張 銳

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

順煤層鉆孔抽采瓦斯是煤礦井下最直接、最有效的瓦斯抽采方法，目前我國煤礦井下普遍采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔方法進(jìn)行井下瓦斯抽采，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)存在鉆孔盲區(qū)，無法精確了解鉆孔的軌跡。為了增大瓦斯抽放效果，需要施工大量的瓦斯抽放孔，難以滿足煤礦井下高效開采的要求。水平定向鉆孔技術(shù)可以精確控制鉆孔軌跡，確保施工過程中鉆孔在煤層中延伸，提高鉆孔瓦斯采效果[1-2]。

大型開采設(shè)備在煤礦的應(yīng)用，導(dǎo)致礦井的規(guī)模和工作面的長度不斷增加，例如在神東、陜北等大型礦井的工作面長度最大已達(dá)6 000 m。為了滿足超長工作面瓦斯抽采鉆孔施工的需要，迫切需要開展1 500 m以上本煤層超長定向鉆孔施工裝備的研究，達(dá)到超長定向鉆孔高效施工和精確控制的需要，因此開展大功率定向鉆探技術(shù)裝備研發(fā)的工作勢在必行[3-4]。

1 鉆機(jī)總體方案和性能參數(shù)

大功率定向鉆機(jī)采用雙列并排布局設(shè)計(jì)，車體寬度為1.6 m，符合井下狹窄巷道緊湊性布局要求[5]。鉆機(jī)平臺上集成有防爆計(jì)算機(jī)和鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，用于定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡控制和鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測；采用1 200 mm長行程給進(jìn)裝置，通過雙桿雙作業(yè)油缸有效提高提起下鉆速度；平臺前端設(shè)計(jì)操縱臺，可以方便隨時(shí)觀察孔口情況，鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 ZDY15000LD鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural configuration of ZDY15000LD drilling rig

根據(jù)長鉆孔鉆進(jìn)對大功率定向裝備的需求進(jìn)行鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定其主要參數(shù)如下：①額定轉(zhuǎn)矩：15 000～3 500 N·m；②額定轉(zhuǎn)速：40～135 r/min；③制動轉(zhuǎn)矩：3 000 N·m；④主軸傾角：-10°～20°；⑤最大給進(jìn)/起拔力：300 kN；⑥給進(jìn)/起拔行程：1 200 mm；⑦電動機(jī)額定功率：132 kW；⑧外形尺寸：4.2 m×1.6 m×1.9 m。

2 鉆機(jī)關(guān)鍵部件

2.1 雙馬達(dá)大扭矩回轉(zhuǎn)器

回轉(zhuǎn)器具備夾緊鉆桿并將液壓馬達(dá)輸出的動能傳遞給鉆桿，是鉆進(jìn)動力的輸出端[6]。

為了達(dá)到較大的轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)范圍，設(shè)計(jì)中采用2個(gè)液控變量馬達(dá)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的無極調(diào)節(jié)。回轉(zhuǎn)器采用行星減速和一級斜齒輪減速相配合的兩級減速型式，實(shí)現(xiàn)大減速比條件下的小體積設(shè)計(jì)?；剞D(zhuǎn)器一級行星減速單元包括中心輪、行星輪、行星輪架和內(nèi)齒圈構(gòu)成。兩級齒輪傳動總的傳動比為11.76，回轉(zhuǎn)器傳動系統(tǒng)示意圖如圖2。

回轉(zhuǎn)器的輸出扭矩M為：

圖2 回轉(zhuǎn)器傳動示意圖Fig.2 Transmission schematic of rotary head

式中:△p 為壓力差，MPa；qm為馬達(dá)排量，mL/r；ηmm為馬達(dá)的機(jī)械效率；k為馬達(dá)個(gè)數(shù)；i為回轉(zhuǎn)器減速比。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選用的液壓馬達(dá)為200 mL軸向柱塞馬達(dá)，理論排量為50～200 mL/r，馬達(dá)個(gè)數(shù)為2，回轉(zhuǎn)器的輸出轉(zhuǎn)矩和參數(shù)見表1。

表1 回轉(zhuǎn)器輸出性能參數(shù)表Table 1 Table of output performance parameters of rotary head

回轉(zhuǎn)器上安裝有液壓制動裝置，用于定向鉆進(jìn)時(shí)主軸制動，可以有效鎖緊鉆柱，確保螺桿鉆具在鉆進(jìn)過程中不會隨意轉(zhuǎn)動。

2.2 給進(jìn)裝置

給進(jìn)裝置除了用于向鉆頭施加軸向力給給進(jìn)鉆具、提升鉆具、承載擰卸鉆桿扭矩外，還用于孔內(nèi)出現(xiàn)埋鉆、掉鉆事故時(shí)打撈孔內(nèi)鉆具[7]。給進(jìn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧考慮機(jī)身長度和給進(jìn)行程參數(shù)，設(shè)計(jì)中采用2個(gè)110/55的雙桿雙作用油缸，活塞桿兩端固定在機(jī)身的前后兩端，油缸上安裝有卡套，缸筒來回運(yùn)動時(shí)帶動安裝在托板上的回轉(zhuǎn)器前后運(yùn)動。給進(jìn)裝置導(dǎo)軌與機(jī)身采用螺栓連接，上襯板與導(dǎo)軌磨損嚴(yán)重時(shí)可整體更換，拖板組件為鑄造式結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整螺釘可以調(diào)整夾板與導(dǎo)軌間隙。機(jī)身導(dǎo)軌和托板下襯板采用高性能耐磨材料，使用壽命長，更換方便，給進(jìn)裝置示意圖如圖3。

2.3 調(diào)角裝置

調(diào)角裝置主要用于現(xiàn)場施工時(shí)調(diào)整鉆機(jī)主軸的開孔傾角，開孔傾角往往需要根據(jù)不同的煤層賦存條件進(jìn)行調(diào)整，調(diào)角裝置的結(jié)構(gòu)形式直接影響鉆機(jī)的輔助作業(yè)時(shí)間。坑道定向鉆機(jī)中比較常見的調(diào)角方式包括雙支座雙點(diǎn)油缸對頂調(diào)角、鉸接配合井下絞車調(diào)節(jié)、前后雙支點(diǎn)油缸對頂調(diào)節(jié)[8-9]。為了降低開孔高度，保證操作的舒適性，本定向鉆機(jī)采用前后雙支點(diǎn)油缸對頂調(diào)節(jié)的調(diào)角裝置，調(diào)角裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖3 給進(jìn)裝置示意圖Fig.3 Structure schematic of feeding device

圖4 調(diào)角裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure schematic of angle adjusting device

調(diào)角裝置主要由2個(gè)多級單作用多級油缸、可拆卸橫梁、固定立柱、活動斜撐等部件組成。當(dāng)需要進(jìn)行仰角調(diào)整時(shí)，首先擰松斜撐上的螺釘和中撐桿上的螺釘，然后通過操縱臺上操作手把來控制給進(jìn)裝置前部的多級調(diào)角油缸的伸縮從而調(diào)整機(jī)仰身的調(diào)整；當(dāng)需要進(jìn)行俯角調(diào)整時(shí)，首先擰松橫梁上的螺釘和中撐桿上的螺釘，然后通過主操縱臺上操作手把來控制給進(jìn)裝置尾部的多級調(diào)角油缸的伸縮從而調(diào)整機(jī)俯身的調(diào)整。

2.4 功能豐富的液壓系統(tǒng)

大功率深孔定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用防爆電機(jī)和三泵通軸串聯(lián)驅(qū)動型式。履帶行走與快速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)共用1路負(fù)載敏感閥，Ⅰ泵主要為該回路供油[10]；Ⅱ泵主要為慢速鉆進(jìn)回路與慢速回轉(zhuǎn)回路提供壓力油,正常鉆進(jìn)時(shí)，通過快速鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)鉆具的快速起下鉆，通過慢速鉆進(jìn)方式精確調(diào)節(jié)定向鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)壓力；Ⅲ泵采用恒壓變量控制方式，該方式是一種先進(jìn)的泵控系統(tǒng)，在國外許多行業(yè)得到了廣泛的推廣,Ⅲ泵主要為鉆機(jī)關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡盤、夾持器以及穩(wěn)固調(diào)角機(jī)構(gòu)供油。

為了減少操作失誤，保護(hù)操作人員安全，液壓系統(tǒng)中增加以下保護(hù)回路。

1）鉆進(jìn)系統(tǒng)和履帶行走系統(tǒng)切換功能。通過該回路能實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)時(shí)，履帶行走功能失效，而在搬遷運(yùn)輸過程中，鉆進(jìn)系統(tǒng)也無法工作，有效保護(hù)操作人員的安全[11-12]。

2）定向鉆進(jìn)保護(hù)功能。制動裝置油路上設(shè)計(jì)液控?fù)Q向閥，當(dāng)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工時(shí)，高壓油作用抱緊主軸，主軸制動，同時(shí)高壓油切斷回轉(zhuǎn)系統(tǒng)先導(dǎo)控制手柄的控制油，使得主軸抱緊時(shí)操作回轉(zhuǎn)控制手把失效，有效保護(hù)了制動裝置，防止因誤操作造成對制動裝置零部件的損壞。

3 性能測試和工業(yè)性試驗(yàn)

設(shè)備性能測試是檢驗(yàn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的重要手段，性能測試一般包括鉆機(jī)外觀、安全性、空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、過載試驗(yàn)、溫升、噪聲、傳動效率等。鉆機(jī)負(fù)載性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 鉆機(jī)負(fù)載性能測試結(jié)果Table 2 Test results of load performance of drilling rig

為了充分驗(yàn)證鉆機(jī)的各項(xiàng)性能，工業(yè)性試驗(yàn)選取了2個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行，具體試驗(yàn)情況如下:

1）2018年7月至10月，在淮南潘三礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)位于潘三礦17102（3）工作面，施工鉆孔為頂板高位定向鉆孔，目的是在工作面回采過程中抽采采空區(qū)及工作面上隅角瓦斯。試驗(yàn)鉆機(jī)為ZDY15000LD型千米定向鉆機(jī)和BLY460/13泥漿泵車，采用鉆具為φ89 mm高強(qiáng)度整體式螺旋鉆桿，隨鉆測量系統(tǒng)為泥漿脈沖無線隨鉆測量，工藝方法為復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)。自2018年7月25日至10月28日，在17102（3）工作面完成頂板高位定向鉆孔7個(gè)，其中孔深500 m以上鉆孔6個(gè)，總進(jìn)尺為3 356 m，鉆孔距煤層高度約32 m，平均單孔鉆進(jìn)用時(shí)9 d。試驗(yàn)結(jié)果表明，大功率定向鉆機(jī)具有較強(qiáng)的鉆進(jìn)能力和事故處理能力。

2）為了有效地解決蘭花集團(tuán)東峰煤礦3109工作面上隅角瓦斯治理難題，2018年6月至7月使用ZDY15000LD型千米定向鉆機(jī)在3109聯(lián)絡(luò)巷抽放鉆場共施工高位定向鉆孔2個(gè)，1#孔深702 m，2#孔深594 m，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

大功率定向鉆進(jìn)裝備是煤礦井下長距離鉆孔施工的關(guān)鍵設(shè)備，研制的ZDY15000LD鉆機(jī)適用于井下長距離定向鉆孔和頂板高位鉆孔施工，滿足大型礦井長距離工作面瓦斯抽采生產(chǎn)的需要。

1）鉆機(jī)液壓系統(tǒng)操控靈活、方便，性能穩(wěn)定。單動液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)螺桿馬達(dá)工具面向角的精準(zhǔn)和高效調(diào)節(jié)，有效縮短輔助時(shí)間，提高鉆進(jìn)施工效率，實(shí)現(xiàn)各種鉆進(jìn)工藝條件下鉆機(jī)的精準(zhǔn)控制。

2）大功率定向鉆進(jìn)裝備可大幅提升井下本煤層、大直徑頂板定向高位瓦斯抽采長鉆孔的施工能力和水害防治鉆孔施工能力，推動了井下瓦斯抽采鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，保障了礦區(qū)安全高效開采。