陳澤平

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039）

我國煤礦煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯含量高、壓力大，瓦斯災(zāi)害事故時常發(fā)生，嚴(yán)重威脅井下從業(yè)人員生命安全和煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。定向鉆進技術(shù)具有鉆孔軌跡可控、鉆進距離遠、成本低、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點，近年來在我國煤礦井下瓦斯治理方面得到廣泛應(yīng)用[3-5]。但在復(fù)雜地質(zhì)條件下，定向鉆機深孔大直徑施工能力不足，導(dǎo)致鉆孔效率低、深度淺、瓦斯抽采效率低，無法滿足煤礦井下瓦斯高效治理及“以孔代巷”實際需求。

“十二五”期間，中煤科工集團重慶研究院研制了ZYWL-13000DS 定向鉆機，主機功率132 kW，推力/拉力最大280 kN，最大扭矩13 000 N·m，配套泵車流量480 L/min。該鉆機在晉煤成莊礦43163 巷道頂板復(fù)雜地質(zhì)條件下，采用“先導(dǎo)孔+擴孔”二次成孔工藝技術(shù)，實現(xiàn)了一次鉆孔直徑?120 mm，最大鉆孔深度810 m[6]。中煤科工集團西安研究院在山西晉城寺河礦，采用ZDY-12000LD 定向鉆機，實現(xiàn)先導(dǎo)孔一次成孔?120 mm，最大鉆孔深度456 m[7]。

“十三五”期間，為滿足煤礦井下煤層氣（瓦斯）高效抽采和提質(zhì)增效的要求，中煤科工集團重慶研究院承擔(dān)了國家重大科技專項任務(wù)“大直徑高位長鉆孔鉆進技術(shù)及裝備”，重點研制ZYWL-23000DS大直徑定向鉆機，滿足一次鉆孔直徑達?153 mm、成孔深度1 000 m 以上。要實現(xiàn)以上目標(biāo)，需要在井下空間受限條件下大幅提高定向鉆機裝備整體性能參數(shù)，對鉆機總體布局、關(guān)鍵部件設(shè)計等提出了更高的要求。

1 總體方案設(shè)計

ZYWL-23000DS 定向鉆機整體尺寸比ZYWL-13000DS 定向鉆機增加幅度較大，在井下巷道的適應(yīng)性將會受到很大限制。因此，將鉆機主機及泵車采用分體式結(jié)構(gòu)，均采用全液壓履帶底車驅(qū)動，并在長度和寬度方向上的尺寸進行嚴(yán)格控制，以滿足煤礦井下運輸和鉆場適應(yīng)性。定向鉆機主機和泵車之間可通過1 根液壓先導(dǎo)管和水管的連接成為一個有機的整體。

定向鉆機除具備回轉(zhuǎn)鉆進、定向鉆進和復(fù)合定向鉆進等基本功能外，還需要在定向鉆孔過程中處理孔底事故時，具備大轉(zhuǎn)矩和強力起拔力能力。泵車需要大流量輸出，滿足在深孔鉆進時高效率排渣需要。鉆機主要技術(shù)參數(shù)為：①額定轉(zhuǎn)矩：23 000～5 000 N·m；②額定轉(zhuǎn)速：45～150 L/min；③主軸通孔直徑：135 mm；④制動轉(zhuǎn)矩：4 000 N·m；⑤推進/起拔力：400 kN；⑥輸出泵量：800 L/min；⑦爬坡角度：20°；⑧電機功率：200 kW；⑨主機外形尺寸：5 500 mm×1 600 mm×2 300 mm；⑩泵車外形尺寸：3 550 mm×1 450 mm×1 860 mm。

2 大直徑定向鉆進裝備關(guān)鍵技術(shù)

定向鉆機需要滿足一次鉆孔直徑?153 mm 以上，在頂板巖中鉆孔施工能力達到1 000 m 以上，相較于“十二五”期間有大幅提升?；诳傮w方案設(shè)計，重點需要解決整機結(jié)構(gòu)布局、大扭矩動力頭、大推力給進系統(tǒng)、大流量泥漿泵車、輔助上桿裝置、鉆桿吊裝車等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 鉆機總體布局

為滿足狹窄巷道運輸和施工要求，鉆機采用全液壓驅(qū)動、履帶車行走形式，各功能部件集成在履帶底車上。定向鉆機結(jié)構(gòu)布局如圖1，其中油箱、電動機組件、操作臺、防爆電腦等依次排成一列，機架、動力頭等單獨成列。電腦組件采用可轉(zhuǎn)動式設(shè)計，有效利用了履帶車上方空間，較常規(guī)固定式電腦組件而言，避免了視線的阻擋，操作者能夠更容易觀察鉆孔數(shù)據(jù)、動力頭和上鉆桿等動作情況；各部分組件均采用模塊化設(shè)計，液壓閥組設(shè)置在機架附近空隙部位，各組件通過液壓管路實現(xiàn)功能連接。鉆機整體通過工業(yè)造型設(shè)計，具有布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、易于維修的特點。

圖1 定向鉆機結(jié)構(gòu)布局圖Fig.1 Structural layout of directional drilling rig

2.2 雙泵并聯(lián)大流量泥漿泵車

泥漿泵車作為定向鉆孔的核心配套裝備，有“鉆進心臟”之稱[8]，其輸出流量在很大程度上決定了定向鉆進的排渣能力和鉆進效率。常規(guī)煤礦井下泥漿泵車均為單泵配置，額定輸出流量都在500 L/min以下[8-9]，輸出流量很難進一步提升。為滿足深孔大直徑定向鉆進需求，提出了基于雙泵并聯(lián)的泥漿泵車新方案。泥漿泵車結(jié)構(gòu)布局圖如圖2。

圖2 泥漿泵車結(jié)構(gòu)布局圖Fig.2 Structural layout of mud pump truck

泵車的關(guān)鍵在于雙水泵并聯(lián)設(shè)計，將流量為500 L/min 和300 L/min 的2 個泥漿泵進行并聯(lián)，總體輸出流量范圍為0～800 L/min，最高輸出壓力10 MPa，總體成本為單泵輸出方案的30%～40%。為了控制并聯(lián)結(jié)構(gòu)整體尺寸，將主、副泥漿泵上下布置，并合理布置雙泥漿泵、驅(qū)動馬達、進出水管路的位置及朝向，得到了最小尺寸布置方案。

2.3 雙馬達驅(qū)動大扭矩動力頭

動力頭的主要作用提供輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及滿足定向鉆進中多種鉆進工藝需要，是實現(xiàn)大直徑深孔定向鉆進的關(guān)鍵部件。為滿足大扭矩輸出要求，設(shè)計了“雙液壓馬達+齒輪傳動”式動力頭，動力頭最大輸出扭矩達到23 000 N·m，在驅(qū)動齒輪軸處設(shè)置了2 個剎車裝置，制動扭矩達到4 000 N·m。動力頭通孔孔徑達到?135 mm，能夠滿足可配套?102、?114、?127 mm 等多種規(guī)格的定向鉆桿和事故打撈鉆具，適用于定向鉆進、回轉(zhuǎn)鉆進、復(fù)合鉆進、鉆具打撈等各種鉆進工藝。雙馬達驅(qū)動動力頭結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 雙馬達驅(qū)動動力頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of dual motor driving power head

2.4 “剎車優(yōu)先”邏輯控制技術(shù)

剎車裝置是依靠剎車卡瓦夾緊時的摩擦力來實現(xiàn)動力頭主軸的制動，是定向鉆機的關(guān)鍵部件，也是易損件。在定向鉆進時，需要剎車裝置處于制動狀態(tài)，動力頭禁止旋轉(zhuǎn)。在實際應(yīng)用中，鉆機操作人員經(jīng)常在剎車制動狀態(tài)下操作動力頭旋轉(zhuǎn)手柄，一方面對剎車裝置造成沖擊，導(dǎo)致剎車卡瓦磨損或損壞；另一方面容易導(dǎo)致動力頭小幅度旋轉(zhuǎn)，造成螺桿馬達彎頭方向改變、鉆孔軌跡控制不精確。為解決這一問題，將動力頭與剎車的先導(dǎo)控制油路設(shè)計成“剎車優(yōu)先”邏輯控制回路，起到“剎車優(yōu)先”的作用，“剎車優(yōu)先”邏輯控制液壓系統(tǒng)如圖4。

圖4 “剎車優(yōu)先”邏輯控制液壓系統(tǒng)Fig.4 “Brake priority”logic control hydraulic system

“剎車優(yōu)先”邏輯控制工作原理：

1）剎車狀態(tài)。操作剎車裝置控制手柄至“剎車”位時，控制油B3通油，主換向閥3 切換至左位，剎車裝置使動力頭主軸處于鎖緊狀態(tài)。此時，控制油A3通過液控單向閥9 進入液控?fù)Q向閥6、換向閥7、換向閥8 的液控口X，使其換向至右位，從而使動力頭正反轉(zhuǎn)先導(dǎo)油路強制切斷，B1、B2口卸壓。此時，動力頭與剎車形成邏輯互鎖，即使操作動力頭控制手柄，動力頭不旋轉(zhuǎn)，操作無效。

2）解鎖狀態(tài)。操作剎車裝置控制手柄至“解鎖”位時，控制油A4使液控單向閥9 反向打開，液控?fù)Q向閥液控口X 卸壓，液控?fù)Q向閥6、換向閥7、換向閥8 在復(fù)位彈簧的作用下?lián)Q向至左位，動力頭正反轉(zhuǎn)先導(dǎo)油路接通。此時操作動力頭控制手柄，動力頭旋轉(zhuǎn)，操作有效。

“剎車優(yōu)先”邏輯控制技術(shù)從根本上解決了因人為誤操作導(dǎo)致剎車沖擊磨損、孔底馬達彎頭方向改變的問題，保證了鉆孔軌跡控制的精確性，提高了深孔鉆進鉆孔安全。

2.5 雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進系統(tǒng)

給進系統(tǒng)是鉆機的核心部件之一，是鉆機動力頭的承載部件，兩者配合完成加減壓鉆進、裝卸鉆桿、處理孔內(nèi)事故等功能[10]。為進一步提高定向鉆進深孔鉆進施工能力，設(shè)計了雙油缸-雙導(dǎo)向桿大起拔力推進系統(tǒng)。雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進系統(tǒng)如圖5。

圖5 雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進系統(tǒng)Fig.5 Double cylinder-double guide rod feeding system

雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況好，傳遞效率高，最大推進/起拔力達到400 kN，大幅提高了復(fù)雜地質(zhì)條件下處理孔底事故能力。導(dǎo)向桿部分采用“銅套+密封潤滑脂”密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)導(dǎo)向桿的密封潤滑，惡劣工況下使用壽命3 年以上。采用調(diào)斜油缸和導(dǎo)向柱相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了較大傾角定向鉆進時機架的角度調(diào)整，提高了定向鉆機的適應(yīng)性。

2.6 輔助上鉆桿技術(shù)

大直徑鉆機所使用的定向鉆桿和擴孔鉆桿直徑分別達到了?102 mm 和?127 mm，單根鉆桿長度3 m，質(zhì)量達到50 kg 以上，若采用常規(guī)“肩扛手?jǐn)Q”的方式預(yù)擰緊鉆桿，人工勞動強度大，存在一定的安全隱患。為控制鉆機整體尺寸，保證巷道通過性能，同時滿足3 m 長鉆桿輔助擰緊需求，設(shè)計了后置式輔助上鉆桿裝置，主要由底座、主動輪、從動輪、托桿組件、油缸等組成。輔助上桿裝置如圖6。

圖6 輔助上桿裝置Fig.6 Auxiliary rod loading device

后置式輔助上桿裝置工作原理：將2 根鉆桿分別放置在鉆機動力頭中空部位，卡盤和夾持器夾緊鉆桿，通過調(diào)整輔助上桿裝置底座墊片高度、調(diào)節(jié)螺桿等，使得2 根鉆桿中心線重合，從而完成輔助上桿裝置、卡盤、夾持器中心對中；調(diào)節(jié)輔助上桿裝置轉(zhuǎn)動油缸，使鉆桿壓緊；操作輔助上桿裝置擺線馬達控制手柄，驅(qū)動主動輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)前后鉆桿的自動擰緊。該輔助上桿裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、過載時可以打滑保護鉆桿絲扣等優(yōu)點。

3 性能測試和工業(yè)性試驗

2019 年7 月，委托國家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測檢驗中心對樣機進行了整機性能測試，測試內(nèi)容主要有外觀、安全性能、負(fù)載運轉(zhuǎn)、過載運轉(zhuǎn)、剎車機構(gòu)、行走機構(gòu)性能等。檢驗結(jié)果表明：鉆機各項性能指標(biāo)達到了設(shè)計要求。鉆機主要技術(shù)參數(shù)測試結(jié)果為：①負(fù)載運轉(zhuǎn)：額定工況轉(zhuǎn)速為46.3～152 L/min，額定工況轉(zhuǎn)矩為23 464～5 212.7 N·m，空載推進速度為1.55 m/min；②推進機構(gòu)：推進/起拔力為418.8/393.1 kN，最大推進力為482.0 kN；③剎車裝置：動作靈活、可靠；④整機效率：56.8%；⑤行走性能：爬坡角度20°。

2020 年4 月，ZYWL-23000DS 定向鉆機成套技術(shù)裝備在河南鶴壁三礦進行了工業(yè)性試驗，在頂板巖層中施工鉆孔5 個，一次成孔直徑?153 mm，其中孔深1 000 m 以上鉆孔2 個，總進尺3 978 m，平均日進尺效率約95 m。試驗結(jié)果表明：定向鉆進裝備整體工作性能穩(wěn)定，泥漿泵車排渣能力強，具有較好的事故處理能力。通過檢測，該巷道上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.4～0.5 之間，滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 語

1）23 000 N·m 大直徑定向鉆機通過鉆機總體結(jié)構(gòu)布局和關(guān)鍵部件創(chuàng)新設(shè)計，解決了井下空間受限條件下大能力輸出和緊湊型設(shè)計之間的矛盾，定向鉆進裝備巷道適應(yīng)性強，提高了鉆機整體性能和可靠性。

2）23 000 N·m 大直徑定向鉆機采用后置式上桿裝置，實現(xiàn)了3 m 大直徑定向鉆桿的輔助擰緊，大幅降低了現(xiàn)場人工勞動強度，提高了工作效率和安全性能。

3）鉆機的性能測試驗證了各項技術(shù)指標(biāo)達到設(shè)計要求，工業(yè)性試驗表明ZYWL-23000DS 定向鉆機裝備能夠滿足煤礦井下頂板高位大直徑、深孔鉆進施工需求，為煤礦井下瓦斯高效治理提供了先進的技術(shù)與裝備保障。