綜采巷道全液壓履帶鉆機的技術(shù)改造

和鵬鵬

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046100)

0 引言

山西省煤炭資源豐富，但由于煤炭資源賦存條件、煤質(zhì)特性等存在差異，不同煤層的開采都有特定的復(fù)雜要求。隨著易采煤層的減少，大傾角、急傾斜、煤層薄等地質(zhì)條件更趨多樣性和復(fù)雜化[1]。山西省薄煤層資源儲量約占總儲量的19.2%，1.3 m以下薄煤層資源占全國煤炭總儲量的20%，回收率卻只有30%左右[2]。隨著煤礦開采強度的逐年增加和開采深度的不斷延伸，一些礦井采深超800 m，巷道含煤層厚度薄淺，礦井巷道空間狹小，呈不規(guī)則狀，現(xiàn)有的普通履帶鉆機在井下通過時和施工占用空間受到限制[3-6]。人工工作量大，勞動強度高。加之掘進開采中存在瓦斯突出、冒水、沖擊地壓等水文地質(zhì)條件復(fù)雜等情況，煤礦安全生產(chǎn)問題也愈發(fā)顯著，成為妨礙煤礦高產(chǎn)量、高效率的主要因素。為有效解決在狹窄巷道中鉆機難施工、綜采設(shè)備小尺寸與大裝機功率矛盾等問題，確保礦井安全高效生產(chǎn)，在原液壓履帶鉆機的技術(shù)上，設(shè)計研發(fā)了大功率全液壓履帶鉆機，以提高工作效率，使煤礦井下施工更加安全、便捷、高效。

1 綜采巷道對全液壓履帶鉆機的需求

綜采薄煤層巷道空間狹小，普通履帶鉆機在礦井瓦斯抽采不達標的情況下組織生產(chǎn)，受地下空間的限制，正常作業(yè)難以有效開展，只有大規(guī)模技術(shù)改造才能提升安全生產(chǎn)保障。未進行技術(shù)改造之前，煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機的鉆桿多為1.5 m，而掘進機與巷道側(cè)幫之間相距1.2 m，鉆、掘交叉施工過程中，為了保證鉆機可以直接從掘進機附近通過，通常會選擇全液壓分體鉆機開展鉆孔施工。該類型鉆機缺少行走組織，運輸以及鉆孔間位移全部依賴于人工進行搬遷；鉆井角度的調(diào)整以及穩(wěn)定也需要人工進行幫助。如此一來，工作人員的工作勞動強度較大，綜合鉆進效率并不高。因此，需要研發(fā)一種寬度設(shè)定在1 m以下，額定轉(zhuǎn)矩為4 500 N·m、可以在綜采巷道之中完成鉆掘交叉施工的全液壓履帶鉆機，以滿足順層以及穿層鉆孔施工的實際需求。同時，井下瓦斯抽采卸壓裝備也亟待更新，它的更新既能提高采掘工作面單產(chǎn)單進效率，一定時間內(nèi)又能進駐多種高度可控的開孔鉆機設(shè)備。

2 技術(shù)改造方案

2.1 設(shè)計要求

煤礦井下全液壓履帶鉆機的設(shè)計，依據(jù)鉆機的主要技術(shù)參數(shù)進行計算選型。設(shè)計時需針對坑道鉆機結(jié)構(gòu)緊湊的特點，充分融合煤礦井下前探鉆孔施工的成功經(jīng)驗以及實際需求，研發(fā)的鉆機在保證鉆進能力以及調(diào)角和調(diào)高范圍的基礎(chǔ)上，加強鉆機的穩(wěn)定性以及通過性，同時在施工及排前探鉆孔過程中完成迅速移位。研發(fā)的ZDY4500LXY型號全液壓履帶鉆機需在一定范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)主軸傾斜角與水平開孔高度調(diào)整。此外，鉆機擁有2個轉(zhuǎn)盤，一方面可以調(diào)整鉆機的方位角；另一方面能夠調(diào)整履帶底盤與焊接車體之間的角度，完成施工排前探鉆孔過程中各孔間的迅速移位。鉆機下穩(wěn)固設(shè)備屬于可伸縮式設(shè)備，鉆機處于施工狀態(tài)下，能夠使得鉆機穩(wěn)定性得到顯著的提高。其額定轉(zhuǎn)矩經(jīng)測試可達到4 500 N·m，額定轉(zhuǎn)速處于60～200 r/min，鉆井功率可以達到90 kW；最大給進力數(shù)值為125 kN，最大起拔力則為190 kN，主軸傾斜角為±90°，鉆孔方位角則為±90°，電動機額定功率為90 kW；最大爬坡角度為15°。

2.2 鉆進結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

新機型滿足不同類型部件之間具有的互通性以及通用性，需縮減原鉆機整體寬度和不可拆卸部分的長度，實現(xiàn)新機型在綜采巷道施工和在罐籠中施工，運輸上更為便捷，施工效率和運輸工作效率進一步提高[7-9]。為此，鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)置為立體式結(jié)構(gòu)，夾持器實現(xiàn)可調(diào)節(jié)，改進了動力可控制操作系統(tǒng)。調(diào)整電機泵組、油箱和操作平臺的位置，移至鉆機后面，高壓濾油設(shè)備，主機的給進裝置處于油箱的上方，使鉆機立體空間得到充分的應(yīng)用。全液壓系統(tǒng)鉆機設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—履帶部分；2—轉(zhuǎn)角穩(wěn)定裝置；3—回轉(zhuǎn)支承；4—給進裝配；5—大扭矩動力裝配；6—對開式夾持器；7—動力操作系統(tǒng)；8—液壓控制系統(tǒng)；9—車身主體圖1 ZDY4500LXY全液壓履帶鉆機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of ZDY4500LXY full hydraulic crawler drilling rig

合理的開采方案，可以提高工作面資源回收率[10-12]。通過夾持器與動力控制操作系統(tǒng)，全液壓履帶鉆機可實現(xiàn)大扭矩回轉(zhuǎn)鉆進功能。試驗證明技改后該全液壓履帶鉆機在工作面開采過程中，鉆機采煤鉆孔造成鉆孔外段5 m區(qū)域內(nèi)的范圍應(yīng)力集中并發(fā)生塑性破壞。

2.2.2 履帶車底部分設(shè)計

為了確保鉆機可以正常地從掘進設(shè)備以及巷道側(cè)幫之間所形成的空間內(nèi)經(jīng)過，根據(jù)鉆機整體布局，初步設(shè)計寬為1 m，載重量達到10 t的履帶底盤。這種高強高、厚重型履帶，結(jié)構(gòu)緊湊，該鉆機在作業(yè)時不僅不需要人工搬遷，還降低了自身高度。同時，該底盤與焊接間借由液壓驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)連接，驅(qū)動回轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)區(qū)間為±90°。車體前端安設(shè)了回轉(zhuǎn)支承，實現(xiàn)車體與主機之間的鏈接，調(diào)節(jié)的區(qū)間同樣為±90°。經(jīng)過鉆探驗證，車體和履帶底盤的夾角呈可調(diào)節(jié)狀態(tài)。試驗證明，如果鉆機應(yīng)用于前探鉆孔施工期間，使得履帶底盤和巷道寬度方向之間保持平行關(guān)系，驅(qū)動履帶底盤便能夠?qū)崿F(xiàn)前探鉆孔過程中的迅速位移，使得鉆機綜合施工效率得到顯著的提高。同時，該鉆機履帶設(shè)計成半內(nèi)嵌低承載聯(lián)接結(jié)構(gòu)。此外，為便于調(diào)整角度和穩(wěn)固鉆機，增加了嵌套結(jié)構(gòu)和整體翻轉(zhuǎn)裝置，這些技改措施，使鉆機履帶在行進時，車體前端兩履帶中間低于履帶頂面，降低了鉆機整體高度，有效控制了鉆機的外形尺寸。

2.2.3 下穩(wěn)固裝置設(shè)計

對比同類型鉆機，新鉆機在縮減整體寬度、增加自重方面呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢，重點解決了鉆機在施工中穩(wěn)定性不佳的問題，鉆機下部分穩(wěn)固裝置改進為可伸縮方式，由此調(diào)整鉆機的寬度。結(jié)合鉆機整體設(shè)計方案，鉆機后下方穩(wěn)固裝置基于平移油缸穩(wěn)定的支撐向兩側(cè)延展。技改后控制油缸伸縮長度的控制手柄設(shè)置在操作臺上，方便操作員及時觀察下穩(wěn)固裝置油缸的基本狀況。為了使鉆機可以正常進入罐籠之中，鉆機不可拆卸長度必須得到控制，一般限定在3.85 m以內(nèi)。故而，在穩(wěn)定裝置超出履帶車體寬度情況下，抽取定位軸，轉(zhuǎn)動穩(wěn)定裝置至一定角度，結(jié)合現(xiàn)實狀況采用適宜的空位，再次插入定位軸予以定位，以完成履帶車體寬度的增加。

2.3 鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計

該鉆機從總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)、主要部件及整機的液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，對照采煤機械化和安全標準化的要求，應(yīng)用雙泵開式循環(huán)液壓系統(tǒng)，采用雙路供給油量(回轉(zhuǎn)回路與給進回路)，以完成回轉(zhuǎn)參數(shù)以及給進參數(shù)的獨立調(diào)整，規(guī)劃比不同執(zhí)行機構(gòu)用戶工作過程中彼此干擾。主泵作為橫功率負載敏感的變量泵，系統(tǒng)設(shè)計由主閥提供動力，副泵負責鉆機施工時鉆機的穩(wěn)定性、調(diào)角以及柱基回轉(zhuǎn)支承提供其所需要的動力。泵以及閥門等液壓部件均采用進口產(chǎn)品或是先進的國產(chǎn)產(chǎn)品，具有安全性、穩(wěn)定性以及可靠性等良好的優(yōu)勢，對提高整體系統(tǒng)質(zhì)量具有積極意義。

3 現(xiàn)場試驗

鉆機現(xiàn)場工業(yè)性試驗過程中，選擇工作面外機巷道，利用風力完成排渣，配置φ73 mm三角形鉆桿以及φ94 mm鉆頭進行運行。試樣鉆孔數(shù)量不低于700個，包括前探鉆孔203個，進尺總計長度5 800 m，最大孔深度為181 m；順層鉆孔總計507個，總計進尺45 117 m，深度最大值為116 m，就能滿足預(yù)設(shè)的施工需求，鉆孔綜合效率相較于之前有了顯著的提高，數(shù)值達到1倍以上。鉆孔設(shè)計參數(shù)具體見表1。

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔試驗，表1的鉆孔實驗統(tǒng)計結(jié)果證明，改進后的這臺煤礦井下全液壓履帶鉆機，前探鉆孔時適用于各類狹窄低矮巷道，其穩(wěn)固裝置可以快速移位，設(shè)計有著良好的適應(yīng)性。

表1 鉆孔設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistic results of drilling design parameters

4 結(jié)語

綜采巷道全液壓履帶鉆機ZDY4500LXY的研制，有效解決了綜采巷道中鉆機位移難和綜合效率不高等問題。現(xiàn)場試驗實證了綜采巷道全液壓履帶鉆機整體設(shè)計結(jié)構(gòu)科學合理，對低矮巷道鉆探施工效果良好，執(zhí)行設(shè)備操縱的電子元件，通過液壓控制即可實現(xiàn)，在井下作業(yè)環(huán)境的適用性和工作效率顯著提高。此外，鉆機應(yīng)用了雙液壓驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承的構(gòu)造；為鉆機施工及排前鉆孔提供了便利，該機型位移速度進一步加快，施工效率高，為薄煤層安全高效開采提供了保障。在綜采巷道前探鉆孔施工中該機型適應(yīng)性強，同時還可以跨傳輸帶在該煤層以及附近煤層施工，滿足了施工要求，整體結(jié)構(gòu)安全可靠，符合井下環(huán)境一臺設(shè)備多種用途的需求。