煤礦井下穿層鉆孔鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)

鄔 迪，劉 智，王 松

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國(guó)煤礦利用井下穿層鉆孔、順層鉆孔和高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采[1]。由于碎軟煤層瓦斯含量大、壓力高，煤層硬度低、透氣性差[2]，順煤層瓦斯抽采鉆孔存在施工距離短、塌孔嚴(yán)重等問(wèn)題[3]，常常不能滿足巷道條帶和回采工作面瓦斯區(qū)域治理需求。

穿層鉆孔抽采瓦斯也是一種解決煤與瓦斯突出礦井、高瓦斯礦井瓦斯治理問(wèn)題的有效手段[4]。

穿層鉆孔鉆機(jī)除應(yīng)具有普通鉆機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、給進(jìn)/起拔力輸出能力外，還需具有以下功能：①為了使穿層鉆孔均勻覆蓋待掘煤巷影響區(qū)，每組穿層鉆孔開(kāi)孔角度參數(shù)差異較大，要求鉆機(jī)能快速、方便、大范圍調(diào)節(jié)仰俯角、方位角和水平開(kāi)孔高度；②鉆機(jī)需具有防止孔內(nèi)鉆具及動(dòng)力頭下滑的系統(tǒng)功能，保證大角度穿層鉆孔施工安全；③由于穿層鉆孔會(huì)頻繁鉆遇不同硬度煤/巖層，因此要求鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速可調(diào)，根據(jù)鉆探工藝要求選擇不同參數(shù)輸出，確保破巖效果、鉆孔穩(wěn)定性和鉆孔施工效率。

1 鉆機(jī)分類及通用化平臺(tái)

通常情況下，一款新型鉆機(jī)的設(shè)計(jì)需根據(jù)鉆孔地層條件、鉆進(jìn)方法、使用條件，確定鉆機(jī)采用的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)，隨后進(jìn)行鉆機(jī)總體布局和各功能裝置的設(shè)計(jì)[5]。

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)分類

目前，我國(guó)煤礦井下鉆機(jī)按其結(jié)構(gòu)可分為分體式、履帶式和分體履帶式3 種。

1）分體式鉆機(jī)由主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)3 部分組成，整機(jī)質(zhì)量輕、各部分體積小，可根據(jù)鉆場(chǎng)條件靈活布置，但井下搬遷需要人工完成[6]。

3）分體履帶式鉆機(jī)是將鉆機(jī)各部分分別布置在2 個(gè)或多個(gè)履帶平臺(tái)上，具有各部分體積小、井下機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可滿足鉆場(chǎng)緊湊、通過(guò)空間小、鉆孔角度調(diào)整范圍大等條件。目前最窄的分體履帶式鉆機(jī)寬度已降至0.85 m 以內(nèi)，可適應(yīng)繞掘進(jìn)機(jī)施工超前探鉆孔等復(fù)雜工況。

1.2 鉆機(jī)通用化平臺(tái)

穿層鉆孔鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)的確定是以施工深度150 m 穿層鉆孔能力進(jìn)行校核，同時(shí)兼顧具有施工沿采煤工作面切眼方向300 m 深度順層鉆孔能力，鉆機(jī)各裝置根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不斷完善和充實(shí)鉆機(jī)通用化平臺(tái)。

鉆機(jī)通用化平臺(tái)由執(zhí)行裝置、動(dòng)力裝置、操控裝置、輔助穩(wěn)固裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，主要包括動(dòng)力頭、夾持器等成熟鉆機(jī)模塊和雙立柱調(diào)角裝置、給進(jìn)裝置、履帶車體、液壓系統(tǒng)等新型鉆機(jī)模塊。鉆機(jī)通用化平臺(tái)為模塊化設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，也為新功能模塊的設(shè)計(jì)提供參考。

1.2.1 主 機(jī)

主機(jī)是鉆機(jī)的執(zhí)行裝置模塊，主要功能是輸出回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、給進(jìn)/起拔力等，由動(dòng)力頭、夾持器、雙立柱調(diào)角裝置、給進(jìn)裝置等組成[8]，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

1）動(dòng)力頭。動(dòng)力頭由回轉(zhuǎn)器和卡盤2 部分組成，動(dòng)力頭如圖2。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，將鉆孔施工中所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)卡盤傳遞給鉆具，驅(qū)動(dòng)孔底鉆具回轉(zhuǎn)破巖。

2）和夾持器。采用的液壓復(fù)合型夾持器, 夾持器如圖3。夾持器工作時(shí)，碟簧夾緊、油壓松開(kāi)，主要用于起、下鉆時(shí)夾持孔內(nèi)鉆具，防止孔內(nèi)鉆具滑移、跑鉆[9]。當(dāng)夾持器用于大角度穿層鉆孔鉆機(jī)時(shí)，需要校核碟簧夾緊力與夾持器卡瓦/鉆桿間摩擦系數(shù)的乘積[10]，乘積須大于最大仰角、最深孔時(shí)鉆具在垂直方向的分力，也就是說(shuō)夾持器能夠提供足夠的夾持力，防止孔內(nèi)鉆具下滑。另外，主機(jī)中的動(dòng)力頭配合夾持器可實(shí)現(xiàn)鉆具擰卸的機(jī)械化和自動(dòng)化，降低鉆孔施工過(guò)程中的人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 2012-2016年剖宮產(chǎn)指征及其構(gòu)成比 2012-2016年本院剖宮產(chǎn)的主要指征為社會(huì)因素、瘢痕子宮、胎兒窘迫、胎兒異常、妊娠合并癥及并發(fā)癥，其中社會(huì)因素的構(gòu)成比變化明顯，由2012年的19.74%逐年下降至2016年的6.7%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=18.25，P<0.05)。見(jiàn)表2。

圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Mainframe of drilling rig

圖2 動(dòng)力頭Fig.2 Power head

圖3 夾持器Fig.3 Clamping device

3）給進(jìn)裝置。給進(jìn)裝置的主要作用是向孔底鉆具提供適當(dāng)?shù)你@壓、實(shí)現(xiàn)鉆具的提升或下放、處理孔內(nèi)事故等。設(shè)計(jì)的給進(jìn)裝置模塊由機(jī)身、二部平臺(tái)、拖板、水平滑移油缸和給進(jìn)油缸組成，給進(jìn)裝置如圖4。為了調(diào)整給進(jìn)裝置與孔口之間的距離，減少工作時(shí)因過(guò)長(zhǎng)的孔外鉆具產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)震動(dòng)，設(shè)計(jì)了給進(jìn)裝置二部平臺(tái)機(jī)構(gòu)，可以在不移動(dòng)履帶車體的情況下，通過(guò)水平滑移油缸調(diào)整機(jī)身和孔壁之間的距離，二部平臺(tái)則固定在雙立柱調(diào)角裝置上。

圖4 給進(jìn)裝置Fig.4 Propulsion device

4）雙立柱調(diào)角裝置。為了實(shí)現(xiàn)穿層鉆孔仰俯角快速調(diào)整和水平開(kāi)孔高度調(diào)整，設(shè)計(jì)了緊湊型多功能雙立柱調(diào)角裝置。雙立柱調(diào)角裝置由上頂油缸組、內(nèi)立柱、外套、舉升油缸、轉(zhuǎn)盤和調(diào)角驅(qū)動(dòng)組成，雙立柱調(diào)角裝置如圖5。左右內(nèi)立柱固定在轉(zhuǎn)盤上，通過(guò)一級(jí)或多級(jí)舉升油缸組驅(qū)動(dòng)外套（或外套組）上升或下降，外套上的液驅(qū)回轉(zhuǎn)式減速器帶動(dòng)給進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔高度和角度的調(diào)整。內(nèi)立柱上方的上頂油缸組頂緊頂板，保證鉆機(jī)工作時(shí)不發(fā)生移位。相對(duì)于傳統(tǒng)鉆機(jī)采用的油缸四連桿變幅機(jī)構(gòu)[11]，雙立柱調(diào)角裝置通過(guò)回轉(zhuǎn)式減速器驅(qū)動(dòng)主機(jī)調(diào)角，調(diào)角范圍大、輔助工序少、勞動(dòng)強(qiáng)度低。在回轉(zhuǎn)式減速器中，采用渦輪蝸桿傳動(dòng)和制動(dòng)，減速比大、調(diào)角運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，停止后保持力矩大、鉆機(jī)工作穩(wěn)定性好。

1.2.2 泵 站

泵站是鉆機(jī)的動(dòng)力裝置模塊，由油箱、電機(jī)泵組和冷卻器組成。

油箱的主要作用是儲(chǔ)油、散熱和沉淀油液中的雜質(zhì)[12]。油箱內(nèi)部合理分配回油區(qū)和吸油區(qū)，并且在2 個(gè)區(qū)之間設(shè)置了隔板，延長(zhǎng)油流循環(huán)通道，使油流中的氣泡和雜質(zhì)分離沉淀。泄油管插入液面以下200 mm，防止將空氣帶入油液中。油箱底部放置有磁鐵，吸附油液中的金屬顆粒，防止進(jìn)入液壓系統(tǒng)，損壞柱塞泵等元件。冷卻裝置采用釬焊板式換熱器，具有承壓能力高、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高等特點(diǎn)。

圖5 雙立柱調(diào)角裝置Fig.5 Double-column angle modulation mechanism

1.2.3 操縱臺(tái)

操縱臺(tái)是鉆機(jī)的操控裝置模塊，由主操縱臺(tái)、行走操縱臺(tái)和穩(wěn)固調(diào)角操縱臺(tái)組成。操縱臺(tái)上設(shè)計(jì)了操作手柄和操作手輪，手柄分別控制擰卸扣、動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)、給進(jìn)/起拔、夾持器和卡盤，手輪控制減壓給進(jìn)。操縱手柄和手輪附近都設(shè)置了操作指示牌。操縱臺(tái)面板上方設(shè)置了壓力表，分別指示液壓系統(tǒng)中主泵壓力、副泵壓力、給進(jìn)壓力、起拔壓力和系統(tǒng)回油壓力等，工作過(guò)程中可及時(shí)反映各執(zhí)行裝置的壓力狀態(tài)。

1.2.4 履帶車體

履帶車體是鉆機(jī)的輔助穩(wěn)固裝置模塊，其性能直接關(guān)系到鉆機(jī)的工作穩(wěn)定性能和行走性能，為鉆機(jī)功率的提升、能力的提高、質(zhì)量的增加提供了可能，使得鉆機(jī)井下機(jī)動(dòng)性更高、鉆場(chǎng)內(nèi)開(kāi)孔位置的調(diào)整和穩(wěn)固更便捷。履帶車體由下穩(wěn)固油缸組、車體平臺(tái)、轉(zhuǎn)盤和履帶總成組成，履帶車體如圖6。

圖6 履帶車體Fig.6 Caterpillar base plate

履帶總成采用“四輪一帶”結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、托輪和履帶片組成。履帶總成通過(guò)徑向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)左右2 個(gè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度和方向的控制，實(shí)現(xiàn)履帶車體的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。設(shè)計(jì)的履帶總成具有80～100 kN 的承載驅(qū)動(dòng)力和15°的爬坡驅(qū)動(dòng)力，滿足鉆機(jī)井下行走、爬坡和脫困能力要求。

為了快速、準(zhǔn)確調(diào)整主機(jī)方位角，并為主機(jī)提供可靠的穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)盤和車體平臺(tái)之間也設(shè)置了液驅(qū)回轉(zhuǎn)式減速器。鉆機(jī)工作時(shí)，下穩(wěn)固油缸組將鉆機(jī)頂起、履帶總裁離地，提高鉆機(jī)工作穩(wěn)定性。車體平臺(tái)可根據(jù)個(gè)性化需求，對(duì)外形尺寸和承載能力進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。

1.2.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是鉆機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)模塊，由回轉(zhuǎn)回路、給進(jìn)回路、卡盤夾持器回路、輔助穩(wěn)固回路等組成。為了減少回轉(zhuǎn)液壓回路和給進(jìn)液壓回路中負(fù)載壓力波動(dòng)對(duì)流量和運(yùn)行速度的影響，采用了雙泵液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)回路和給進(jìn)回路參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)。

針對(duì)穿層鉆孔鉆機(jī)特殊的使用要求，液壓系統(tǒng)中除具有壓力、流量、方向等基本控制功能外，還設(shè)計(jì)了雙立柱同步舉升功能、防動(dòng)力頭下滑功能、單動(dòng)起下鉆控制功能等功能模塊，可有效改善大傾角鉆孔施工時(shí)鉆機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性和操作舒適性。

1）雙立柱同步舉升功能模塊。雙立柱調(diào)角裝置是鉆機(jī)給進(jìn)裝置穩(wěn)固、調(diào)角及水平開(kāi)孔高度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)裝置。為了保證雙立柱在高度調(diào)節(jié)時(shí)的同步精度及鉆機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性，在鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中設(shè)置了同步舉升回路?；芈钒ǚ较蚩刂崎y、左右舉升油缸和分流集流閥等液壓元件?；芈分惺褂昧烁呔鹊姆至骷鏖y，利用負(fù)載壓力反饋原理，補(bǔ)償因負(fù)載壓力變化而引起流量的變化，按一定的流量比例向兩邊的油缸供油或接收回流，來(lái)保證雙立柱調(diào)角裝置同步舉升和下降，保證給進(jìn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行[13]。

2）動(dòng)力頭防下滑功能模塊。在進(jìn)行大傾角鉆孔施工時(shí)，在重力作用下，動(dòng)力頭存在下滑趨勢(shì)[14]。為了解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了動(dòng)力頭防下滑回路，由信號(hào)采集閥、方向控制閥、先導(dǎo)切斷閥等液壓元件組成。在擰卸鉆桿絲扣時(shí)，先導(dǎo)信號(hào)打開(kāi)先導(dǎo)切斷閥，浮動(dòng)油路打開(kāi)，給進(jìn)油缸可小范圍浮動(dòng)，保護(hù)鉆桿絲扣不被擠壞；在鉆進(jìn)或待機(jī)狀態(tài)，無(wú)先導(dǎo)信號(hào)，浮動(dòng)油路閉合，避免了動(dòng)力頭下滑。

3）快速起下鉆功能模塊。為了簡(jiǎn)化起下鉆操作流程，ZDY 系列鉆機(jī)液壓系統(tǒng)具有卡盤、夾持器、給進(jìn)油缸等多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的聯(lián)動(dòng)功能[15]。但在進(jìn)行大傾角鉆孔施工時(shí)，由于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)響應(yīng)速度不同，容易造成孔內(nèi)鉆具短時(shí)間的下滑。為了適應(yīng)穿層鉆孔施工，設(shè)計(jì)了卡盤、夾持器和給進(jìn)油缸的單動(dòng)快速起下鉆功能模塊，卡盤和夾持器由手動(dòng)換向閥單獨(dú)控制。下鉆時(shí)，夾持器和卡盤手柄同時(shí)前推，夾持器張開(kāi)、卡盤夾緊鉆桿，動(dòng)力頭向前移動(dòng)；夾持器和卡盤手柄同時(shí)后拉，夾持器夾緊鉆桿、卡盤張開(kāi)，動(dòng)力頭向后移動(dòng)；起鉆原理和操作步驟與下鉆相近?？焖倨鹣裸@功能模塊既能使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)啟動(dòng)，又能部分模擬聯(lián)動(dòng)功能，使大傾角鉆孔施工時(shí)起下鉆操作更加安全、便捷。

2 穿層鉆孔鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)

基于4 300 N·m 轉(zhuǎn)矩穿層鉆孔鉆機(jī)通用化平臺(tái)，利用新模塊和已有成熟模塊的設(shè)計(jì)思路、流程，根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的個(gè)性化需求，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了穿層鉆孔系列鉆機(jī)[16]。

穿層鉆孔系列鉆機(jī)包括ZDY3600LQ 型、ZDY400LF 型、ZDY4300LF 型、ZDY4300LP 型、ZDY4300LF（A）型等5 款履帶鉆機(jī)，分別采用了整體履帶式和分體履帶式鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)。其中，ZDY4300LP 型鉆機(jī)和ZDY4300LF（A）型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:

1）ZDY4300LP 型鉆機(jī)。①布局形式：整體履帶式；②額定轉(zhuǎn)矩：4 300～1 050 N·m；③額定轉(zhuǎn)速：50～200 r/min；④給進(jìn)/起拔力：90/120 kN；⑤主軸傾角：－50°～＋60°；⑥方位角：－90°～＋90°；⑦水平開(kāi)孔高度：1.35～1.85 m；⑧電機(jī)功率：55 kW；⑨質(zhì)量：8 t；⑩外形尺寸：4.80 m×1.25 m×1.78 m。

2）ZDY4300LF（A）型鉆機(jī)。①布局形式：分體履帶式；②額定轉(zhuǎn)矩：4 300～1 050 N·m；③額定轉(zhuǎn)速：60～200 r/min；④給進(jìn)／起拔力：90/120 kN；⑤主軸傾角：－90°～＋90°；⑥方位角：－90°～＋90°；⑦水平開(kāi)孔高度：1.25～2.25 m；⑧電機(jī)功率：55 kW；⑨質(zhì)量：鉆車4.2 t，泵車3.1 t；⑩外形尺寸：2.3 m×0.85 m×2.1 m（鉆車），2.6 m×0.85 m×1.4 m（泵車）。

3 結(jié) 語(yǔ)

搭建了由執(zhí)行裝置、動(dòng)力裝置、操控裝置、輔助穩(wěn)固裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成的鉆機(jī)通用化平臺(tái)，補(bǔ)充了針對(duì)于穿層鉆孔施工用鉆機(jī)的功能模塊，為鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)平臺(tái)。設(shè)計(jì)了適用于穿層鉆孔施工的系列履帶鉆機(jī)，分別采用整體履帶式和分體履帶式整機(jī)結(jié)構(gòu)，還可根據(jù)鉆場(chǎng)條件和鉆孔參數(shù)，模塊化設(shè)計(jì)滿足個(gè)性化需求的鉆機(jī)。穿層鉆孔系列鉆機(jī)采用的雙立柱調(diào)角裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、輔助工序少、主機(jī)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，滿足穿層鉆孔特殊的工藝要求。液壓系統(tǒng)繼承了ZDY 系列鉆機(jī)操控簡(jiǎn)便、安全高效的特點(diǎn)。針對(duì)大角度穿層鉆孔施工，增加了3 種安全功能模塊，提高了專用鉆機(jī)安全可靠性和操作舒適性。