綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 偉， 賀昌斌， 柴書罡， 謝 苗， 劉治翔

（1.中煤平朔集團(tuán)井工一礦， 山西 朔州 036000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院， 遼寧 阜新 123000）

0 引言

目前煤礦井下綜采工作面頂板煤厚探測主要依靠人工操作鉆機(jī)、煤電鉆來進(jìn)行鉆探，在探煤厚時(shí)頂幫容易掉下煤塊，導(dǎo)致人員被砸傷，安全性差，人工接、拆鉆桿，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，鉆探效率低，鉆探時(shí)需要采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)長時(shí)間停機(jī)等待，嚴(yán)重影響煤炭開采效率。而目前機(jī)械化鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性差，無法適用于在狹長、空間受限的綜采工作面。

為了獲取煤礦井下采區(qū)和工作面內(nèi)確切的煤層厚度資料，為礦井進(jìn)一步圈算煤炭儲(chǔ)量和測算回采率，為采區(qū)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的技術(shù)依據(jù)，以便合理組織采掘工程，合理開發(fā)、利用煤炭資源，減少損失，研發(fā)試制一種操作便捷、靈活性高、移動(dòng)和回收方便的專用于綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)， 從而提高鉆探效率、 保障工人安全、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)

1.1 綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)

為保證綜采工作面回采煤層煤炭資源的最大限度回收，利用現(xiàn)有鉆探技術(shù)及裝備結(jié)合井下的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)出滿足綜采工作面回采煤層探頂煤厚需求的新型鉆機(jī)。本鉆孔機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 鉆孔機(jī)械手總圖Fig.1 General drawing of drilling manipulator

該鉆孔機(jī)械手是由：操作臺(tái)、主車體、伸縮液壓缸、側(cè)邊導(dǎo)輪、連接桿、翻轉(zhuǎn)框架、翻轉(zhuǎn)液壓缸、氣動(dòng)鉆機(jī)、展開框架、車輪座、行走車輪、氣動(dòng)馬達(dá)、 馬達(dá)支架等部分組成的 “兩翻轉(zhuǎn)兩平移”式結(jié)構(gòu)。 設(shè)備技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 設(shè)備總體技術(shù)參數(shù)Tab.1 Overall technical parameters of equipment

1.2 工作原理

工作過程有兩種方式分別對應(yīng)兩種工況。

第一種方式適用于常用工況。設(shè)備主體借助卡軌器，通過行走驅(qū)動(dòng)到達(dá)指定位置后， 操作手柄使鉆機(jī)翻轉(zhuǎn)油缸將鉆機(jī)及其配合導(dǎo)軌順時(shí)針翻轉(zhuǎn)一定角度， 使俯仰角度到合適位置。 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給油缸使鉆機(jī)導(dǎo)軌沿鉆機(jī)滑道移動(dòng)直至頂住煤巖或液壓支架，完成支撐固定。最后推進(jìn)鉆機(jī)打孔作業(yè)。

第二種方式適用于需要鉆機(jī)垂直采煤工作面打孔作業(yè)的情況。設(shè)備主體到達(dá)指定位置后，由人工推動(dòng)水平回轉(zhuǎn)支架至鉆機(jī)面向液壓支架 （回轉(zhuǎn)支架垂直于采煤工作面）。 鉆機(jī)水平回轉(zhuǎn)架上突出的支承板應(yīng)支撐在中部槽上，完成初步支撐作用。繼續(xù)操作手柄改變鉆機(jī)俯仰角度到合適位置。 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給油缸使鉆箱導(dǎo)軌沿鉆機(jī)滑道移動(dòng)直至頂住煤巖或液壓支架，完成支撐固定。最后推進(jìn)鉆機(jī)打孔作業(yè)。

鉆孔機(jī)械手主要用于隧道頂部巖壁鉆孔探深， 當(dāng)進(jìn)行鉆孔工作時(shí)， 行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走輪將設(shè)備前引至選定位置。 設(shè)備在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的控制下將鉆機(jī)伸縮導(dǎo)軌有水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至垂直頂板并固定，補(bǔ)償油缸動(dòng)作，將鉆機(jī)向頂板方向推送， 當(dāng)鉆機(jī)導(dǎo)軌前端面頂至液壓支架頂梁時(shí)停止，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高度補(bǔ)償，隨后驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)對隧道頂部巖壁進(jìn)行鉆孔探深

本設(shè)計(jì)的探頂厚鉆機(jī)， 主要用于平朔煤礦的綜采工作面回采煤層探煤厚工作。 該探頂厚鉆機(jī)主要有三種工作狀態(tài)，一是儲(chǔ)存運(yùn)輸狀態(tài)；二是探頂厚鉆機(jī)工作狀態(tài)；三是出于前兩者之間存在過渡狀態(tài)。

下面結(jié)合圖示介紹本設(shè)備工作全過程：

（1）定位及展開過程。 ①儲(chǔ)存狀態(tài)：儲(chǔ)存狀態(tài)下鉆進(jìn)裝置沿工作面方向水平放置， 機(jī)架上的鉆機(jī)載板對鉆機(jī)起到支撐作用，防止鉆機(jī)掉落。 此時(shí)設(shè)備所占空間最小。有利于運(yùn)輸與儲(chǔ)藏；②鉆機(jī)定位：在運(yùn)輸過程中通過底盤一側(cè)的行走裝置與銷排配合來實(shí)現(xiàn)探頂厚鉆機(jī)的運(yùn)輸，以使鉆機(jī)到達(dá)預(yù)工作面或撤離工作面， 推動(dòng)行走馬達(dá)控制手柄至右（或左）側(cè)，驅(qū)動(dòng)行走輪使設(shè)備向前運(yùn)動(dòng)，直至設(shè)備到達(dá)指定位置；③旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)：過渡狀態(tài)主要完成探頂厚鉆機(jī)工作前的初步定位工作， 當(dāng)鉆機(jī)達(dá)到預(yù)定工作面時(shí)行走裝置進(jìn)行自鎖保證探頂厚鉆機(jī)暫時(shí)的穩(wěn)定。 推動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制手柄至前進(jìn)位， 鉆機(jī)伸縮導(dǎo)軌順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，使設(shè)備鉆機(jī)部分達(dá)到豎直位置并自鎖，保持鉆機(jī)暫時(shí)穩(wěn)定，見圖2；④高度補(bǔ)償：將補(bǔ)償油缸手柄推至展開位置，補(bǔ)償油缸展開，鉆機(jī)沿伸縮導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)頂在液壓支架頂梁下， 實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高度補(bǔ)償及支承。將卡軌器卡緊銷排，此時(shí)補(bǔ)償進(jìn)給液壓缸通過油缸的伸縮將鉆進(jìn)體送到液壓支架頂板處， 使其與頂板充分接觸并與卡軌器相配合增加了探頂厚鉆機(jī)的穩(wěn)定性，見圖3。

圖2 鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of drilling rig rotation

（2）工作狀態(tài)。工作時(shí)， 機(jī)架及伸縮導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)的固定， 鉆機(jī)在推進(jìn)器的推動(dòng)下， 向上進(jìn)行鉆探。 鉆機(jī)在工作中判斷煤巖性質(zhì)的方法是通過較為成熟的巖性識(shí)別技術(shù)與人工觀察相配合的方式進(jìn)行煤巖性質(zhì)的識(shí)別， 根據(jù)設(shè)置鉆桿和進(jìn)給液壓缸上的扭矩和壓力傳感器反饋回來的壓力信號(hào)經(jīng)過分析處理來初步判斷煤巖的性質(zhì)， 當(dāng)鉆桿和進(jìn)給液壓缸的扭矩和進(jìn)給壓力曲線發(fā)生較大變化時(shí)且持續(xù)一段時(shí)間后，說明此時(shí)的煤巖性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了變化，在產(chǎn)生此現(xiàn)象的同時(shí)觀察探頂厚鉆機(jī)頂部排渣裝置出口處的鉆屑情況，進(jìn)一步確定煤巖性質(zhì)。

（3）回收過程。 折疊過程與展開過程步驟相反，分別為①撤回鉆機(jī)； ②操補(bǔ)償油缸手柄鉆機(jī)伸縮導(dǎo)軌歸回至原位；③推動(dòng)操作臺(tái)手柄使鉆機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置。

2 總體參數(shù)確定

（1）轉(zhuǎn)速確定。 鉆頭的轉(zhuǎn)速主要與鉆頭本身的直徑、煤巖的硬度有關(guān)，鉆頭轉(zhuǎn)速n 與鉆頭直徑D、煤巖硬度f的關(guān)系為：

式中：n——鉆頭轉(zhuǎn)速（r/min）；c—切削速度常數(shù)，取值范圍6000～10300，煤巖硬度較低，故c 取10000；D—鉆頭直徑，單位mm，在煤礦井下通常使用的鉆桿直徑27～42mm范圍內(nèi)，鉆桿直徑取D=36mm；f—巖石的堅(jiān)固性系數(shù)，本設(shè)計(jì)取2.5。

鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速取整n=700r/min

（2）推進(jìn)速度。鉆機(jī)推進(jìn)一次所需時(shí)間t 設(shè)為2min 左右，即t=120s

計(jì)算可知：

計(jì)算得推進(jìn)速度為400mm/min

（3）進(jìn)給力的確定。根據(jù)設(shè)計(jì)要求需保證一定的鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)以ν=400mm/min 的速度進(jìn)給，由上述可知，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，n=700r/min。

由h=V/2n 計(jì)算求得：

每轉(zhuǎn)進(jìn)給量h=0.29mm/r

由h=P/σtanσ 可得出：

式中：α—鉆刃的刃尖角，α=75°；σ—煤巖的抗壓強(qiáng)度，取25MPa。

計(jì)算得出進(jìn)給力F=2P=1.07kN。

（4）轉(zhuǎn)矩的確定。 巖石極限抗剪強(qiáng)度τp=65N/mm2，鉆頭與煤巖的摩擦系數(shù)取0.17。

（5）一次鉆進(jìn)行程。 鉆孔橫向間距l(xiāng)=800mm，一次鉆進(jìn)的行程不宜過大， 因此本鉆機(jī)一次鉆進(jìn)行程應(yīng)為800mm左右。

（6）鉆孔直徑。 鉆孔直徑應(yīng)設(shè)定在合適的范圍內(nèi)，保證不破壞巖層的整體結(jié)構(gòu)，利于煤層的開采。鉆孔直徑為27～42mm 范圍內(nèi)，取36mm。

（7）鉆孔深度。 鉆機(jī)需要進(jìn)行多次重復(fù)推進(jìn)，最終鉆孔深度≥10m。 鉆機(jī)一次推進(jìn)最大距離設(shè)定為0.8m，經(jīng)過13 次左右可推進(jìn)至要求深度。

鉆機(jī)的行走轉(zhuǎn)置使鉆機(jī)能夠正常運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?；鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橫向與縱向的旋轉(zhuǎn)； 鉆機(jī)的輔助支撐機(jī)構(gòu)提供輔助儲(chǔ)存平臺(tái)，避免鉆進(jìn)體在運(yùn)輸與儲(chǔ)存過程中發(fā)生傾翻現(xiàn)象； 水平輔助定位機(jī)構(gòu)可避免設(shè)備沿刮板輸送機(jī)方向發(fā)生偏差； 兩側(cè)的撐頂油缸使液壓支架頂板被撐緊，輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)保證鉆機(jī)工作穩(wěn)定；補(bǔ)償進(jìn)給機(jī)構(gòu)對鉆進(jìn)體推進(jìn)裝置在軸向方向進(jìn)行補(bǔ)償， 以滿足不同高度的頂板的要求。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求給出探頂厚鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of drilling rig

行走速度：2～5m/min， 回轉(zhuǎn)角度范圍：0～90°，水平調(diào)整范圍：0～500mm；鉆進(jìn)深度：10m，鉆孔直徑36mm。

鉆機(jī)鉆頭采用硬質(zhì)合金與鉆粒，計(jì)算鉆頭調(diào)速范圍：

式中：nmax—回轉(zhuǎn)器最高轉(zhuǎn)速；nmin—回轉(zhuǎn)器最低轉(zhuǎn)速，取值范圍為100～500r/min。

經(jīng)計(jì)算：該設(shè)計(jì)鉆頭的調(diào)速范圍為4，鉆頭速度級數(shù)m 取3～5 級。

3 測試分析

本項(xiàng)目研制的綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)已在平朔公司井工一礦19111 綜放工作面進(jìn)行了測試。19111 綜放工作面，工作面傾向起伏角度不大于7°、一般3°～5°，工作面長度281.9m、起伏角度不大于0°～5°，煤質(zhì)硬度f=2～4。頂板多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥巖，底板以砂質(zhì)泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖或砂巖。輔運(yùn)順槽凈高3.5m 寬5.2m，回風(fēng)順槽高3.5m 寬5.2m，切眼凈高3.5m 寬10m，均為矩形巷道。 工作面設(shè)計(jì)采高3.5m。 測試步驟：①在19111 工作面上平均每30m 選取1 個(gè)測試位置，共計(jì)10 個(gè)測試位置，見圖4。 在兩個(gè)支架頂梁之間的縫隙處進(jìn)行頂煤厚鉆探試驗(yàn)。 根據(jù)每個(gè)測試位置頂板的好壞酌情向兩側(cè)移動(dòng)若干支架，重新選取測試位置；②測試時(shí)首先將頂煤厚鉆機(jī)通過起吊裝置從液壓支架處的安裝座上移動(dòng)到刮板輸送機(jī)中部槽上；③接上風(fēng)管，控制鉆機(jī)行走裝置將頂煤厚鉆機(jī)移動(dòng)到需要測試的位置；④接上乳化液管和水管，控制鉆機(jī)從兩個(gè)支架頂梁之間的縫隙處向上鉆探； ⑤當(dāng)鉆探阻力明顯增大， 鉆孔過程中流出的廢水較之前不再污黑，說明已鉆到頂板巖石處，記錄鉆探過程中的鉆桿數(shù)量和當(dāng)前鉆桿的鉆進(jìn)深入即為頂板煤層厚度； ⑥拆除乳化液管和水管， 控制鉆機(jī)行走裝置將頂煤厚鉆機(jī)移動(dòng)到下一個(gè)需要測試的位置；⑦重復(fù)步驟④～步驟⑥完成對整個(gè)工作面的頂煤厚鉆探試驗(yàn)。

現(xiàn)場位置布置和測試情況見圖4 和圖5。

圖4 測試位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of test location

圖5 頂板探煤厚鉆機(jī)現(xiàn)場測試Fig.5 Field test of roof thick coal drilling rig

通過為期一個(gè)月的19111 工作面頂板探煤厚現(xiàn)場測試， 得到相關(guān)數(shù)據(jù)繪制如圖6 和圖7 所示。

圖6 工作面頂板煤厚鉆探測試數(shù)據(jù)示意Fig.6 Illustration of test data of roof coal thickness drilling in working face

圖7 工作面煤層厚度模擬圖Fig.7 Simulation diagram of coal seam thickness in working face

通過現(xiàn)場測試可知：

（1）綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)滿足工作和功能要求。

（2）工作面頂板探煤厚鉆機(jī)測得19111 工作面頂板煤厚平均值為12.8m， 與前期人工鉆探深度基本一致，滿足工作要求。

（3）每個(gè)鉆孔時(shí)間在5min 左右，測試期間測試的總時(shí)長在70min 左右。 通常每個(gè)工作面每次鉆孔僅需要鉆探3～5 個(gè)孔位，因此鉆探需要耗時(shí)30～40min，相比傳統(tǒng)人工鉆孔效率提高30%左右。

4 結(jié)論

為保證綜采工作面回采煤層煤炭資源的最大限度回收，利用現(xiàn)有鉆探技術(shù)及裝備結(jié)合井下的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)出滿足綜采工作面回采煤層探頂煤厚需求的新型鉆機(jī)。該綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)的動(dòng)力源為綜采工作面現(xiàn)場的乳化液和氣源。乳化液為鉆機(jī)的油缸提供動(dòng)力，氣源為鉆機(jī)和行走馬達(dá)等提供動(dòng)力。鉆機(jī)采用架式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)水平與豎直在一定角度的自由回轉(zhuǎn)。 該鉆機(jī)能進(jìn)行折疊回收減小存放體積， 能夠在煤礦井下空間狹小的工況條件下應(yīng)用。 工作面頂板探煤厚鉆機(jī)測得19111 工作面頂板煤厚平均值為12.8m，與前期人工鉆探深度基本一致，滿足工作要求。綜采工作面頂板探煤厚鉆機(jī)滿足工作和功能要求。