定向鉆桿輔助上桿及搬運技術

陳澤平

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

我國煤礦瓦斯災害嚴重、事故多發，井下定向鉆孔抽采是瓦斯防治的重要措施之一，在煤礦安全高效生產中發揮著重要支撐作用[1-2]。目前，煤礦井下定向鉆機自動化程度較低，如定向鉆進過程中的關鍵工序加接鉆桿、鉆桿搬運等操作嚴重依賴人工[3-4]。以在煤礦廣泛應用的ZYWL-13000DS 定向鉆機為例，配套鉆桿直徑φ89 mm，長度為3 m，需要2 名操作工人用肩抗的方式將每根鉆桿從10 m 以外抬至機架尾部，然后通過手擰的方式加接鉆桿，勞動強度大、施工效率低，若出現配合不當，容易出現安全事故。

“十三五”期間，中煤科工集團重慶研究院開發了ZYWL-23000DS 大直徑定向鉆機，一次鉆孔直徑達到φ153 mm，鉆進能力達到1 000 m 以上[4]。其中，配套通纜鉆桿直徑φ102 mm，擴孔鉆桿直徑φ127 mm，長度均為3 m，單根質量達到50 kg 以上，鉆桿直徑和質量均大幅增加。按照鉆孔深度1 000 m 計算，鉆桿數量達到330 余根，鉆桿的加接和搬運成為急需解決的難題。

在煤礦鉆機自動上下鉆桿技術方面，中煤科工集團重慶研究院蒲劍[6]、陳航[7]、呂晉軍[8]對自動上下桿鉆桿系統的結構布局、抓桿機械手、鉆桿箱、鉆桿定位方法及自動上下桿流程等進行了設計和優化，提高了其可靠性和上下鉆桿的效率，并在自動鉆機上實現了產業化推廣應用，實現了減人增效，取得了良好的效果；中煤科工集團西安研究院韓健[9]對煤礦全液壓自動加桿裝置進行了開發，在測試中單根鉆桿加接時間為35 s 左右。以上自動上桿機構均針對常規自動鉆機研發，鉆機扭矩小，鉆孔深度在200 m 以內，鉆桿直徑僅為φ73 mm，鉆桿長度1 m，其自動上下鉆桿系統體積易于控制，一般布置在鉆機動力頭和夾持器之間。而ZYWL-23000DS 定向鉆機受整體體積、鉆桿長度等限制，該類型結構難以進行借鑒應用。

因此，在不增加鉆機整體尺寸的情況下，提出了一種基于后置式上桿裝置和鉆桿吊裝車的組合方案，以解決大直徑長鉆桿加接和搬運難題，為煤礦機械開采自動化減人的目標提供技術支撐。

1 總體方案設計

由于定向鉆機及泵車外形尺寸較大，一般采用分體式結構，以便提高定向鉆機巷道運輸及行走的適應性。在鉆場布置時，主機、泵車、鉆桿依次排列，主機與泵車之間預留4 m 左右間距，便于上桿操作，鉆桿堆放區域距主機10～20 m 左右。

定向鉆桿輔助上桿及搬運方案如圖1。采用后置式輔助上桿裝置，實現3 m 長定向鉆桿輔助擰緊功能；采用全液壓履帶式鉆桿吊裝車，實現鉆桿遠距離搬運功能。二者通過配合可完成鉆桿吊裝、搬運、上桿等功能。

圖1 大直徑長鉆桿上桿及搬運方案Fig.1 Adding and transporting scheme of large-diameter and long drill pipes

根據定向鉆進工藝流程，在定向鉆進時，鉆桿吊裝車將定向鉆桿從鉆桿堆放區域分批次搬運至鉆機施工處，準備加接鉆桿。進行加接鉆桿時，將鉆桿從鉆桿箱起吊至輔助上桿裝置上，完成上桿擰緊動作。定向鉆孔成孔后，通過鉆機動力頭擰卸鉆桿，然后吊裝至鉆桿箱，并分批次運送至鉆桿堆放區域，從而完成鉆桿搬運及裝卸全流程作業。整個操作過程僅需1 名人工輔助即可完成，大幅降低了勞動強度，提高了工作效率。裝置主要技術參數為：①鉆桿直徑：89/102/127 mm；②鉆桿長度：3 000 mm；③起吊質量：500 kg；④起吊高度：1 500 mm；⑤鉆桿數量：≥16 根；⑥搬運距離：30 m；⑦鉆桿吊裝車尺寸：3 500 mm×1 500 mm×1 800 mm。

2 大直徑長鉆桿輔助上桿技術

常規自動鉆機由于鉆機本體尺寸小，且鉆桿直徑小、長度短，自動上下鉆桿機構體積易于控制，在鉆機上布局較為方便，一般布置在鉆機動力頭和夾持器之間即可。對大直徑定向鉆機而言，鉆機本體尺寸較大，單根鉆桿長度3 m，若從中間上鉆桿勢必會大幅增加鉆機整體尺寸，影響定向鉆機巷道適應性。根據定向鉆機結構布局特點，充分利用了鉆機動力頭尾端空間，設計了基于摩擦輪的后置式輔助上鉆桿裝置，后置式上鉆桿方案如圖2。

圖2 后置式上鉆桿方案Fig.2 Scheme of rear adding drill pipes

輔助上桿裝置主要利用摩擦輪的摩擦力完成鉆桿的擰緊，主要由底座、主動輪、從動輪、調節螺桿、托桿組件、油缸等部件組成，輔助上桿裝置如圖3。該輔助上桿裝置結構簡單，可通過調整從動輪直徑，以適應φ89、φ102、φ127 mm 等不同規格鉆桿上桿功能，易于在其他型號鉆機上進行應用，通用性好。另外，只需要將輔助上桿裝置液壓系統升級為電液比例控制系統，即可實現自動上桿功能，提高定向鉆機的自動化水平。

圖3 輔助上桿裝置Fig.3 Auxiliary drill pipes adding device

在首次使用上桿功能之前，需要解決鉆桿對中問題。將2 根鉆桿分別放置在鉆機動力頭中空部位，卡盤和夾持器夾緊鉆桿，通過調整底座墊片高度、調節螺桿螺母等，使得2 根鉆桿中心線重合，完成上桿裝置、卡盤、夾持器中心對中。

加接鉆桿流程如下：

1）進行加桿操作前，操作液控手柄使轉動油缸收回，浮動油缸伸出，留出放桿和上桿空間。

2）操作鉆桿吊裝車將鉆桿吊至上桿裝置的從動輪和拖輪上，如圖1 所示位置。

3）操作轉動油缸伸出手柄，使拖輪壓緊鉆桿，操作擺線馬達旋轉手柄，驅動主動輪旋轉，使鉆桿完成擰緊動作，此時油缸處于浮動狀態，以保護鉆桿螺紋。

4）上桿完畢后，操作液控手柄使轉動油缸收回，浮動油缸伸出，留出放桿和上桿空間。

3 鉆桿吊裝車

巷道井下鉆場較為狹窄，鉆桿吊裝車需要頻繁往返在鉆桿架與鉆機施工處之間進行吊裝鉆桿，因此鉆桿吊裝車需要具備自行走功能、鉆桿夾持功能[10]。同時需要進行小型化設計，以便和定向鉆機、泥漿泵車等進行錯車，鉆桿吊裝車寬度嚴格控制在1 500 mm。為了能快速抓取鉆桿并起吊到鉆桿車或鉆桿輔助上桿裝置上，設計了基于液壓平衡吊原理的機械臂，利用平行四邊形桿系的平衡原理，可實現鉆桿在工作空間內任一點快速定位和保持平衡。鉆桿在的水平和回轉運動由操作者手動控制，鉆桿升降由液壓控制，只需要較小的輔助力便能夠完成鉆桿起吊功能。鉆桿吊裝車主要由履帶車、電磁啟動器、鉆桿箱、液壓平衡吊、鉆桿夾持組件等部件組成，分成2列布局在履帶車上面，鉆桿箱單獨成列，整體布局較為緊湊。操作臺位于吊臂旁邊，便于觀察鉆桿起吊情況。鉆桿吊裝車結構布局如圖4。鉆桿箱采用分層間隔擺放，可載長度為3 m 的φ102 mm 鉆桿數量約24 根，載φ127 mm 鉆桿數量約16 根，按照定向鉆孔單班進尺24～30 m 計算，一次裝載基本能夠滿足2 個班定向鉆孔或擴孔鉆進的鉆桿數量需求，避免了頻繁搬運鉆桿，節省了時間，提高了工作效率。鉆桿夾持組件采用“X 型”機械手結構，共設置有8 片夾緊卡瓦，充分利用鉆桿自重進行夾持，操作簡單、安全性高。鉆桿夾持組件結構如圖5。

圖4 鉆桿吊裝車Fig.4 Drill pipe hoisting truck

圖5 鉆桿夾持組件Fig.5 Drill pipes clamping assembly

利用鉆桿吊臂和鉆桿夾持組件相互配合，可以進行現場配套設備的吊裝、搬運、定向鉆機輔助檢修等。如定向鉆機配套用φ127 mm 螺桿馬達質量達到290 kg，需要4～5 人用肩抗的方式進行搬運，需要人數多、人工勞動強度大，存在較大安全風險。而利用鉆桿吊裝車進行搬運，只需要2 名人工輔助即可完成，大幅降低了勞動強度，提高了工作效率。

4 性能測試和工業性試驗

輔助上桿裝置及鉆桿吊裝車在實驗室進行了測試，單根鉆桿上桿時間約30 s，鉆桿吊裝車能夠快速完成鉆桿起吊、上桿等操作，鉆桿夾持牢固、可靠，兩者配合能夠較好地完成定向鉆桿的吊裝、搬運、上桿等功能。

2020 年4 月至7 月，ZYWL-23000DS 大直徑定向鉆機在河南鶴壁三礦進行了工業性試驗，在井下頂板巖層中施工鉆孔5 個，一次成孔直徑φ153 mm，累計進尺3 978 m，單班進尺效率約30 m。在試驗過程中，輔助上桿裝置整體性能較好，能夠較好地完成上桿功能，降低了人工勞動強度。

5 結 語

提出了一種定向鉆桿輔助上桿及搬運組合方案。采用后置式上桿裝置，實現了3 m 大直徑定向鉆桿輔助上桿功能，該裝置結構簡單、體積小，能夠適應多種規格鉆桿，易于在其他型號鉆機上進行應用；鉆桿吊裝車集起吊、裝載、搬運、輔助上桿、輔助檢修等多種功能于一體，僅需1 名人工輔助即可完成，有效降低了現場人工勞動強度，提高了工作效率。