ZDY2-1000LF型探放水鉆機的研制及應用

闞志濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤炭儲量與產量豐富，煤炭賦存水文地質條件復雜，煤礦開采過程中，受水威脅的面積、類型和威脅程度非常嚴重[1]。水害具有突發性強、危害性大等特點，它會在短期內對煤礦造成無法估量的傷害[2]。而掘進工作面探放水作為最直接、有效探查巷道前方水文地質情況的方式，在預防煤礦水害事故中發揮著越來越重要的作用[3，4]。

目前我國大多數煤礦掘進巷道前要求在掘進工作面施工多個不同方位、角度的探水孔，以便更全面地反映前方的水文地質情況，排除安全隱患。采用的鉆探設備以常規分體鉆機為主，這類鉆機主機與泵站分開，主要為進行瓦斯抽放施工研發，雖然也可用于探水孔的施工，但其質量大、搬遷移位困難，且每次只能施工一個鉆孔，嚴重制約了探放水孔的施工效率，進而降低了巷道掘進速度，影響礦井正常生產[5-10]。針對這一情況，中煤科工集團西安研究院有限公司研發了ZDY2-1000LF型高效探放水專用鉆機。鉆機具有機身窄、移動靈活、穩固調角速度快、可同時施工兩個鉆孔的特點，有效解決了鉆掘交替矛盾問題，提高鉆孔施工效率，保證煤礦巷道安全高效掘進。

1 鉆機的總體設計

1.1 總體設計思路

ZDY2-1000LF型探放水鉆機的總體設計思路是將鉆機分為鉆車及泵車兩部分，鉆車是執行機構，泵車是動力源；鉆車與泵車采用窄機身，方便與掘進機、錨桿機交替進行施工；執行機構包含兩個主機，液壓系統相對獨立，可單獨也可同時工作；主機采用多自由度變幅機構，調角范圍廣，巷道適應性強[11-15]。

1.2 鉆機主要性能參數

ZDY2-1000LF型探放水鉆機的主要性能參數見表1。

表1 ZDY2-1000LF型探放水鉆機主要性能參數

1.3 鉆車結構

鉆車是鉆機的執行機構，由主機、操作臺、履帶車體、穩固油缸等部分組成。

1.3.1 主機

主機結構示意圖如圖1所示。主機由回轉器、主給進裝置、夾持器、扶正器、前頂油缸、下滑動平臺、旋轉裝置、變幅機構組成。

圖1 主機結構示意圖

回轉器是主機的核心部件，由液壓卡盤、變速箱和液壓馬達三部分組成。液壓卡盤采用油壓夾緊、彈簧松開的常開式結構，可選配42/50/73三種不同型式的卡瓦，滿足不同工況的施工需要。變速箱內主軸采用中心通孔式結構，鉆桿加/卸靈活，長度不受鉆機給進行程的限制。液壓馬達采用斜軸式軸向柱塞變量馬達，可手動調節排量，實現主軸轉速的無級調節。

主給進裝置采用單油缸雙鏈條倍速機構，由雙桿雙作用油缸、機身、拖板、鏈條、滑輪等部件組成，如圖2所示。

圖2 油缸鏈條倍速給進機構示意圖

設計要求的最大給進/起拔力F1不小于45kN，根據油缸鏈條給進機構的特點，油缸理論上提供的給進/起拔力F2為F1的2倍，即F2為90kN。已知給進系統壓力P為18MPa，油缸缸徑D為100mm，則油缸的桿徑d可根據下式計算：

F2≤Pπ(D2-d2)/4 (1)

式中，F2為油缸提供的給進/起拔力，N；P為給進系統壓力，Pa；D為油缸缸徑，m；d為油缸桿徑，m。

代入數據，計算得到d≤60mm，參選油缸廠家標準桿徑系列后初定d=55mm。根據選取的桿徑，計算得到油缸實際提供的給進/起拔力F3為98.6kN。

鏈條的選取應滿足極限工況下的強度要求，可按下式計算：

r=Q/F4(2)

式中，r為安全系數，一般情況下靜強度安全因數不應小于6；Q為鏈條的最小破斷荷載，N；F4為鏈條承受的最大拉力，N。

單油缸雙鏈條結構中單根鏈條的所承受的最大拉力F4為F3的四分之一，即F4為24.65kN，代入式(2)，鏈條的最小破斷載荷Q為147.9kN。結合設計尺寸要求，選鏈條型號為LH1644，最小破斷載荷為169kN。

夾持器用于夾持鉆桿，并配合回轉器實現鉆桿的擰卸。夾持器為復合式結構，采用碟簧夾緊、油壓松開的常閉式工作方式。為增大夾持器夾持鉆桿的作用力，增加一個副油缸，回轉器反轉時壓力作用到副油缸，利用副油缸的推力和碟簧的張力共同作用夾緊鉆桿。

扶正器固定在給進裝置機身的前端，用于對鉆桿扶正，防止打鉆過程中鉆桿因重力作用下沉、偏向。前頂油缸連接變幅機構和主給進裝置，施工時將給進機身牢牢固定在巷道幫上，保證打鉆過程中鉆機的穩定、可靠。變幅機構及旋轉裝置可使現主軸傾角在-90°～+60°，水平方位角在-90°～+90°的范圍內調節，下滑動平臺可調整兩主機間的水平距離，提高了鉆機巷道適應性。

1.3.2 操作臺

鉆車操縱臺包括左主操作臺、右主操作臺、左姿態調整操作臺、右姿態調整操作臺、主輔助操作臺、鉆車行走操縱臺。

左主操作臺和右主操作臺用于兩個回轉器的回轉、給進動作，施工時可旋轉一定角度，使操作人員遠離孔口、保障人身安全；鉆車行走操縱臺用于履帶行走；左姿態調整操作臺、右姿態調整操作臺及主輔助操作臺用于兩個主機調角及車身穩固。

1.3.3 履帶車體

履帶車體由履帶總成、車體及中央回轉減速器三部分組成。履帶總成選用無輪摩擦式履帶底盤，行走馬達選用進口元件，可靠性高，適應于多種工作環境。車體由鋼板焊接而成，通過中央回轉減速器與履帶總成連接。

1.3.4 穩固油缸

穩固裝置由上穩固裝置和下穩固裝置組成。上穩固裝置由上穩固油缸、加長桿及接地裝置等組成，設置于變幅結構上；下穩固裝置由下穩固油缸、接地裝置等組成，下穩固裝置布置于車體四角，用于調平車體，保證車體穩固。

1.4 泵車結構設計

泵車結構示意如圖3所示。泵車是鉆機的動力源，由電機泵組、油箱、電磁啟動器、機車燈、冷卻器、行走操作臺等組成。

圖3 泵車結構示意圖(俯視)

電機泵組由串聯泵及隔爆電機組成，串聯泵通過泵座與電機固聯，泵從油箱吸油并排出高壓油，通過操縱臺的控制和調節進入各執行機構工作。油箱為泵提供所需的油液，同時各執行元件的回油經過冷卻器、回油濾油器回到油箱。行走操作臺設置在車體后端，方便人員操作。電磁起動器用于控制電機的起動、停止及機車燈的開合，具有過載、斷相、短路、漏地閉鎖等保護功能。此外，配備的液壓水泵可以提供高流量或壓力的沖洗液，縮短返渣等待時間，提高鉆孔效率。

2 液壓系統設計

鉆機液壓系統采用開式循環四泵串聯形式，可分為水路系統、鉆進系統、鉆車行走系統、泵車行走系統及卡盤/夾持器控制系統。履帶行走時，Ⅱ泵向泵車行走系統供油、Ⅲ泵向鉆車行走系統供油；鉆進工作時，Ⅱ泵通過左主操縱臺驅動左主機的回轉馬達、 給進油缸等執行機構，Ⅲ泵通過右主操縱臺驅動右主機的回轉馬達、給進油缸等執行機構，左、右主機液壓系相對獨立，互不影響；水路系統工作時，Ⅰ泵與負載敏感閥組成負載敏感系統，工作時液壓泵只提供與負載相匹配的壓力、流量，液壓系統中不產生過剩壓力和過剩流量，系統節能效果顯著；卡盤/夾持器控制系統相對獨立，由Ⅳ泵向兩主機的卡盤、夾持器同時供油，實現卡盤、夾持器的夾緊、松開。

3 鉆機試驗

3.1 型式試驗

ZDY2-1000LF型探放水鉆機在車間裝配、調試完成后在國家安全生產西安鉆機檢測檢驗中心的鉆機性能試驗臺上進行了測試，其負載性能測試結果如圖4所示。

圖4 負載性能測試曲線

從圖4中可以看出，回轉器Ⅰ和回轉器Ⅱ在高速擋時，轉速大于280r/min，對應扭矩大于280N·m，在低速擋時，轉速大于90r/min，對應扭矩大于1000N·m，數據表明轉速、扭矩均滿足設計要求。給進/起拔試驗時，分別將回轉器Ⅰ和Ⅱ主軸連接在拉力測量裝置上，在停止回轉的狀態下，利用給進加載裝置由低到高逐漸加載，測得給進裝置Ⅰ和給進裝置Ⅱ的最大給進/起拔力均大于45kN。此外，還對鉆機進行了空載運轉性能、過載試驗、整機效率、溫升、耐壓等試驗，結果表明，鉆機性能良好，各測試技術指標均滿足設計及行業標準要求。

3.2 工業性試驗

2018年7月至2018年9月，ZDY2-1000LF型探放水鉆機在山西高河能源有限公司E2308主運巷掘進工作面進行了探放水施工工業性試驗。試驗共完成探放水孔施工6次，最大鉆孔深度200m，累計鉆孔深度1065m。當使用靜壓水作為沖洗液時，鉆機單主機作業2.5h完成100m鉆孔，雙主機同時作業3h完成2個100m鉆孔；當使用液壓水泵提供的水作為沖洗液時，單主機作業2h即可完成100m鉆孔。通過現場工業性試驗檢驗了鉆機的施工效率，驗證了鉆機的結構及液壓系統的可靠性，達到了預期的試驗目的。

4 結 論

1)ZDY2-1000LF型探放水鉆機結構設計合理，滿足煤礦巷道探放水施工的需求。

2)鉆機具有機身窄、移動靈活、穩固調角速度快，可同時施工兩個不同方位、角度的鉆孔等特點，能大幅提高掘進工作面探水孔的施工效率。

3)鉆機的液壓系統分為水路系統、鉆進系統、鉆車行走系統、泵車行走系統及卡盤/夾持器控制系統，性能穩定、可靠。

4)鉆機的型式試驗和工業性試驗進一步驗證了結構及液壓系統的可靠性，為煤礦安全高效掘進提供了可靠的裝備保障。