雙臂鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工中的應(yīng)用

闞志濤，孫道明，魏軍賢，李旺年

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

煤礦水害是指煤礦掘進(jìn)或回采過(guò)程中，在水壓、礦壓等因素綜合作用下，煤層頂、底板充水水源沿?cái)鄬印⑾萋渲?dǎo)水裂縫帶等導(dǎo)水通道突然涌入礦井的現(xiàn)象。它是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要危害之一，礦井一旦發(fā)生水害事故常常會(huì)造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。而從水害事故發(fā)生的地點(diǎn)來(lái)看，掘進(jìn)工作面為主要的透水地點(diǎn)[1，2]。在巷道掘進(jìn)施工前進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水施工，已成為遏制掘進(jìn)工作面水害事故的主要措施。而探放水施工中需要施工大量的鉆孔，因此鉆機(jī)性能將直接影響探放水鉆孔的施工效率，進(jìn)而影響巷道的掘進(jìn)速度和煤炭產(chǎn)量。

煤礦通常使用氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)、分體鉆機(jī)及ZLJ系列坑道鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工。其中，氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)以壓縮空氣做動(dòng)力，質(zhì)量較小、易于搬遷，但能力普遍較小，安全性差；分體鉆機(jī)使用液壓油作為介質(zhì)傳遞能量，由主機(jī)、泵站及操作臺(tái)三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、安全可靠、操作維護(hù)方便，但是主機(jī)與泵站部分質(zhì)量較大，搬遷移動(dòng)困難，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；ZLJ系列坑道鉆機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)、液壓給進(jìn)，體積小，操作靈活，成本低，但也存在質(zhì)量較大，搬遷困難的問(wèn)題，且施工時(shí)需要預(yù)先對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行穩(wěn)固，輔助時(shí)間長(zhǎng)，施工效率低[3-7]。針對(duì)這一情況，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)研究。梁春苗等設(shè)計(jì)了一款淺孔探放水鉆機(jī)ZDY1300L，它將泵站、主機(jī)及操作臺(tái)集成于履帶上，移位和鉆進(jìn)效率高，輔助時(shí)間和工作量小，并具有大角度，多方位孔的施工能力[8]；李棟研制了一種高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)行程，適用于300m孔深的ZDY3500T型探放水專用鉆機(jī)，并通過(guò)型式試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備的可靠性[9]。這兩種鉆機(jī)可以滿足井下探放水鉆孔的施工要求，但我國(guó)大多數(shù)煤礦為了更全面地反映掘進(jìn)工作面前方的水文地質(zhì)情況，往往需要在掘進(jìn)工作面施工多個(gè)不同方位、角度的探放水鉆孔，因此單一工作臂的鉆機(jī)在一定程度上已無(wú)法滿足煤礦巷道快速掘進(jìn)的要求。鑒于此，本文介紹一款機(jī)身窄、移動(dòng)靈活、穩(wěn)固調(diào)角速度快、可同時(shí)施工兩個(gè)鉆孔的ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)，并在高河煤礦E2308主運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行了探放水鉆孔施工，鉆孔的施工效率顯著提高，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)

ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)(如圖1所示)采用分體履帶形式，由鉆車(chē)和泵車(chē)兩部分組成，鉆車(chē)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，泵車(chē)是動(dòng)力源，兩者之間通過(guò)液壓膠管連接，主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)的主要性能參數(shù)

1.1 鉆車(chē)

鉆車(chē)由左主機(jī)、左主操作臺(tái)、左姿態(tài)調(diào)整操作臺(tái)、右主機(jī)、右主操作臺(tái)、右姿態(tài)調(diào)整操作臺(tái)、主輔助操作臺(tái)、鉆車(chē)行走操縱臺(tái)、鉆車(chē)履帶車(chē)體及穩(wěn)固裝置組成。左主機(jī)和右主機(jī)分別設(shè)置于鉆車(chē)履帶車(chē)體的兩側(cè)，兩者組成基本相同，均由回轉(zhuǎn)器、夾持器、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置及下滑動(dòng)平臺(tái)組成，旋轉(zhuǎn)裝置左右對(duì)稱安裝。下滑動(dòng)平臺(tái)可使兩主機(jī)主軸的間距在1.2～1.9m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)裝置可使主軸方位角在-90°～+90°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，變幅機(jī)構(gòu)可使主軸仰俯角在-90°～+60°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，鉆機(jī)主軸調(diào)節(jié)范圍廣，巷道適應(yīng)性強(qiáng)。給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用新型油缸加雙鏈條倍程倍速結(jié)構(gòu)形式，整體尺寸小、給進(jìn)行程大。回轉(zhuǎn)器采用中心通孔式結(jié)構(gòu)，通過(guò)更換卡瓦，可夾持直徑42mm、50mm、73mm等三種不同規(guī)格的鉆桿，滿足多種直徑鉆孔施工需求。鉆車(chē)履帶車(chē)體包括車(chē)體平臺(tái)及履帶底盤(pán)，車(chē)體平臺(tái)和履帶底盤(pán)之間設(shè)置有液壓旋轉(zhuǎn)支撐，當(dāng)鉆車(chē)到達(dá)工作地點(diǎn)后，通過(guò)液壓旋轉(zhuǎn)支撐可實(shí)現(xiàn)車(chē)體平臺(tái)與履帶底盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使工作臂正對(duì)掘進(jìn)工作面，無(wú)需反復(fù)調(diào)整履帶底盤(pán)。穩(wěn)固裝置包括上穩(wěn)固油缸和下穩(wěn)固油缸，施工過(guò)程中上頂下?lián)危ＷC整機(jī)穩(wěn)定。

1.2 泵車(chē)

泵車(chē)由電機(jī)泵組、泵車(chē)行走操縱臺(tái)、防爆機(jī)車(chē)燈、急停按鈕、電磁起動(dòng)器、泵車(chē)履帶車(chē)體、油箱、冷卻器、液壓水泵等部件組成。電機(jī)泵組由75kW隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、泵座及串聯(lián)液壓泵組成。串聯(lián)液壓泵均采用進(jìn)口元件，Ⅰ泵設(shè)定的壓力為10MPa，控制液壓水泵為鉆孔施工提供最高壓力10MPa，最大流量100L/min的沖洗液；Ⅱ泵設(shè)定壓力為23MPa，通過(guò)閥組可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵車(chē)行走、左主機(jī)姿態(tài)調(diào)整及左主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和起拔的控制；Ⅲ泵設(shè)定壓力與Ⅱ泵相同，通過(guò)閥組控制鉆車(chē)行走、右主機(jī)姿態(tài)調(diào)整及右主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和起拔外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)下穩(wěn)固油缸及液壓旋轉(zhuǎn)支撐的控制。Ⅳ泵設(shè)定壓力為10MPa，可控制兩個(gè)工作臂夾持器、卡盤(pán)的獨(dú)立動(dòng)作，并通過(guò)減壓閥為主操作臺(tái)上的先導(dǎo)手柄供油。此外，在Ⅳ泵油路中設(shè)置了切換手柄，當(dāng)泵車(chē)行走時(shí)，通過(guò)切換手柄使Ⅳ泵液壓油直接流回油箱，減少壓力損失。電磁起動(dòng)器用于控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止及防爆機(jī)車(chē)燈的開(kāi)合，具有過(guò)載、斷相、短路等保護(hù)功能。

2 E2308主運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面探放水施工方案

2.1 E2308主運(yùn)輸巷概況

山西高河能源有限公司是潞安集團(tuán)下屬的一座年輕的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井，位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣境內(nèi)，生產(chǎn)能力為750萬(wàn)t/a。礦井采用立井單水平分區(qū)式開(kāi)拓方式，采用單水平開(kāi)采直接排水系統(tǒng)，在副立井井底設(shè)中央水倉(cāng)和泵房。井田屬海河流域濁漳河水系，主要河流為濁漳河南源，雍河和嵐水河為其支流，均常年有水。

礦井目前開(kāi)采3號(hào)煤層，埋藏深度為420～540m，平均厚度為6.71m。3號(hào)煤層以亮煤為主，夾鏡煤及暗煤，光亮煤型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普氏硬度1～3。煤層含0.15m夾厚矸，矸石為碳質(zhì)泥巖，灰黑色，中厚層狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。煤層之上為中粒砂巖，厚度平均3.49m，成份以石英石為主；煤層之下為直接泥巖-細(xì)粒砂巖，泥巖平均厚度為0.49m，含豐富的植物根化碎石片。3號(hào)煤層主要水害來(lái)源為頂?shù)装迳皫r裂隙水、底板奧灰?guī)r溶水、井田內(nèi)及周邊煤礦采空區(qū)積水以及地表水。E2308主運(yùn)輸巷沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，南邊為E2308工作面，西接為北翼回風(fēng)大巷東大巷，北接E2309工作面。運(yùn)輸巷總長(zhǎng)度為1264.6m，斷面為矩形，寬5.3m，高3.65m。

2.2 鉆孔布置參數(shù)

為保證E2308主運(yùn)輸巷安全掘進(jìn)，掘進(jìn)工作面共布置4個(gè)探放水鉆孔組成工作面“超前鉆探”系統(tǒng)，如圖2、圖3所示。鉆孔深度與掘進(jìn)進(jìn)尺的關(guān)系：鉆孔深度達(dá)100m，掘進(jìn)進(jìn)尺70m，預(yù)留30m安全距離；如果鉆孔深度達(dá)不到100m時(shí)，減去30m的安全距離，剩余長(zhǎng)度為允許掘進(jìn)進(jìn)尺。掘進(jìn)工作面探放水鉆孔具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 鉆孔布置示意圖

圖3 鉆孔剖面示意圖(mm)

表2 鉆孔參數(shù)表

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆機(jī)施工工藝流程

ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)在E2308主運(yùn)輸巷進(jìn)行了掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工，施工流程如圖4所示。施工時(shí)，配套鉆具采用直徑75mm金剛石復(fù)合片內(nèi)凹鉆頭和直徑50mm、長(zhǎng)度1000mm的高強(qiáng)度外平鉆桿。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)冷卻器用水采用井下靜壓水，為防止靜壓水壓力過(guò)大損壞冷卻器，水路中增加截止閥。為縮短輔助時(shí)間，提高鉆孔效率，采用中間加桿、后端卸桿的加卸鉆桿方式，無(wú)需反復(fù)拆卸水便。

圖4 鉆機(jī)施工工藝流程

3.2 應(yīng)用情況

ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)在E2308主運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面共完成探放水鉆孔施工6次，最大鉆孔深度200m。施工過(guò)程中，采用了井下靜壓水及液壓水泵兩種方式提供沖洗介質(zhì)。當(dāng)使用井下靜壓水作為沖洗介質(zhì)時(shí)，單工作臂2.5h可施工完成100m鉆孔，雙工作臂同時(shí)施工3h可施工完成2個(gè)100m鉆孔；當(dāng)使用液壓水泵提供沖洗介質(zhì)時(shí)，單工作臂2小時(shí)即可施工完成100m鉆孔。試驗(yàn)期間，鉆機(jī)移動(dòng)靈活，穩(wěn)固調(diào)角速度快，輔助時(shí)間縮短30%，鉆孔效率提高60%，有效解決了鉆掘交替矛盾問(wèn)題，提高了有效工時(shí)利用效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 效果對(duì)比

在ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)施工以前，礦方采用ZLJ-350型坑道鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工。兩者施工效果對(duì)比如下：ZLJ-350型坑道鉆機(jī)重量大、井下搬遷困難，進(jìn)行掘進(jìn)工作面探放水鉆孔作業(yè)時(shí)需先對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行固定，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且由于鉆機(jī)能力較小，完成2個(gè)100m鉆孔大概需要3個(gè)工作班(每個(gè)工作班8小時(shí))的時(shí)間；而ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)采用分體履帶形式，井下移動(dòng)靈活快捷；機(jī)身窄，可與掘進(jìn)機(jī)交替進(jìn)行施工；回轉(zhuǎn)器扭矩大、轉(zhuǎn)速高，鉆孔施工效率較ZLJ-350型坑道鉆機(jī)大幅提升，從而有效地保障了煤礦巷道的快速、安全、高效掘進(jìn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)ZDY2-1000LF型雙臂探放水鉆機(jī)采用分體履帶形式，機(jī)身窄、移動(dòng)靈活；鉆機(jī)配備兩個(gè)工作臂，可單獨(dú)施工，也可同時(shí)施工兩個(gè)不同方位、角度的鉆孔，穩(wěn)固調(diào)角速度快、鉆孔效率高；

2)鉆機(jī)調(diào)角范圍廣，巷道適應(yīng)性強(qiáng)，作業(yè)輔助時(shí)間短，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工效率高，為煤礦巷道安全高效掘進(jìn)提供了可靠的裝備保障；

3)鉆機(jī)能夠很好地適應(yīng)煤礦巷道掘進(jìn)面探放水鉆孔的施工需求，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)踐為其他類似礦井巷道掘進(jìn)工作面探放水鉆孔施工提供了很好的借鑒及指導(dǎo)。