礦用大功率定向鉆機關鍵技術研究

成志亮

（山西金鼎高寶鉆探有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

隨著科學技術的發展，煤礦作業裝備也逐漸齊全，目前煤礦井下作業工作面開采已達到1 500 m 以上，為了能夠達到作業面深度瓦斯處理的要求，相關研究人員設計了較大功率的鉆進設備，主要考慮在作業煤層處進行超長定向鉆孔作業探究，有時也會觸及到頂板高位鉆孔作業方面，通過對該方面的問題不斷深入研究，對煤層鉆孔的深度逐漸增加，確保能夠使得對礦井中的瓦斯進行處理，以及對生產管理方面制定全面的制度體系，在煤礦中進行定向長距離鉆進方法也逐漸在進行瓦斯抽采工作上應用。針對上面所描述的現象，在“十二五”期間，設計了能夠進行深度鉆孔的大功率鉆進設備，能夠實現在頂板處進行較大范圍的鉆進，能夠有效地處理上隅角瓦斯的現象。

1 技術研究思路

1.1 基本需求分析

在鉆進的過程中，鉆進的對象為頂板，當出現破碎巖層的情況下，應該通過回轉鉆的措施進行作業，從而能夠達到鉆孔延伸的目的，且在該煤層枝狀鉆孔群進行深度鉆進的過程中，應該使用復合措施來進行定向鉆進，這樣的作用是能夠大大提高作業效率，所以，對鉆機的設計應該滿足復合鉆進、定向鉆進、復合鉆進這三大要求；為了能夠確保在面對超長工作面的時候進行瓦斯抽采工作，鉆機必須滿足其深度鉆孔的長度約為1 500 m 左右[1]；在進行作業的過程中，為了能夠避免不會出現將鉆頭卡住的現象，需要將鉆機設計為具有較大扭矩輸出的特點，并且還應該配有較大的起拔能力，從而能夠滿足鉆被卡住時能夠進行起拔的目的；此外，還應該對作業的周邊地質條件進行分析，開發出相適應的功能結構。

1.2 技術解決方案

針對上面所提及的功能要求，對鉆進設備的結構以及相關的零部件和作業系統進行研究，如表1 所示為鉆機的主要相關技術參數。

表1 鉆機主要技術參數

通過結合數字化信息技術，對鉆機的工作特點進行分析；采用模塊化構建模式，將大功率鉆進設備所需要使用的重要功能進行設計；對記錄的相關參數進行審核、CAE 分析等措施，達到鉆機一體的目的；通過使用恒功率調整等相關的措施，建立能夠適應惡劣環境的鉆機液壓系統，通過能夠達到減小鉆機設備的異常情況，提高了設備的安全可靠性。

2 關鍵技術研究

2.1 總體布局設計

鉆機設備的整體設計和運動方式是需要重點考慮，由于這將會直接對設備的尺寸、性能、動能類型造成影響，而且還對其設計成本、安全可靠性等方面帶來影響。通過對大功率定向鉆井設備作業過程中的需求，該設備通過全液壓的方式進行作業，結構設計為履帶式，采用兩列布置結構，從而能夠達到結構緊湊的效果，如下頁圖1 所示，為鉆機的外形結構圖。

圖1 鉆機結構示意圖

將設備的主機和操作臺在底盤上進行布置，通過采用液壓管路的方式將各個部件進行功能連接。確保能夠實現大的給進行程，將雙履帶進行平行設計，采用液壓油缸和地錨的方式達到設備有效固定的目的。通過對定向鉆機設備的作業情況進行分析，在操作臺的右邊安裝防爆電腦集成設計，從而能夠實現及時對鉆孔數據查看。

2.2 大能力回轉器與托板設計

回轉器是由鉆機給進裝置和托板相互聯系的，且能夠實現起拔力的傳遞，從而托板的設計將會影響到鉆機能否最大限度地發揮性能。

2.2.1 大能力回轉器設計

回轉器工作原理是通過對鉆具的驅動來進行回轉，能夠傳遞扭矩和回轉速度，此外，也能夠配合擰卸鉆桿相關事項的需要。為了能夠有效地處理較大能力的傳遞和小型化構造的矛盾，應該針對性的使用雙液控變量液壓電機，該電機的工作原理是通過行星齒輪、斜齒輪后，起作用是達到了兩級減速的目的，從而有效輸出轉矩和轉速，為回轉器的工作原理。通過對工作過程中輸出轉矩的需要，最終選擇回轉器的總傳動比，且需要合理設計兩級傳動比。

根據鉆機設備的需要，將回轉器選擇為通孔結構，通過對關鍵部件進行修改優化處理后，最終確定選擇135 mm 的主軸通孔，其作用是能夠實現各種型號鉆具。將對齒輪的工作性能進行研究，針對性地選擇出齒輪所需要的材料以及結構，并且做優化處理，從而能夠實現具有較大的輸出功率和輸出轉矩。此外，通過采用濕式摩擦片抱緊設備，將其布置在驅動端，其作用是能夠有效的對鉆進設備進行制動。

2.2.2 托板設計與分析

在主機單元中，托板作用是將給進機身和回轉器進行聯接，且將給進力輸送到回轉器，從而達到前后位移的效果。確保有效增加托板的強度，應該使用整體式結構的方式進行鑄造；確保在進行作業時能夠有效地避免鉆桿絲扣損耗，應該在液壓系統的基礎上，將給進油缸和托板之間采用特殊處理。

托板在鉆機中作為受力零件，需要對托板的結構采用有效地措施進行優化。根據三維軟件設計托板的三維模型，且采用網格劃分的方式，選擇單元類型的特點是能夠有效地減小積分，且能夠對網格劃分的效果進行查看；通過對托板在實際工作過程中所受力情況的研究，設立參考點取代主軸中心，進行靜力學仿真試驗，如圖2 所示為托板應力和形變圖。

圖2 托板應力和形變云圖

通過分析，可以明顯看出托板能夠承受最大85.0 MPa 的應力，大多數的應力還是在80.0 MPa 以下；也能夠明顯看出最大的形變量是0.180 mm，是在托板后面的位置處。托板設計采用的材料是鑄鋼ZG270-500，該材料的許用應力為270.0 MPa，所以綜合性能都是滿足所需要的條件。針對應力大于80.0 MPa 的位置，通過采用倒角的形式處理；由于在中間的位置處應力和形變都比較小，所以不需要外加處理；可以在托板后上部的位置處增加豎筋，其目的是能夠有效減小形變量[2]。

2.3 動力與液壓系統設計

通過對作業過程中所應用的液壓系統進行分析，選擇出匹配的液壓元件，且設備中所選用的動力元件將會直接對設備的性能帶來影響，應該將鉆機實際工作情況結合起來研究。

通過對鉆機設備的實現的功能分析，其液壓系統是由三個系統組成，分為是行走系統、輔助系統、鉆進系統。通過對設備需要實現產距離定向鉆進的功能要求，需要將鉆進系統建立2 種模式進行作業，通過建立兩組泵空容積調速系統，能夠有效地降低兩種模式之間的干預，能夠對給進單元實行精準控制。通過應用三泵開式液壓系統措施，能夠對回轉和給進作業優化處理，達到節能的效果。

通過對液壓系統組成研究，進行相關回路的建立。對回路、行走、給進等回路采取參數方面的設計；針對于大功率定向鉆機設備在工作過程中所具有的特點，采取鉆桿絲扣的防護處理、防掉鉆保護、定向鉆進保護等多回路功能，從而能夠有效地增加系統安全性。

3 性能測試試驗

對鉆機的工作性能進行測試是確保在實際工作過程中減少故障率，需要對其進行溫升測試、負載測試、空載和過載情況下測試等。通過相關的勘探設備進行對鉆機的性能測試。如下頁表2 所示為鉆機設備在低速和高速下的監測結果。

表2 鉆機負載性能測試結果

通過對測試的結果進行分析發現鉆機的轉矩和轉速都能滿足要求，其他相關的性能結果的測試也都是符合標準要求。

4 結論

1）針對大功率定向鉆機設備進行分析研究，對設計該設備存在的相關問題進行解決，有效地提高了該設備的工作效率和使用壽命。

2）鉆進性能測試結果顯示該設備的相關性能都能夠滿足條件，在進行超長距離定向鉆孔的作業中提供了技術和經驗。

3）通過使用模塊化的設計模式，能夠增加鉆機設備的零件的通用性，減小開發成本，對使用大功率鉆機設備起到重要的作用。