ZDY15000LD大功率定向钻机研制_张锐.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 ZDY15000LD 大功率定向钻机研制 张锐 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 为了满足煤矿区超长工作面长距离高效区域瓦斯抽采、 水害防治和隐蔽致灾因素探查 需要， 采用模块化的设计思路， 开发了具备 1 500 m 钻进能力的 ZDY15000LD 大功率定向钻进装 备。对大功率定向钻机的总体布局设计、 双马达大扭矩回转器、 给进装置、 调角装置， 具有保护功 能的液压系统等关键技术进行研究， 并对钻机进行了负载性能测试， 性能参数达到设计要求。在 兰花集团东峰煤矿和淮南矿业潘三矿进行了工业性试验， 验证了钻机的技术性能， 试验结果表 明， 大功率定向钻机钻进能力和事故处理能力强， 保障了煤矿井下安全高效开采。 关键词 瓦斯抽采钻孔； 复合定向钻进； 定向钻机； 大功率； 全液压 中图分类号 TD41文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0107-04 Development of ZDY15000LD High Power Directional Drilling Rig ZHANG Rui （China Coal Technology compound directional drilling; directional drilling rig; high-power; full hydraulic power 顺煤层钻孔抽采瓦斯是煤矿井下最直接、最有 效的瓦斯抽采方法，目前我国煤矿井下普遍采用回 转钻进成孔方法进行井下瓦斯抽采，常规回转钻进 存在钻孔盲区，无法精确了解钻孔的轨迹。为了增 大瓦斯抽放效果，需要施工大量的瓦斯抽放孔， 难 以满足煤矿井下高效开采的要求。水平定向钻孔技 术可以精确控制钻孔轨迹，确保施工过程中钻孔在 煤层中延伸， 提高钻孔瓦斯采效果[1-2]。 大型开采设备在煤矿的应用，导致矿井的规模 和工作面的长度不断增加，例如在神东、陕北等大 型矿井的工作面长度最大已达 6 000 m。为了满足 超长工作面瓦斯抽采钻孔施工的需要，迫切需要开 展 1 500 m 以上本煤层超长定向钻孔施工装备的研 究，达到超长定向钻孔高效施工和精确控制的需 要，因此开展大功率定向钻探技术装备研发的工作 势在必行[3-4]。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.023 张锐.ZDY15000LD 大功率定向钻机研制 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 107-110. ZHANG Rui. Development of ZDY15000LD High Power Directional Drilling Rig ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 107-110. 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045- 003） ； 中煤 科 工 集 团 西 安 研 究 院 有 限 公 司 科 技 创 新 基 金 资 助 项 目 （2017XAYZD01） 移动扫码阅读 107 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 1钻机总体方案和性能参数 大功率定向钻机采用双列并排布局设计， 车体宽 度为 1.6 m， 符合井下狭窄巷道紧凑性布局要求[5]。钻 机平台上集成有防爆计算机和钻进参数监测系统， 用于定向钻进钻孔轨迹控制和钻进参数监测；采用 1 200 mm 长行程给进装置， 通过双杆双作业油缸有 效提高提起下钻速度；平台前端设计操纵台，可以 方便随时观察孔口情况， 钻机整体结构如图 1。 根据长钻孔钻进对大功率定向装备的需求进行 钻机结构设计， 确定其主要参数如下 ①额定转矩 15 000～3 500 N m； ②额定转速 40～135 r/min； ③制 动转矩 3 000 N m； ④主轴倾角 -10～20； ⑤最大 给进/起拔力 300 kN； ⑥给进/起拔行程 1 200 mm； ⑦电动机额定功率 132 kW； ⑧外形尺寸 4.2 m1.6 m1.9 m。 2钻机关键部件 2.1双马达大扭矩回转器 回转器具备夹紧钻杆并将液压马达输出的动能 传递给钻杆， 是钻进动力的输出端[6]。 为了达到较大的转速和扭矩调节范围，设计中 采用 2 个液控变量马达实现转矩和转速的无极调 节。回转器采用行星减速和一级斜齿轮减速相配合 的两级减速型式，实现大减速比条件下的小体积设 计。回转器一级行星减速单元包括中心轮、 行星轮、 行星轮架和内齿圈构成。两级齿轮传动总的传动比 为 11.76， 回转器传动系统示意图如图 2。 回转器的输出扭矩 M 为 M1.59△pqmηmmki10-1（1） 式中△p 为压力差， MPa； qm为马达排量， mL/r； ηmm为马达的机械效率； k为马达个数； i为回转器减 速比。 根据设计需要，选用的液压马达为 200 mL 轴 向柱塞马达， 理论排量为 50～200 mL/r， 马达个数为 2， 回转器的输出转矩和参数见表 1。 回转器上安装有液压制动装置，用于定向钻进 时主轴制动， 可以有效锁紧钻柱， 确保螺杆钻具在钻 进过程中不会随意转动。 2.2给进装置 给进装置除了用于向钻头施加轴向力给给进钻 具、 提升钻具、 承载拧卸钻杆扭矩外， 还用于孔内出 现埋钻、 掉钻事故时打捞孔内钻具[7]。给进装置设计 时需兼顾考虑机身长度和给进行程参数，设计中采 用 2 个 110/55 的双杆双作用油缸， 活塞杆两端固定 在机身的前后两端， 油缸上安装有卡套， 缸筒来回运 动时带动安装在托板上的回转器前后运动。给进装 置导轨与机身采用螺栓连接，上衬板与导轨磨损严 重时可整体更换， 拖板组件为铸造式结构， 通过调整 螺钉可以调整夹板与导轨间隙。机身导轨和托板下 衬板采用高性能耐磨材料， 使用寿命长， 更换方便， 给进装置示意图如图 3。 2.3调角装置 调角装置主要用于现场施工时调整钻机主轴的 输出类型转速/ （r min-1）转矩/ （N m ） 高速范围10～1504 335 低速范围10～5015 374 图 1ZDY15000LD 钻机整体结构 Fig.1Structural configuration of ZDY15000LD drilling rig 图 2回转器传动示意图 Fig.2Transmission schematic of rotary head 表 1回转器输出性能参数表 Table 1Table of output perance parameters of rotary head 108 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 3给进装置示意图 Fig.3Structure schematic of feeding device 开孔倾角，开孔倾角往往需要根据不同的煤层赋存 条件进行调整，调角装置的结构形式直接影响钻机 的辅助作业时间。坑道定向钻机中比较常见的调角 方式包括双支座双点油缸对顶调角、铰接配合井下 绞车调节、 前后双支点油缸对顶调节[8-9]。为了降低 开孔高度，保证操作的舒适性，本定向钻机采用前 后双支点油缸对顶调节的调角装置，调角装置结构 图如图 4。 调角装置主要由 2 个多级单作用多级油缸、 可 拆卸横梁、 固定立柱、 活动斜撑等部件组成。当需要 进行仰角调整时，首先拧松斜撑上的螺钉和中撑杆 上的螺钉，然后通过操纵台上操作手把来控制给进 装置前部的多级调角油缸的伸缩从而调整机仰身的 调整；当需要进行俯角调整时，首先拧松横梁上的 螺钉和中撑杆上的螺钉，然后通过主操纵台上操作 手把来控制给进装置尾部的多级调角油缸的伸缩从 而调整机俯身的调整。 2.4功能丰富的液压系统 大功率深孔定向钻机液压系统采用防爆电机和 三泵通轴串联驱动型式。履带行走与快速回转钻进 共用 1 路负载敏感阀， Ⅰ泵主要为该回路供油[10]； Ⅱ 泵主要为慢速钻进回路与慢速回转回路提供压力 油,正常钻进时， 通过快速钻进实现孔内钻具的快速 起下钻，通过慢速钻进方式精确调节定向钻进速度 和钻进压力；Ⅲ泵采用恒压变量控制方式，该方式 是一种先进的泵控系统，在国外许多行业得到了广 泛的推广,Ⅲ泵主要为钻机关键执行机构卡盘、 夹持 器以及稳固调角机构供油。 为了减少操作失误， 保护操作人员安全， 液压系 统中增加以下保护回路。 1） 钻进系统和履带行走系统切换功能。通过该 回路能实现正常钻进时， 履带行走功能失效， 而在搬 迁运输过程中， 钻进系统也无法工作， 有效保护操作 人员的安全[11-12]。 2） 定向钻进保护功能。制动装置油路上设计液 控换向阀， 当进行定向钻进施工时， 高压油作用抱紧 主轴， 主轴制动， 同时高压油切断回转系统先导控制 手柄的控制油，使得主轴抱紧时操作回转控制手把 失效， 有效保护了制动装置， 防止因误操作造成对制 动装置零部件的损坏。 3性能测试和工业性试验 设备性能测试是检验钻机设计成功与否的重要 手段， 性能测试一般包括钻机外观、 安全性、 空载试 验、 负载试验、 过载试验、 温升、 噪声、 传动效率等。 钻机负载性能数据见表 2。 为了充分验证钻机的各项性能，工业性试验选 取了 2 个试验现场进行， 具体试验情况如下 1） 2018 年 7 月至 10 月，在淮南潘三矿进行了 工业性试验， 试验地点位于潘三矿 17102 （3）工作 面， 施工钻孔为顶板高位定向钻孔， 目的是在工作面 回采过程中抽采采空区及工作面上隅角瓦斯。试验 钻机为 ZDY15000LD 型千米定向钻机和 BLY460/13 泥浆泵车，采用钻具为 φ89 mm 高强度整体式螺旋 钻杆， 随钻测量系统为泥浆脉冲无线随钻测量， 工艺 方法为复合定向钻进技术。自 2018 年 7 月 25 日至 10 月 28 日， 在 17102 （3） 工作面完成顶板高位定向 钻孔 7 个，其中孔深 500 m 以上钻孔 6 个，总进尺 为 3 356 m， 钻孔距煤层高度约 32 m， 平均单孔钻进 序号输入功率/kW转矩/ （N m ）转速/ （r min-1）状态 1122.433 827143 高速 2122.263 819143 3122.513 895142 4122.093 959142 5122.5715 07442 低速 6122.4515 10842 7122.5815 12942 8122.5215 13642 图 4调角装置结构图 Fig.4Structure schematic of angle adjusting device 表 2钻机负载性能测试结果 Table 2Test results of load perance of drilling rig 109 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 ［8］ 倪兴华.安全高效矿井辅助运输关键技术研究与应用 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （11） 1909-1915. ［9］ 赵静一， 李侃.重型平板车发展现状与趋势 ［J］ .东北大 学学报， 2008， 29 （S2） 258-261. ［10］ Zhao Jingyi, Wang Zhiyong. Development of Electro- hydraulic Proportional Power Match System for Trans- porting Girder Vehicle’ s Driving ［C］ //Proceedings of the5thInternationalSymposiumonFluidPower Transmission and Control.北京 中国机械工程学会， 2007 797-800. ［11］ 王智勇， 赵静一， 张齐生.负荷传感技术在重型平板 车液压控制系统上的应用 ［J］ .中国工程机械学报， 2005， 3 （4） 435-438. ［12］ 方旭东. 液压挖掘机中负荷传感系统的分析与计算 ［J］ .同济大学学报， 2001， 29 （9） 1097-1100. ［13］ 田晋跃， 于英.车辆静液压传动特性研究 ［J］ .农业机 械学报， 2002， 33 （4） 32-34. 作者简介 陈逢雷 （1984） ， 山西运城人， 助理研究员， 博士， 2013 年毕业于燕山大学，从事煤矿坑道钻探设备的 研发及推广工作。 （收稿日期 2019-06-06； 责任编辑 李力欣） （上接第 106 页） 用时 9 d。试验结果表明， 大功率定向钻机具有较强 的钻进能力和事故处理能力。 2） 为了有效地解决兰花集团东峰煤矿 3109 工 作面上隅角瓦斯治理难题， 2018 年 6 月至 7 月使用 ZDY15000LD 型千米定向钻机在 3109 联络巷抽放 钻场共施工高位定向钻孔 2 个， 1孔深 702 m， 2孔 深 594 m， 全部达到设计要求。 4结语 大功率定向钻进装备是煤矿井下长距离钻孔施 工的关键设备，研制的 ZDY15000LD 钻机适用于井 下长距离定向钻孔和顶板高位钻孔施工，满足大型 矿井长距离工作面瓦斯抽采生产的需要。 1） 钻机液压系统操控灵活、 方便， 性能稳定。单 动液压系统可实现螺杆马达工具面向角的精准和高 效调节， 有效缩短辅助时间， 提高钻进施工效率， 实 现各种钻进工艺条件下钻机的精准控制。 2） 大功率定向钻进装备可大幅提升井下本煤 层、大直径顶板定向高位瓦斯抽采长钻孔的施工能 力和水害防治钻孔施工能力，推动了井下瓦斯抽采 钻孔钻进技术的进步， 保障了矿区安全高效开采。 参考文献 ［1］ 方鹏.15 000 N m 大功率定向钻机关键技术研究 ［J］ . 煤田地质与勘探， 2019， 47 （2） 7-12. ［2］ 申宝宏， 郑行周， 弯效杰.煤矿隐蔽致灾因素普查技术 指南 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2015. ［3］ 石智军， 董书宁， 姚宁平， 等.煤矿井下近水平随钻测 量定向钻进技术与装备 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （3） 1-6. ［4］ 张海权， 王惠风， 王向东.大直径高位钻孔代替高抽巷 抽采瓦斯的研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （6） 51. ［5］ 方鹏， 姚克， 邵俊杰， 等.履带式中深孔定向钻进装备 设计关键技术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （4） 71-75. ［6］ 张锐.高转速跨输送带螺旋钻机及其关键技术 ［J］ .煤 矿安全， 2017， 48 （8） 94-97. ［7］ 张锐.新型全液压履带定向钻机研制 ［J］ .煤矿安全， 2015， 46 （10） 108-110. ［8］ 孙保山.ZDY6000LD （B）履带式全液压坑道钻机 ［J］ . 煤田地质与勘探， 2014， 42 （4） 103-105. ［9］ 方鹏.ZDY4000LD （A） 型履带式全液压定向钻机的设 计 ［J］ .煤田地质与勘探， 2014， 42 （4） 93-96. ［10］ 孙保山， 殷新胜， 田宏亮， 等.基于负载反馈技术的履 带式钻机液压系统 ［J］ .煤炭科学技术， 2011， 39 （3） 95-99. ［11］ 方鹏， 田宏亮， 邬迪， 等.ZDY6000LD （A） 型履带式全 液压定向钻机及其应用 ［J］ .煤田地质与勘探， 2011， 39 （4） 74-77. ［12］ 姚克.ZDY4000LD 定向钻机关键技术研究 ［J］ .煤田 地质与勘探探， 2012， 40 （4） 82-85. 作者简介 张锐 （1981） ， 湖北襄阳人， 副研究员， 硕 士， 2010 年毕业于中国地质大学，从事钻探设备的研究与 开发工作。 （收稿日期 2019-06-14； 责任编辑 李力欣） 110 ChaoXing