適用于井下狹窄巷道的鉸接自行式智能化天井鉆機(jī)

黎忠炎，龍國強(qiáng)，沈盛強(qiáng)

(湖南一二機(jī)械科技有限公司，長沙 410006)

目前國內(nèi)現(xiàn)有天井鉆機(jī)多采用分體式結(jié)構(gòu)(即將天井鉆機(jī)分為工作主機(jī)和動力系統(tǒng)兩部分)，鉆機(jī)無獨(dú)立行走能力，在地面多通過罐籠或地下裝載機(jī)將工作主機(jī)和動力系統(tǒng)分別運(yùn)輸?shù)骄率┕ぶ卸危缓笸ㄟ^預(yù)先鋪設(shè)好的軌道，借助外力牽引才能將其運(yùn)輸?shù)街付ㄊ┕すの?，為現(xiàn)場施工帶來諸多不便[1]。

為解決天井鉆機(jī)行走問題，目前國外已有的方法是將天井鉆機(jī)的工作主機(jī)和動力單元集成安裝在移動底盤上，比如ATLAS的Robbins 34RH QRS系列天井鉆機(jī)就是采用的整體自行技術(shù)。近幾年國內(nèi)也有企業(yè)對自行式天井鉆機(jī)進(jìn)行了研究，如創(chuàng)遠(yuǎn)高新的CY-RV系列天井鉆機(jī)、常州立鼎的ZFYL型鉆機(jī)等都是屬于整體自行式結(jié)構(gòu)。該方案雖然有效解決了天井鉆機(jī)的行走問題，但這種結(jié)構(gòu)形式的天井鉆機(jī)整機(jī)尺寸相對較大，轉(zhuǎn)彎半徑大，對井下巷道要求較高，難以滿足國內(nèi)中、小型礦山巷道的行走要求。另外，這種整體移動式天井鉆機(jī)將工作主機(jī)、移動底盤、動力單元剛性連接，在立機(jī)鉆孔時，移動底盤和動力單元的自重、振動等因素都會影響到工作主機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響鉆孔精度[1]。

從目前國內(nèi)天井鉆機(jī)的現(xiàn)狀來看，大部分生產(chǎn)企業(yè)將天井鉆機(jī)的發(fā)展方向定為大孔徑、智能化，而忽略了小孔徑、低矮化的實(shí)際用戶需求。參照我國近幾年的礦山情況統(tǒng)計表，我國現(xiàn)有持證的地下礦山總計3 832座，其中大型礦山154座，中型礦山390座，小型礦山3 288座。通過這組數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，我國85.8%的地下礦山都為小型礦山，而小型礦山的普遍特點(diǎn)是采用無軌化設(shè)備作業(yè)、巷道狹窄、行走通過性差、施工作業(yè)點(diǎn)分散，施工環(huán)境惡劣[2]。因此，研制設(shè)計出輕便化、微型化、智能化的高性能自行式天井鉆機(jī)以滿足當(dāng)前中小型地下礦山開采的發(fā)展需求是未來天井鉆機(jī)發(fā)展的必然趨勢。

1 天井鉆機(jī)施工原理

地下礦山采礦溜井、通風(fēng)井、切割井的施工中，天井施工的前提條件有兩個：一是上層硐室的基礎(chǔ)建設(shè)(用于設(shè)備的立機(jī)定位與操作)；二是下層硐室的貫通(用于更換擴(kuò)孔刀盤和出渣)。天井施工過程主要包括立機(jī)定位、導(dǎo)孔施工、裝刀盤、擴(kuò)孔施工、成井收機(jī)等幾大步驟(如圖1所示)。

圖1 天井施工流程Fig.1 Raise drilling rig construction process

2 鉸接自行式天井鉆機(jī)

鉸接自行式天井鉆機(jī)是在綜合原有軌輪式天井鉆機(jī)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的情況下研發(fā)設(shè)計而成，AT-L系列鉸接自行式天井鉆機(jī)參數(shù)見表1。針對當(dāng)前礦山開采的新特點(diǎn)，該機(jī)型在優(yōu)化原有鑿巖參數(shù)的情況下，通過系統(tǒng)集成技術(shù)對整機(jī)尺寸進(jìn)行低矮化設(shè)計，行走部分采用履帶拖掛行走，把較長的固態(tài)車體轉(zhuǎn)化為中心鉸接式轉(zhuǎn)向，結(jié)合遠(yuǎn)程遙控操作，使其轉(zhuǎn)彎半徑小，對巷道適應(yīng)性好，行走靈活，安全性高，更好地適應(yīng)了國內(nèi)地下無軌礦山的發(fā)展需求。

表1 AT-L系列鉸接自行式天井鉆機(jī)參數(shù) Table 1 The parameter of AT-L self-propelled raise drilling rig

鉸接自行式天井鉆機(jī)由主機(jī)和遙控器兩部分組成(見圖2)，并配有鉆桿、穩(wěn)定桿、導(dǎo)孔鉆頭、擴(kuò)孔刀盤、高壓水泵等輔助設(shè)備。其工作原理是液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)，油缸驅(qū)動推進(jìn)與反提，以龍門式框架為導(dǎo)軌，油缸向下推進(jìn)時，完成導(dǎo)孔作業(yè)，切削巖碴由高壓水泵上向排出，油缸向上反提時，完成擴(kuò)孔作業(yè)，巖碴依靠自身重力落下。該鉆機(jī)采用框架式主機(jī)結(jié)構(gòu)，上下油缸支撐定位，具有自動接卸桿與深井防偏控制功能。設(shè)備成孔直徑1～4 m，最大鉆井深度400 m，可完成60°～90°的斜孔作業(yè)，行走速度3 km/h，外側(cè)最小轉(zhuǎn)彎半徑4.5 m，最大爬坡角度20°(見圖3)，柴油機(jī)驅(qū)動行走，電機(jī)液壓驅(qū)動鑿巖，可整體自行，亦可分體后罐籠運(yùn)輸(見圖4)。

圖2 鉸接自行式天井鉆機(jī)組成Fig.2 The composition of self-propelled raise drilling rig

圖3 鉸接自行式天井鉆機(jī)行走示意 Fig.3 The walking diagram of self-propelled raise drilling rig

圖4 鉸接自行式天井鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu) Fig.4 The diagram of self-propelled raise drilling rig

3 鉸接自行式天井鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多自由度浮動鉸接機(jī)構(gòu)[3]

鉸接自行式天井鉆機(jī)主機(jī)由工作主機(jī)、前車架、后車架和中心鉸接幾大部分組成，其中前車架采用履帶底盤，后車架采用輪式底盤，前車架與后車架通過中心鉸接(如圖5所示)相連，該中心鉸接采用多自由度浮動式鉸接設(shè)計，使前車架與后車架既能繞中心軸水平轉(zhuǎn)動又能繞中心軸上下偏擺，既減小了鉆機(jī)行走時的轉(zhuǎn)彎半徑，又提高了鉆機(jī)的地面通過性，使其更好地適應(yīng)井下巷道狹窄、路面不平的惡劣環(huán)境[3]。

圖5 多自由度浮動鉸接機(jī)構(gòu)Fig.5 Multid floating articulated design

這種前車架履帶驅(qū)動、后車架輪胎行走的多自由度浮動鉸接式底盤設(shè)計，可整體自行，亦可分體后罐籠運(yùn)輸，大大縮短了設(shè)備的拆裝和轉(zhuǎn)運(yùn)周期，簡單方便。該結(jié)構(gòu)除了適用于天井鉆機(jī)行走外，同樣可用于其它載重大、行走速度慢、行走工況惡劣的地下礦山裝備。

3.2 浮動車架

為解決天井鉆機(jī)行走問題，目前國內(nèi)已有的方法是將天井鉆機(jī)的工作主機(jī)和動力單元集成安裝在移動底盤上，該技術(shù)雖然有效解決了天井鉆機(jī)的行走問題，但這種結(jié)構(gòu)形式的天井鉆機(jī)將工作主機(jī)、移動底盤、動力單元剛性連接，在立機(jī)鉆孔時，移動底盤和動力單元的自重、振動等因素都會影響到工作主機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響鉆孔精度。

鉸接自行式天井鉆機(jī)將工作主機(jī)與車架采用浮動式鉸接(如圖6所示)，讓工作主機(jī)與車架在豎直方向上有一定的補(bǔ)償空間，既實(shí)現(xiàn)了工作主機(jī)與車架的鉸接，又可以使立機(jī)后，工作主機(jī)總成在豎直方向上不受車架約束，確保了工作主機(jī)在鉆孔過程中不受車架重量和振動等因素的影響，提高了設(shè)備的鉆孔精度[4]。

圖6 浮動車架結(jié)構(gòu)Fig.6 Floating frame design

3.3 雙動力鑿巖驅(qū)動系統(tǒng)

鉸接自行式天井鉆機(jī)鑿巖系統(tǒng)采用雙電機(jī)驅(qū)動，可針對不同的鑿巖工況進(jìn)行合理的動力選擇和匹配，提高鑿巖效率，降低系統(tǒng)能耗。如導(dǎo)孔作業(yè)時所需功率小，可選擇只開啟一套動力系統(tǒng)，以減少功率損耗，而擴(kuò)孔施工時所需功率大，可選擇同時開啟兩套動力系統(tǒng)，提高鑿巖效率。鉸接自行式天井鉆機(jī)兩套動力系統(tǒng)均可獨(dú)立使用和調(diào)節(jié)，當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一套系統(tǒng)可繼續(xù)完成鑿巖作業(yè)，以保證施工的連續(xù)性，節(jié)省時間成本。

將雙動力鑿巖驅(qū)動系統(tǒng)用于天井鉆機(jī)在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，該設(shè)計不僅能保證設(shè)備施工的連續(xù)性，減少功率損耗，還能有效提高設(shè)備空間的利用率，減小設(shè)備體積，更能滿足井下設(shè)備低矮化的設(shè)計需求。

3.4 高強(qiáng)度鉆桿

根據(jù)天井鉆機(jī)的工作原理，在導(dǎo)孔施工時，鉆桿負(fù)責(zé)將主機(jī)產(chǎn)生的下向推力及扭矩傳遞到牙輪鉆頭上，使其產(chǎn)生對巖石的碾壓破碎效果；在擴(kuò)孔過程中，鉆桿負(fù)責(zé)將主機(jī)產(chǎn)生的上向拉力及扭矩傳遞到擴(kuò)孔刀盤之上，使刀盤上的滾刀對巖壁產(chǎn)生碾壓破碎效果。天井鉆機(jī)的工作特性決定了鉆桿在整個作業(yè)過程中負(fù)責(zé)傳遞較大的軸向力及扭矩，所以對鉆桿的材質(zhì)及連接螺紋的形式提出了較高的要求。

結(jié)合多年的天井鉆機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，并參考國外成熟的鉆桿螺紋技術(shù)，通過不斷的試驗(yàn)測試，成功試制出了符合國際通用鉆桿螺紋標(biāo)準(zhǔn)的一寸兩牙螺紋(簡稱粗牙螺紋)，相比傳統(tǒng)的一寸四牙鉆桿螺紋(簡稱細(xì)牙螺紋)，粗牙螺紋的螺旋升角大，牙型也相對較大，在不破壞螺紋部分基體的前提下能夠傳遞的扭矩相對較大，可有效防止鉆桿燒絲、斷裂等現(xiàn)象，鉆桿的使用壽命更長，可靠性更高?，F(xiàn)場施工表明，粗牙螺紋無論是在鉆桿強(qiáng)度上，還是在接卸桿的容易程度上，都優(yōu)于細(xì)牙螺紋。該螺紋的試制成功，對提高天井鉆機(jī)鉆桿可靠性、提升鉆機(jī)的成孔直徑與鉆井深度都具有非常重要的意義。

3.5 深井防偏智能控制技術(shù)

成孔偏斜率是衡量天井施工質(zhì)量的一個重要參數(shù)，而影響天井施工偏斜的因素主要有三個方面：一是由于鉆機(jī)自身的動作控制精度差導(dǎo)致的機(jī)械性偏斜；二是在導(dǎo)孔施工過程中因巖層結(jié)構(gòu)突變(如裂隙、溶洞、斷層等)以及鉆具自重(斜孔時)導(dǎo)致鉆頭受力不均，形成鉆頭的跑偏；三是操作人員的操作控制不當(dāng)引起的開孔偏斜[5]。

針對鉆機(jī)自身原因和人為操作不當(dāng)引起的偏斜，解決辦法相對容易，可采用提高鉆機(jī)控制精度、增加設(shè)備姿態(tài)監(jiān)控、提高操作人員技術(shù)水平等方式來解決。而由巖石特性變化導(dǎo)致的鑿巖偏斜解決起來就非常困難，需要通過大量的數(shù)據(jù)采集和分析才能處理，為此本設(shè)備搭建了專門的隨鉆數(shù)據(jù)采集分析模塊，建立了鉆桿防偏征兆采集預(yù)處理模型，通過對鑿巖過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，來實(shí)時調(diào)整推進(jìn)、回轉(zhuǎn)等鑿巖參數(shù)，在鉆頭發(fā)生偏斜前對鑿巖工況進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到鉆進(jìn)防偏的目的。

4 鉸接自行式天井鉆機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用

目前，該鉸接自行式天井鉆機(jī)適用于無軌礦山天井、溜井、通風(fēng)井、管道井等礦井施工，成井直徑1～3.5 m，已在深圳中金嶺南凡口鉛鋅礦、山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司、湖南蓬源鴻達(dá)礦業(yè)有限公司等多家單位投入使用(見圖7)。從現(xiàn)場反饋來看，鉸接自行式天井鉆機(jī)省去了設(shè)備拆裝、軌道鋪設(shè)、動力牽引、基礎(chǔ)澆筑等一系列施工前的準(zhǔn)備工序，大大減少了天井施工的輔助時間，不僅使天井施工的效率有了顯著提高，還有效降低了施工的經(jīng)濟(jì)成本(見表2)。相同規(guī)格的天井鉆機(jī)，傳統(tǒng)軌輪式設(shè)備轉(zhuǎn)場大約需要10 d，需要至少6個人協(xié)同作業(yè)，而自行式天井鉆機(jī)僅需要1 d、2人即可完成，天井施工的綜合效率大大提高。另外，設(shè)備采用遠(yuǎn)程無線遙控操作，設(shè)備故障率少，人工勞動強(qiáng)度低，施工更加安全可靠。

圖7 鉸接自行式天井鉆機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用 Fig.7 Field application of articulated self-propelled raise drilling rig

表2 鉸接自行式天井鉆機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計Table 2 Application statistics of articulated self-propelled raise drilling rig

5 結(jié)論

鉸接自行式天井鉆機(jī)立足于低矮化、小型化的地下礦山開采技術(shù)特點(diǎn)，有一體化自行、智能化鑿巖等多重優(yōu)勢。鉆機(jī)采用模塊化系統(tǒng)集成設(shè)計，電液比例控制和負(fù)載反饋液壓系統(tǒng)，搭載PLC程序控制和Can總線傳輸系統(tǒng)，實(shí)行人機(jī)分離遠(yuǎn)程無線遙控操作，控制精度高、巷道通過性好、施工高效、安全可靠。該設(shè)備針對礦山降本增效、節(jié)能環(huán)保和少人的實(shí)際需求，很好的切合了地下礦山無軌化趨勢，整機(jī)尺寸和巷道通過性與2 m3地下鏟運(yùn)機(jī)相近，可適應(yīng)國內(nèi)絕大部分地下礦山的巷道要求，是當(dāng)前礦山實(shí)用、高效、智能的新型設(shè)備，也為國內(nèi)礦山無人化的發(fā)展趨勢打下了良好的基礎(chǔ)。