闞志濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量與產(chǎn)量豐富，煤炭賦存水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦開采過程中，受水威脅的面積、類型和威脅程度非常嚴(yán)重[1]。水害具有突發(fā)性強(qiáng)、危害性大等特點(diǎn)，它會(huì)在短期內(nèi)對(duì)煤礦造成無法估量的傷害[2]。而掘進(jìn)工作面探放水作為最直接、有效探查巷道前方水文地質(zhì)情況的方式，在預(yù)防煤礦水害事故中發(fā)揮著越來越重要的作用[3，4]。

目前我國(guó)大多數(shù)煤礦掘進(jìn)巷道前要求在掘進(jìn)工作面施工多個(gè)不同方位、角度的探水孔，以便更全面地反映前方的水文地質(zhì)情況，排除安全隱患。采用的鉆探設(shè)備以常規(guī)分體鉆機(jī)為主，這類鉆機(jī)主機(jī)與泵站分開，主要為進(jìn)行瓦斯抽放施工研發(fā)，雖然也可用于探水孔的施工，但其質(zhì)量大、搬遷移位困難，且每次只能施工一個(gè)鉆孔，嚴(yán)重制約了探放水孔的施工效率，進(jìn)而降低了巷道掘進(jìn)速度，影響礦井正常生產(chǎn)[5-10]。針對(duì)這一情況，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研發(fā)了ZDY2-1000LF型高效探放水專用鉆機(jī)。鉆機(jī)具有機(jī)身窄、移動(dòng)靈活、穩(wěn)固調(diào)角速度快、可同時(shí)施工兩個(gè)鉆孔的特點(diǎn)，有效解決了鉆掘交替矛盾問題，提高鉆孔施工效率，保證煤礦巷道安全高效掘進(jìn)。

1 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

ZDY2-1000LF型探放水鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路是將鉆機(jī)分為鉆車及泵車兩部分，鉆車是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，泵車是動(dòng)力源；鉆車與泵車采用窄機(jī)身，方便與掘進(jìn)機(jī)、錨桿機(jī)交替進(jìn)行施工；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)主機(jī)，液壓系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可單獨(dú)也可同時(shí)工作；主機(jī)采用多自由度變幅機(jī)構(gòu)，調(diào)角范圍廣，巷道適應(yīng)性強(qiáng)[11-15]。

1.2 鉆機(jī)主要性能參數(shù)

ZDY2-1000LF型探放水鉆機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。

表1 ZDY2-1000LF型探放水鉆機(jī)主要性能參數(shù)

1.3 鉆車結(jié)構(gòu)

鉆車是鉆機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由主機(jī)、操作臺(tái)、履帶車體、穩(wěn)固油缸等部分組成。

1.3.1 主機(jī)

主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主機(jī)由回轉(zhuǎn)器、主給進(jìn)裝置、夾持器、扶正器、前頂油缸、下滑動(dòng)平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)裝置、變幅機(jī)構(gòu)組成。

圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)器是主機(jī)的核心部件，由液壓卡盤、變速箱和液壓馬達(dá)三部分組成。液壓卡盤采用油壓夾緊、彈簧松開的常開式結(jié)構(gòu)，可選配42/50/73三種不同型式的卡瓦，滿足不同工況的施工需要。變速箱內(nèi)主軸采用中心通孔式結(jié)構(gòu)，鉆桿加/卸靈活，長(zhǎng)度不受鉆機(jī)給進(jìn)行程的限制。液壓馬達(dá)采用斜軸式軸向柱塞變量馬達(dá)，可手動(dòng)調(diào)節(jié)排量，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié)。

主給進(jìn)裝置采用單油缸雙鏈條倍速機(jī)構(gòu)，由雙桿雙作用油缸、機(jī)身、拖板、鏈條、滑輪等部件組成，如圖2所示。

圖2 油缸鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)要求的最大給進(jìn)/起拔力F1不小于45kN，根據(jù)油缸鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，油缸理論上提供的給進(jìn)/起拔力F2為F1的2倍，即F2為90kN。已知給進(jìn)系統(tǒng)壓力P為18MPa，油缸缸徑D為100mm，則油缸的桿徑d可根據(jù)下式計(jì)算：

F2≤Pπ(D2-d2)/4 (1)

式中，F(xiàn)2為油缸提供的給進(jìn)/起拔力，N；P為給進(jìn)系統(tǒng)壓力，Pa；D為油缸缸徑，m；d為油缸桿徑，m。

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到d≤60mm，參選油缸廠家標(biāo)準(zhǔn)桿徑系列后初定d=55mm。根據(jù)選取的桿徑，計(jì)算得到油缸實(shí)際提供的給進(jìn)/起拔力F3為98.6kN。

鏈條的選取應(yīng)滿足極限工況下的強(qiáng)度要求，可按下式計(jì)算：

r=Q/F4(2)

式中，r為安全系數(shù)，一般情況下靜強(qiáng)度安全因數(shù)不應(yīng)小于6；Q為鏈條的最小破斷荷載，N；F4為鏈條承受的最大拉力，N。

單油缸雙鏈條結(jié)構(gòu)中單根鏈條的所承受的最大拉力F4為F3的四分之一，即F4為24.65kN，代入式(2)，鏈條的最小破斷載荷Q為147.9kN。結(jié)合設(shè)計(jì)尺寸要求，選鏈條型號(hào)為L(zhǎng)H1644，最小破斷載荷為169kN。

夾持器用于夾持鉆桿，并配合回轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)鉆桿的擰卸。夾持器為復(fù)合式結(jié)構(gòu)，采用碟簧夾緊、油壓松開的常閉式工作方式。為增大夾持器夾持鉆桿的作用力，增加一個(gè)副油缸，回轉(zhuǎn)器反轉(zhuǎn)時(shí)壓力作用到副油缸，利用副油缸的推力和碟簧的張力共同作用夾緊鉆桿。

扶正器固定在給進(jìn)裝置機(jī)身的前端，用于對(duì)鉆桿扶正，防止打鉆過程中鉆桿因重力作用下沉、偏向。前頂油缸連接變幅機(jī)構(gòu)和主給進(jìn)裝置，施工時(shí)將給進(jìn)機(jī)身牢牢固定在巷道幫上，保證打鉆過程中鉆機(jī)的穩(wěn)定、可靠。變幅機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)裝置可使現(xiàn)主軸傾角在-90°～+60°，水平方位角在-90°～+90°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，下滑動(dòng)平臺(tái)可調(diào)整兩主機(jī)間的水平距離，提高了鉆機(jī)巷道適應(yīng)性。

1.3.2 操作臺(tái)

鉆車操縱臺(tái)包括左主操作臺(tái)、右主操作臺(tái)、左姿態(tài)調(diào)整操作臺(tái)、右姿態(tài)調(diào)整操作臺(tái)、主輔助操作臺(tái)、鉆車行走操縱臺(tái)。

左主操作臺(tái)和右主操作臺(tái)用于兩個(gè)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)動(dòng)作，施工時(shí)可旋轉(zhuǎn)一定角度，使操作人員遠(yuǎn)離孔口、保障人身安全；鉆車行走操縱臺(tái)用于履帶行走；左姿態(tài)調(diào)整操作臺(tái)、右姿態(tài)調(diào)整操作臺(tái)及主輔助操作臺(tái)用于兩個(gè)主機(jī)調(diào)角及車身穩(wěn)固。

1.3.3 履帶車體

履帶車體由履帶總成、車體及中央回轉(zhuǎn)減速器三部分組成。履帶總成選用無輪摩擦式履帶底盤，行走馬達(dá)選用進(jìn)口元件，可靠性高，適應(yīng)于多種工作環(huán)境。車體由鋼板焊接而成，通過中央回轉(zhuǎn)減速器與履帶總成連接。

1.3.4 穩(wěn)固油缸

穩(wěn)固裝置由上穩(wěn)固裝置和下穩(wěn)固裝置組成。上穩(wěn)固裝置由上穩(wěn)固油缸、加長(zhǎng)桿及接地裝置等組成，設(shè)置于變幅結(jié)構(gòu)上；下穩(wěn)固裝置由下穩(wěn)固油缸、接地裝置等組成，下穩(wěn)固裝置布置于車體四角，用于調(diào)平車體，保證車體穩(wěn)固。

1.4 泵車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵車結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。泵車是鉆機(jī)的動(dòng)力源，由電機(jī)泵組、油箱、電磁啟動(dòng)器、機(jī)車燈、冷卻器、行走操作臺(tái)等組成。

圖3 泵車結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)

電機(jī)泵組由串聯(lián)泵及隔爆電機(jī)組成，串聯(lián)泵通過泵座與電機(jī)固聯(lián)，泵從油箱吸油并排出高壓油，通過操縱臺(tái)的控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入各執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。油箱為泵提供所需的油液，同時(shí)各執(zhí)行元件的回油經(jīng)過冷卻器、回油濾油器回到油箱。行走操作臺(tái)設(shè)置在車體后端，方便人員操作。電磁起動(dòng)器用于控制電機(jī)的起動(dòng)、停止及機(jī)車燈的開合，具有過載、斷相、短路、漏地閉鎖等保護(hù)功能。此外，配備的液壓水泵可以提供高流量或壓力的沖洗液，縮短返渣等待時(shí)間，提高鉆孔效率。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用開式循環(huán)四泵串聯(lián)形式，可分為水路系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)、鉆車行走系統(tǒng)、泵車行走系統(tǒng)及卡盤/夾持器控制系統(tǒng)。履帶行走時(shí)，Ⅱ泵向泵車行走系統(tǒng)供油、Ⅲ泵向鉆車行走系統(tǒng)供油；鉆進(jìn)工作時(shí)，Ⅱ泵通過左主操縱臺(tái)驅(qū)動(dòng)左主機(jī)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)、 給進(jìn)油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，Ⅲ泵通過右主操縱臺(tái)驅(qū)動(dòng)右主機(jī)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)、給進(jìn)油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，左、右主機(jī)液壓系相對(duì)獨(dú)立，互不影響；水路系統(tǒng)工作時(shí)，Ⅰ泵與負(fù)載敏感閥組成負(fù)載敏感系統(tǒng)，工作時(shí)液壓泵只提供與負(fù)載相匹配的壓力、流量，液壓系統(tǒng)中不產(chǎn)生過剩壓力和過剩流量，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著；卡盤/夾持器控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，由Ⅳ泵向兩主機(jī)的卡盤、夾持器同時(shí)供油，實(shí)現(xiàn)卡盤、夾持器的夾緊、松開。

3 鉆機(jī)試驗(yàn)

3.1 型式試驗(yàn)

ZDY2-1000LF型探放水鉆機(jī)在車間裝配、調(diào)試完成后在國(guó)家安全生產(chǎn)西安鉆機(jī)檢測(cè)檢驗(yàn)中心的鉆機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，其負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 負(fù)載性能測(cè)試曲線

從圖4中可以看出，回轉(zhuǎn)器Ⅰ和回轉(zhuǎn)器Ⅱ在高速擋時(shí)，轉(zhuǎn)速大于280r/min，對(duì)應(yīng)扭矩大于280N·m，在低速擋時(shí)，轉(zhuǎn)速大于90r/min，對(duì)應(yīng)扭矩大于1000N·m，數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)速、扭矩均滿足設(shè)計(jì)要求。給進(jìn)/起拔試驗(yàn)時(shí)，分別將回轉(zhuǎn)器Ⅰ和Ⅱ主軸連接在拉力測(cè)量裝置上，在停止回轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，利用給進(jìn)加載裝置由低到高逐漸加載，測(cè)得給進(jìn)裝置Ⅰ和給進(jìn)裝置Ⅱ的最大給進(jìn)/起拔力均大于45kN。此外，還對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行了空載運(yùn)轉(zhuǎn)性能、過載試驗(yàn)、整機(jī)效率、溫升、耐壓等試驗(yàn)，結(jié)果表明，鉆機(jī)性能良好，各測(cè)試技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 工業(yè)性試驗(yàn)

2018年7月至2018年9月，ZDY2-1000LF型探放水鉆機(jī)在山西高河能源有限公司E2308主運(yùn)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行了探放水施工工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)共完成探放水孔施工6次，最大鉆孔深度200m，累計(jì)鉆孔深度1065m。當(dāng)使用靜壓水作為沖洗液時(shí)，鉆機(jī)單主機(jī)作業(yè)2.5h完成100m鉆孔，雙主機(jī)同時(shí)作業(yè)3h完成2個(gè)100m鉆孔；當(dāng)使用液壓水泵提供的水作為沖洗液時(shí)，單主機(jī)作業(yè)2h即可完成100m鉆孔。通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)檢驗(yàn)了鉆機(jī)的施工效率，驗(yàn)證了鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié) 論

1)ZDY2-1000LF型探放水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足煤礦巷道探放水施工的需求。

2)鉆機(jī)具有機(jī)身窄、移動(dòng)靈活、穩(wěn)固調(diào)角速度快，可同時(shí)施工兩個(gè)不同方位、角度的鉆孔等特點(diǎn)，能大幅提高掘進(jìn)工作面探水孔的施工效率。

3)鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)分為水路系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)、鉆車行走系統(tǒng)、泵車行走系統(tǒng)及卡盤/夾持器控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、可靠。

4)鉆機(jī)的型式試驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)的可靠性，為煤礦安全高效掘進(jìn)提供了可靠的裝備保障。