螺旋桿燃油鉆機的改進開發(fā)與應(yīng)用

蔣海江，彭樹梁，張 記，陳 旭，吳祥銀

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開遠 661699）

云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局下屬小龍?zhí)堵短斓V、布沼壩露天礦2 個露天煤礦，已開采50 多年，現(xiàn)設(shè)計生產(chǎn)能力褐煤1 500 萬t/a，剝離土方1 500 萬m3/a，采用穿孔爆破工藝，孔深10.5 m，孔徑125～130 mm。自采用機械化開采生產(chǎn)以來，礦務(wù)局一直都在尋求適宜于小龍?zhí)兜V區(qū)煤巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的高效鉆孔設(shè)備，終因礦區(qū)煤巖層在鉆孔過程中會形成一種壓縮空氣無法排除的黏性面團狀的鉆渣，以致市場上普遍應(yīng)用的潛孔鉆、牙輪鉆、切削鉆等依靠壓縮空氣排渣的鉆機都無法正常使用[1]。為解決開采過程中的鉆孔問題，設(shè)計改裝出了電動螺旋鉆機，成功解決了缺乏鉆孔設(shè)備的困局。然而自制鉆機屬無合格證的“三無”產(chǎn)品，且操控性、環(huán)保性以及作業(yè)效率都不理想，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前安全生產(chǎn)形勢的需要，因此必須對在用的自制鉆機進行改進，研究開發(fā)安全高效、環(huán)保適用、合格的鉆孔設(shè)備。

1 采剝工作面煤巖層特性分析及應(yīng)對措施

1）工作面煤巖層特性。云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局所屬2 個露天礦采剝工作面需鉆孔的巖層主要以泥灰?guī)r、褐煤為主（普氏系數(shù)都≥2），偶然間夾有煤矸石（普氏系數(shù)3～5）。2 個露天礦地處南方山間盆地的深凹露天煤礦，南盤江穿越兩礦之間，每年5—10 月頻繁降雨，以致煤層與泥灰?guī)r層含水重，在較低水平的采煤工作面鉆孔時經(jīng)常遇到孔內(nèi)浸水，導(dǎo)致鉆渣成黏稠狀的現(xiàn)象，泥灰?guī)r在干燥狀態(tài)時鉆渣成粉末狀、當(dāng)含水重甚至有浸水時鉆渣則形成黏性的面團狀。若使用依靠壓縮空氣排渣的潛孔鉆、牙輪鉆、切削鉆等鉆機作業(yè)，其排渣孔均會被堵塞而無法正常鉆孔。

2）應(yīng)對措施。為解決此類特殊煤巖層鉆孔的排渣問題，經(jīng)反復(fù)研究論證，擬訂了借助螺旋的上升特性將黏稠狀鉆渣排除的方案。通過對相關(guān)礦山考察及廣泛的鉆機市場了解調(diào)研，仍未找到適宜2 個露天礦鉆孔需要的成熟螺旋鉆機，市場上普遍的螺旋鉆機主要用于地探或基建地樁施工鉆孔，特點是設(shè)備龐大、費用昂貴、鉆孔直徑大、鉆孔速度較慢，無法滿足完成每天上百個炮孔的作業(yè)需求。因此礦務(wù)局組織相關(guān)技術(shù)人員自行設(shè)計，擬訂了以東方紅履帶式拖拉機底盤為平臺，發(fā)動機改為電動機、構(gòu)建鉆架及提升、下鉆裝置的自制電動螺旋鉆機方案[2-3]，并先后制造了12 臺投入使用，正常煤巖層工作面上的鉆孔效率為：10.5 m 的孔深成孔時間大約為18 min，已完全滿足采剝生產(chǎn)的穿孔需要，成功地解決了特殊煤巖層無適宜穿孔設(shè)備的問題。

2 自制螺旋鉆機的缺陷與不足

1）自制鉆機屬“三無”產(chǎn)品。自制鉆機是沒有出廠合格證及相關(guān)檢驗報告的“三無”產(chǎn)品，不符合現(xiàn)在煤礦安全生產(chǎn)標準化管理的要求，上級相關(guān)部門檢查時，也多次提出鉆機是“三無”產(chǎn)品，需要采用專業(yè)生產(chǎn)廠家制造的合格產(chǎn)品。

2）電控系統(tǒng)不完善，無漏電保護功能。因采剝工作面多、推進速度快、鉆機分布范圍廣以致供配電點布局困難，其電控裝置元器件老舊，屬淘汰產(chǎn)品，也無法加裝漏電保護相關(guān)功能，存在安全隱患。

3）操控作業(yè)環(huán)境差。鉆孔作業(yè)在野外露天進行，作業(yè)人員經(jīng)常面臨風(fēng)吹日曬雨淋、揚塵及坑內(nèi)高溫酷暑的作業(yè)環(huán)境，作業(yè)人員面臨的職業(yè)病危害因素風(fēng)險大。

4）無降塵裝置。無法加裝相關(guān)降塵裝置，鉆機作業(yè)時粉塵較大，環(huán)保問題凸顯，可能面臨環(huán)保部門的處罰，也影響煤礦安全生產(chǎn)標準化達標驗收的通過。

5）作業(yè)環(huán)節(jié)多，作業(yè)勞動強度大，對安全作業(yè)有一定影響。作業(yè)人員需不斷的從事搬抬鉆桿、裝卸換桿、清理鉆渣、拉埋電纜、測量鉆孔深度等多個環(huán)節(jié)工作，特別是在搬抬鉆桿、裝卸換桿、清理鉆渣時易發(fā)生夾傷碰傷手指、被鉆桿螺旋卷入等傷害事故。

6）作業(yè)人員多，占用較多人力資源，不利于相互間協(xié)調(diào)。作業(yè)時通常每臺鉆機需3 人操作，其中司機1 人操控設(shè)備、2 人合作搬抬鉆桿、裝卸換桿、清理鉆渣、拉埋電纜。困難的是司機的操控與裝卸換桿、清理鉆渣人員之間的作業(yè)協(xié)調(diào)，操作稍有不慎就可能發(fā)生傷害事故。

7）配件購買困難。由于年代久遠，相關(guān)零配件難以在市場上購買，很多零配件需要單獨加工，影響鉆機的使用效率。

3 新型鉆機的研究開發(fā)

通過鉆機市場調(diào)研了解，邀請廠商實地現(xiàn)場查看，并與相關(guān)廠商交流溝通及反復(fù)論證后，擬訂了以山河智能裝備股份有限公司SWDR115 切削鉆機的動力系統(tǒng)與底盤為平臺，取消原鉆機的切削鉆孔裝置，重新設(shè)計高效安全的新型的螺旋鉆孔裝置[4-8]。

1）整體考慮。為提高新型的螺旋鉆孔裝置的鉆孔效率，需考慮自動換桿或免換桿方案，以減少人工裝卸換桿作業(yè)時間，并科學(xué)合理設(shè)計鉆桿螺旋角、鉆頭鉆架形式及鉆孔動力頭與進給驅(qū)動機構(gòu)方式。自動換桿裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樣機開發(fā)成本高，且鉆桿間只能采用螺紋連接方式不能反轉(zhuǎn)，無法滿足鉆孔過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)時反轉(zhuǎn)操作的需要，因此不宜采用。

2）鉆桿及鉆頭的考慮。根據(jù)開采工藝，鉆孔深度需達到10.5 m 的要求，考慮采用2 根5.5 m 長的鉆桿通過六方形插口同時加裝鎖緊型高強度耐磨連接定位銷連接的方案，不僅消除了換桿作業(yè)環(huán)節(jié)，而且當(dāng)遇到鉆桿堵轉(zhuǎn)時也可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)操作。通過反復(fù)計算與試驗證明，鉆桿的鉆頭采用一字刀口形硬質(zhì)合金鉆頭，鉆桿螺旋角為14°時的鉆孔效率最高。

3）驅(qū)動裝置的考慮。采用液壓油缸驅(qū)動鉆架的豎立與放平，分別設(shè)置鉆孔動力頭及進給機構(gòu)驅(qū)動液壓馬達。為方便維修保養(yǎng)，進給液壓馬達設(shè)置于鉆架底部，通過鏈傳動機構(gòu)帶動鉆桿的進給與退出。

4）排渣裝置的考慮。為減少鉆渣粉末飛揚、鉆孔時鉆桿抖動過大并能自動清除鉆桿螺旋間附著的黏土，需設(shè)置內(nèi)圈可旋轉(zhuǎn)的隨動中間導(dǎo)向支撐及底部導(dǎo)向支座、附著黏土清除刷及噴霧降塵噴頭。

5）安全方面的考慮。為防止操作失誤，造成動力頭碰撞鉆架頂部、及鉆孔過程中鉆架變換角度造成相關(guān)機構(gòu)損傷，需分別在鉆架頂部設(shè)置無觸點限位及機械式限位開關(guān)雙重保護，并設(shè)置鉆架調(diào)整鎖定開關(guān)。

6）操控性方面的考慮。為提高操控性、舒適性、安全環(huán)保性，需采用液壓先導(dǎo)操控、司機室內(nèi)安裝鉆孔深度指示、配置冷暖型空調(diào)，機體頂部設(shè)置防人員墜落防護圍欄。

4 新型鉆機的應(yīng)用效果

現(xiàn)已為云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局提供了5 臺合格的新型燃油螺旋鉆機，運行效果非常好。

1）鉆孔效率顯著提高。自制鉆機在正常煤巖層工作面上鉆10.5 m 深的孔一般需要18 min，同樣工況下新型鉆機鉆11 m 孔深只需3 min，鉆孔效率顯著提升。

2）極大地節(jié)省人力資源成本。自制鉆機每臺需3人操作，新型鉆機僅需1 人操作，每臺鉆機節(jié)省2人，全局已釋放15 人鉆孔作業(yè)人力資源，這15 人已調(diào)整到其他急需崗位作業(yè)，礦務(wù)局人力資源短缺現(xiàn)象得到一定緩解，根據(jù)測算，按照一線操作人員每人每年不少于14 萬元的人力成本，每年可節(jié)約人力資源成本210 萬元。

3）安全環(huán)保性、操控性、舒適性好。自制鉆機操作環(huán)節(jié)多、操作司機與輔助人員之間協(xié)調(diào)困難、稍有不慎易發(fā)生傷害事故，同時露天作業(yè)，操作人員免不了遭受風(fēng)吹日曬雨淋、粉塵傷害。新型鉆機只有1 人在司機室內(nèi)操作，不存在協(xié)調(diào)溝通問題，不易發(fā)生傷害事故，且司機室內(nèi)裝有空調(diào)，加上鉆機配置的噴霧降塵裝置，效果良好，操作人員作業(yè)環(huán)境明顯改善。

4）鉆孔深度不需人工反復(fù)測量。自制鉆機鉆孔深度由于鉆渣堵塞問題，鉆孔深度需要人工反復(fù)測量，才能保證鉆孔的合格率，新型鉆機設(shè)置了鉆孔深度指示，即使遇到鉆桿堵轉(zhuǎn)的情況，鉆孔的深度指示也不會有誤，不需要人工進行反復(fù)測量，鉆孔的合格率也能得到保證。

5 結(jié)語

根據(jù)云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局2 個露天煤礦獨特的煤巖層特性，分析現(xiàn)有鉆機的不足，提出解決方案。以山河智能裝備股份有限公司的SWDR115 切削鉆機為基礎(chǔ)，重新研究開發(fā)新的螺旋鉆孔裝置，成功研制出新型的SWDR115H 切削螺旋鉆機。經(jīng)實踐證明，新型鉆機非常適用于礦務(wù)局兩露天煤礦，可在相關(guān)的露天煤礦推廣應(yīng)用。