張 剛,宋海濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，開采深度的增加，煤礦安全生產(chǎn)問題變得越來越突出，尤其是開采低透氣性、松軟、高瓦斯、有突出危險(xiǎn)的煤層。采用煤礦井下坑道鉆機(jī)施工瓦斯抽采孔，降低煤層瓦斯?jié)舛?，是解決這一安全開采問題的有效方法，但在占我國煤炭資源總量30%的薄煤層開采中，實(shí)際開采量占比一直不高，主要原因在于瓦斯抽采鉆孔施工效率低，影響總體開采進(jìn)度[1-5]。分析發(fā)現(xiàn)制約鉆孔施工效率的主要因素是鉆機(jī)裝備，由于薄煤層煤層較薄，因此在進(jìn)行順層鉆孔施工時(shí)，水平施工孔位較低，需將鉆機(jī)鉆進(jìn)裝置降至低位，目前能滿足該使用工況的分體鉆機(jī)，具有體積小，開孔低的特點(diǎn)，滿足了薄煤層巷道低矮尺寸運(yùn)輸及低位開孔施工的需求，但其搬遷鉆場，鉆機(jī)調(diào)角、穩(wěn)固等動作主要靠人力輔助，耗時(shí)耗力，綜合效率低[6-9]。同時(shí)薄煤層巷道高度低，在施工穿層鉆孔時(shí)，需將鉆機(jī)在有限的空間范圍內(nèi)在大角度間反復(fù)調(diào)節(jié)，并穩(wěn)固后施工，為了降低鉆機(jī)角度調(diào)節(jié)和輔助穩(wěn)固時(shí)間，減少工人勞動強(qiáng)度，提高鉆進(jìn)效率，采用單次穩(wěn)固鉆機(jī)，施工一個(gè)斷面內(nèi)扇形鉆孔的全斷面施工方法，可達(dá)到薄煤層穿層鉆孔高效施工的目的，而目前現(xiàn)有技術(shù)能滿足全斷面施工的履帶鉆機(jī)運(yùn)輸尺寸及角度調(diào)節(jié)空間占用大，對薄煤層的巷道條件適應(yīng)性差，少有應(yīng)用。因此針對薄煤層，開發(fā)適應(yīng)其低矮巷道運(yùn)輸，滿足水平低位開孔及全斷面施工需求的履帶式鉆機(jī)，提高瓦斯抽采鉆孔施工綜合效率，是提高薄煤層的開采率的關(guān)鍵因素之一[10-12]。

研制的全斷面鉆進(jìn)履帶鉆機(jī)，旨在解決薄煤層瓦斯抽采鉆孔施工綜合效率低的問題。該鉆機(jī)是一款遙控鉆機(jī)，無線遙控距離(≥30 m)，其采用履帶自行式，具有低位水平開孔、運(yùn)輸及調(diào)角高度低，穩(wěn)固性能好及全斷面施工等功能，提高了薄煤層瓦斯抽采鉆孔施工效率。目前，該全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)淮南、淮北等礦區(qū)已完成工業(yè)性試驗(yàn)及推廣，應(yīng)用效果良好，為煤礦瓦斯治理提供了“新武器”[6-12]。

1 全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

該全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括行走機(jī)構(gòu)、鉆給裝置和操縱裝置等，其中行走機(jī)構(gòu)包含履帶車體和履帶總成，鉆給裝置包括雙立柱變幅穩(wěn)固裝置、制動鎖緊裝置和鉆進(jìn)裝置；操縱裝置包括控制器和遙控器等[13]。全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)性能參數(shù)如下：

1—操縱裝置;2—行走機(jī)構(gòu);3—鉆給裝置

額定扭矩/(N·m)

6 500

額定給進(jìn)/起拔力/kN

130/210

額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

60～200

額定功率/kW

90

水平開孔高度/mm

730～1 630

運(yùn)輸尺寸/(mm×mm×mm)

4 720×1 100×2 000

1.2 雙立柱變幅穩(wěn)固技術(shù)

雙立柱變幅穩(wěn)固裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其鉸接于履帶車體前端，鉆機(jī)運(yùn)輸時(shí)，整個(gè)變幅穩(wěn)固裝置繞車體連接鉸點(diǎn)收回履帶車體內(nèi)部，鉆機(jī)施工時(shí)，雙立柱變幅穩(wěn)固裝置上端設(shè)置有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可帶動鉆進(jìn)裝置旋轉(zhuǎn)90°，使鉆進(jìn)裝置機(jī)身長度不占用巷道空間高度，再整體繞履帶車體前端鉸接點(diǎn)擺出，該種變幅方式巧妙地解決了在薄煤層巷道，履帶式鉆機(jī)運(yùn)輸、調(diào)角、低位孔及全斷面施工時(shí)的空間占用及自身結(jié)構(gòu)受限問題，具體姿態(tài)調(diào)整過程如圖3所示。雙立柱變幅穩(wěn)固裝置的雙立柱是一種滑軌式多級穩(wěn)固立柱，舉升裝置帶動鉆進(jìn)裝置沿立柱外表面上下滑移，可調(diào)節(jié)水平開孔高度，同時(shí)在全斷面大角度施工時(shí)，可調(diào)節(jié)鉆進(jìn)裝置長度與巷道頂?shù)装宓木嚯x，滿足不同巷道尺寸及施工角度時(shí)的全斷面施工空間需求；同時(shí)穩(wěn)固立柱內(nèi)部為內(nèi)嵌式油缸結(jié)構(gòu)，施工時(shí)上下均可伸出活塞桿，其中上活塞桿為二級伸縮式，具有更高的穩(wěn)固高度，確保單次穩(wěn)固頂緊巷道頂?shù)装澹瑹o需輔助加加長桿，減少活動連接，增強(qiáng)施工穩(wěn)固性，解決了全斷面施工鉆進(jìn)裝置前置，重心前向偏移造成整機(jī)穩(wěn)固性差的問題；穩(wěn)固立柱表面共設(shè)4個(gè)進(jìn)出油口，其余進(jìn)出油口全部開設(shè)在立柱內(nèi)部，油口固定，液壓膠管擺布相對固定，避免了全斷面調(diào)角時(shí)的油管纏繞。

1—調(diào)角焊接結(jié)構(gòu)件;2—調(diào)角支承件;3—舉升裝置;4—立柱穩(wěn)固;5—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖3 雙立柱變幅穩(wěn)固裝置姿態(tài)調(diào)整示意

1.3 液力制動鎖緊技術(shù)

由于薄煤層巷道的空間尺寸限制，采用全斷面施工是一種高效施工方法[14-15]。全斷面施工鉆機(jī)的傾角調(diào)節(jié)由回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，一般為蝸輪蝸桿式減速器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其具有尺寸小，承載傾覆力矩及保持力矩大的特點(diǎn)。但由于一般蝸桿為長軸結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)動外齒圈與蝸桿一般都設(shè)計(jì)有一定間隙，允許蝸桿在停止工作時(shí)，釋放一定過盈扭矩，保護(hù)蝸桿。但在實(shí)際全斷面施工中，由于鉆進(jìn)裝置僅通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)與鉆機(jī)連接掛于鉆機(jī)前方，自重轉(zhuǎn)化為徑向載荷作用于回轉(zhuǎn)驅(qū)動，同時(shí)孔內(nèi)交變負(fù)載力通過鉆桿傳遞給鉆進(jìn)裝置，轉(zhuǎn)化為徑向及軸向載荷作用于回轉(zhuǎn)驅(qū)動，因此回轉(zhuǎn)驅(qū)動受力大且復(fù)雜，而外齒圈與蝸桿的間隙設(shè)計(jì)，施工負(fù)載大時(shí)易造成鉆進(jìn)裝置的高頻、小幅晃動，從而引起蝸桿的疲勞損傷，導(dǎo)致全斷面施工穩(wěn)固性降低，影響施工安全及質(zhì)量。開發(fā)液力制動鎖緊裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，可將液力制動鎖緊裝置裝于回轉(zhuǎn)式減速器內(nèi)部，當(dāng)其工作時(shí)，由活塞帶動摩擦片向外頂緊回轉(zhuǎn)連接組件，而活塞沿缸體組件中心不能轉(zhuǎn)動，此時(shí)可將回轉(zhuǎn)連接組件與缸體組件作為依靠制動扭矩聯(lián)結(jié)而成的整體部件，并與鉆機(jī)固定，從而將負(fù)載傳遞于鉆機(jī)穩(wěn)固，既保護(hù)回轉(zhuǎn)式減速器不受損壞，又提高了全斷面施工的穩(wěn)固性。

1—液壓馬達(dá);2—?dú)んw;3—蝸桿;4—轉(zhuǎn)動內(nèi)圈;5—轉(zhuǎn)動外齒圈;6—軸承

1—缸體組件;2—回轉(zhuǎn)連接組件;3—碟簧; 4—活塞;5—缸蓋;6—摩擦片

1.4 遙控技術(shù)

全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)施工時(shí)，鉆進(jìn)裝置側(cè)置于前方，而為了搬遷便捷，履帶鉆機(jī)的操縱閥組固定在車體平臺后方或側(cè)面，操作人員操作鉆機(jī)時(shí)，僅能看到鉆進(jìn)裝置背面，無法清楚觀察到實(shí)際鉆進(jìn)位置，需要靠前方配合人員溝通或自己上前觀察情況后再操作施工，既影響施工效率，也存在安全隱患[16-18]。因此該全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)采用遙控式操作，可用遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程無線/有線操作，操作人員在全斷面施工鉆場選擇視線合適的工位用遙控器操作鉆機(jī)，既安全,又高效[19-20]。遙控器如圖6所示，遙控控制原理如圖7所示，主要由本安型遙控器、本安型控制器柜、防爆電磁閥和傳感器組成。遙控器與控制器間可通過有線和無線兩種方式傳輸信號，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的遙控控制。鉆機(jī)上安裝的傳感器可監(jiān)測鉆機(jī)工作的壓力、油液溫度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測。

圖6 遙控器示意

1—本安型遙控接收器;2—防爆電磁閥;3—傳感器; 4—本安型遙控發(fā)射器;5—本安型控制器

1.5 導(dǎo)軌及襯板設(shè)計(jì)

全斷面鉆進(jìn)施工時(shí)，施工穿層鉆孔角度大，負(fù)載變化大，鉆進(jìn)裝置導(dǎo)軌及襯板受力工況惡劣，如采用常規(guī)長方體導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，存在的問題是：①側(cè)面受壓強(qiáng)大，導(dǎo)軌側(cè)面會加速磨損，②導(dǎo)軌及襯板為鋼與銅的組合，耐磨性不夠，③導(dǎo)軌一般與機(jī)身焊接而成，在矮小巷道不便更換，時(shí)間及成本高，如將其應(yīng)用于全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)，磨損的導(dǎo)軌會引起全斷面施工時(shí)的動力頭晃動，影響施工效率。因此該全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)了“直角式”可互換導(dǎo)軌，設(shè)計(jì)計(jì)算合理的正面和側(cè)面受力面積比，其結(jié)構(gòu)如圖8所示 (側(cè)面為圖示箭頭指示面 )，避免導(dǎo)軌側(cè)面加速磨損的問題，且選取新型合金導(dǎo)軌、襯板材料，并采用不同的熱處理工藝，提高導(dǎo)軌及襯板的整體耐磨性，延長了導(dǎo)軌壽命，保證施工穩(wěn)定性；同時(shí)其正面特殊的沉頭螺栓“扁型”孔設(shè)計(jì)，將導(dǎo)軌與鉆進(jìn)裝置螺栓連接，便于更換與保養(yǎng)。

圖8 直角式可換導(dǎo)軌示意

2 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用

2019年8月，該鉆機(jī)在淮南顧橋煤礦1314(1)軌道順層回風(fēng)巷6號鉆場進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，鉆孔類型為頂板走向孔，巷道高度最低2 m，最低設(shè)計(jì)水平鉆孔高度0.8 m，由于巷道尺寸及設(shè)計(jì)鉆孔高度限制，一直僅能使用分體鉆機(jī)進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔施工，使用該鉆機(jī)鉆機(jī)后，鉆機(jī)可在井下巷道快速挪移鉆場及調(diào)角施工，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄13 d，累計(jì)進(jìn)尺3 178.7 m，共施工鉆孔28個(gè)，最大孔深154 m，最大角度75°，成孔率100%，比礦方現(xiàn)有同巷道鉆機(jī)施工效率提高40%，施工穩(wěn)定性強(qiáng)，遙控操作安全高效。試驗(yàn)結(jié)果表明，該款全斷面鉆機(jī)綜合施工效率顯著提高。

3 結(jié) 論

1)研制的全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)，采用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了履帶式鉆機(jī)難以在薄煤層的低矮巷道內(nèi)運(yùn)輸、水平低位開孔及全斷面鉆孔施工的難題。

2)該全斷面鉆機(jī)應(yīng)用的雙立柱變幅穩(wěn)固技術(shù)、液力制動鎖緊技術(shù)、遙控技術(shù)及新型導(dǎo)軌與襯板，解決了制約薄煤層巷道鉆進(jìn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性不足的問題，顯著提高了施工安全性及綜合施工效率，為煤礦井下全斷面鉆進(jìn)鉆機(jī)的進(jìn)步提供新思路。

3)經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，該全斷面鉆機(jī)與同類型鉆機(jī)相比，其在煤礦井下薄煤層巷道的適用性顯著提高，為提高薄煤層瓦斯抽采鉆孔施工效率提供了新方法。