工高位定向鉆孔2個(gè)，1#孔深702 m，2#孔深594 m，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

大功率定向鉆進(jìn)裝備是煤礦井下長(zhǎng)距離鉆孔施工的關(guān)鍵設(shè)備，研制的ZDY15000LD鉆機(jī)適用于井下長(zhǎng)距離定向鉆孔和頂板高位鉆孔施工，滿足大型礦井長(zhǎng)距離工作面瓦斯抽采生產(chǎn)的需要。

1）鉆機(jī)液壓系統(tǒng)操控靈活、方便，性能穩(wěn)定。單動(dòng)液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)螺桿馬達(dá)工具面向角的精準(zhǔn)和高效調(diào)節(jié)，有效縮短輔助時(shí)間，提高鉆進(jìn)施工效率，實(shí)現(xiàn)各種鉆進(jìn)工藝條件下鉆機(jī)的精準(zhǔn)控制。

2）大功率定向鉆進(jìn)裝備可大幅提升井下本煤層、大直徑頂板定向高位瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔的施工能力和水害防治鉆孔施工能力，推動(dòng)了井下瓦斯抽采鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，保障了礦區(qū)安全高效開采。