和鵬鵬

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046100)

0 引言

山西省煤炭資源豐富，但由于煤炭資源賦存條件、煤質特性等存在差異，不同煤層的開采都有特定的復雜要求。隨著易采煤層的減少，大傾角、急傾斜、煤層薄等地質條件更趨多樣性和復雜化[1]。山西省薄煤層資源儲量約占總儲量的19.2%，1.3 m以下薄煤層資源占全國煤炭總儲量的20%，回收率卻只有30%左右[2]。隨著煤礦開采強度的逐年增加和開采深度的不斷延伸，一些礦井采深超800 m，巷道含煤層厚度薄淺，礦井巷道空間狹小，呈不規(guī)則狀，現有的普通履帶鉆機在井下通過時和施工占用空間受到限制[3-6]。人工工作量大，勞動強度高。加之掘進開采中存在瓦斯突出、冒水、沖擊地壓等水文地質條件復雜等情況，煤礦安全生產問題也愈發(fā)顯著，成為妨礙煤礦高產量、高效率的主要因素。為有效解決在狹窄巷道中鉆機難施工、綜采設備小尺寸與大裝機功率矛盾等問題，確保礦井安全高效生產，在原液壓履帶鉆機的技術上，設計研發(fā)了大功率全液壓履帶鉆機，以提高工作效率，使煤礦井下施工更加安全、便捷、高效。

1 綜采巷道對全液壓履帶鉆機的需求

綜采薄煤層巷道空間狹小，普通履帶鉆機在礦井瓦斯抽采不達標的情況下組織生產，受地下空間的限制，正常作業(yè)難以有效開展，只有大規(guī)模技術改造才能提升安全生產保障。未進行技術改造之前，煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的鉆桿多為1.5 m，而掘進機與巷道側幫之間相距1.2 m，鉆、掘交叉施工過程中，為了保證鉆機可以直接從掘進機附近通過，通常會選擇全液壓分體鉆機開展鉆孔施工。該類型鉆機缺少行走組織，運輸以及鉆孔間位移全部依賴于人工進行搬遷；鉆井角度的調整以及穩(wěn)定也需要人工進行幫助。如此一來，工作人員的工作勞動強度較大，綜合鉆進效率并不高。因此，需要研發(fā)一種寬度設定在1 m以下，額定轉矩為4 500 N·m、可以在綜采巷道之中完成鉆掘交叉施工的全液壓履帶鉆機，以滿足順層以及穿層鉆孔施工的實際需求。同時，井下瓦斯抽采卸壓裝備也亟待更新，它的更新既能提高采掘工作面單產單進效率，一定時間內又能進駐多種高度可控的開孔鉆機設備。

2 技術改造方案

2.1 設計要求

煤礦井下全液壓履帶鉆機的設計，依據鉆機的主要技術參數進行計算選型。設計時需針對坑道鉆機結構緊湊的特點，充分融合煤礦井下前探鉆孔施工的成功經驗以及實際需求，研發(fā)的鉆機在保證鉆進能力以及調角和調高范圍的基礎上，加強鉆機的穩(wěn)定性以及通過性，同時在施工及排前探鉆孔過程中完成迅速移位。研發(fā)的ZDY4500LXY型號全液壓履帶鉆機需在一定范圍內，可以實現主軸傾斜角與水平開孔高度調整。此外，鉆機擁有2個轉盤，一方面可以調整鉆機的方位角；另一方面能夠調整履帶底盤與焊接車體之間的角度，完成施工排前探鉆孔過程中各孔間的迅速移位。鉆機下穩(wěn)固設備屬于可伸縮式設備，鉆機處于施工狀態(tài)下，能夠使得鉆機穩(wěn)定性得到顯著的提高。其額定轉矩經測試可達到4 500 N·m，額定轉速處于60～200 r/min，鉆井功率可以達到90 kW；最大給進力數值為125 kN，最大起拔力則為190 kN，主軸傾斜角為±90°，鉆孔方位角則為±90°，電動機額定功率為90 kW；最大爬坡角度為15°。

2.2 鉆進結構設計方案

2.2.1 基本結構

新機型滿足不同類型部件之間具有的互通性以及通用性，需縮減原鉆機整體寬度和不可拆卸部分的長度，實現新機型在綜采巷道施工和在罐籠中施工，運輸上更為便捷，施工效率和運輸工作效率進一步提高[7-9]。為此，鉆機結構設置為立體式結構，夾持器實現可調節(jié)，改進了動力可控制操作系統(tǒng)。調整電機泵組、油箱和操作平臺的位置，移至鉆機后面，高壓濾油設備，主機的給進裝置處于油箱的上方，使鉆機立體空間得到充分的應用。全液壓系統(tǒng)鉆機設計結構如圖1所示。

1—履帶部分；2—轉角穩(wěn)定裝置；3—回轉支承；4—給進裝配；5—大扭矩動力裝配；6—對開式夾持器；7—動力操作系統(tǒng)；8—液壓控制系統(tǒng)；9—車身主體圖1 ZDY4500LXY全液壓履帶鉆機結構Fig.1 Structure diagram of ZDY4500LXY full hydraulic crawler drilling rig

合理的開采方案，可以提高工作面資源回收率[10-12]。通過夾持器與動力控制操作系統(tǒng)，全液壓履帶鉆機可實現大扭矩回轉鉆進功能。試驗證明技改后該全液壓履帶鉆機在工作面開采過程中，鉆機采煤鉆孔造成鉆孔外段5 m區(qū)域內的范圍應力集中并發(fā)生塑性破壞。

2.2.2 履帶車底部分設計

為了確保鉆機可以正常地從掘進設備以及巷道側幫之間所形成的空間內經過，根據鉆機整體布局，初步設計寬為1 m，載重量達到10 t的履帶底盤。這種高強高、厚重型履帶，結構緊湊，該鉆機在作業(yè)時不僅不需要人工搬遷，還降低了自身高度。同時，該底盤與焊接間借由液壓驅動回轉支承實現連接，驅動回轉可調節(jié)區(qū)間為±90°。車體前端安設了回轉支承，實現車體與主機之間的鏈接，調節(jié)的區(qū)間同樣為±90°。經過鉆探驗證，車體和履帶底盤的夾角呈可調節(jié)狀態(tài)。試驗證明，如果鉆機應用于前探鉆孔施工期間，使得履帶底盤和巷道寬度方向之間保持平行關系，驅動履帶底盤便能夠實現前探鉆孔過程中的迅速位移，使得鉆機綜合施工效率得到顯著的提高。同時，該鉆機履帶設計成半內嵌低承載聯接結構。此外，為便于調整角度和穩(wěn)固鉆機，增加了嵌套結構和整體翻轉裝置，這些技改措施，使鉆機履帶在行進時，車體前端兩履帶中間低于履帶頂面，降低了鉆機整體高度，有效控制了鉆機的外形尺寸。

2.2.3 下穩(wěn)固裝置設計

對比同類型鉆機，新鉆機在縮減整體寬度、增加自重方面呈現明顯優(yōu)勢，重點解決了鉆機在施工中穩(wěn)定性不佳的問題，鉆機下部分穩(wěn)固裝置改進為可伸縮方式，由此調整鉆機的寬度。結合鉆機整體設計方案，鉆機后下方穩(wěn)固裝置基于平移油缸穩(wěn)定的支撐向兩側延展。技改后控制油缸伸縮長度的控制手柄設置在操作臺上，方便操作員及時觀察下穩(wěn)固裝置油缸的基本狀況。為了使鉆機可以正常進入罐籠之中，鉆機不可拆卸長度必須得到控制，一般限定在3.85 m以內。故而，在穩(wěn)定裝置超出履帶車體寬度情況下，抽取定位軸，轉動穩(wěn)定裝置至一定角度，結合現實狀況采用適宜的空位，再次插入定位軸予以定位，以完成履帶車體寬度的增加。

2.3 鉆機液壓系統(tǒng)設計

該鉆機從總體結構及技術參數、主要部件及整機的液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，對照采煤機械化和安全標準化的要求，應用雙泵開式循環(huán)液壓系統(tǒng)，采用雙路供給油量(回轉回路與給進回路)，以完成回轉參數以及給進參數的獨立調整，規(guī)劃比不同執(zhí)行機構用戶工作過程中彼此干擾。主泵作為橫功率負載敏感的變量泵，系統(tǒng)設計由主閥提供動力，副泵負責鉆機施工時鉆機的穩(wěn)定性、調角以及柱基回轉支承提供其所需要的動力。泵以及閥門等液壓部件均采用進口產品或是先進的國產產品，具有安全性、穩(wěn)定性以及可靠性等良好的優(yōu)勢，對提高整體系統(tǒng)質量具有積極意義。

3 現場試驗

鉆機現場工業(yè)性試驗過程中，選擇工作面外機巷道，利用風力完成排渣，配置φ73 mm三角形鉆桿以及φ94 mm鉆頭進行運行。試樣鉆孔數量不低于700個，包括前探鉆孔203個，進尺總計長度5 800 m，最大孔深度為181 m；順層鉆孔總計507個，總計進尺45 117 m，深度最大值為116 m，就能滿足預設的施工需求，鉆孔綜合效率相較于之前有了顯著的提高，數值達到1倍以上。鉆孔設計參數具體見表1。

根據現場鉆孔試驗，表1的鉆孔實驗統(tǒng)計結果證明，改進后的這臺煤礦井下全液壓履帶鉆機，前探鉆孔時適用于各類狹窄低矮巷道，其穩(wěn)固裝置可以快速移位，設計有著良好的適應性。

表1 鉆孔設計參數統(tǒng)計結果Table 1 Statistic results of drilling design parameters

4 結語

綜采巷道全液壓履帶鉆機ZDY4500LXY的研制，有效解決了綜采巷道中鉆機位移難和綜合效率不高等問題?，F場試驗實證了綜采巷道全液壓履帶鉆機整體設計結構科學合理，對低矮巷道鉆探施工效果良好，執(zhí)行設備操縱的電子元件，通過液壓控制即可實現，在井下作業(yè)環(huán)境的適用性和工作效率顯著提高。此外，鉆機應用了雙液壓驅動回轉支承的構造；為鉆機施工及排前鉆孔提供了便利，該機型位移速度進一步加快，施工效率高，為薄煤層安全高效開采提供了保障。在綜采巷道前探鉆孔施工中該機型適應性強，同時還可以跨傳輸帶在該煤層以及附近煤層施工，滿足了施工要求，整體結構安全可靠，符合井下環(huán)境一臺設備多種用途的需求。