闞志濤 鐘自成 何玢潔 劉 璞

(1.中國礦業(yè)大學(北京)應急管理與安全工程學院,北京 100083;2.煤炭科學研究總院,北京 100013;3.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077)

我國井下瓦斯抽采經(jīng)過幾十年的發(fā)展,形成了采前、采中、采后抽采的系統(tǒng)瓦斯抽采方法。隨著瓦斯作為清潔能源角色的突顯,鉆孔抽采已成為實現(xiàn)煤礦井下煤層氣開發(fā)的主要途徑[1-4]。而長距離鉆孔抽采具有覆蓋范圍廣、封孔次數(shù)少、瓦斯抽采效率高的優(yōu)點,越來越受到礦方的歡迎。為了滿足煤礦區(qū)工作面瓦斯長距離高效抽采和區(qū)域抽采的需要,中煤科工西安研究院(集團)有限公司研制了ZDY25000LDK 型大功率自動化定向鉆機,鉆機具有自動上卸鉆桿、鉆進參數(shù)實時監(jiān)測、系統(tǒng)故障報警、現(xiàn)場實時監(jiān)控、可與地面遠程實時控制通信等功能,鉆孔直徑、鉆進效率和鉆孔質量與現(xiàn)有裝備相比顯著提高,已在神東保德煤礦、錦興能源肖家洼煤礦順利進行推廣應用[5-6]。

ZDY25000LDK 型大功率自動化定向鉆機的自動上卸鉆桿裝置由機械手和鉆桿倉組成,結構簡單、性能穩(wěn)定可靠,與傳統(tǒng)人工上/卸鉆桿相比,工作效率顯著提高。但是由于鉆機輸出能力大,施工鉆孔距離長,主機尺寸以及配套的執(zhí)行以及動力部件尺寸隨之增大,受井下巷道空間的限制,鉆機配備的鉆桿倉只能容納7 根鉆桿,當桿倉內(nèi)鉆桿用盡后,仍需人工進行鉆桿裝填,延長了輔助作業(yè)時間;且配套鉆桿直徑為φ114 mm、長度為1.5 m、重量為45 kg,人工裝填勞動強大、安全風險高、工作效率低。因此,亟需研發(fā)一款高效的自動化換桿裝置,滿足大功率自動化定向鉆機快速上/卸鉆桿需要,最大限度地解放勞動力,進一步提高鉆探裝備的自動化、智能化水平。

針對這一情況,國內(nèi)學者進行了相關研究。陳澤平[7]提出了一種定向鉆桿輔助上桿及搬運組合方案,能夠實現(xiàn)長度3 m 大直徑定向鉆桿的快速加接和機械化搬運,為煤礦井下大直徑定向鉆機的推廣應用提供了有力支持;劉智[8]設計了一種由夾緊承托裝置、吊裝裝置和鉆桿架組成的快速起下鉆裝置,滿足了鉆孔施工過程中快速起下鉆的功能要求;高勇[9]設計了由儲桿車、加桿車和機械手組成的連續(xù)自動加卸鉆桿裝置,實現(xiàn)了鉆機的自動連續(xù)加卸鉆桿作業(yè);雷萬年[10]設計了帶有多層斜面式補充箱的鉆桿補充系統(tǒng),增加了自動鉆機的單次裝填鉆桿進尺,提高了施工效率,減輕了勞動強度;羅江南[11]設計了采用回轉支承和擺動油缸作為動力元件,液壓驅動的換鉆機器人,提高了換鉆效率。但通過適用性分析,已有的研究均不能滿足配套大直徑鉆桿的大功率自動化定向鉆機的使用要求。

本研究在前人工作的基礎上,設計了ZY45LK 型自動化連續(xù)換桿車,配合大功率自動化定向鉆機實現(xiàn)了大直徑鉆桿的自動連續(xù)上/卸鉆桿作業(yè),為煤礦井下長距離定向鉆孔的安全高效施工提供了可靠的裝備保障。

1 換桿車的總體設計

根據(jù)大功率自動化定向鉆機自動上卸鉆桿裝置的工作原理,結合煤礦井下空間小,布局受限的施工環(huán)境,確定ZY45LK 型自動化連續(xù)換桿車整體方案[12-16]如圖1 所示。

圖1 ZY45LK 型自動化連續(xù)換桿車結構示意Fig.1 Structure schematic of ZY45LK vehicle with drill pipe replaced automatically and continuously

自動化連續(xù)換桿車主要由翻轉鉆桿箱、上桿裝置、冷卻器、油箱、電磁起動器、機車燈、操作臺、電機泵組、電控箱及履帶車體組成。

上桿裝置是主要的執(zhí)行部件,位于履帶車體的前端,與車體長度方向順向布置,保證整機良好的巷道通過性;翻轉鉆桿箱通過4 個圓柱形支撐座置于上桿裝置內(nèi),利用單軌吊或液壓吊臂實現(xiàn)快速更換;電機泵組橫置于履帶車體后部,主要包括22 kW 隔爆型三相異步電動機、軸向式柱塞液壓泵、泵座及彈性聯(lián)軸器。其中,液壓泵的排量45 mL/r,最高工作壓力25 MPa,滿足各執(zhí)行部件的流量及壓力要求。操作臺置于電機泵組的液壓泵端,主要包括四聯(lián)手動換向閥、六聯(lián)手動換向閥及七聯(lián)負載敏感電液比例閥,控制液壓油缸及馬達的動作,其上面還布置有機車燈及電控箱;油箱及冷卻器采用支架的形式置于電機泵組的電動機端,油箱主要包括箱體、吸油過濾器、回油過濾器、空氣濾清器等,具有儲油、散熱的作用;電磁起動器置于履帶車體的右后側,方便電纜連接;履帶車體由履帶底盤和車體平臺組成。車體平臺兩端布置有整體式對伸油缸及穩(wěn)固油缸,保證連續(xù)換桿車行走及工作過程中的穩(wěn)定性。

自動化連續(xù)換桿車的液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng),結構簡單,油箱的散熱、沉淀雜質效果好。液壓泵為負載敏感泵,通過功能切換閥塊實現(xiàn)手動換向閥與負載敏感電液比例閥間的自動切換。其中,手動換向閥主要用于對伸油缸、穩(wěn)固油缸等輔助動作控制,負載敏感電液比例閥主要用于履帶行走、上/卸鉆桿動作的控制,并可實現(xiàn)與大功率自動化定向鉆機自動連續(xù)上/卸鉆桿的協(xié)同控制。液壓回路中,負載敏感電液比例閥與負載敏感泵組成負載敏感系統(tǒng),液壓泵的輸出壓力、流量與所需負載相匹配,系統(tǒng)的功率損耗較低。

2 換桿車的主要性能參數(shù)

ZY45LK 型自動化連續(xù)換桿車的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters

3 換桿車關鍵技術

3.1 大容量、可翻轉、快速更換式鉆桿箱

為了更好地滿足上/卸鉆桿的使用需求,自動化連續(xù)換桿車設計了大容量、可翻轉、快速更換式鉆桿箱。鉆桿箱主要包括翻轉板、箱體框架、檔桿、上固定螺母、觀察螺母、調整桿、下固定螺母、拉板及角度桿,如圖2 所示。

圖2 鉆桿箱結構示意Fig.2 Structural schematic of drill pipe box

鉆桿箱有5 層翻轉板,翻轉板層間距為140 mm,每層可放置直徑φ114 mm、長度為1 500 mm 的鉆桿6 根,鉆桿箱共計容納鉆桿30 根。為了使鉆桿順利地下滑,翻轉板的傾斜角度為±10°。

翻轉板由四塊厚度為10 mm 的長方形鋼板組成,左右兩側為底板,中間兩塊為連接板,對稱焊接;底板外側中間位置設有中心軸,中心軸向后300 mm設有偏轉軸,中心軸與偏轉軸的直徑和長度相同;中心軸通過軸承和彈性擋圈固定在箱體框架上,偏轉軸通過彈性擋圈固定在拉板上。拉板能在上固定螺母、觀察螺母、調整、下固定螺母的作用下使翻轉板實現(xiàn)角度的變化。

鉆桿箱底部有4 個圓柱形支撐座,桿箱更換時定位快速、精準,且底座開孔,可防止泥渣、巖屑等雜物聚集。

3.2 多自由度、高精準度上桿裝置

自動化連續(xù)換桿車的上桿裝置主要包括鉆桿提升裝置、鉆桿箱座、舉升裝置、左右移動油缸、前后移動油缸、滑動座、中板及底板,如圖3 所示。其中,鉆桿提升裝置、鉆桿箱座、舉升裝置及滑動座通過螺栓固定在中板上;左右移動油缸有2 根,可使中板和底板產(chǎn)生相對移動,行程為300 mm;前后移動油缸一端固定在底板上,一端固定在履帶車體上,行程為100 mm;滑動座共有8 個,長度為300 mm,對稱布置。

圖3 上桿裝置結構示意Fig.3 Structural schematic of drill pipe loading device

鉆桿提升裝置主要由細導向桿、卡槽、提升架、提升油缸、按鈕式行程開關、夾板、接近開關、夾緊油缸、偏轉油缸及滑動桿組成,主要用于卸鉆時,將鉆桿提升,并翻轉至鉆桿箱內(nèi)。

鉆桿箱座主要包括粗導向桿、箱座、稱重傳感器、滑動套、升降油缸及位移傳感器,主要用于檢測鉆桿箱的質量,根據(jù)質量變化升降鉆桿箱。當上鉆桿時,鉆桿箱內(nèi)翻轉板為-10°,從頂層開始上桿,鉆桿箱的質量每減少270 kg,鉆桿箱升高140 mm,將每一層的鉆桿送至舉升裝置;當卸鉆桿時,鉆桿箱內(nèi)翻轉板為+10°,從底層開始裝桿,鉆桿箱的質量每增加270 kg,鉆桿箱下降140 mm,鉆桿提升裝置將鉆桿逐一送至鉆桿箱的每一層。

舉升裝置主要包括推板、框架、舉升油缸、移動板、推桿及擋板,主要用于上桿時,將鉆桿舉升,依靠重力滑動至鉆機的鉆桿倉內(nèi)。

3.3 分層、緊湊式多功能操作臺

操作臺是自動化連續(xù)換桿車的控制裝置,主要包括六聯(lián)手動換向閥、四聯(lián)手動換向閥、壓力表、隔爆型急停按鈕、四腳框架、觀察窗及七聯(lián)負載敏感電液比例閥,如圖4 所示。操作臺內(nèi)部中空,內(nèi)置電機泵組的液壓泵,節(jié)省空間的同時起到保護液壓泵的作用;操作臺上部設計為平面,為機車燈及電控箱預留了布置空間。觀察窗為透明玻璃鋼,用于觀察電動機轉動方向;壓力表共有3 個,用于監(jiān)測液壓泵的出口壓力及液壓回路的回油壓力。

圖4 操作臺結構示意Fig.4 Structural schematic of operating table

此外,四聯(lián)手動換向閥、六聯(lián)手動換向閥及七聯(lián)負載敏感電液比例閥分層布置,便于連接油管及后期的保養(yǎng)、維護。

4 換桿車工作流程

4.1 上桿過程

(1)調角。大功率自動化定向鉆機到達指定位置后,將回轉器調至水平開孔位置,鉆桿倉調至+18°。

(2)對位。利用左右移動油缸、穩(wěn)固油缸等將舉升裝置移動到鉆桿倉中間,且舉升裝置與鉆桿倉的水平距離控制在20～50 mm 的范圍內(nèi),高度差在20～30 mm 的范圍內(nèi)。

(3)一次滾桿。將翻轉鉆桿箱的翻轉板調整為-10°,鉆桿在自身重力的作用下自由滾動到舉升裝置后面。

(4)升箱。利用升降油缸將鉆桿箱升高,最高層翻轉板上的一層鉆桿自由向下滾動到舉升裝置的推板上。

(5)舉桿。利用舉升油缸將推板上的鉆桿升高,鉆桿在重力的作用下滾動到鉆桿倉里。

(6)二次滾桿。鉆桿繼續(xù)滾動到鉆桿倉底端。

(7)上桿。利用鉆機機械手和鉆桿倉的夾持裝置完成上桿。

4.2 卸桿過程

(1)調角。當打鉆完成后,開始卸鉆桿,調整鉆機的鉆桿倉至-5°。

(2)對位。利用左右移動油缸、穩(wěn)固油缸等將鉆桿提升裝置的卡槽與鉆桿倉水平距離控制在10 ～20 mm 的范圍內(nèi),高度差在20～30 mm 的范圍內(nèi)。

(3)轉角。將翻轉鉆桿箱的翻轉板調整為+10°。

(4)一次滾桿。利用鉆機上機械手將鉆桿放置到鉆桿倉上,鉆桿在重力滾動到鉆桿提升裝置的卡槽里。

(5)升桿。當按鈕式行程開關檢測到卡槽內(nèi)有鉆桿時,提升鉆桿直到卡槽高于翻轉鉆桿箱最底層翻轉板的高度。

(6)卸桿。利用偏轉油缸使卡槽向內(nèi)翻轉,鉆桿在重力作用下滾動到翻轉鉆桿箱的最底層翻轉板上。

5 結 論

(1)ZY45LK 型自動化連續(xù)換桿車結構設計合理,移動靈活、攜桿量大、上/卸鉆桿效率高,滿足大功率自動化鉆機連續(xù)上/卸鉆桿要求。

(2)對鉆桿箱、上桿裝置、操作臺等關鍵技術及工作流程進行了研究,縮短了輔助作業(yè)時間,增強了換桿車的巷道適應性。

(3)自動化連續(xù)換桿車施工時無需人工進行鉆桿裝填,工人數(shù)量少、勞動強度低、工作效率高,為進一步提高鉆探裝備的自動化、智能化水平提供可靠的裝備保障。