姚 克

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院，陜西省西安市，710077）

ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)的研制及應(yīng)用研究

姚 克

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院，陜西省西安市，710077）

介紹了全液壓履帶鉆機(jī)研制的必要性和迫切性，闡述和分析了全液壓履帶鉆機(jī)研制的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)的主要規(guī)格型號(hào)、技術(shù)性能參數(shù)、銷售以及煤礦井下應(yīng)用情況進(jìn)行了說(shuō)明。實(shí)踐證明，全液壓履帶鉆機(jī)在煤礦井下瓦斯抽采施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

瓦斯抽采 全液壓履帶鉆機(jī) 研制 應(yīng)用研究

根據(jù)我國(guó)煤層地質(zhì)條件和瓦斯賦存特點(diǎn)，我國(guó)自主開展了適合我國(guó)特點(diǎn)的煤礦順煤層、鄰近層和采空區(qū)瓦斯抽放技術(shù)體系與成套裝備研究。全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī)已成為我國(guó)煤礦鉆進(jìn)瓦斯抽放鉆孔主導(dǎo)機(jī)型。目前，煤礦井下在機(jī)巷和風(fēng)巷沿煤層傾向方向施工的本煤層順層鉆孔多為平行式、扇形和交叉網(wǎng)狀的密集布孔，鉆孔數(shù)量多，成孔速度要求高，鉆機(jī)搬遷頻繁。無(wú)論是爬履式鉆機(jī)還是步履式鉆機(jī)搬遷穩(wěn)固相對(duì)困難，不但增加了輔助時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且容易造成液壓系統(tǒng)的污染，降低鉆機(jī)的可靠性和成孔效率。在這種情況下，性能可靠、鉆進(jìn)能力大、適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單且便于維護(hù)使用的履帶式全液壓鉆機(jī)將成為煤礦井下瓦斯抽采的主要設(shè)備。

1 全液壓履帶鉆機(jī)的研制

全液壓履帶鉆機(jī)在煤礦井下瓦斯抽采施工中的優(yōu)勢(shì)明顯，由于具有履帶自行行走功能，設(shè)備在各鉆場(chǎng)間快速搬遷移位，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)又大大提高瓦斯抽采鉆孔施工工效。全液壓履帶鉆機(jī)主要進(jìn)行了包括主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)3部分在內(nèi)的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)及其與輔助裝置匹配等方面的研究。

1.1 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局

全液壓履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局根據(jù)煤礦巷道條件和抽放鉆孔布置方式的不同有多種型式，其中包括鉆機(jī)設(shè)備下井方式、巷道寬度尺寸是否滿足鉆機(jī)轉(zhuǎn)彎掉頭的要求、鉆機(jī)平臺(tái)上是否配套安裝泥漿泵和啟動(dòng)開關(guān)電柜等附屬設(shè)備、鉆機(jī)配套泥漿泵是電機(jī)驅(qū)動(dòng)還是液壓驅(qū)動(dòng)型式、鉆機(jī)是否在帶式輸送機(jī)巷跨帶式輸送機(jī)鉆孔、鉆孔是本煤層多排密集布置還是鉆進(jìn)有大角度要求的鄰近層穿層鉆孔以及提供操作的良好視野性和安全性等等，這些都是直接影響并決定鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局的關(guān)鍵因素?？梢钥隙ǖ氖?，很難有一種可以滿足所有用戶所有要求的鉆機(jī)設(shè)備，往往因需（人）而異，因礦而異。

ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局見(jiàn)表1，有平行式（鉆機(jī)主機(jī)與履帶平行）、橫置式（鉆機(jī)主機(jī)與履帶垂直）、轉(zhuǎn)盤式（鉆機(jī)主機(jī)與履帶平行或垂直，主機(jī)帶轉(zhuǎn)盤）、兩體式（鉆車和泵車）幾種型式。無(wú)論是哪種結(jié)構(gòu)型式，大多數(shù)礦井都需要將鉆機(jī)尺寸做小、鉆進(jìn)能力做大、重量做輕，甚至是非常個(gè)性化的改造設(shè)計(jì)以適應(yīng)狹小的巷道條件。但這也不是絕對(duì)的，鉆機(jī)的自身重量重和結(jié)構(gòu)尺寸大反而會(huì)被有些巷道條件好的礦井作為優(yōu)勢(shì)來(lái)利用，如晉煤寺河礦本煤層密集孔成孔深度多在200m左右，1個(gè)班即可完成鉆孔和封孔的任務(wù)，鉆機(jī)設(shè)備無(wú)須進(jìn)行嚴(yán)格的穩(wěn)固，單靠鉆機(jī)設(shè)備本身的重量就可克服鉆機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)的反扭矩和給進(jìn)時(shí)的反作用力，鉆機(jī)開到位就打，打完就走，機(jī)動(dòng)靈活，達(dá)到成孔目的的同時(shí)還節(jié)省了輔助時(shí)間，提高了工作效率。

表1 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局

1.2 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)液壓系統(tǒng)按功能對(duì)應(yīng)分為履帶行走系統(tǒng)、鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)和輔助功能回路三部分。其中履帶行走系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)履帶鉆車安全行走、轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)。鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)回路為鉆具提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力，給進(jìn)回路為鉆具提供鉆進(jìn)的給進(jìn)力和起拔力，從而實(shí)現(xiàn)鉆具回轉(zhuǎn)和鉆進(jìn)的復(fù)合動(dòng)作，并根據(jù)相應(yīng)的鉆探工藝實(shí)現(xiàn)加壓鉆進(jìn)和減壓鉆進(jìn)。輔助功能回路主要實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)諸如履帶車體平臺(tái)的穩(wěn)固和機(jī)身傾角的調(diào)整等功能。ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)典型液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)典型液壓系統(tǒng)工作原理

1.2.1 履帶行走底盤液壓系統(tǒng)

由于履帶鉆機(jī)在特定的巷道條件中行走，所以主要要求為有勁、安全，而對(duì)于行走的速度要求略低于對(duì)行走操控性和爬坡能力的要求。ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)左右履帶的行走由同一個(gè)液壓泵來(lái)供油，并由一組液控先導(dǎo)閥控制比例多路換向閥中的前兩聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用具有停車自動(dòng)自鎖和過(guò)載保護(hù)等回路行走馬達(dá)總成可以有效解決坡道駐車等問(wèn)題，而帶有壓力補(bǔ)償器的多路閥會(huì)保持閥的進(jìn)出口壓力差為恒定值，出口的流量不會(huì)瞬間發(fā)生很大的變化，不會(huì)造成兩側(cè)履帶由于油液流量差別大導(dǎo)致速度失調(diào)，很好地解決了系統(tǒng)單油泵為雙馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)供油的壓力協(xié)調(diào)和流量分配問(wèn)題，從而保證履帶鉆車在行走過(guò)程中不會(huì)因地面負(fù)載阻力的變化導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。

1.2.2 鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)

針對(duì)液壓傳動(dòng)控制特點(diǎn)與鉆探工藝對(duì)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的要求，ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)設(shè)計(jì)了由負(fù)載敏感泵和負(fù)載敏感多路閥以及比例遠(yuǎn)控先導(dǎo)閥構(gòu)成的開式循環(huán)液壓系統(tǒng)，有雙泵系統(tǒng)和三泵系統(tǒng)，其中向回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液驅(qū)泥漿泵馬達(dá)供油的泵采用負(fù)載敏感泵，多路閥采用具備負(fù)載反饋功能的液控比例多路換向閥，從而構(gòu)成了負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)。給進(jìn)機(jī)構(gòu)推進(jìn)采用恒壓變量泵，鉆機(jī)工作的給進(jìn)和回轉(zhuǎn)部分為兩個(gè)泵各自獨(dú)立工作獨(dú)立的系統(tǒng)，這樣在鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)節(jié)更為方便，滿足回轉(zhuǎn)參數(shù)與給進(jìn)參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)的要求。

1.2.3 穩(wěn)固調(diào)角等輔助功能回路

ZDY系列履帶鉆機(jī)穩(wěn)固調(diào)角等輔助功能回路的高壓油來(lái)自恒壓變量泵，恒壓變量泵由遠(yuǎn)控溢流閥設(shè)定壓力，該壓力值就是履帶車體平臺(tái)在穩(wěn)固時(shí)穩(wěn)固油缸的壓力，可以根據(jù)需要適時(shí)調(diào)整到需要的數(shù)值。

2 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)性能及需求分析

ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)是結(jié)合用戶市場(chǎng)并利用國(guó)家部委相應(yīng)資金項(xiàng)目的支持進(jìn)行研發(fā)推廣的瓦斯抽采鉆孔施工裝備，可為煤礦井下瓦斯抽采提供品種多樣、性能優(yōu)異的鉆孔施工裝備和配套工藝技術(shù)。ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)技術(shù)性能參數(shù)

中煤科工集團(tuán)西安研究院2000年以來(lái)鉆機(jī)銷售臺(tái)數(shù)與銷售額統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖2和圖3。

3 ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)典型應(yīng)用

ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)在晉煤集團(tuán)、陽(yáng)煤集團(tuán)、寧煤集團(tuán)、神東公司、淮南礦業(yè)集團(tuán)和淮北礦業(yè)集團(tuán)等多個(gè)煤業(yè)集團(tuán)下屬礦井得到了廣泛應(yīng)用，具有明顯的示范效應(yīng)。

3.1 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆機(jī)應(yīng)用實(shí)例

晉城煤業(yè)集團(tuán)由東向西開采沁水煤田的南部井田，隨著東部低瓦斯礦區(qū)資源枯竭，集團(tuán)公司的產(chǎn)量重心已經(jīng)向成莊礦和寺河礦高瓦斯礦區(qū)轉(zhuǎn)移。針對(duì)高瓦斯礦井瓦斯賦存和涌出的規(guī)律特征，兩礦相繼建立了本煤層抽放、采空區(qū)抽放和地面鉆孔抽放三大系統(tǒng)，豐富和改進(jìn)了抽放工藝方法，實(shí)施了強(qiáng)化抽放戰(zhàn)略，建立并加強(qiáng)了專業(yè)的抽放隊(duì)伍，配套了相應(yīng)科學(xué)合理的管理制度、安全措施和循序漸進(jìn)的激勵(lì)機(jī)制提高抽放水平及效果。抽放量以逐年翻番的速度遞增，2004年高瓦斯礦井的抽采量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下已經(jīng)突破1億m3。

晉城高瓦斯礦區(qū)3＃煤層開采層具有瓦斯含量大、壓力高、透氣性好、煤質(zhì)較硬、厚度適中、傾角小、適合在本煤層布孔抽放的特點(diǎn)。成莊礦和寺河礦充分利用這些有利條件，陸續(xù)引進(jìn)各種型號(hào)的分體式鉆機(jī)和ZDY6000L、ZDY1200L、ZDY1900L型全液壓履帶鉆機(jī)以及ZDY6000LD（A）型和VLD－1000型千米定向鉆機(jī)作為瓦斯抽放鉆孔施工的主力機(jī)型在本煤層中進(jìn)行區(qū)域性抽放，擴(kuò)大了抽放范圍，提高了本煤層抽放效果，緩解了高瓦斯礦井的通風(fēng)與采掘銜接的矛盾。

成莊礦和寺河礦在工作面圈定前2～3年就將工作面煤體劃定為抽放區(qū)域順煤層布置鉆孔進(jìn)行預(yù)抽放，施工順層鉆孔深度普遍達(dá)到300～400m。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，工作面煤層內(nèi)每隔150m設(shè)鉆場(chǎng)施工扇形長(zhǎng)鉆孔來(lái)抽放圈定區(qū)域內(nèi)和掘進(jìn)面前方的瓦斯，鉆孔長(zhǎng)度在200m左右。圈出工作面后，在另一側(cè)巷道內(nèi)向工作面煤體內(nèi)再布置平行順層鉆孔進(jìn)行抽放，這些順層鉆孔平行于工作面或迎向工作面成一定角度。針對(duì)工作面走向越往里開采時(shí)間越早和采前預(yù)抽時(shí)間越短的特點(diǎn)，有意識(shí)地加密鉆孔，孔距布置在2～5m之間，實(shí)施強(qiáng)化抽放戰(zhàn)略。2009年全年利用ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔施工420000m的總進(jìn)尺。2010年利用ZDY6000LD（A）型千米定向鉆機(jī)完成井下定向長(zhǎng)鉆孔最大主孔深度1059m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰。

3.2 定向鉆進(jìn)鉆機(jī)應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)在煤層頂?shù)装逯惺┕な釥钽@孔，以此解決國(guó)內(nèi)很多煤礦存在煤層較軟、瓦斯壓力大、容易塌孔抱鉆和不易在煤層中施工瓦斯抽放鉆孔的難題，這項(xiàng)國(guó)家“十一五”的重大科研成果相繼在陜西、山西、淮北和焦作等地多家煤礦推廣應(yīng)用。2010年寧煤集團(tuán)汝箕溝礦利用ZDY6000LD（A）型千米定向鉆機(jī)進(jìn)行本煤層鉆孔施工（見(jiàn)圖4），定向長(zhǎng)鉆孔最大主孔深度超過(guò)1000m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰。2011年8月彬長(zhǎng)公司大佛寺煤礦利用ZDY6000LD坑道定向鉆機(jī)及配套技術(shù)和裝備，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間完成深度達(dá)1212m定向長(zhǎng)鉆孔，創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)與裝備在煤礦井下定向鉆孔施工的最高水平。

圖4 寧煤汝箕溝礦定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡圖

4 結(jié)語(yǔ)

由于ZDY系列全液壓履帶鉆機(jī)具有履帶式自行行走功能以及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用負(fù)載傳感和比例先導(dǎo)控制技術(shù)方式，在實(shí)際使用過(guò)程中便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和節(jié)能，便于在各鉆場(chǎng)間快速搬遷穩(wěn)固，縮短了鉆孔輔助時(shí)間，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了瓦斯抽采鉆孔施工工效，有力保障了礦井通風(fēng)安全，尤其是定向分支長(zhǎng)鉆孔的鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越受到煤礦用戶的青睞。

[1] 胡省三，成玉琪.21世紀(jì)前期我國(guó)煤炭科技重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域探討[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005（1）

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Development and application of ZDY series all hydraulic crawler drillers

Yao Ke

（Xi＇an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Xi＇an，Shaanxi 710077，China）

The necessity and the urgency of the development of all hydraulic crawler driller were introduced.The important issues and key technology for the development of all hydraulic crawler driller were described and analyzed.The main product specifications，technical parameters，sales and application status for ZDY series all hydraulic crawler drillers were classified and introduced.The application showed that all hydraulic crawler driller has obvious advantages in the gas drainage construction for coal mines.

gas drainage，all hydraulic crawler driller，development，application

TD4.25

B

姚克（1973－），男，寧夏人，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）探礦工程專業(yè)，現(xiàn)在中煤科工集團(tuán)西安研究院工作，主要從事ZDY系列鉆機(jī)的研制推廣和鉆進(jìn)工藝的研究工作，發(fā)表論文近二十篇。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）