ZDY1000G型全液压坑道钻机的应用 -.pdf

2 0 1 3年第 6期 煤炭 工程 d o i 1 0 ． 1 1 7 9 9 ／ c e 2 0 1 3 0 6 0 41 Z D Y1 0 0 0 G 型全液压坑道钻机 的应 用 凡 东 中国煤炭科工集团 西安研究院，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要 Z D Y1 0 0 0 G型全液压坑道钻机具有在煤矿和金属矿 山坑道 中施 工 5 0 0 m勘探孔的能 力，并能满足提钻取心和绳索取心等施工工艺要求 ，可作为危机矿井进行深部 资源勘探孔施工机 型。文章介绍 了该钻机 的结构特点和性能参数 ，并对该钻机在陕西宝鸡太白县金矿和北京大安山 煤矿应用绳索取心钻具的施工应用情况做 了详细描述 。 关键词 坑道钻机 ；坑道勘探 ；绳索取心钻进 中图分类号 T D 4 1 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 6 - 0 1 1 7 -03 App l i c a t i o n o f ZDY1 0 0 0G M o de Fu l l Hy dr a u l i c M i n e Ro a dwa y Dr i l l i ng Ri g FAN Do n g Xi a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p，Xi a n 7 1 7 7 ，C h i n a Ab s t r a c t A Z D Y1 0 0 0 G mo d e f u l l h y d r a u l i c mi n e r o a d wa y d r i l l i n g rig w o u l d h a v e a e x p l o r a t i o n b o r e h o l e d ril l i n g c a p a c i t y o f 5 0 0 m i n t h e r o a d wa y o f t h e c o a l mi n e a n d me t a l l u r g i c a l mi n e ， c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e c o ri n g d ri l l i n g ， c a b l e c o ri n g d ri l l i n g a n d o t h e r c o n s t r u c t i o n a n d c o u l d b e a c o n s t ruc t i o n ma c h i n e o f t h e r e s o u r c e s e x p l o r a t i o n d ri l l i n g i n t h e d e e p mi n e o f r i s k mi n e ． T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e s t ruc t u r e f e a t u r e s a n d p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s o f t h e d ril l i n g r i g ． T h e p a p e r h a d a d e t a i l d e s c rip t i o n o n t h e c o n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n s o f t h e c a b l e c o ri n g d ri l l i n g t o o l s i n a g o l d mi n e i n T a i b a i C o u n t y ，B a o j i a n d B e i j i n g D a a n s h a n Mi n e ． Ke y wo r d s mi n e r o a d wa y d ril l i n g r j g ； mi n e r o a d wa y e x p l o r a t i o n； c ab l e c o rin g d ril l i n g 经过长期开采 ，我国许多矿山浅部资源基本枯竭 ，面 临接替资源的勘探问题。我国在已有的5 ． 5 7万亿 t 煤炭资 源中，埋深在 t 0 0 0 m以下的为 2 ． 9 5万亿 t ，占煤炭资源总 量的5 3 ％。在长期大规模的开发中，浅部资源逐渐减少和 枯竭，地下开采的深度越来越大 J 。坑道勘探是利用地下 现有的井、巷进行勘探，相对于地表勘探能节省大量的钻 探工作量 ，并方便实现坑道内多角度钻探施工，达到沿矿 床层带钻探的目的，是在老矿区对深部资源进行勘探的理 想方法 。目前我国缺乏适用的坑道勘探钻机，有少量的 施工也是采用地面立轴式岩心钻机或低转速的全液压动力 头式坑道钻 机 ，立 轴式钻 机 给进行 程短 ，钻 进速 度慢 ，起 下钻具需要配备大尺寸 的钻塔，在狭小坑道内施工困难 ； 全液压动力头式坑道钻机具有起下钻速度快、可实现远距 离操作、工艺适应性强、便于实现顺序动作和联动、工作 效率高和劳动强度低等优点 ，从 2 0世纪 9 0年代开始逐渐 成 为我国煤矿坑道钻 机 的主导机 型 j 。但现 有 的全液 压动 力头式钻机主要面向煤矿瓦斯抽采施工，属于低速大转矩 机型 ，最 高转速 只能达 到 6 5 0 r ／ m i n ，难 以满 足勘探 孔施 工 的需要 。 针对我国大部分煤矿 5 0 0 m以浅资源基本枯竭，迫切需 要寻找深部接替资源的局面，中国煤炭科工集团西安研究 院根据深部资源勘探需要开发出施工能力为 5 0 0 m的高转速 坑道用全液压动力头式钻机，该钻机先后在陕西宝鸡太白 县某金矿和北京大安 山煤矿 施工 了水平 和竖直 绳索 取心钻 孔，本文将详细介绍该钻机的结构特点及其应用情况。 1 Z DY 1 0 0 0 G型全液压坑道钻机 Z D Y1 0 O O G型全液压 坑道 钻机 如 图 1 所示 以下简称 钻机 主要面向坑道勘探而设计 ，采用了目前坑道钻机常用 的分体式结构，由主机、泵站和操纵台三部分组成，各部 分体积小，满足坑道空间的要求；整机解体性好，各部分 重量轻，方便巷道和运输条件差的矿山的使用。采用动力 头式机构，动力头可以在给进机构带动下沿提升架移动， 并可进行加减压钻进，具有给进行程长、起下钻速度快、 收 稿 日期 2 0 1 2 0 70 6 基金项目科技部科研院所专项资金项 目 “ 煤矿井下钻探与测井技术研究” 2 0 0 9 E G 1 2 2 1 8 5 作者简介凡东 1 9 8 0一 ，男，湖北枣阳人 ，工程师 ，从事钻探机具的研制与推广工作。 1 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年第 6期 可以满足全方位钻进要求 。动力头回转速度高并配备 了 取心绞车和提升架 ，满足金刚石绳索取 心钻 进工艺 的要求 ， 其主要技术参数如下 额定转矩 1 0 0 0～ 2 2 0 N m 额定转速 2 7 0～1 0 0 0 r m i n 钻孑 L 倾 角 一 9 0 。～ 3 0 。 最大给进／ 起拔力 8 5 k N 给进／ 起拔行程 1 2 0 0 ram 给进／ 起拔速度 0～ 0 ． 4 6 m S 电动机额定功率 5 5 k W 外形尺寸 长 宽 高 主机 2 5 6 5 m m 8 2 0 ra m x 1 6 3 5 m m 泵站 1 6 8 0 m m 8 0 0 ra m 1 1 2 0 m m 操纵台 7 5 0 m m 4 9 0 m m8 3 0 ra m 图 1 Z D Y 1 0 0 0 G型全液压坑道钻机 液压系统 如 图 2所示 是钻 机 的核 心 ，直接影 响着整 机的性能及对钻探工艺的适应性。施工竖直孔多数处于减 压钻进状态，单泵系统就能满足要求；本钻机不仅需要施 工竖直向下孔，也可以根据需要施工近水平钻孔，甚至是 上仰孔，因此双泵系统更适合本钻机的要求。采用主油泵 和副油泵组成的双泵动力系统，回转和给进单独控制 ，可 控性好、效率高、液压油发热小；在起下钻具时双泵可以 合流，提高了起下钻具速度，减少了辅助时间，提高钻进 效率。补油阀组分别与卡盘和给进油缸连接组成补油回路， 用于施 工竖 直向下孑 L 施工时减压钻进的补油。 1 一 电动机 ；2 一 主油泵 ；3 一主吸油滤油器 ；4 一主截止阀 ；5 一 副油泵 ；6 一副截 止 阀 ；7 一副 吸 油 滤 油器 ；8 一 回油 滤 油 器 ； 9 一冷却器 ；1 O 一 空气滤清器 ；1 1 一油箱 ；1 2 一主 回油压 力表 ； l 3 一主泵系统压力表 ；1 4 一多路换向阀；l 5 一主泵安全溢流阀 ； l 6 一液压锁 ；1 7 一调 角油缸 ；1 8 一单 向减 压 阀；1 9 一调压 溢流 阀 ；2 O 一副泵安全溢流阀 ；2 1 一 副泵功 能转换 阀 ；2 2 一起 下钻 功能转换 阀 ；2 3 、2 7 、2 8 一单 向节流 阀；2 4 一单 向阀组 ；2 5 一 卡盘 回油阀 ；2 6 一夹 持器功 能转换 阀；2 9 一起拔 压力表 ；3 O 一 给进 压 力 表 ；3 1 一补 油 阀组 ；3 2 一 油 马 达 ；3 3 一精 滤 油 器 ； 3 4 一液压卡盘 ；3 5 一截至 阀；3 6 一夹持器 ；3 7 一给进起拔油缸 ； 3 8 一单 向阀组 ；3 9 一安全溢流 阀；4 O 一张 紧油缸 图 2 钻机液压 系统原理图 2 4 0 m 以浅 回转压力在 71 0 MP a ，在孑 L 深 2 4 0 m 以深 回转 压 力为 1 01 4 MP a ，破 碎地 层最 大压力 达到 2 3 M P a 。部分 地 层岩石研磨性差，孕镶金刚石钻头不易出刃，在降低胎体 硬度效果不佳 的情 况下 ，采 用人工 打磨钻 头增加 金刚石 出 刃效果，钻进速度有明显提高 ，但需要频繁起大钻，劳动 强度较高。现场应用情况表明，钻机具有的多项优点均得 到了充分发挥 高 ， 2 太 白某金矿的应用情况 具 ， 该矿位于陕西省宝鸡市太白县境内秦岭山脉中部，目 前 正 处 于 生 产 巷 道 掘 进 阶段 。其 中运 输 大 巷 为 平 硐 深 5 5 0 r n ，宽 2 ． 2 m，高2 m，为探明矿产储量和矿带产状 ，在 运输大巷顶部施工水平绳索取心勘探孔 ，设计开孔高度 1 ． 3 m，钻孔方位与运输 大巷夹角 7 。 ，开孔倾角 一1 ． 2 2 。 ，孔 深 4 0 0 m。2 0 1 0年 9月 至 1 1月期间 ，采用 Z D Y 1 0 0 0 G 型全 液压坑道钻机、qb 7 5坑道用绳索取心钻具、B W 一 2 5 0型泥 浆泵和 d P 7 8 ． 5 m m金 刚石双管取 心钻头施 工了 1 0 4个班次 ， 完成终 孔深 度 4 0 1 ． 8 m 的钻孔 一 个，岩心 采取 率达 到 9 0 ． 8 7 ％ 。 钻进地层主要为粉砂质灰岩夹薄层变质粉砂岩，局部 为变质细粒长石石英砂岩、斑点状泥质粉砂岩夹砂质板岩、 粉砂质灰岩透镜体等，岩石坚硬。在易钻地层中给进压力 为 3～ 5 MP a ，在坚硬 、复杂地 层 时可达 到 6～ 8 MP a ；孔深 1】 8 t 试 验 中钻 机转 速 在 6 5 07 5 0 r ／ mi n期 间钻 进 效 率 体现了钻机的高转速在金刚石钻进时的优越性。 2 动力头 采用 主轴 通孔 式 结构 ，可 实现 连续 起下 钻 效率高。 3 钻 机 起 下 钻 速 度 快 ，最 快 给 进 起 拔 速 度 达 到 0 ． 4 6 m ／ s ，尤其在频繁起下钻具方面优点突出。 3 大安山煤矿的应用情况 大安 山煤矿隶属于北京昊华能源股份有限公 司 ，位于北 京市房 山区。试验 位于 9 2 0井 口内，地理 坐标 北纬 3 9 。 5 4 3 0 、东经 1 1 5 。 4 5 0 3 ” ，平硐 口座标为 X4 4 1 8 5 5 7 ． 1 2 2 ，Y 一 2 0 6 7 0 ． 9 3 8 ，Z 9 1 8 ． 2 9 7 原北京 矿务局独立坐标 系统 。 该矿开采深度为 一1 0 0～ 1 2 3 0 m，共 划分 1 1 个 水平 面 ，地 质条件复杂。该矿 以前有 3台 Z D Y 7 5 0 G钻机，主要用于施 工补充勘探和探 放水孔 ，最 高孔深 为 3 1 0 m，存在 因缺乏专 用钻具施工水平孔时不能采用绳索取心工艺，勘探效率低、 钻孔利用率低等问题 。 下转第 1 2 1页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 6期 煤炭工程 用，在其没有形成加速下滑速度时就已经将其抓住 ，减少 了胶带动态张力的冲击，因此不会对胶带造成损伤 ，同时 抓捕上胶带采用抓捕滚筒和上横梁 ，抓捕下胶带采用下抓 捕架和下横梁 ，实现了上下胶带的全带面抓捕 ，抓捕处为 面接触，胶带在抓捕过程中受力面积明显增大，胶带的纵 向受力均匀 ，摩擦力会对胶带起到一定缓冲作用，也不会 对胶带造成较大损伤。 2 ． 4设 计参 数 为了实现上述 的抓捕过程，在设计抓捕装置需要计算 以下 内容 1 断带后 ，上、下抓捕架依靠重锤块作用实施摆动， 为了确保重锤的重量能够克服上胶带及附着在表面物料的 质量 ，需计算重锤块的总重和数量。 2 抓捕装置完成抓捕后，抓捕上、下胶带所需的抓捕 力均为上 、下抓捕架与上、下横梁挤压所产生的摩擦力， 为了确保抓捕机构的安全性，需对整套抓捕机构和架体结 构受力分析，校核结构强度。 3 抓捕装置完成抓捕后，抓捕力最终会通过架体结构 传递到地脚螺栓上，所以，需根据抓捕力大小来选择合适 的地脚 螺栓排列方式 、直径和数量 。 2 ． 5安 装位 置 带式输送机受 力最大 点处位 于机 头传 动滚筒 处 ，此 处 、 、 上接第 1 1 8页 为了精探 十 5 5 0工作面以下的煤槽分布 ，在 5 5 0 m零石门 布置了钻场，采用 Z D Y I O O O G型全液压坑道钻机、q b 7 1 m m 绳索取心钻具、B w2 5 O型泥浆泵和 7 5 mm金刚石双管 取心钻头等装备施工竖直孔，设计 5 0 0 m钻孑 L 以提高钻孔利 用率。从 2 0 1 1年 5月 1 2日至 7月 1 4日，历时 6 3 d ，正常 钻进 9 2个 班次 ，完成 终 孔直 径 均 为 d P 7 5 m m，深 度 为 5 0 5 ． 1 7 m竖直向下取心的钻孔。从 7月 1 9日至 9月 2 3日， 正常钻进7 4个班次，还完成了一个 2 6 0 ． 0 8 m的水平孔。 钻进地层主要由深灰色、黑灰色粉砂岩和灰色、浅灰 色砂岩及煤组成，岩层中可见到大型斜层理，楔型交错层 理及韵律层理 ，岩石相 对较 软 。由于钻孔 较深 ，钻 机 的工 作参数变化幅度较大，前 2 6 0 m采用加压钻进 ，针对钻进地 层的软硬程度调整钻压 ，钻 压范 围为 0～3 M P a ；超 过 2 6 0 m 以后，钻具重量超过了钻头所需要的压力，利用背压处于 减压钻进状态。前 3 0 0 m使用高转速钻进 ，转速变化范围为 4 0 0 7 5 0 r ／ m i n ；超 过 3 0 0 m 以后 ，随着 钻 机 转 矩 的 增 加 ， 转速也逐渐降低 ，变化范 围为 2 4 0 4 0 0 r ／ rai n 。 在钻进过程 中多次 在遇 到松散 、破 碎 的煤 层 时发生 塌 孔事故，泥浆泵发生憋泵，导致无法正常钻进。在这种情 况下需要灌注水泥浆对坍塌孔壁进行加固，以利于后续钻 进工作 的正常进行。试验 中水泥浆 的水灰 比为0 ． 3 1～ 0 ． 5 1 ，注浆时将钻具提离孑 L 底 2 3 m，将搅拌均匀后的泥 浆从钻杆 中间倒入孔 底 ，边倒 边提 钻 ，直 到记 录塌 孔处 最 是断带的高危险区，在没有特殊情况下，一般将断带抓捕 装置安装在距离机头传动滚筒 1 5 0 m左右位置，若考虑到断 带位置的不确定性 ，设置多台抓捕装置时，也应尽量布置 到输送机的前部。 3结语 本文探讨 了带式输 送机 断带 的机 理 和危害 ，论述 了全 带面断带抓捕装置的设计原理和组成机构，并就设计、使 用、设置等环节提出了要求和建议。目前，这种类型的断 带抓捕装置已经在 山西乐平煤矿、山东肥城杨营煤矿、甘 肃水岔沟煤矿等矿上得到了应用。 参 考文献 [ 1 ] 苏小来 ．钢丝 绳强力 胶带 机 的断带分 析 [ J ] ．煤 炭技 术 ， 2 0 0 8 ，2 7 7 1 41 6 ． [ 2 ] 王德银 ．带式 输送机 速度方 向法 断带检测技 术 [ J ] ．煤 炭 科学技术 ，2 0 0 8 ，3 6 1 2 6 6～ 6 7 ． [ 3 ] 张学进．强力带式输送机断带事故的预防和断带保护装置 的 选用 [ J ] ． 中国设备工程 ，2 0 0 8 ， 9 5 0～ 5 1 ． [ 4 ] 徐建国 ，谷勇．高强胶带断带的原因、预防及保护装置 的 应用 [ J ] ．城市建设 ，2 0 1 0 ， 5 2 2 4 8 2 4 9 ． 责任编辑赵巧芝 上层的煤层位置停止注浆，然后将钻具全部提出孔外，并 冲洗所有钻杆内壁，防止钻杆内孔水泥浆凝固堵孔。利用 该方法成功穿过多个易坍塌煤层，顺利完成钻孔。 4结语 Z D YI O O O G型全液压坑道钻机转速高、起下钻具速度 快、操作简便，工人劳动强度低，具有在煤矿和金属矿山 巷道中施工4 0 0 m近水平孔或 5 0 0 m竖直孔的能力 ，并能满 足坑道内绳索取心钻进工艺要求 ，可作为危机矿 山进行深 部资源勘探孔施工的机型。 参考文献 [ 1 ] 彭苏萍．深部煤炭资源赋存 规律与开发地质评价研究现状及 今后发展趋势 [ J ] ．煤 ，2 0 0 8 ， 2 1～1 1 ． [ 2 ] 凡东 ，殷新胜 ，常江华，等 ．Z D Y 1 0 0 0 G型全液 压坑道钻 机的设计 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 1 1 ， 1 7 8～ 8 O ． [ 3] 殷新胜 ，田宏亮 ，姚克 ，等．负载敏感技术在全液压动力 头式坑道钻机上的应用 [ J ] ．煤 炭科学 技术 ，2 0 0 8 ， 1 7 5～7 7 ． [ 4 ] 张惠，张晓西，马保松，等．岩土钻凿设备 [ M] ．北京 人 民交通出版社 ，2 0 0 9 ． [ 5 ] 凡东，魏欢欢，刘庆修．面向深部煤炭资源勘探的坑道钻 探装备的研究 [ C ]／ ／ 第六届全国煤炭工业生产一线青年技 术创新文集．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 1 1 ． 责任编辑郭继圣 1 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m