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        雙臂鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工中的應(yīng)用

        2021-11-29 08:50:16闞志濤孫道明魏軍賢李旺年
        煤炭工程 2021年11期
        關(guān)鍵詞:施工

        闞志濤,孫道明,魏軍賢,李旺年

        (1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;2.山西高河能源有限公司,山西 長治 047100)

        煤礦水害是指煤礦掘進(jìn)或回采過程中,在水壓、礦壓等因素綜合作用下,煤層頂、底板充水水源沿?cái)鄬印⑾萋渲?、?dǎo)水裂縫帶等導(dǎo)水通道突然涌入礦井的現(xiàn)象。它是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要危害之一,礦井一旦發(fā)生水害事故常常會造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。而從水害事故發(fā)生的地點(diǎn)來看,掘進(jìn)工作面為主要的透水地點(diǎn)[1,2]。在巷道掘進(jìn)施工前進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水施工,已成為遏制掘進(jìn)工作面水害事故的主要措施。而探放水施工中需要施工大量的鉆孔,因此鉆機(jī)性能將直接影響探放水鉆孔的施工效率,進(jìn)而影響巷道的掘進(jìn)速度和煤炭產(chǎn)量。

        煤礦通常使用氣動架柱式鉆機(jī)、分體鉆機(jī)及ZLJ系列坑道鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工。其中,氣動架柱式鉆機(jī)以壓縮空氣做動力,質(zhì)量較小、易于搬遷,但能力普遍較小,安全性差;分體鉆機(jī)使用液壓油作為介質(zhì)傳遞能量,由主機(jī)、泵站及操作臺三部分組成,結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安全可靠、操作維護(hù)方便,但是主機(jī)與泵站部分質(zhì)量較大,搬遷移動困難,工人勞動強(qiáng)度大;ZLJ系列坑道鉆機(jī)采用機(jī)械傳動、液壓給進(jìn),體積小,操作靈活,成本低,但也存在質(zhì)量較大,搬遷困難的問題,且施工時需要預(yù)先對鉆機(jī)進(jìn)行穩(wěn)固,輔助時間長,施工效率低[3-7]。針對這一情況,國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)研究。梁春苗等設(shè)計(jì)了一款淺孔探放水鉆機(jī)ZDY1300L,它將泵站、主機(jī)及操作臺集成于履帶上,移位和鉆進(jìn)效率高,輔助時間和工作量小,并具有大角度,多方位孔的施工能力[8];李棟研制了一種高轉(zhuǎn)速、長行程,適用于300m孔深的ZDY3500T型探放水專用鉆機(jī),并通過型式試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備的可靠性[9]。這兩種鉆機(jī)可以滿足井下探放水鉆孔的施工要求,但我國大多數(shù)煤礦為了更全面地反映掘進(jìn)工作面前方的水文地質(zhì)情況,往往需要在掘進(jìn)工作面施工多個不同方位、角度的探放水鉆孔,因此單一工作臂的鉆機(jī)在一定程度上已無法滿足煤礦巷道快速掘進(jìn)的要求。鑒于此,本文介紹一款機(jī)身窄、移動靈活、穩(wěn)固調(diào)角速度快、可同時施工兩個鉆孔的ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī),并在高河煤礦E2308主運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行了探放水鉆孔施工,鉆孔的施工效率顯著提高,取得了良好的應(yīng)用效果。

        1 ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)

        ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)(如圖1所示)采用分體履帶形式,由鉆車和泵車兩部分組成,鉆車是執(zhí)行機(jī)構(gòu),泵車是動力源,兩者之間通過液壓膠管連接,主要性能參數(shù)見表1。

        圖1 ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

        表1 ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)的主要性能參數(shù)

        1.1 鉆車

        鉆車由左主機(jī)、左主操作臺、左姿態(tài)調(diào)整操作臺、右主機(jī)、右主操作臺、右姿態(tài)調(diào)整操作臺、主輔助操作臺、鉆車行走操縱臺、鉆車履帶車體及穩(wěn)固裝置組成。左主機(jī)和右主機(jī)分別設(shè)置于鉆車履帶車體的兩側(cè),兩者組成基本相同,均由回轉(zhuǎn)器、夾持器、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置及下滑動平臺組成,旋轉(zhuǎn)裝置左右對稱安裝。下滑動平臺可使兩主機(jī)主軸的間距在1.2~1.9m范圍內(nèi)調(diào)節(jié),旋轉(zhuǎn)裝置可使主軸方位角在-90°~+90°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),變幅機(jī)構(gòu)可使主軸仰俯角在-90°~+60°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),鉆機(jī)主軸調(diào)節(jié)范圍廣,巷道適應(yīng)性強(qiáng)。給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用新型油缸加雙鏈條倍程倍速結(jié)構(gòu)形式,整體尺寸小、給進(jìn)行程大?;剞D(zhuǎn)器采用中心通孔式結(jié)構(gòu),通過更換卡瓦,可夾持直徑42mm、50mm、73mm等三種不同規(guī)格的鉆桿,滿足多種直徑鉆孔施工需求。鉆車履帶車體包括車體平臺及履帶底盤,車體平臺和履帶底盤之間設(shè)置有液壓旋轉(zhuǎn)支撐,當(dāng)鉆車到達(dá)工作地點(diǎn)后,通過液壓旋轉(zhuǎn)支撐可實(shí)現(xiàn)車體平臺與履帶底盤相對轉(zhuǎn)動,使工作臂正對掘進(jìn)工作面,無需反復(fù)調(diào)整履帶底盤。穩(wěn)固裝置包括上穩(wěn)固油缸和下穩(wěn)固油缸,施工過程中上頂下?lián)?,保證整機(jī)穩(wěn)定。

        1.2 泵車

        泵車由電機(jī)泵組、泵車行走操縱臺、防爆機(jī)車燈、急停按鈕、電磁起動器、泵車履帶車體、油箱、冷卻器、液壓水泵等部件組成。電機(jī)泵組由75kW隔爆型三相異步電動機(jī)、聯(lián)軸器、泵座及串聯(lián)液壓泵組成。串聯(lián)液壓泵均采用進(jìn)口元件,Ⅰ泵設(shè)定的壓力為10MPa,控制液壓水泵為鉆孔施工提供最高壓力10MPa,最大流量100L/min的沖洗液;Ⅱ泵設(shè)定壓力為23MPa,通過閥組可實(shí)現(xiàn)對泵車行走、左主機(jī)姿態(tài)調(diào)整及左主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和起拔的控制;Ⅲ泵設(shè)定壓力與Ⅱ泵相同,通過閥組控制鉆車行走、右主機(jī)姿態(tài)調(diào)整及右主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和起拔外,還能實(shí)現(xiàn)對下穩(wěn)固油缸及液壓旋轉(zhuǎn)支撐的控制。Ⅳ泵設(shè)定壓力為10MPa,可控制兩個工作臂夾持器、卡盤的獨(dú)立動作,并通過減壓閥為主操作臺上的先導(dǎo)手柄供油。此外,在Ⅳ泵油路中設(shè)置了切換手柄,當(dāng)泵車行走時,通過切換手柄使Ⅳ泵液壓油直接流回油箱,減少壓力損失。電磁起動器用于控制電動機(jī)的起動、停止及防爆機(jī)車燈的開合,具有過載、斷相、短路等保護(hù)功能。

        2 E2308主運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面探放水施工方案

        2.1 E2308主運(yùn)輸巷概況

        山西高河能源有限公司是潞安集團(tuán)下屬的一座年輕的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井,位于山西省長治市長治縣境內(nèi),生產(chǎn)能力為750萬t/a。礦井采用立井單水平分區(qū)式開拓方式,采用單水平開采直接排水系統(tǒng),在副立井井底設(shè)中央水倉和泵房。井田屬海河流域濁漳河水系,主要河流為濁漳河南源,雍河和嵐水河為其支流,均常年有水。

        礦井目前開采3號煤層,埋藏深度為420~540m,平均厚度為6.71m。3號煤層以亮煤為主,夾鏡煤及暗煤,光亮煤型,結(jié)構(gòu)簡單,普氏硬度1~3。煤層含0.15m夾厚矸,矸石為碳質(zhì)泥巖,灰黑色,中厚層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。煤層之上為中粒砂巖,厚度平均3.49m,成份以石英石為主;煤層之下為直接泥巖-細(xì)粒砂巖,泥巖平均厚度為0.49m,含豐富的植物根化碎石片。3號煤層主要水害來源為頂?shù)装迳皫r裂隙水、底板奧灰?guī)r溶水、井田內(nèi)及周邊煤礦采空區(qū)積水以及地表水。E2308主運(yùn)輸巷沿3號煤層底板掘進(jìn),南邊為E2308工作面,西接為北翼回風(fēng)大巷東大巷,北接E2309工作面。運(yùn)輸巷總長度為1264.6m,斷面為矩形,寬5.3m,高3.65m。

        2.2 鉆孔布置參數(shù)

        為保證E2308主運(yùn)輸巷安全掘進(jìn),掘進(jìn)工作面共布置4個探放水鉆孔組成工作面“超前鉆探”系統(tǒng),如圖2、圖3所示。鉆孔深度與掘進(jìn)進(jìn)尺的關(guān)系:鉆孔深度達(dá)100m,掘進(jìn)進(jìn)尺70m,預(yù)留30m安全距離;如果鉆孔深度達(dá)不到100m時,減去30m的安全距離,剩余長度為允許掘進(jìn)進(jìn)尺。掘進(jìn)工作面探放水鉆孔具體參數(shù)見表2。

        圖2 鉆孔布置示意圖

        圖3 鉆孔剖面示意圖(mm)

        表2 鉆孔參數(shù)表

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        3.1 鉆機(jī)施工工藝流程

        ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)在E2308主運(yùn)輸巷進(jìn)行了掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工,施工流程如圖4所示。施工時,配套鉆具采用直徑75mm金剛石復(fù)合片內(nèi)凹鉆頭和直徑50mm、長度1000mm的高強(qiáng)度外平鉆桿。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)冷卻器用水采用井下靜壓水,為防止靜壓水壓力過大損壞冷卻器,水路中增加截止閥。為縮短輔助時間,提高鉆孔效率,采用中間加桿、后端卸桿的加卸鉆桿方式,無需反復(fù)拆卸水便。

        圖4 鉆機(jī)施工工藝流程

        3.2 應(yīng)用情況

        ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)在E2308主運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面共完成探放水鉆孔施工6次,最大鉆孔深度200m。施工過程中,采用了井下靜壓水及液壓水泵兩種方式提供沖洗介質(zhì)。當(dāng)使用井下靜壓水作為沖洗介質(zhì)時,單工作臂2.5h可施工完成100m鉆孔,雙工作臂同時施工3h可施工完成2個100m鉆孔;當(dāng)使用液壓水泵提供沖洗介質(zhì)時,單工作臂2小時即可施工完成100m鉆孔。試驗(yàn)期間,鉆機(jī)移動靈活,穩(wěn)固調(diào)角速度快,輔助時間縮短30%,鉆孔效率提高60%,有效解決了鉆掘交替矛盾問題,提高了有效工時利用效率,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

        3.3 效果對比

        在ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)施工以前,礦方采用ZLJ-350型坑道鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工。兩者施工效果對比如下:ZLJ-350型坑道鉆機(jī)重量大、井下搬遷困難,進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔作業(yè)時需先對鉆機(jī)進(jìn)行固定,工人勞動強(qiáng)度大,且由于鉆機(jī)能力較小,完成2個100m鉆孔大概需要3個工作班(每個工作班8小時)的時間;而ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)采用分體履帶形式,井下移動靈活快捷;機(jī)身窄,可與掘進(jìn)機(jī)交替進(jìn)行施工;回轉(zhuǎn)器扭矩大、轉(zhuǎn)速高,鉆孔施工效率較ZLJ-350型坑道鉆機(jī)大幅提升,從而有效地保障了煤礦巷道的快速、安全、高效掘進(jìn)。

        4 結(jié) 語

        1)ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)采用分體履帶形式,機(jī)身窄、移動靈活;鉆機(jī)配備兩個工作臂,可單獨(dú)施工,也可同時施工兩個不同方位、角度的鉆孔,穩(wěn)固調(diào)角速度快、鉆孔效率高;

        2)鉆機(jī)調(diào)角范圍廣,巷道適應(yīng)性強(qiáng),作業(yè)輔助時間短,工人勞動強(qiáng)度低,掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工效率高,為煤礦巷道安全高效掘進(jìn)提供了可靠的裝備保障;

        3)鉆機(jī)能夠很好地適應(yīng)煤礦巷道掘進(jìn)面探放水鉆孔的施工需求,現(xiàn)場的應(yīng)用實(shí)踐為其他類似礦井巷道掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工提供了很好的借鑒及指導(dǎo)。

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