王賀劍，李冬生，李旺年，翁寅生

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下存在多種地質(zhì)災(zāi)害如礦井突水，礦井火災(zāi)，瓦斯、粉塵爆炸，煤與瓦斯突出等，這些災(zāi)害是煤礦事故頻發(fā)的主要因素[1-3]。隨著近年來國家對(duì)煤礦安全的投入不斷增加，煤礦事故已大幅減少。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國煤礦每百萬噸死亡率依然高于發(fā)達(dá)國家[4-5]。礦難發(fā)生后，通常礦工被困井下，由于巷道發(fā)生坍塌，變形等因素救援人員不能通過原有巷道到達(dá)災(zāi)區(qū)[6]。為了實(shí)施快速救援，普遍采用大直徑鉆孔來構(gòu)建逃生通道和救援物資保障通道，營救被困礦工。大直徑鉆孔施工目前均采用地面應(yīng)急救援車載鉆機(jī)通過快速鉆井技術(shù)結(jié)合隨鉆測(cè)量技術(shù)，跟管鉆進(jìn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[7]。任何大直徑鉆孔必須圍繞安全和高效成孔為中心，通過工藝技術(shù)的創(chuàng)新和配套設(shè)備的改進(jìn)提高鉆進(jìn)效率。特別是當(dāng)應(yīng)用于煤礦搶險(xiǎn)救援時(shí)，能夠提供堅(jiān)實(shí)可靠的技術(shù)保障[8-9]。車載鉆機(jī)的快速擰卸裝置是救援車載鉆機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能和可靠性等直接影響施工效率。

當(dāng)前可用于應(yīng)急救援的國內(nèi)外地面車載鉆機(jī)，主要為下述4款產(chǎn)品：國外有德國BAUER（寶峨）RB-T90[10]救援鉆機(jī)以及美國SCHRAMM（雪姆）公司生產(chǎn)的TX200XD多功能全液壓車載鉆機(jī)；國內(nèi)有中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研發(fā)制造的ZMK5530TZJ100型車載鉆機(jī)[11-14]以及北京天和眾邦CMD100煤層氣多功能鉆機(jī)[15]等。但是上述車載鉆機(jī)井口平臺(tái)普遍存在下述3個(gè)問題：①均采用一體式結(jié)構(gòu)，整體質(zhì)量大，復(fù)雜路況通行能力差；②與主機(jī)給進(jìn)裝置連接固定，造成車載鉆機(jī)運(yùn)輸高度超限，難以符合國內(nèi)道路通行規(guī)則；③手動(dòng)操作卸扣，自動(dòng)化程度低。為此，開發(fā)了一適應(yīng)復(fù)雜煤層救援鉆進(jìn)工藝的鉆具快速擰卸裝置。

1 快速擰卸裝置總體方案

快速擰卸裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 快速擰卸裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of rapid screw-off device

快速擰卸裝置總體方案，主要含以下部分：①具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)平功能的U型井口平臺(tái)，承載力120 t，整體結(jié)構(gòu)尺寸小，開口直徑大，井口平臺(tái)與機(jī)身大梁采用插銷式連接方式，快速可靠，井口平臺(tái)自動(dòng)適應(yīng)機(jī)身動(dòng)力頭井口中心位置，實(shí)時(shí)對(duì)中；②液壓卡盤可通過更換不同規(guī)格的卡瓦組合滿足多規(guī)格鉆具的夾持和通過；③具有手動(dòng)、自動(dòng)雙控功能的擰卸鉗總成（一鍵擰卸鉆具），擰卸鉗整體寬度小、上卸扣直徑范圍大，滿足傳統(tǒng)鉆進(jìn)和液壓吊卡鉆進(jìn)2種工藝要求。

2 井口平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)及調(diào)平原理

2.1 U型井口機(jī)械平臺(tái)

U型機(jī)械井口平臺(tái)如圖2。

圖2 U型機(jī)械井口平臺(tái)Fig.2 The U-shaped mechanical wellhead platform

如圖2，井口平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，底翹結(jié)合框架式4支腿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與鉆機(jī)主機(jī)快速安裝。井口平臺(tái)采用4支腿支撐平臺(tái)，主要由液壓支腿、機(jī)械框架和可拆卸補(bǔ)心組成。液壓支腿采用4個(gè)帶自鎖功能的液壓缸組成，可以調(diào)節(jié)機(jī)械框架組成的高度。機(jī)械框架采用型鋼焊接，滿足井內(nèi)鉆具的承載要求，具備足夠的強(qiáng)度與剛度。

2.2 井口平臺(tái)調(diào)平原理

井口平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 井口平臺(tái)簡圖Fig.3 A schematic view of the wellhead platform

井口平臺(tái)平臺(tái)的調(diào)節(jié)采用單向調(diào)節(jié)方法。井口平臺(tái)傾角時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)水平狀態(tài)，采用閉環(huán)控制調(diào)平系統(tǒng)，傾角超過限定值（精度設(shè)定值）時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向司鉆人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，司鉆在確定滿足調(diào)平要求時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，使平臺(tái)傾角回歸到設(shè)定范圍內(nèi)。依次沿著x軸方向和y軸方向調(diào)平。這種調(diào)平方式時(shí)間上略長，優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高可靠性和協(xié)調(diào)性。調(diào)平過程為了不會(huì)出現(xiàn)虛腿，主要是對(duì)4點(diǎn)的相對(duì)位置做調(diào)整，這樣保證了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。調(diào)節(jié)過程保持相對(duì)最高點(diǎn)穩(wěn)定，逐步調(diào)整低點(diǎn)高度，以最高點(diǎn)為基準(zhǔn)（平臺(tái)的最高點(diǎn)可以借助水平傳感器的檢測(cè)信號(hào)找出），這種情況下平臺(tái)就只有上升運(yùn)動(dòng)。

平臺(tái)通過圖3中4個(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)承載。支撐平臺(tái)為4個(gè)垂直的液壓缸實(shí)現(xiàn)鉆具承載及平臺(tái)調(diào)平功能。水平傳感器1和水平傳感器2分別沿x、y方向布置；則平臺(tái)的傾斜角度θ可由式（1）表示為：

如果2個(gè)方向的控制精度為±δ，則調(diào)平后平臺(tái)的水平誤差為：

式中：α為傳感器1與x方向的水平傾角；β為傳感器2與y方向的水平傾角；γ為2個(gè)傳感器間的夾角；δ為控制精度，（°）。

依據(jù)式（2）可以推出，在控制精度δ給定的條件下，2個(gè)傳感器垂直分布即當(dāng)γ=90°時(shí)，平臺(tái)的水平誤差θ的最小值為2δ。兩邊的水平控制精度為整個(gè)平臺(tái)水平控制精度的1/2。平臺(tái)傾斜角度用雙軸水平傳感器檢測(cè)。

2.3 大開口液壓卡盤

液壓卡盤結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 液壓卡盤Fig.4 The hydraulic chuck

液壓卡盤的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，有2個(gè)對(duì)分的卡瓦組件，由2個(gè)卡瓦連接在轉(zhuǎn)動(dòng)臂上構(gòu)成1個(gè)卡瓦組件。轉(zhuǎn)動(dòng)臂的另一端分連接左右曲軸，左右曲軸之間用連桿相連。動(dòng)力裝置是驅(qū)動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)曲軸圍繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)?？ㄍ咛嵘龝r(shí)放開管柱，卡瓦下放時(shí)將管柱加緊。通過止退塊與連桿臺(tái)肩面的嚙合完成轉(zhuǎn)軸的制動(dòng)。在卡瓦在本體內(nèi)咬緊管柱情況下，止退塊同時(shí)與連桿臺(tái)肩咬合，可防止管柱的松動(dòng)。平行的管柱在卡盤配備的活門和卡瓦間通過。由于活門的特殊截面，允許同時(shí)通過電潛泵的電纜及任意尺寸的油管柱。

3 卸扣鉗結(jié)構(gòu)及控制

3.1 卸扣鉗機(jī)械系統(tǒng)

卸扣鉗總成如圖5。

圖5 卸扣鉗總成Fig.5 Shackle tongs assembly

卸扣鉗系統(tǒng)底座是背鉗、沖扣鉗（主鉗）與旋扣鉗的基座，用于對(duì)中鉆具，可實(shí)現(xiàn)鉗頭水平、垂直移動(dòng)，可承受旋扣鉗的反扭矩。底座采用雙導(dǎo)軌形式，既可以實(shí)現(xiàn)卸扣鉗總成整體移動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)旋扣鉗單獨(dú)移動(dòng)。沖扣鉗和背鉗分別通過2個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)“V”形牙板夾緊鉆具接頭。鉆具上扣和沖扣過程通過沖扣油缸驅(qū)動(dòng)沖扣鉗旋轉(zhuǎn)過程完成。旋扣鉗采用液壓缸夾緊和旋扣馬達(dá)帶動(dòng)滾子滑塊實(shí)現(xiàn)旋扣動(dòng)作。旋扣鉗可沿垂直方向運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償鉆具旋扣時(shí)垂直位移，彈簧復(fù)位。卸扣鉗設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①最大上扣扭矩：80 kN·m；②最大沖扣扭矩：100 kN·m；③旋扣速度：80 r/min；④操作方式：手動(dòng)、全自動(dòng)；⑤整體水平移動(dòng)行程：1 000 mm；⑥旋扣鉗水平移動(dòng)行程：500 mm；⑦垂直移動(dòng)行程：500 mm。

3.2 卸扣鉗液壓系統(tǒng)

卸扣鉗總成采用全液壓控制方式，要求設(shè)計(jì)簡單、可靠，有較高的功重比，且操作維修便捷。液壓系統(tǒng)主要包括沖扣鉗液壓系統(tǒng)、旋扣鉗液壓系統(tǒng)、底座液壓系統(tǒng)。沖扣鉗液壓系統(tǒng)是由背鉗夾緊、沖扣鉗夾緊、沖扣油缸沖扣3個(gè)液壓分系統(tǒng)組成。在背鉗夾緊和沖扣鉗夾緊過程中要求夾緊力保持穩(wěn)定，在2個(gè)系統(tǒng)中分別才用壓力可調(diào)雙向平衡閥控制，根據(jù)使用工況要求，可調(diào)節(jié)夾緊力。沖扣油缸液壓系統(tǒng)要求油缸伸縮平穩(wěn)、位置精準(zhǔn)、沖扣速度快，系統(tǒng)采用磁致伸縮油缸設(shè)計(jì)。旋扣鉗液壓系統(tǒng)中采用4個(gè)帶有制動(dòng)器的擺線馬達(dá)，4個(gè)馬達(dá)采用并聯(lián)油路設(shè)計(jì)，液壓馬達(dá)的制動(dòng)油缸采用梭閥和彈簧控制，當(dāng)馬達(dá)一側(cè)有壓力時(shí)，高壓油經(jīng)梭閥進(jìn)入制動(dòng)器油缸，打開制動(dòng)器，馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)控制閥處于中位時(shí)，制動(dòng)油缸液壓油泄出液壓油，制動(dòng)器夾緊馬達(dá)軸，馬達(dá)停止工作。底座液壓系統(tǒng)采用液壓缸和控制閥進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)沖扣裝置整體的水平和垂直運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語

通過救援用車載鉆機(jī)模塊化和智能化技術(shù)，開發(fā)了一種鉆具快速擰卸裝置。鉆具快速擰卸裝置采用模塊化、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了多種規(guī)格鉆具的快速擰卸，最大卸扣扭矩達(dá)到100 kN·m，最大鉆具通過直徑達(dá)到900 mm?？焖贁Q卸裝置采用自動(dòng)化控制程序，可以實(shí)現(xiàn)一鍵擰卸鉆具，大大提高了鉆具的擰卸效率，為救援施工節(jié)省了大量輔助時(shí)間。