履帶式全液壓坑道鉆機在巷道掘進中的應(yīng)用研究

霍 璇

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

引言

我國煤礦賦存環(huán)境復(fù)雜，“有掘必探，先探后掘”對礦井的安全生產(chǎn)有著重要意義[1]。通過超前探測技術(shù)提前探明采掘區(qū)前方水源情況，并采取相應(yīng)防治措施，可以有效避免礦井水害的發(fā)生?？拥楞@探作為防治礦井涌水的重要手段之一，分為螺旋差動給進式和動力頭式（液壓式）兩類[2]。小莊煤礦40302 工作面運輸巷采用的傳統(tǒng)機械式坑道鉆機存在工作強度大、探查精度低、周期長的問題。隨著安全生產(chǎn)對鉆孔施工技術(shù)要求的不斷提高，傳統(tǒng)坑道鉆機的局限性也日益凸顯。因此，急需尋求一種新型鉆機對小莊煤礦40302 工作面運輸巷道采掘過程中超前探水設(shè)備進行改進。

1 小莊煤礦40302 工作面概況

40302 工作面運輸巷由40302 設(shè)備硐室向東側(cè)開口掘進，北側(cè)為40304 工作面，南側(cè)為40210 工作面，西側(cè)為中央2 號回風(fēng)大巷，東側(cè)緊鄰井田東翼開拓大巷保護煤柱，設(shè)計長度2 200.6 m。40302 工作面運輸巷與40302 回風(fēng)順槽平行且相距196 m，沿煤層底板掘進，掘進方位90°，工作面四周無采空區(qū)，均不會對該運輸巷道造成影響。40302 運輸巷煤層硬度為中硬，施工范圍內(nèi)主含水層由中、粗粒砂巖組成，依分選性、膠結(jié)程度及裂隙發(fā)育程度不同，呈現(xiàn)相對隔水或局部含水，受局部斷裂構(gòu)造的影響，可能在局部地段通過導(dǎo)水裂隙進入井巷系統(tǒng)。

由工程概況可知，掘進巷道地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，可能存在含水構(gòu)造。為避免巷道掘進過程中揭露含水構(gòu)造，威脅巷道的安全掘進，需要在巷道掘進前進行超前探水施工。但通過前期探水效果看來，采用傳統(tǒng)機械式坑道鉆機施工無法達(dá)到預(yù)期效果，施工效率低，勞動作業(yè)強度大，精確性低，無法充分消除作業(yè)區(qū)域水害隱患。因此，需要尋找一種新型坑道鉆機替換傳統(tǒng)機械式坑道鉆機。

2 傳統(tǒng)坑道鉆機分析

2.1 傳統(tǒng)坑道鉆機的組成和運行

由圖1 所示，傳統(tǒng)坑道鉆機主要由鉆機、鉆桿、鉆頭三部分組成。利用鉆機的動力頭驅(qū)動孔內(nèi)鉆具回轉(zhuǎn)，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)切削煤巖層，同時鉆機提供孔內(nèi)鉆具前進的動力，實現(xiàn)破巖鉆進，最后鉆屑隨高壓沖洗液沿四周環(huán)形空間間隙排出孔外[3]。

圖1 傳統(tǒng)坑道鉆機組成示意圖

2.2 傳統(tǒng)坑道鉆機應(yīng)用效果分析

1）由工程概況可知，小莊煤礦40302 工作面運輸巷涌水量主要來源于構(gòu)造裂隙水和施工水兩方面，其中構(gòu)造裂隙水主要為巷道頂板淋滴水或前方遇斷層構(gòu)造或裂隙帶時突然涌水。開展鉆探作業(yè)難度較大，采用傳統(tǒng)坑道鉆機施工時，需要頻繁調(diào)節(jié)設(shè)備位置及角度，極大增加了工人工作量，同時拖延了施工進度，影響巷道開掘和生產(chǎn)。

2）采用傳統(tǒng)坑道鉆機在上山方向鉆探施工時，頂板和煤壁易發(fā)生冒頂、片幫等事故。由于40302 運輸巷煤層較為堅硬，容易出現(xiàn)因負(fù)荷過大導(dǎo)致鉆桿卡死的現(xiàn)象，造成鉆機的綜合保護插件頻繁燒毀，存在一定程度的安全隱患[4-5]。

3）傳統(tǒng)坑道鉆機體積大、結(jié)構(gòu)松散復(fù)雜、行走不便，對作業(yè)環(huán)境要求較高。采用點柱的方式作為中心支撐點，當(dāng)施加力較大時，將會產(chǎn)生相對應(yīng)的大反作用力，最終使得鉆機在鉆孔時搖擺不定，產(chǎn)生左右晃動的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

綜上，傳統(tǒng)坑道鉆機存在工人工作強度大、設(shè)備不穩(wěn)定、移動拆卸困難等問題，在40302 運輸巷中，開掘應(yīng)用效果不佳，不能保質(zhì)保量地完成鉆探水施工，影響施工進度。

3 履帶式全液壓坑道鉆機分析

3.1 履帶式全液壓坑道鉆機的結(jié)構(gòu)組成

履帶式全液壓坑道鉆機為整體式布局，由前下穩(wěn)固裝置、上穩(wěn)固裝置、主機、回轉(zhuǎn)油路板總成、冷卻器、電機泵組、上下穩(wěn)固裝置、主操縱臺、油箱及履帶車體等部分組成，各部分之間用高壓膠管和螺栓連接。履帶式全液壓坑道鉆機結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 履帶式全液壓坑道鉆機

3.2 履帶式全液壓坑道鉆機的特點

1）40302 運輸巷掘進探水施工時工作量大，履帶式全液壓坑道鉆機低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，鉆孔破巖速度快，工作行程大，可以極大減輕工人勞動強度。

2）履帶式全液壓坑道鉆機適應(yīng)性強，解體性好，移機和穩(wěn)鉆時間短，移動搬遷方便，可實現(xiàn)360°無死角鉆探，可滿足40302 運輸巷探水鉆孔多方位、多角度的需求。

3）履帶式全液壓坑道鉆機操作臺設(shè)在履帶車體后方左側(cè)，操作時遠(yuǎn)離孔口，可以避免上山施工所造成的砸傷等隱患，提高了施工環(huán)境及施工人員的安全性。

綜上，履帶式全液壓坑道鉆機具有鉆孔效率高，工藝適應(yīng)性強，穩(wěn)定牢固，移動搬遷方便，安全可靠等一系列優(yōu)點，符合相關(guān)設(shè)計要求，適合用于巷道掘進探水鉆孔施工。

4 履帶式全液壓坑道鉆機的應(yīng)用效果分析

根據(jù)小莊煤礦40302 運輸巷特點，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，應(yīng)用ZDY3500LP 煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機進行探放水施工，針對ZDY3500LP 煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的鉆進速度、工人勞動強度、打鉆安全性和穩(wěn)定性對其應(yīng)用效果進行評價。

4.1 鉆進速度

40302 運輸巷采用綜掘機進行掘進，平均每天掘進工程量為6 m，巷道每掘進10 d 需進行一次探放水施工，探水施工周期為2 d，每月因探水施工影響施工工期為4～6 d，掘進前期探水鉆場間距為60 m，每個探水鉆場布置2 排鉆孔，共6 個鉆孔。采用煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機ZDY3500LP 施工超前探水鉆孔后，比預(yù)計工時78 d 提前了16 d 左右，并完成鉆孔施工深度大約在60 m，巷道掘進效率提高了21%。

4.2 工人勞動強度

采用液壓支架支護比傳統(tǒng)鉆機減少了很多工序，用傳統(tǒng)鉆機打鉆需4 人推鉆、1 人抱鉆、1 人觀山、1人灑水，共7 人；而使用履帶式全液壓坑道鉆機只需4 人完成，推、抱鉆環(huán)節(jié)各1 人即可，工作量也大幅減少。

4.3 安全穩(wěn)定性

采用履帶式全液壓坑道鉆機后，施工人員所在操作臺的位置安裝于主機輪廓外，不僅可以避免上山施工所造成的砸傷等隱患，同時還能保證在下山施工時實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、定時排水。表現(xiàn)方式更為穩(wěn)定，確保40302 運輸巷在探水施工時鉆孔角度符合設(shè)定值，工作安全性穩(wěn)步提升。

整個設(shè)備具有安全高效、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、易于操作以及拆卸移動方便等優(yōu)點，經(jīng)過相關(guān)檢測機構(gòu)進行實驗得出，符合相關(guān)設(shè)計施工要求，適用于煤礦井下掘進探水及其他工程孔的施工，具有一定的推廣意義。

5 結(jié)論

1）傳統(tǒng)坑道鉆機由于體積大和結(jié)構(gòu)松散等特點，造成40302 運輸巷的掘進工期延遲。

2）履帶式全液壓坑道鉆機結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高，安裝搬運方便，在巷道掘進探水中具有更強的適應(yīng)性。

3）選用履帶式全液壓坑道鉆機后，掘進效率提升21%，工人勞動強度降低，安全性提高。