闞志濤，邵俊杰，李旺年，鐘自成

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤炭儲量豐富，但由于煤礦的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著煤炭開采深度和強(qiáng)度的加大，煤礦安全生產(chǎn)中遇到的水害問題愈加突出。水害事故具有突發(fā)性強(qiáng)、危害性大等特點(diǎn)，其危害性僅次于瓦斯事故。從水害事故發(fā)生點(diǎn)分析，掘進(jìn)工作面已成為主要的透水地點(diǎn)[1-3]。

鉆探是一種最直接的隱蔽致災(zāi)因素探查技術(shù)，它具有精度高、直觀性強(qiáng)、適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)[4]。掘進(jìn)工作面工作環(huán)境和地理位置特殊，對鉆探施工的要求如下：

1)時(shí)間短。大多數(shù)煤礦希望掘進(jìn)工作面的探放水鉆孔施工時(shí)間短，為掘進(jìn)機(jī)留出更多的掘進(jìn)時(shí)間，增加煤炭產(chǎn)量。比如山西王家?guī)X煤礦希望利用掘進(jìn)機(jī)檢修班完成5個(gè)掘進(jìn)工作面70m探放水鉆孔的施工，以達(dá)到掘進(jìn)月進(jìn)千米的目標(biāo)。

2)空間受限。由于掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)、錨桿機(jī)、鉆機(jī)交替進(jìn)行施工，鉆機(jī)的移動(dòng)及打鉆空間均受到限制。

3)鉆孔數(shù)量多。為全面反映掘進(jìn)工作面前方的水文地質(zhì)情況，需要在掘進(jìn)工作面布置多個(gè)鉆孔。鉆孔的布置方式主要分為扇形和半扇形兩種，一般設(shè)置為4～6個(gè)。

目前我國大多數(shù)煤礦采用分體式液壓鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工，存在的問題如下：①鉆機(jī)通常由主機(jī)、泵站、操作臺組成，主機(jī)、泵站質(zhì)量大，由于掘進(jìn)機(jī)與鉆機(jī)交替進(jìn)行施工，造成鉆機(jī)搬遷頻率高，距離長，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；②鉆機(jī)只具有一個(gè)工作臂，每次只能施工一個(gè)鉆孔，短時(shí)間內(nèi)施工多個(gè)鉆孔的效率低；③鉆機(jī)不具備多方位、大角度鉆孔施工能力；④回轉(zhuǎn)器缺少相應(yīng)的防、導(dǎo)水功能。

綜上所述，基于掘進(jìn)工作面探放水鉆探施工要求和分體式鉆機(jī)存在問題，開發(fā)一款可高效施工多個(gè)探水鉆孔的新型鉆探設(shè)備已是當(dāng)務(wù)之急。針對這一情況，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制了ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機(jī)，鉆機(jī)具有寬度窄、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)角范圍廣、可同時(shí)施工兩個(gè)鉆孔等特點(diǎn)，為有效降低掘進(jìn)工作面的水害事故提供了裝備保障。

1 鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工工藝研究三部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：鉆機(jī)設(shè)計(jì)兩個(gè)工作臂，可同時(shí)施工兩個(gè)不同方位、角度鉆孔；采用履帶分體結(jié)構(gòu)，分為鉆車和泵車兩部分，體積小，井下移動(dòng)快捷、現(xiàn)場布置靈活，且寬度設(shè)置為1m，方便與掘進(jìn)機(jī)、錨桿機(jī)交替進(jìn)行施工；采用中心通孔式回轉(zhuǎn)器、油缸鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)及多自由度變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，輔助時(shí)間短、巷道適應(yīng)性強(qiáng)。液壓系統(tǒng)方面：兩個(gè)工作臂的液壓回路相互獨(dú)立、互不影響；采用復(fù)合雙泵控制系統(tǒng)，功率分配合理，傳動(dòng)效率高。施工工藝研究的主要目的是通過在鉆機(jī)上增加輔助設(shè)備或采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，縮短輔助時(shí)間、提高工作效率。比如配備開孔定位儀，工作臂定位速度快、精度高；采用中間加桿、后部卸桿的鉆桿加卸方式，無需反復(fù)拆卸水便。

1.2 鉆機(jī)主要性能參數(shù)

ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

表1 主要性能參數(shù)

1.3 鉆車

鉆車(如圖1所示)包括左主機(jī)、右主機(jī)、行走操作臺、右主操作臺、鉆車履帶車體和左主操作臺。

圖1 鉆車結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.1 主機(jī)

主機(jī)(如圖2所示)由夾持器、給進(jìn)裝置、回轉(zhuǎn)器、調(diào)角裝置和上穩(wěn)固裝置組成。

圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

夾持器固定在給進(jìn)裝置的前端，用于夾持孔內(nèi)鉆桿，鉆進(jìn)施工時(shí)，也起到扶正鉆桿的作用。夾持器是常閉式結(jié)構(gòu)，采用碟形彈簧夾緊、油缸反向松開?？ㄍ甙惭b在卡瓦座上，施工時(shí)可選配63.5/73兩種規(guī)格，滿足不同的工況的需要。

給進(jìn)裝置受到掘進(jìn)工作面空間的限制，采用了單油缸雙鏈條的給進(jìn)形式，從而實(shí)現(xiàn)在給進(jìn)裝置長度受限的情況下給進(jìn)行程最大。給進(jìn)裝置的最大上頂力Fsmax以?73mm規(guī)格的鉆桿在-90°鉆進(jìn)350m時(shí)計(jì)算：

Fsmax=K·q·g·L

(1)

式中，F(xiàn)smax為給進(jìn)機(jī)構(gòu)最大上頂力，N；K為卡塞系數(shù)，取1.5；q為每米鉆桿的質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，m/s2；L為額定孔深時(shí)孔內(nèi)全部鉆具總長，m。

由于?73mm規(guī)格的鉆桿q=17kg/m，代入公式計(jì)算得到Fsmax=87.465kN。

設(shè)計(jì)要求油缸的最大負(fù)荷Fmax可按下式計(jì)算：

Fmax=2Fsmax

(2)

代入數(shù)值，F(xiàn)max=174.83kN。

給進(jìn)油缸的提升能力F為：

F=pmax·π·(D2-d2)/4(3)

式中，F(xiàn)為給進(jìn)油缸提升力，N；pmax為油缸最大工作壓力，MPa；D為油缸內(nèi)徑，m；d為活塞桿直徑，m。

設(shè)計(jì)油缸的最大工作壓力為23MPa，油缸內(nèi)徑0.125m，活塞桿直徑0.063m，代入數(shù)值，計(jì)算得到F=210.556kN。F>Fmax，滿足提升鉆具要求。

回轉(zhuǎn)器由卡盤、減速箱和液壓馬達(dá)組成，實(shí)現(xiàn)液壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變?？ūP為常開式結(jié)構(gòu)，油壓夾緊、彈簧松開，具有自動(dòng)對中、卡緊力大等特點(diǎn)。液壓馬達(dá)可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)排量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。

調(diào)角裝置由上回轉(zhuǎn)裝置、二次滑動(dòng)組件、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、上調(diào)角油缸、動(dòng)臂、底座和下調(diào)角油缸組成，可使主軸仰俯角在-90°～+90°，方位角在-90°～+90°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

上穩(wěn)固裝置由上穩(wěn)固油缸、加長桿及接地裝置等組成，安裝于調(diào)角裝置上，保證施工過程中車體穩(wěn)固。

1.3.2 行走操作臺

行走操縱臺包括左履帶行走、右履帶行走、功能切換以及平臺回轉(zhuǎn)操作手柄。左、右履帶行走分別控制左、右行走馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)履帶車體的前進(jìn)、后退及停止；功能切換可實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)系統(tǒng)和姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的相互獨(dú)立；平臺回轉(zhuǎn)控制鉆車履帶車體內(nèi)的中央回轉(zhuǎn)器，實(shí)現(xiàn)履帶和車體平臺間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3.3 工作操作臺

工作操作臺用于控制鉆機(jī)的鉆進(jìn)系統(tǒng)，包括回轉(zhuǎn)器正/反轉(zhuǎn)、給進(jìn)裝置給進(jìn)/起拔、卡盤打開/關(guān)閉、夾持器打開/關(guān)閉、給進(jìn)浮動(dòng)及給進(jìn)調(diào)速。工作操作臺可旋轉(zhuǎn)一定角度，保障操作者的安全的同時(shí)方便觀察孔口情況。

1.3.4 鉆車履帶車體

鉆車履帶車體由底盤、車體平臺及中央回轉(zhuǎn)器三部分組成。底盤選用無輪摩擦式履帶底盤，承載力大、高度低。車體平臺由鋼板焊接而成，前后布置伸縮式穩(wěn)固油缸，穩(wěn)固油缸支撐范圍可在1～1.4m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，保證行走和打鉆過程中整機(jī)穩(wěn)定性。中央回轉(zhuǎn)器連接底盤和車體平臺，可使兩者間的相對角度在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)整。

1.4 泵車結(jié)構(gòu)

泵車(如圖3所示)由行走操縱臺、電磁啟動(dòng)器、防爆車燈、油箱、冷卻器、電機(jī)泵組、泵車履帶車體等部件組成。

圖3 泵車結(jié)構(gòu)示意圖

行走操作臺上布置有履帶行走操作手柄，控制泵車的前后移動(dòng)。電磁起動(dòng)器用于控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止，為防爆機(jī)車燈提供電源。防爆機(jī)車燈采用LED光源，產(chǎn)熱量小，使用壽命長。油箱為液壓泵提供所需的液壓油，為保證液壓系統(tǒng)正常工作，在油箱上安裝吸油濾油器、回油濾油器、空氣濾清器、液位計(jì)等附件。冷卻器選用釬焊板式換熱器，它是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝經(jīng)過釬焊加工而成的新型高效換熱器，具有換熱率高、造價(jià)低、便于拆洗維修等特點(diǎn)。電機(jī)泵組主要包括電動(dòng)機(jī)和四個(gè)串聯(lián)的液壓泵，負(fù)責(zé)從油箱吸油并排出高壓油，經(jīng)過控制閥達(dá)到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。泵車履帶車體由無輪摩擦式履帶底盤和車體平臺兩部分組成，兩者之間通過螺栓連接。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，Ⅰ泵負(fù)責(zé)泵車履帶行走、左主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)；Ⅱ泵負(fù)責(zé)鉆車履帶行走、右主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)，同時(shí)還能控制兩主機(jī)的姿態(tài)調(diào)整及鉆車車體平臺的伸縮穩(wěn)固油缸動(dòng)作。Ⅲ泵負(fù)責(zé)兩主機(jī)給進(jìn)裝置的給進(jìn)、起拔。設(shè)計(jì)時(shí)采用LUDV控制系統(tǒng)，給進(jìn)裝置的動(dòng)作不受負(fù)載影響，相互獨(dú)立。Ⅳ泵負(fù)責(zé)鉆機(jī)主機(jī)夾持器、卡盤的獨(dú)立工作。Ⅰ泵、Ⅱ泵及Ⅲ泵的額定壓力為23MPa，Ⅳ泵的額定壓力為10MPa，這樣既能滿足回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的需要，又能滿足履帶行走、卡盤夾緊、姿態(tài)調(diào)整等的需求。液壓元件選用國際知名品牌產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、可靠。

3 鉆機(jī)試驗(yàn)

ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機(jī)加工、裝配、調(diào)試完成后在國家安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)中心鉆機(jī)性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行了負(fù)載性能測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 負(fù)載性能測試曲線

從圖4中可以看出，左主機(jī)回轉(zhuǎn)器和右主機(jī)回轉(zhuǎn)器在高速擋時(shí)，轉(zhuǎn)速均大于200r/min，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩大于750N·m，在低速擋時(shí)，轉(zhuǎn)速均大于50r/min，對應(yīng)轉(zhuǎn)矩大于3200N·m，結(jié)果表明負(fù)載性能滿足設(shè)計(jì)要求。

此外，鉆機(jī)還進(jìn)行了空載運(yùn)轉(zhuǎn)性能、過載性能、穩(wěn)定性能、溫升等多項(xiàng)測試，各測試技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

1)ZDY2-3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定可靠，可用于煤礦井下掘進(jìn)工作面探放水孔施工。

2)鉆機(jī)采用分體式履帶形式，機(jī)身窄、方便可與掘進(jìn)機(jī)、鉆錨機(jī)交替進(jìn)行施工；具有兩個(gè)工作臂，可同時(shí)施工兩個(gè)不同角度、方位的探水孔，鉆孔施工效率高。

3)鉆機(jī)性能測試的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求、滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為提高巷道掘進(jìn)速度、保證安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的裝備支撐。