螺旋桿燃油鉆機(jī)的改進(jìn)開發(fā)與應(yīng)用

蔣海江，彭樹梁，張 記，陳 旭，吳祥銀

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開遠(yuǎn) 661699）

云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局下屬小龍?zhí)堵短斓V、布沼壩露天礦2 個(gè)露天煤礦，已開采50 多年，現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力褐煤1 500 萬t/a，剝離土方1 500 萬m3/a，采用穿孔爆破工藝，孔深10.5 m，孔徑125～130 mm。自采用機(jī)械化開采生產(chǎn)以來，礦務(wù)局一直都在尋求適宜于小龍?zhí)兜V區(qū)煤巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的高效鉆孔設(shè)備，終因礦區(qū)煤巖層在鉆孔過程中會(huì)形成一種壓縮空氣無法排除的黏性面團(tuán)狀的鉆渣，以致市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的潛孔鉆、牙輪鉆、切削鉆等依靠壓縮空氣排渣的鉆機(jī)都無法正常使用[1]。為解決開采過程中的鉆孔問題，設(shè)計(jì)改裝出了電動(dòng)螺旋鉆機(jī)，成功解決了缺乏鉆孔設(shè)備的困局。然而自制鉆機(jī)屬無合格證的“三無”產(chǎn)品，且操控性、環(huán)保性以及作業(yè)效率都不理想，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前安全生產(chǎn)形勢(shì)的需要，因此必須對(duì)在用的自制鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，研究開發(fā)安全高效、環(huán)保適用、合格的鉆孔設(shè)備。

1 采剝工作面煤巖層特性分析及應(yīng)對(duì)措施

1）工作面煤巖層特性。云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局所屬2 個(gè)露天礦采剝工作面需鉆孔的巖層主要以泥灰?guī)r、褐煤為主（普氏系數(shù)都≥2），偶然間夾有煤矸石（普氏系數(shù)3～5）。2 個(gè)露天礦地處南方山間盆地的深凹露天煤礦，南盤江穿越兩礦之間，每年5—10 月頻繁降雨，以致煤層與泥灰?guī)r層含水重，在較低水平的采煤工作面鉆孔時(shí)經(jīng)常遇到孔內(nèi)浸水，導(dǎo)致鉆渣成黏稠狀的現(xiàn)象，泥灰?guī)r在干燥狀態(tài)時(shí)鉆渣成粉末狀、當(dāng)含水重甚至有浸水時(shí)鉆渣則形成黏性的面團(tuán)狀。若使用依靠壓縮空氣排渣的潛孔鉆、牙輪鉆、切削鉆等鉆機(jī)作業(yè)，其排渣孔均會(huì)被堵塞而無法正常鉆孔。

2）應(yīng)對(duì)措施。為解決此類特殊煤巖層鉆孔的排渣問題，經(jīng)反復(fù)研究論證，擬訂了借助螺旋的上升特性將黏稠狀鉆渣排除的方案。通過對(duì)相關(guān)礦山考察及廣泛的鉆機(jī)市場(chǎng)了解調(diào)研，仍未找到適宜2 個(gè)露天礦鉆孔需要的成熟螺旋鉆機(jī)，市場(chǎng)上普遍的螺旋鉆機(jī)主要用于地探或基建地樁施工鉆孔，特點(diǎn)是設(shè)備龐大、費(fèi)用昂貴、鉆孔直徑大、鉆孔速度較慢，無法滿足完成每天上百個(gè)炮孔的作業(yè)需求。因此礦務(wù)局組織相關(guān)技術(shù)人員自行設(shè)計(jì)，擬訂了以東方紅履帶式拖拉機(jī)底盤為平臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)改為電動(dòng)機(jī)、構(gòu)建鉆架及提升、下鉆裝置的自制電動(dòng)螺旋鉆機(jī)方案[2-3]，并先后制造了12 臺(tái)投入使用，正常煤巖層工作面上的鉆孔效率為：10.5 m 的孔深成孔時(shí)間大約為18 min，已完全滿足采剝生產(chǎn)的穿孔需要，成功地解決了特殊煤巖層無適宜穿孔設(shè)備的問題。

2 自制螺旋鉆機(jī)的缺陷與不足

1）自制鉆機(jī)屬“三無”產(chǎn)品。自制鉆機(jī)是沒有出廠合格證及相關(guān)檢驗(yàn)報(bào)告的“三無”產(chǎn)品，不符合現(xiàn)在煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求，上級(jí)相關(guān)部門檢查時(shí)，也多次提出鉆機(jī)是“三無”產(chǎn)品，需要采用專業(yè)生產(chǎn)廠家制造的合格產(chǎn)品。

2）電控系統(tǒng)不完善，無漏電保護(hù)功能。因采剝工作面多、推進(jìn)速度快、鉆機(jī)分布范圍廣以致供配電點(diǎn)布局困難，其電控裝置元器件老舊，屬淘汰產(chǎn)品，也無法加裝漏電保護(hù)相關(guān)功能，存在安全隱患。

3）操控作業(yè)環(huán)境差。鉆孔作業(yè)在野外露天進(jìn)行，作業(yè)人員經(jīng)常面臨風(fēng)吹日曬雨淋、揚(yáng)塵及坑內(nèi)高溫酷暑的作業(yè)環(huán)境，作業(yè)人員面臨的職業(yè)病危害因素風(fēng)險(xiǎn)大。

4）無降塵裝置。無法加裝相關(guān)降塵裝置，鉆機(jī)作業(yè)時(shí)粉塵較大，環(huán)保問題凸顯，可能面臨環(huán)保部門的處罰，也影響煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)驗(yàn)收的通過。

5）作業(yè)環(huán)節(jié)多，作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)安全作業(yè)有一定影響。作業(yè)人員需不斷的從事搬抬鉆桿、裝卸換桿、清理鉆渣、拉埋電纜、測(cè)量鉆孔深度等多個(gè)環(huán)節(jié)工作，特別是在搬抬鉆桿、裝卸換桿、清理鉆渣時(shí)易發(fā)生夾傷碰傷手指、被鉆桿螺旋卷入等傷害事故。

6）作業(yè)人員多，占用較多人力資源，不利于相互間協(xié)調(diào)。作業(yè)時(shí)通常每臺(tái)鉆機(jī)需3 人操作，其中司機(jī)1 人操控設(shè)備、2 人合作搬抬鉆桿、裝卸換桿、清理鉆渣、拉埋電纜。困難的是司機(jī)的操控與裝卸換桿、清理鉆渣人員之間的作業(yè)協(xié)調(diào)，操作稍有不慎就可能發(fā)生傷害事故。

7）配件購買困難。由于年代久遠(yuǎn)，相關(guān)零配件難以在市場(chǎng)上購買，很多零配件需要單獨(dú)加工，影響鉆機(jī)的使用效率。

3 新型鉆機(jī)的研究開發(fā)

通過鉆機(jī)市場(chǎng)調(diào)研了解，邀請(qǐng)廠商實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)查看，并與相關(guān)廠商交流溝通及反復(fù)論證后，擬訂了以山河智能裝備股份有限公司SWDR115 切削鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)與底盤為平臺(tái)，取消原鉆機(jī)的切削鉆孔裝置，重新設(shè)計(jì)高效安全的新型的螺旋鉆孔裝置[4-8]。

1）整體考慮。為提高新型的螺旋鉆孔裝置的鉆孔效率，需考慮自動(dòng)換桿或免換桿方案，以減少人工裝卸換桿作業(yè)時(shí)間，并科學(xué)合理設(shè)計(jì)鉆桿螺旋角、鉆頭鉆架形式及鉆孔動(dòng)力頭與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方式。自動(dòng)換桿裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樣機(jī)開發(fā)成本高，且鉆桿間只能采用螺紋連接方式不能反轉(zhuǎn)，無法滿足鉆孔過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)反轉(zhuǎn)操作的需要，因此不宜采用。

2）鉆桿及鉆頭的考慮。根據(jù)開采工藝，鉆孔深度需達(dá)到10.5 m 的要求，考慮采用2 根5.5 m 長(zhǎng)的鉆桿通過六方形插口同時(shí)加裝鎖緊型高強(qiáng)度耐磨連接定位銷連接的方案，不僅消除了換桿作業(yè)環(huán)節(jié)，而且當(dāng)遇到鉆桿堵轉(zhuǎn)時(shí)也可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)操作。通過反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)證明，鉆桿的鉆頭采用一字刀口形硬質(zhì)合金鉆頭，鉆桿螺旋角為14°時(shí)的鉆孔效率最高。

3）驅(qū)動(dòng)裝置的考慮。采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)鉆架的豎立與放平，分別設(shè)置鉆孔動(dòng)力頭及進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)。為方便維修保養(yǎng)，進(jìn)給液壓馬達(dá)設(shè)置于鉆架底部，通過鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆桿的進(jìn)給與退出。

4）排渣裝置的考慮。為減少鉆渣粉末飛揚(yáng)、鉆孔時(shí)鉆桿抖動(dòng)過大并能自動(dòng)清除鉆桿螺旋間附著的黏土，需設(shè)置內(nèi)圈可旋轉(zhuǎn)的隨動(dòng)中間導(dǎo)向支撐及底部導(dǎo)向支座、附著黏土清除刷及噴霧降塵噴頭。

5）安全方面的考慮。為防止操作失誤，造成動(dòng)力頭碰撞鉆架頂部、及鉆孔過程中鉆架變換角度造成相關(guān)機(jī)構(gòu)損傷，需分別在鉆架頂部設(shè)置無觸點(diǎn)限位及機(jī)械式限位開關(guān)雙重保護(hù)，并設(shè)置鉆架調(diào)整鎖定開關(guān)。

6）操控性方面的考慮。為提高操控性、舒適性、安全環(huán)保性，需采用液壓先導(dǎo)操控、司機(jī)室內(nèi)安裝鉆孔深度指示、配置冷暖型空調(diào)，機(jī)體頂部設(shè)置防人員墜落防護(hù)圍欄。

4 新型鉆機(jī)的應(yīng)用效果

現(xiàn)已為云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局提供了5 臺(tái)合格的新型燃油螺旋鉆機(jī)，運(yùn)行效果非常好。

1）鉆孔效率顯著提高。自制鉆機(jī)在正常煤巖層工作面上鉆10.5 m 深的孔一般需要18 min，同樣工況下新型鉆機(jī)鉆11 m 孔深只需3 min，鉆孔效率顯著提升。

2）極大地節(jié)省人力資源成本。自制鉆機(jī)每臺(tái)需3人操作，新型鉆機(jī)僅需1 人操作，每臺(tái)鉆機(jī)節(jié)省2人，全局已釋放15 人鉆孔作業(yè)人力資源，這15 人已調(diào)整到其他急需崗位作業(yè)，礦務(wù)局人力資源短缺現(xiàn)象得到一定緩解，根據(jù)測(cè)算，按照一線操作人員每人每年不少于14 萬元的人力成本，每年可節(jié)約人力資源成本210 萬元。

3）安全環(huán)保性、操控性、舒適性好。自制鉆機(jī)操作環(huán)節(jié)多、操作司機(jī)與輔助人員之間協(xié)調(diào)困難、稍有不慎易發(fā)生傷害事故，同時(shí)露天作業(yè)，操作人員免不了遭受風(fēng)吹日曬雨淋、粉塵傷害。新型鉆機(jī)只有1 人在司機(jī)室內(nèi)操作，不存在協(xié)調(diào)溝通問題，不易發(fā)生傷害事故，且司機(jī)室內(nèi)裝有空調(diào)，加上鉆機(jī)配置的噴霧降塵裝置，效果良好，操作人員作業(yè)環(huán)境明顯改善。

4）鉆孔深度不需人工反復(fù)測(cè)量。自制鉆機(jī)鉆孔深度由于鉆渣堵塞問題，鉆孔深度需要人工反復(fù)測(cè)量，才能保證鉆孔的合格率，新型鉆機(jī)設(shè)置了鉆孔深度指示，即使遇到鉆桿堵轉(zhuǎn)的情況，鉆孔的深度指示也不會(huì)有誤，不需要人工進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，鉆孔的合格率也能得到保證。

5 結(jié)語

根據(jù)云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局2 個(gè)露天煤礦獨(dú)特的煤巖層特性，分析現(xiàn)有鉆機(jī)的不足，提出解決方案。以山河智能裝備股份有限公司的SWDR115 切削鉆機(jī)為基礎(chǔ)，重新研究開發(fā)新的螺旋鉆孔裝置，成功研制出新型的SWDR115H 切削螺旋鉆機(jī)。經(jīng)實(shí)踐證明，新型鉆機(jī)非常適用于礦務(wù)局兩露天煤礦，可在相關(guān)的露天煤礦推廣應(yīng)用。