汪 蕓

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來(lái)，在我國(guó)豐富的煤炭資源中占有比重很大的薄煤層煤炭資源受到開(kāi)采的重視，薄煤層存儲(chǔ)總量大，一些地區(qū)超過(guò)了煤炭資源總量的30 %，但是由于地質(zhì)條件和礦井條件的限制，開(kāi)采條件相對(duì)困難，開(kāi)采量有限；近些年逐漸受到重視，一方面薄煤層資源豐富的地區(qū)已經(jīng)將薄煤層納入直接開(kāi)采范圍，使煤炭資源得到充分利用；另一方面將薄煤層作為保護(hù)層開(kāi)采，既能實(shí)現(xiàn)鄰近突出煤層瓦斯的卸壓，又能使薄煤層資源得到充分回采獲得經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。因此無(wú)論是直接開(kāi)采薄煤層還是作為保護(hù)層解決突出礦井的卸壓防突問(wèn)題而得到開(kāi)采，開(kāi)采前的瓦斯抽采裝備及技術(shù)的應(yīng)用是保障薄煤層安全高效開(kāi)采的重要舉措。對(duì)實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采，具有十分重要的意義。

鑒于對(duì)貴州地區(qū)薄煤層瓦斯抽采現(xiàn)狀及其礦井客觀條件的分析，總結(jié)出適應(yīng)該地區(qū)薄煤層礦井鉆探施工條件、高效安全地進(jìn)行瓦斯抽采的鉆機(jī)必須具備以下條件：①鉆機(jī)在低矮狹窄巷道具有良好的通過(guò)性；②滿足鉆探低位孔、立體面施工、開(kāi)孔范圍覆蓋面大、調(diào)角時(shí)主機(jī)、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)高度可控；③鉆機(jī)自帶行走功能、輔助操作時(shí)間短、操作安全和操作人員減負(fù)等要求；④技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、自動(dòng)化程度高和鉆探施工效率高等要求。

因此有針對(duì)性地對(duì)適應(yīng)于薄煤地層條件和礦井條件的鉆機(jī)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)鉆機(jī)的水平開(kāi)孔高度范圍至少在0.7～1.3 m 之間[4-7]，整機(jī)行走高度在1.7 m以內(nèi)，寬度不大于1.1 m，鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到4 000 N·m，在進(jìn)行全斷面施工時(shí)，主機(jī)結(jié)構(gòu)的調(diào)整范圍滿足低矮巷道的施工要求，具有遠(yuǎn)程控制自動(dòng)調(diào)角的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自行式的履帶鉆機(jī)。

1 鉆機(jī)整體布局及關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有煤礦用履帶式坑道鉆機(jī)，主要以履帶橋架為載體，調(diào)角裝置的下端面固定在履帶橋架的車體平臺(tái)上，上端面連接鉆機(jī)主機(jī)。由于調(diào)角裝置和履帶橋架以及車體平臺(tái)的結(jié)構(gòu)決定了這三者通常是以疊加的形式實(shí)現(xiàn)的，很難降低鉆機(jī)的整體高度?？刂沏@機(jī)的施工狀態(tài)和功能最關(guān)鍵的就是穩(wěn)定性好、自由度高的調(diào)角裝置，而影響鉆機(jī)高度最主要的部件為調(diào)角裝置和履帶車體，因此設(shè)計(jì)新型的調(diào)角裝置和履帶車體是研制適應(yīng)于低矮薄煤層低位孔鉆機(jī)的關(guān)鍵。

1.1 翻轉(zhuǎn)式調(diào)角穩(wěn)固裝置

鉆機(jī)上的調(diào)角裝置主要用于調(diào)整鉆機(jī)的開(kāi)孔傾角，該鉆機(jī)方案要求首先必須滿足巷道內(nèi)全斷面大角度立體面施工鉆孔的功能；其次在高度方向有一定范圍內(nèi)位移的自控調(diào)整；再次在完成大幅度調(diào)角功能的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸在可以控制在小范圍內(nèi)；最后要求調(diào)角裝置自動(dòng)化程度高、調(diào)角方便、結(jié)構(gòu)尺寸小、強(qiáng)度大[8]。

考慮到上述綜合因素，實(shí)現(xiàn)全斷面施工選用回轉(zhuǎn)支承的方式，完成0°～360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)的基本功能，并且回轉(zhuǎn)支承扭矩大、速度可控、精度高。要完成全斷面施工鉆孔，具備了大范圍回轉(zhuǎn)功能外，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)還要提供可大范圍旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)，因此確定回轉(zhuǎn)功能結(jié)構(gòu)外置于履帶車體。如果將主機(jī)和回轉(zhuǎn)支承固定在車體前端，由于主機(jī)的長(zhǎng)度尺寸在通過(guò)巷道行走時(shí)，必須把主機(jī)要拆除外能通過(guò)巷道，更好的解決方法就是在施工鉆孔時(shí)，可將主機(jī)伸出車體前端，主機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)不受車體干涉，在巷道行走時(shí)主機(jī)處于收回狀態(tài)，一般履帶車體的高度是600 mm左右，主機(jī)的總高度是800 mm 左右，因此要想滿足鉆機(jī)整機(jī)高度≤1 800 mm，調(diào)角裝置包括所有聯(lián)接部件尺寸必須保證≤200 mm。

克服小空間內(nèi)設(shè)計(jì)功能齊全的調(diào)角裝置完成全斷面施工功能是有一定難度的，設(shè)計(jì)的調(diào)角裝置通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有調(diào)節(jié)方位角和傾角的功能；同時(shí)將主機(jī)從和車體平行收縮位置自動(dòng)調(diào)至車體前端，采用一組油缸和焊接調(diào)角結(jié)構(gòu)將完成運(yùn)輸狀態(tài)到施工狀態(tài)的自動(dòng)、高效、可靠的調(diào)整；調(diào)角結(jié)構(gòu)和穩(wěn)固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一體，相互嵌套，節(jié)省空間、還增加一次穩(wěn)固的高度。設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)式調(diào)角穩(wěn)固裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 翻轉(zhuǎn)式調(diào)角穩(wěn)固裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the inverted type angle adjustment device

鉆機(jī)主軸滿足在巷道斷面內(nèi)完成-180°～＋180°范圍內(nèi)自由調(diào)整的功能，因此高效可靠的調(diào)角裝置是該鉆機(jī)的關(guān)鍵部件之一。

1.2 內(nèi)嵌式低矮履帶車體

鉆機(jī)平臺(tái)是解決鉆機(jī)適應(yīng)性的另一關(guān)鍵技術(shù)。履帶車體平臺(tái)包括履帶行走機(jī)構(gòu)和焊接車體平臺(tái)，其中履帶行走機(jī)構(gòu)的橋架設(shè)計(jì)及考慮承載鉆機(jī)其它部件的能力，還要更有效的利用其空間布置其它部件，履帶橋架低于驅(qū)動(dòng)輪組件，這樣降低了整體車身的高度，為在矮巷道薄煤層低位施工鉆孔提供可能；車體平臺(tái)主要沿履帶及履帶橋架設(shè)置，這樣在車體本身的結(jié)構(gòu)上設(shè)置平臺(tái)，在保證承載臺(tái)面功能的同時(shí)盡量的節(jié)省整車的空間和位置，使整個(gè)結(jié)構(gòu)更加緊湊。比如履帶橋架和車體平臺(tái)的連接靠多組螺栓固定，履帶橋架左端部分裸露，結(jié)構(gòu)形式為斜面T型橋梁，用于安裝鉆機(jī)的調(diào)角裝置；右端鑲嵌車體平臺(tái)構(gòu)件，既有具備承載鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等其余零部件的能力，又不影響調(diào)角裝置的安裝位置和放置高度。為矮巷道薄煤層低位施工鉆孔鉆機(jī)提供了一種可獨(dú)立行走的專用平臺(tái)，可以進(jìn)行矮巷道運(yùn)輸工作、薄煤層低位施工鉆孔，還具有較大的開(kāi)孔范圍。研制的鉆機(jī)履帶車體平臺(tái)如圖2。

圖2 履帶車體平臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the crawler body platform

1.3 鉆機(jī)低矮功能實(shí)現(xiàn)

鉆機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 鉆機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the function realization structure of the drilling rig

翻轉(zhuǎn)式全斷面調(diào)角穩(wěn)固裝置應(yīng)用在內(nèi)嵌式低矮履帶車體上，行成了適應(yīng)性很好的鉆機(jī)平臺(tái)。①通過(guò)翻轉(zhuǎn)式調(diào)角穩(wěn)固裝置調(diào)節(jié)主機(jī)和穩(wěn)固裝置相對(duì)于車體平臺(tái)的位置，將該鉆機(jī)的行走高度嚴(yán)格控制在巷道允許的尺寸范圍內(nèi)（圖3（a））；②鉆機(jī)自行走到達(dá)鉆場(chǎng)位置后，主機(jī)從行走狀態(tài)要調(diào)整到鉆孔狀態(tài)時(shí)，將主機(jī)從履帶上面調(diào)至履帶前端，主機(jī)的方位角在0°～±180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)整，在調(diào)整過(guò)程中主機(jī)可以一直處于相對(duì)水平狀態(tài)，調(diào)角裝置和主機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸在可控范圍，以適合低巷道施工（圖3（b））；③鉆機(jī)在鉆孔施工前，先進(jìn)行主機(jī)和履帶穩(wěn)固，立柱穩(wěn)固裝置不影響鉆機(jī)的行走高度和鉆孔高度，分2 種形式，1 種是鉆場(chǎng)高度較低時(shí)，直接用立柱油缸頂在巷道頂板，如果巷道高一些，可在立柱油缸上接上一級(jí)加長(zhǎng)桿即可頂在巷道頂板上（圖3（c））；④調(diào)整調(diào)角裝置在垂直方向上的位移距離，鉆孔時(shí)最低水平開(kāi)孔位可控制到650 mm，開(kāi)孔調(diào)整范圍700 mm，鉆機(jī)水平鉆孔高度在650～1 350 mm 范圍內(nèi)調(diào)整，薄煤層的厚度一般為800～1 200 mm，因此開(kāi)孔高度適應(yīng)薄煤層低位孔施工的最佳高度（圖3（d））。

2 鉆機(jī)操縱系統(tǒng)

操縱系統(tǒng)是為控制鉆機(jī)的各種功能和動(dòng)作而設(shè)置的裝置，由控制閥塊、操作手柄和壓力表及連通液壓管路接頭組成。該鉆機(jī)的操縱裝置分為3 部分，分別為移動(dòng)式主操縱臺(tái)、行走遠(yuǎn)控操縱臺(tái)和副泵功能切換閥。

2.1 移動(dòng)式主操縱臺(tái)

移動(dòng)式主操縱臺(tái)的功能主要是由整體式集成閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)的整體式集成閥是將鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中所有的控制元件全部集成在1 個(gè)整體的閥塊上，形成整體式集成閥，閥體是鑄造后經(jīng)過(guò)機(jī)械精加工，閥體上預(yù)留了所有閥的安裝通道，以及各閥之間相通的油道。整體式集成閥只需要預(yù)留外部的油口，用于液壓系統(tǒng)中動(dòng)力元件及執(zhí)行元件連接，整合了四聯(lián)閥、回轉(zhuǎn)油路板閥、副泵油路板閥、節(jié)流閥組、溢流閥組等所有閥組的功能，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)液壓系統(tǒng)完成的功能。

此閥結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，通用性強(qiáng)。用于控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)、調(diào)角油缸、給進(jìn)起拔油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)起下鉆聯(lián)動(dòng)、夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)、副泵溢流給進(jìn)、卡盤增加給進(jìn)等聯(lián)動(dòng)功能，通過(guò)不同機(jī)能的主閥芯實(shí)現(xiàn)不同的邏輯換向功能。此閥主要用于雙泵系統(tǒng)，2 個(gè)泵可以同時(shí)工作，也可以單獨(dú)工作。

該集成閥避免了液壓系統(tǒng)中每個(gè)液壓元件獨(dú)立的管路連接。解決了原液壓控制系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、連接點(diǎn)多、需要大量的管路、布置不方便、維修困難、外觀繁雜、易出現(xiàn)漏油等技術(shù)問(wèn)題。從而簡(jiǎn)化了液壓管路，且便于安裝與維修[9]。該閥不僅具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、維修拆裝方便，而且具有質(zhì)量輕、流阻小等特點(diǎn)。閥體上安裝的插裝閥提高了油路的穩(wěn)定性，液壓系統(tǒng)更可靠。并且集成了防動(dòng)力頭下滑模塊。達(dá)到自我保護(hù)的目的。

主操縱閥由于外接油管數(shù)量少，并且和動(dòng)力部件、執(zhí)行單元的對(duì)接采用快插式連接，設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以移動(dòng)到鉆機(jī)前端，操作視線好；也可遠(yuǎn)程控制，控制距離可達(dá)到30 m。

2.2 行走操縱臺(tái)

行走操縱臺(tái)設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)式操縱，布置在鉆機(jī)的側(cè)后方，除滿足設(shè)計(jì)功能需求，還要考慮到人機(jī)工程學(xué)原理，方便操作，預(yù)留安全操作距離。將行走操縱閥坐落在兩級(jí)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)座上，操縱閥可以繞著兩級(jí)轉(zhuǎn)軸分兩級(jí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)自由度比較靈活，在履帶行走時(shí)可將遠(yuǎn)控行走操縱閥旋轉(zhuǎn)臂拉伸至遠(yuǎn)離履帶車體，同時(shí)在操縱手柄上設(shè)置了防誤操作控制鎖,提高了鉆機(jī)的安全性[10]。

2.3 副泵切換操縱臺(tái)

副泵功能切換閥進(jìn)行副泵油路切換，防止誤操作，將副泵的高壓油分為2 路，其中1 路油液主要用于鉆機(jī)的位姿控制和鉆機(jī)的穩(wěn)固，包括控制鉆機(jī)的調(diào)角油缸、舉升油缸、平移油缸、前后頂油缸、穩(wěn)固油缸的伸縮、以及主機(jī)傾角的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；另1 路油液主要用于鉆機(jī)施工鉆孔動(dòng)作的控制，直接流向主操縱臺(tái)集成式多路換向閥，實(shí)現(xiàn)副泵給進(jìn)、快速起拔或卡盤增壓等功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019 年3 月該鉆機(jī)在貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦13 運(yùn)底鉆探施工，地層比較復(fù)雜、構(gòu)造較多，施工的是穿層孔，0°～90°的孔均有涉及，設(shè)計(jì)孔深40～50 m，施工最大孔深至80 m，累計(jì)進(jìn)尺9 100 m，平均日進(jìn)尺245 m，最大日進(jìn)尺310 m。鉆機(jī)的適用性良好，使用過(guò)程一切正常。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決低矮巷道、薄煤層鉆孔施工問(wèn)題，有針對(duì)性地對(duì)鉆機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)鉆機(jī)的操縱系統(tǒng)進(jìn)行了研制，研制出了低矮全斷面薄煤層施工用履帶鉆機(jī)。該鉆機(jī)的整體翻轉(zhuǎn)式調(diào)角穩(wěn)固裝置、半內(nèi)嵌式履帶車體保證了鉆機(jī)在低矮巷道、薄煤層低位進(jìn)行全斷面鉆探施工的適用性；可移動(dòng)式整體操縱閥既適應(yīng)鉆機(jī)進(jìn)行全斷面鉆探施工觀察施工斷面可視性強(qiáng)的特點(diǎn)，又可遠(yuǎn)離孔口遠(yuǎn)程操縱保障人身安全。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了該鉆機(jī)在低矮巷道鉆探施工中良好的適應(yīng)性及針對(duì)薄煤層鉆探施工的高效性。