□ 陳克鋒

山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦 山西呂梁 033100

1 設(shè)計背景

井下水害指在作業(yè)過程中地下水淹至頂板、底板突入礦井的現(xiàn)象,一旦發(fā)生井下水害,不但會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失,而且會導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡事故。因此,煤礦安全規(guī)程要求在井下巷道掘進(jìn)過程中必須提前進(jìn)行探放水作業(yè),保證巷道掘進(jìn)的安全性。目前在井下進(jìn)行探放水時,通常使用氣動架柱式鉆機(jī)、分體鉆機(jī)或者ZLJ系列坑道鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn),在作業(yè)時需要掘錨機(jī)進(jìn)行讓位。這些分體式鉆機(jī)有的鉆進(jìn)能力不足,有的整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、調(diào)整靈活性差、操作難度大,嚴(yán)重影響了井下探放水的效率,限制了巷道掘進(jìn)效率的進(jìn)一步提升。

針對上述問題,結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn),設(shè)計了一種礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī),在掘錨機(jī)的機(jī)體上拆除通風(fēng)的除塵風(fēng)機(jī),將探放水鉆機(jī)安裝在除塵風(fēng)機(jī)的位置,可靈活、方便地進(jìn)行更換。同時結(jié)合井下實(shí)際情況,提出礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī)工藝流程及卡鉆處理流程,提高掘錨機(jī)的鉆進(jìn)安全性。實(shí)際應(yīng)用表明,礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī)能夠很好地適應(yīng)井下狹窄的巷道作業(yè)環(huán)境,可以有效提升探放水效率和安全性。

2 礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī)設(shè)計

2.1 布局

根據(jù)煤礦井下有掘必探的要求,為了解決現(xiàn)有巷道掘進(jìn)、錨固、支護(hù)、探放水效率低的不足,對掘錨機(jī)進(jìn)行改造,增加探放水鉆機(jī)。以掘錨機(jī)為機(jī)體,通過液壓泵站和電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對探放水鉆機(jī)的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)在巷道內(nèi)的自動探放水作業(yè),減少鉆孔準(zhǔn)備時間,提升探放水作業(yè)效率。探放水鉆機(jī)布局如圖1所示。

圖1 探放水鉆機(jī)布局

布局包括探放水鉆機(jī)、液壓泵站及電控系統(tǒng)。探放水鉆機(jī)安裝于掘錨機(jī)機(jī)體上原先安裝除塵風(fēng)機(jī)的位置,不占用掘錨機(jī)額外的機(jī)體結(jié)構(gòu),因此不影響掘錨機(jī)在井下的作業(yè)。

掘錨機(jī)在達(dá)到掘進(jìn)深度后,開始轉(zhuǎn)為鉆探狀態(tài),利用推移油缸將鉆進(jìn)模塊頂出至探放水鉆機(jī)為止。然后利用回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)對探放水鉆機(jī)的水平角進(jìn)行調(diào)整,滿足指定傾角的鉆進(jìn)需求。在鉆進(jìn)的過程中輔以俯仰角調(diào)整,避免在鉆進(jìn)過程中探放水鉆機(jī)和掘錨機(jī)機(jī)體干涉。

2.2 結(jié)構(gòu)

探放水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探放水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

探放水鉆機(jī)包括框架、連接平臺、垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動、水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動、支撐立柱回轉(zhuǎn)驅(qū)動、液壓夾持器等結(jié)構(gòu)。連接平臺用于將探放水鉆機(jī)機(jī)體固定至掘錨機(jī)上。垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動用于控制探放水鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,滿足不同鉆進(jìn)傾角的需求。動力頭在推進(jìn)油缸的作用下控制鉆頭的鉆進(jìn)。支撐立柱用于對探放水鉆機(jī)進(jìn)行支撐,確保探放水鉆機(jī)在進(jìn)行探放水孔鉆進(jìn)時的穩(wěn)定性和精確性。

2.3 安裝

探放水鉆機(jī)在工作狀態(tài)時需要從掘錨機(jī)上伸出,在非工作狀態(tài)下需要收起,而且在進(jìn)行鉆進(jìn)時需要支護(hù),在鉆進(jìn)時還需保證不能和機(jī)架干涉,因此對探放水鉆機(jī)的安裝要求極高。

在綜合分析后,確定了探放水鉆機(jī)安裝連接方案,如圖3所示。

圖3 探放水鉆機(jī)安裝連接方案

探放水鉆機(jī)的安裝充分利用了原有除塵風(fēng)機(jī)的連接孔,無需增加額外的連接孔,方便進(jìn)行更換和維護(hù),提高了探放水鉆機(jī)的應(yīng)用靈活性。

3 控制

3.1 鉆進(jìn)流程

礦用掘錨一體機(jī)井下施工通常配備直徑75 mm的復(fù)合內(nèi)凹鉆頭,所用鉆桿的直徑為50 mm,鉆桿組合長度可達(dá)1 000 m。在鉆進(jìn)過程中,液壓控制系統(tǒng)的冷卻器使用井下靜壓水沖洗冷卻。為了避免靜壓水壓力過大導(dǎo)致冷卻器損壞,在管道中間位置安裝截止閥,用于管道系統(tǒng)的保護(hù)。為了提升鉆進(jìn)效率,優(yōu)化后的礦用掘錨一體機(jī)采用中間加桿、后側(cè)卸桿的加卸方式,在鉆進(jìn)時無需反復(fù)拆卸,提高了換桿效率。

為了保證鉆進(jìn)施工的可靠性,結(jié)合礦用掘錨一體機(jī)運(yùn)行方式,開發(fā)了探放水鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝流程。探放水鉆機(jī)行駛至鉆進(jìn)位置后,進(jìn)行探放水鉆機(jī)穩(wěn)固,待接通沖洗液后開始進(jìn)行鉆進(jìn)。整個鉆進(jìn)工藝流程如圖4所示。

圖4 探放水鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝流程

3.2 卡鉆處理

井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在鉆進(jìn)過程中可能會出現(xiàn)卡鉆情況。根據(jù)分析,卡鉆的主要原因包括兩種,一種是排渣受阻導(dǎo)致,另一種是井下地層突變或者存在裂隙導(dǎo)致。出現(xiàn)卡鉆以后,輕者會影響鉆進(jìn)效率,重者會導(dǎo)致鉆頭斷裂,引發(fā)鉆進(jìn)安全事故。結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn),制定了掘錨一體機(jī)鉆進(jìn)時的井下卡鉆處理流程,如圖5所示。

圖5 井下卡鉆處理流程

在鉆進(jìn)過程中,卡鉆檢測系統(tǒng)會對探放水鉆機(jī)的鉆進(jìn)壓力進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)鉆進(jìn)壓力大于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的鉆進(jìn)閾值時,系統(tǒng)判斷出現(xiàn)了卡鉆。此時先關(guān)閉推進(jìn)油缸,停止動力頭旋轉(zhuǎn),避免卡鉆程度加劇。之后控制鉆頭返鉆退出,每次退后距離為200 mm。再控制鉆頭正轉(zhuǎn)進(jìn)給,繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。若還存在壓力升高的問題,則進(jìn)一步退鉆,直至正常進(jìn)給。

4 應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

某礦井下1號煤層的埋深為440～520 m,平均煤層厚度為7.12 m。該煤層上側(cè)為中粒砂巖,平均厚度為4.1 m,下側(cè)為泥巖和細(xì)粒砂巖的混合結(jié)構(gòu)層,平均厚度為0.88 m。井下運(yùn)輸巷的斷面寬度為5 300 mm,高度為3 600 mm。為了保證井下掘進(jìn)安全,設(shè)置了1號～4號共四個探放水孔,鉆孔深度為100 m,掘進(jìn)進(jìn)尺為69 m。掘進(jìn)作業(yè)面鉆孔布置如圖6所示。

圖6 作業(yè)面鉆孔布置

鉆孔參數(shù)見表1。

表1 鉆孔參數(shù)

4.2 應(yīng)用效果

利用礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī)鉆孔,在鉆進(jìn)過程中采用井下靜壓水方式進(jìn)行介質(zhì)沖洗,單臂只需要2.2 h就能完成一個100 mm鉆孔的施工,包括調(diào)整時間四個鉆孔只需4.5 h即可完成,相較于采用分體式鉆進(jìn)方案,鉆進(jìn)時間縮短了60.4%。在鉆進(jìn)過程中礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī)移動靈活,調(diào)整速度快,從而提升了巷道井下的掘進(jìn)效率和安全性。

5 結(jié)束語

在原有掘錨機(jī)基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,將探放水鉆機(jī)集成至掘錨機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了掘錨、鉆孔一體化作業(yè)。探放水鉆機(jī)布局主要包括探放水鉆機(jī)、液壓泵站及電控系統(tǒng),探放水鉆機(jī)位于掘錨機(jī)機(jī)體上原先安裝除塵風(fēng)機(jī)的位置,應(yīng)用靈活。

礦用掘錨一體機(jī)采用中間加桿、后側(cè)卸桿的加卸方式,在鉆進(jìn)時無需反復(fù)拆卸,可提高換桿效率。

實(shí)際應(yīng)用表明,礦用掘錨一體機(jī)探放水鉆機(jī)較傳統(tǒng)分體式鉆機(jī)鉆進(jìn)時間縮短60.4%,能夠顯著提升井下探放水作業(yè)的效率和安全性。