ZDY4000 全液壓鉆機定向化改造技術應用

趙 磊

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

瓦斯是影響煤礦安全生產的主要威脅，在實際生產中通過合理的通風措施對工作面的瓦斯進行稀釋，以使得瓦斯濃度低于《煤炭安全規程》的要求；同時，在開采前還可通過全液壓鉆機鉆孔對瓦斯進行預抽采，降低工作面煤層的瓦斯涌出量。針對瓦斯抽采的鉆機以全液壓定向鉆機為主，定向鉆機在實際應用中由于工作量大且年代久遠故障頻發[1]。為保證瓦斯抽采效率，本文以ZDY4000 全液壓鉆機為例，對其實際生產中存在的不足和問題進行定向化改造，并對改造后的效果進行驗證。

1 ZDY4000 全液壓鉆機概述

ZDY4000 全液壓鉆機具有高鉆孔效率、鉆機、輔助工作時間短以及鉆機利用率高的優勢。該型全液壓鉆機可自主行走、結構布置合理輔助功能齊全。從結構上分析，ZDY4000 全液壓鉆機由開關、移動沙箱、操作臺、動力源、行走裝置、油箱以及主機等組成，設備對應的參數包括有回轉參數、給進參數、機架參數、行走參數等，各項參數的具體指標如表1 所示。

表1 ZDY4000 全液壓鉆機關鍵參數指標

ZDY4000 全液壓鉆機行走裝置的結構特點可有效避免現場的障礙物，并在其側面安裝了4 個具備液壓鎖的液壓支柱；設備通過梅花形彈性連接器實現電機動力至鉆頭動力的傳遞，同時配有板翅式冷卻器對液壓油進行強制冷卻；設備油箱內部采用鱗化結構保證箱體內液壓油的清潔度[2]。同時，ZDY4000 液壓鉆機采用雙油泵的模式，實現回轉和給進相對獨立的恒功率控制；可根據工作面情況對設備傾角進行方便調節。

目前，ZDY4000 全液壓鉆機在實際應用中的主要問題是由于鉆桿跑偏導致鉆孔的軌跡無法精確控制。因此，急需對其進行定向化改造。本文將主要對其抱緊機構、液壓系統并配套相應的鉆桿完成定向化改造。

2 ZDY4000 全液壓鉆機的定向化改造

本小節主要對ZDY4000 全液壓鉆機的抱緊機構和液壓系統進行改造。

2.1 抱緊機構

為保證ZDY4000 全液壓鉆機的定向功能，急需對其抱緊機構進行改造。目前，抱緊機構的主要優勢為夾緊力大且反應及時；但是，由于長時間的應用導致其卡瓦磨損嚴重，對應的更換零部件耗時且費力[3]。因此，結合ZDY4000 全液壓鉆機的結構特點，將原斜面增力式抱緊機構替換為濕式摩擦盤式定向抱緊機構，摩擦盤式定向抱緊機構結構如圖1 所示。

圖1 濕式摩擦式定向抱緊機構

如圖1 所示的濕式摩擦式定向抱緊機構與斜面增力式抱緊機構相比，其在油壓作用下主動摩擦片和被動摩擦片之間被擠壓實現抱緊功能，具有制動力矩大且性能更加可靠的優勢。

2.2 液壓系統

鑒于抱緊機構改造為濕式摩擦式定向抱緊機構，為保證抱緊機構功能的正常發揮，需對其液壓系統進行大量改造，具體從對主軸抱緊功能控制油路和增加抱緊裝置鎖緊控制油路兩方面著手改造。具體改造路徑如下：

為液壓系統新增定向鉆進操作閥，該項裝置主要為定向抱緊機構提供高壓油，從而實現對鉆機主軸的定向控制；同時，為液壓系統新增馬達浮動截止閥，避免鉆機的正常工作受到意外動作的影響[4]。

為保證定向鉆機在實際鉆進過程的穩定性和鉆進效率，并結合上述改造方案為其配置國產Φ73 mm 的三機螺桿馬達，保證定向鉆進的需求；同時，為了避免在實際過程中受到負載振動、沖擊載荷作用而經常發生的卡鉆事故，提高設備的排渣效果，為其配置Φ73 mm 的整體式寬翼片螺旋鉆桿；對應的將直徑為96 mm 的鉆頭擴大為153 mm。

3 ZDY4000 全液壓鉆機的定向化改造效果

為驗證ZDY4000 全液壓鉆機的定向化改造效果，將其應用到西山煤電屯蘭礦22302 軌道巷中對其性能進行驗證。

3.1 22302 工程概況

22302 軌道巷鉆場位于Z4點附近，測試鉆孔開孔點位于鉆場正前與右手幫相交處（開孔點距底板1.6 m），貫穿點位于22300 膠帶巷與22300皮順繞道相交處（貫通點距底板2 m）。開孔點X 坐標37 594 609.752 3，Y 坐標4 195 864.167 4，Z 坐標792.7；貫穿點X 坐標37 594 554.960 4，Y 坐標4 195 706.584 1，Z 坐標794.07。（屆時，根據鉆進現場實際施工情況，鉆進坐標參數將作適當微調），鉆孔將采取繞頂鉆進方式，即鉆孔將進入2 號煤頂板鉆進，爬升到一定高度后，鉆孔再向下鉆進，直至鉆進至貫通點，鉆進期間鉆孔會通過2 條正斷層，過斷層期間，放慢鉆進速度，以防卡鉆。鉆孔貫通水平投影距離為166.84 m。本次試驗涉及的設備如表2 所示。

表2 施工設備

施工工序如下：鉆場準備→鉆孔設計→穩固鉆機→開孔注漿（安裝封孔管）→安裝孔口瓦斯管理裝置→鉆進施工→洗孔→退鉆桿[5]。

3.2 施工效果

開孔點位于22302 軌道巷Z4點硐室內右手幫拐角處，貫通點位于22300 皮帶順槽P3點前47.98 m，高差距離巷道底板2.1 m。實際鉆孔開孔傾角9.23°，方位角185.63°，鉆孔開孔后向上爬升至6.95 m 再向下鉆進至預計貫穿點，施工途中，鉆孔分別穿過砂質泥巖、1 號煤、細砂巖、3 號煤，鉆孔施工完畢后，終孔位置距P3點前48.18 m，左右偏差為0.2 m，高差距巷道底板0.7 m，施工期間實鉆數據向下偏移0.4 m，故上下軌跡實際偏移量為1 m，鉆孔軌跡總長177.48 m。鉆進結果如表3 所示。

表3 鉆進結果

貫穿點距離向右偏移0.2 m，向下偏移1 m。根據實鉆結果計算，該測量系統傾角誤差為±0.3%，方位角誤差為±0.1%。根據結果顯示，實際貫穿點位于計算誤差范圍內，測量系統性能較為穩定，實現了定向鉆進的功能。

4 結語

全液壓鉆機為煤礦瓦斯抽采的主要設備，該設備的鉆進速度、鉆進精度等均為保證瓦斯抽采效果的主要參數。為解決ZDY4000 全液壓鉆機在實際鉆進過程中存在的問題，將原斜面增力式抱緊機構替換為濕式摩擦式定向抱緊機構，并在其液壓系統增加定向鉆進操作閥和浮動截止閥以滿足抱緊機構改造的使用要求。實踐表明，ZDY4000 全液壓鉆進機實施定向化改造后測量系統性能較為穩定且實現了定向鉆進的功能。