ZDY4300LF(A)型分体式履带钻机的设计及应用_邬迪.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2016-01-16 基金项目 中煤科工集团西安研究院有限公司技术创新项目（2015XAYZD004） Foundation itemTechnology Innovation Fund of Xi′an Research Institute of CCTEG（2015XAYZD004） 作者简介 邬迪（1980），男，陕西西安人，硕士，副研究员，从事煤矿坑道钻机相关工作. E-mailwudi 引用格式 邬迪. ZDY4300LF（A）型分体式履带钻机的设计及应用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）160-163. WU Di. Design and application of ZDY4300LF（A） split crawler drilling rig［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）160-163. 文章编号 1001-1986（2016）05-0160-04 ZDY4300LF（A）型分体式履带钻机的设计及应用 邬 迪 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 针对我国煤矿深部高应力巷道、松软突出煤层中的煤巷等小断面巷道，以及皮带运输巷中 钻机需频繁让道、在掘进巷道中钻机需绕前施工等通过空间狭小的复杂钻孔施工条件，设计一款 新型井下钻机。新型钻机采用分体履带式结构，宽度窄、井下机动性强；采用紧凑型多变幅组合 式机架，使钻机具有在煤巷中施工水平多排钻孔、在岩巷中施工全断面仰俯角度钻孔的能力。工 业性试验表明，新型钻机井下机动灵活、工艺适应性好、工人劳动强度低，在复杂钻孔施工条件 下具有良好的应用效果。 关 键 词紧凑型；全断面；分体式；履带钻机；多变幅机架 中图分类号TD41 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.031 Design and application of ZDY4300LF（A） split crawler drilling rig WU Di （Xi′an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp.， Xi′an 710077， China） Abstract Aiming at to the complex operation conditions in China’s deep coal mines， such as roadway with high stress， roadway with small cross section in soft and outburst-prone seam， frequent move of drilling rig in belt con- veyor roadway and excavation roadway， narrow space， a new type of underground drilling rig was designed. The drilling rig adopts split and crawler structure， has small width， high mobility in underground coal mines， uses compact combined frame with multi variation amplitude， can drill at all round pitching angle- multi- rows of hori- zontal holes in the coal roadway. The industrial test showed that the new type drilling rig has good flexibility ， good technological adaptability and low worker’s labor intensity， good application effect in complex drilling conditions. Key words compact type； whole section； split type； crawler drilling rig； frame with multi variation amplitude 井下钻机是进行瓦斯抽采、探放水等煤矿隐蔽 致灾因素探查和治理的关键装备，按其整体结构可 分为分体式爬履钻机和整体式履带钻机两大类。随 着我国煤矿对井下装备自动化程度要求的提高，整 体式履带钻机逐渐替代了分体式爬履钻机。 分体式爬履钻机井下依靠人工搬迁，辅助工序 时间长、施工效率低，但由于其各部分体积小，并 可根据钻场条件灵活布置，主要用于中小型矿井［1］。 整体式履带钻机是将主机、泵站、操纵台等部 分集成安装在履带平台上，具有井下机动性强，施 工效率高等特点［2-4］。由于整体式履带钻机体积偏 大，主要用于大中型矿井；当整体式履带钻机进行 钻孔施工时，设备和人员必须直接面对可能发生瓦 斯突出的钻孔孔口，存在一定安全隐患；整体式履 带钻机多用于近水平钻孔施工，调角范围小，不能 高效地进行大角度和多水平钻孔施工。 为了解决以上复杂条件钻孔施工难题，针对巷 道断面窄、运输通过尺寸小、钻孔角度调整范围大、 易突出等复杂钻孔施工条件，结合分体式爬履钻机 和整体式履带钻机的优点，设计了具有结构紧凑、 角度调整范围大、适合易突出煤层钻孔施工的新型 ZDY4300LF（A） 型 分 体 式 履 带 钻 机 （ 以 下 简 称 ZDY4300LF（A）型钻机），取得了良好的应用效果。 1 分体式履带钻机的设计 1.1 总体设计思路 ZDY4300LF（A）型钻机的总体设计思路是将钻 机主执行单元和动力操作单元分别置于两个履带车 ChaoXing 第 5 期 邬迪 ZDY4300LF（A）型分体式履带钻机的设计及应用 161 体上［5］，设计出具有单体尺寸小、井下机动性强、 钻机主机自由度多、调整范围大、稳固可靠，适合 不同复杂施工条件的新型煤矿用分体式履带钻机。 ZDY4300LF（A）型钻机（图 1）由泵车和钻车两部 分组成，电机泵组、油箱、主操纵台等动力/控制单 元集成于泵车上，而主机、机架等主执行单元集成 于钻车上。工作时，泵车和钻车通过高压胶管连接， 其相对位置可根据钻场条件灵活布置。 图 1 ZDY4300LF（A）型钻机 Fig.1 ZDY4300LF（A） drilling rig ZDY4300LF（A）型钻机的额定转矩、最大给进/ 起拔力、额定功率等基本参数如表 1。 表 1 钻机主要参数 Table 1 Parameters of drilling rig 参数名称 取值 额定转矩/Nm 4 300～1 050 额定转速/（r.min-1） 60～200 最大给进/起拔力/kN 90/120 仰俯角/（） 90～90- 方位角/（） 90～90- 水平开孔高度/m 1.25～2.25 额定功率/kW 55 钻车尺寸/m 2.30.852.1 泵车尺寸/m 2.60.851.4 1.2 多变幅组合式机架设计 ZDY4300LF（A）型钻机多变幅组合式机架（图 2） 宽度仅为 0.85 m，由上顶装置、主立柱、外举升油 缸、主机水平滑移油缸和调角回转支承轴承等部件 组成，通过机架的组合动作，实现主机水平开孔高 度、主机与孔口间距离、主机仰俯角度等大范围调 整，以及实现工作时主机的稳固。 其中，外举升油缸和主立柱中内置的内举升油 缸可实现三层主立柱的伸长和缩短，带动主机实现 水平开孔高度在 1.25～2.25 m 内调整， 可施工近水平 多排钻孔；主机水平滑移油缸可实现主机与孔口之 间的距离在 0.4 m 范围内调整，方便在夹持器与孔 口之间加装或拆卸孔口管；调角回转支承轴承驱动 1上顶装置；2主立柱；3外举升油缸；4主机水平滑移油缸； 5调角回转支承轴承；6主机 图 2 多变幅机架 Fig.2 Frame with multi variation amplitude 主机相对主立柱进行 0～90仰俯角的调整，实现巷 道全断面各种仰俯角度钻孔施工；主立柱中内置上 顶紧稳固油缸，油缸向上伸出，通过上顶装置，使 钻机顶紧巷道顶/底，减少施工时反扭矩对钻机的震 动，提高了钻机的安全性。 1.3 关键部件设计 ZDY4300LF（A）型钻机钻车部分宽度仅为 0.85 m， 而给进装置、回转器、夹持器、扶正装置等钻机关 键部件置于两根机架主立柱之间，这些关键部件的 宽度尺寸必须小于 0.55 m，因此在设计中对这些关 键部件进行优化设计，以满足尺寸和功能要求。 钻机夹持器用于起、下钻时夹持孔内钻具，并 与液压卡盘配合实现机械拧、卸钻杆［6 8］ - 。为了适应 钻机紧凑型布置，对夹持器进行了优化设计。新型 圆柱状复力夹持器（图 3）宽度仅为 0.32 m， 而传统卧 式夹持器宽度为 0.675 m。新型夹持器［9］采用卡瓦斜 面增力原理进行钻杆夹持，斜面增力角为 9，卡瓦 夹紧力大小合适，夹紧/松开响应速度快；夹持器采 用碟簧夹紧、油压辅助夹紧，防止进行大角度钻孔 施工时碟簧夹紧力不足，出现跑钻等事故。新型圆 柱状复力夹持器具有结构紧凑、夹紧力大等特点， 特别适用于紧凑型钻机。 图 3 圆柱状复力夹持器 Fig.3 Columnar double holder ChaoXing 162 煤田地质与勘探 第 44 卷 1.4 液压系统设计 ZDY4300LF（A）型钻机液压系统由钻车系统和泵 车系统两部分组成，通过高压油管将两部分连接［5］。 电机泵组、油箱、主操纵台等动力/控制系统均集成 在泵车上， 而钻车上仅集成了完整的钻机执行系统。 行走时，两车之间仅需连接 3 根胶管，工作时需连 接 12 根胶管，胶管的连接和拆卸通过快换接头完 成，方便快捷，密封可靠性高。 在钻机的液压系统中，具有卡转、卸扣等丰富 的联动功能，仅需 1 个指令，钻机 3～4 个部件可协 同工作，使得操作更简单、工人劳动强度更低。系 统中设置了必要的安全防护回路。例如针对大角度 穿层钻孔施工时，防止钻杆下滑伤人的防掉钻保护 回路；针对松软突出煤层钻孔施工时，若遇卡钻， 给进油缸能够自动回拉的防卡钻保护回路，提高了 系统的安全性［10 13］ - 。 为了使操作更便捷、可靠性更高，钻机液压系 统中增加了可调速行走回路和同步举升回路。 1.4.1 可调速行走回路设计 钻机行走过程中，需要通过调速回路控制其行 走速度，调速控制回路包括节流调速回路、容积调 速回路和容积节流调速回路。ZDY 系列钻机行走速 度是通过调节主阀开口量的大小进行控制，由于钻 机行走时负载大小不断变化或行走路面凹凸不平， 在使用手动换向阀或先导手柄控制主阀时，都会因 操作原因造成行走速度过慢或过快。 因此， ZDY4300LF（A）型钻机在行走系统中设计 一种新型可调速回路，原理如图 4 所示，将溢流阀、 可调式节流阀组成调速集成阀，通过插装阀形式集 成在行走主阀片间，通过节流阀的流量可由式（1）计 算出。当调速集成阀中节流阀的开口量调定后，通 过节流阀的进入行走回路的流量超过设定值后，节 流阀前后产生压差，打开溢流阀，多余流量通过溢 1功能转换阀；2调速集成阀；3左侧行走控制阀； 4右侧行走控制阀 图 4 可调速行走回路 Fig.4 Walking hydraulic circuit with controlable speed 流阀溢流，从而限定了最高行走速度，防止因误操 作造成钻机行走速度突然过快而产生危险；还可以 在阀口开度一定的情况下， 保证钻机行走的稳定性， 提高系统的舒适性。 d12 2 （）QCApp ρ - （1） 式中 Q 为流量，m3/s；Cd为流量系数；A 为阀口的 开度，m2；p1为入口压力，Pa；p2未出口压力，Pa； ρ 为液压油密度，kg/m3。 1.4.2 同步举升回路设计 为了能够适应多种水平开孔高度钻孔的施工， 设计了钻机主机的多级举升机构，在主机举升和下 降过程中，需要保证两边主立柱的同步性，否则钻 机的稳定性就要受到很大的影响。同步控制回路包 括流量控制回路、比例阀控制回路、串联缸控制回 路和同步马达控制回路。考虑到钻机的特殊使用工 况和环境，在系统中使用了高精度的分流集流阀， 分流集流阀具有体积小、重量轻、安装方便，可靠 性高和性能稳定等优点，利用负载压力反馈原理， 补偿因负载压力变化而引起流量的变化，按照一定 的流量比例向两边的油缸供油或接收回流，来保证 主机的稳定同步举升和下降。原理如图 5 所示。 1左侧举升油缸；2右侧举升油缸；3分流集流阀； 4功能转换阀；5泵 图 5 同步举升回路 Fig.5 Synchronous lifting hydraulic circuit 2 分体式履带钻机的应用 目前， ZDY4300LF（A）型钻机已在本煤层钻孔施 工、穿层钻孔施工、软煤钻孔施工等工况取得良好 的应用效果。 2.1 本煤层钻孔施工 ZDY4300LF（A）型钻机额定转矩为 4 300 Nm， 额定功率为 55 kW， 当钻孔孔径为 Φ0.095 m 时理论 钻孔深度为 300 m。钻机在黄陵二号井施工本煤层钻 孔 5 个，平均钻孔深度 122.4 m，最深孔深达 280 m。 ChaoXing 第 5 期 邬迪 ZDY4300LF（A）型分体式履带钻机的设计及应用 163 试验钻孔深度如表 2 所示。 表 2 钻孔纪录表 Table 2 Record of boreholes 钻孔编号 钻孔方位角/（） 钻孔倾角/（） 钻孔深度/m 1号 75 1 140 2号 75 3 52.5 3号 75 -1 73.5 4号 90 -2.5 66 5号 90 0 280 2.2 穿层钻孔施工 ZDY4300LF（A）型钻机仰俯角调角范围可达 0～90，在黄陵二号井施工底板穿层钻孔 5 个，最 大角度 87，对应孔深 117 m。通过试验验证，钻机 具有进行巷道全断面钻孔施工的能力。穿层钻孔角 度和对应深度如表 3 所示。 表 3 钻孔纪录表 Table 3 Record of boreholes 钻孔编号 钻孔方位角/（） 钻孔倾角/（） 钻孔深度/m 1号 -10 45 87 2号 -7 52 126 3号 -6 60 153 4号 -4 73 150 5号 -3 87 117 2.3 软煤钻孔施工 ZDY4300LF（A）型钻机在义煤集团义安煤矿进 行软煤钻孔施工时，在煤层硬度系数 f＜0.2 的施工 条件下， 配套使用 Φ0.095 m 整体式大通径宽翼片螺 旋钻杆和 Φ0.103 m 铰接可开合式复合片钻头， 风压 超过 0.6 MPa，施工钻孔 12 个，成孔 8 个，试验期 间成孔率达到 66％，最大孔深达到 103.5 m。其中， 钻孔的深度如表 4 所示。 表 4 钻孔纪录表 Table 4 Record of boreholes 钻孔编号 钻孔倾角/（） 钻孔深度/m 设计孔深/m 1号 0.5 83.5 2号 0 82.5 3号 1.5 81 4号 1.5 103.5 5号 0.5 100 6号 0 100.5 7号 -2 103.5 8号 -4 103.5 80 3 结 论 a. 钻机整体布局紧凑、宽度窄，适用于井下运 输条件差、钻机需要频繁让道的巷道施工工况。 b. 钻机自由度多、调节灵活，适用于近水平钻 孔、巷道全断面穿层钻孔等不同方位角、仰俯角和 水平多排钻孔的施工。 c. 钻机能力大、性能可靠，满足煤矿井下中 深钻孔的施工能力要求，尤其是在软煤地层条件 下，若遇塌孔，钻机具有良好的处理孔内事故的 能力。 参考文献 ［1］ 韩广德，金宝昌，丁祥发. 中国煤炭工业钻探工程学［M］. 北 京 煤炭工业出版社，2000. ［2］ 姚宁平， 孙荣军， 叶根飞. 我国煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工装 备与技术［J］. 煤炭科学技术，2008，36（3）12 16.- YAO Ningping，SUN Rongjun，YE Genfei. Equipment and technology of borehole construction for gas drainage in China underground mines［J］. Coal Science and Technology，2008， 36（3）12 16.- ［3］ 卢宁，赵继云，张德生，等. 煤矿井下全液压钻机的现状及发 展趋势［J］. 煤矿机械，2011（3）1 3.- LU Ning，ZHAO Jiyun，ZHANG Desheng，et al. Present situation and developing tendency of underground coal mine hy- draulic drilling machine［J］. Coal Mine Machinery，2011（3） 1 3.- ［4］ 姚克，孙保山，殷新胜，等. ZDY 系列履带定向钻机的研制 及应用［J］. 煤炭科学技术，2013，41（3）28 31.- YAO Ke， SUN Baoshan， YIN Xinsheng， et al. Development and application of ZDY series crawler mode directional drilling rig［J］. Coal Science and Technology，2013，41（3）28 31.- ［5］ 姚亚峰. 瓦斯抽采分体式履带钻机的独立行走液压系统设计 ［J］. 煤田地质与勘探，2014，42（3）105 108.- YAO Yafeng. Hydraulic system design of fission crawler inde- pendent walking drill rig for gas extraction in coal mine［J］. Coal Geology Exploration，2014，42（3）105 108.- ［6］ 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.- FANG Peng. Design of the track mounted ZDY4000LD（A） fully - hydraulic directional drilling rig［J］. Coal Geology Explora- tion，2014，42（4）93 96.- ［7］ 姚亚峰， 姚宁平， 彭涛. 松软煤层套管钻机夹持机构设计与分 析［J］. 煤炭科学技术，2013，41（6）73 76.- YAO Yafeng， YAO Ningping， PENG Tao. Design and analysis on clamping mechanism of soft seam casing drilling rig［J］. Coal Science and Technology，2013，41（6）73 76.- （下转第 167 页） ChaoXing 第 5 期 董昌乐等 整体式螺旋钻杆的研制及应用 167 参考文献 ［1］ 殷新胜，凡东，姚克，等. 松软突出煤层中风压空气钻进工艺 及配套装备［J］. 煤炭科学技术，2009，37（9）72 74.- YIN Xinsheng，FAN Dong，YAO Ke，et al. Medium pressure compressed air drilling technique and matched equipment in soft and outburst seam［J］. Coal Science and Technology， 2009， 37（9） 72 74.- ［2］ 冀前辉. 松软煤层中风压空气钻进供风参数研究及除尘装置 研制［D］. 北京煤炭科学研究总院，2009. ［3］ 胡振阳，李锁智，郭冬琼，等. 螺旋钻进技术在松软煤层瓦斯 抽采中的应用［J］. 西部探矿工程，2008，38（7）57 59.- HU Zhenyang，LI Suozhi，GUO Dongqiong，et al. The appli- cation of auger drilling technology during the gas extraction in loose and soft coal seams［J］. West-China Exploration Engineer- ing，2008，38（7）57 59.- ［4］ 湧郭. 宽叶螺旋钻中风压钻进技术在晋城某矿的应用［J］. 探 矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（3）48 51.- GUO Yong. Application of wide blade auger drill with medium air pressure in Jincheng coalmine［J］. Exploration Engineer- ing（Rock Soil Drilling and Tunneling），2012，39（3）48 51.- ［5］ 刘勇，殷新胜，刘建林. 松软煤层井下泡沫钻进工艺试验［J］. 煤田地质与勘探，2014，42（6）114-116. LIU Yong，YIN Xinsheng，LIU Jianlin. Underground foam drilling tests in soft seam［J］. Coal Geology Exploration， 2014， 42（6）114 116.- ［6］ 张宾. 肋骨钻杆中风压钻进技术在顾桥矿的应用［J］. 西部探 矿工程，2011，36（7）38 40.- ZHANG Bin. Application of auger drill with medium air pressure in Guqiao coalmine［J］. West-China Exploration Engineering， 2011，36（7）38 40.- ［7］ 石智军. 煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术与装备［J］. 煤炭科 学技术，2009，37（7）1 4.- SHI Zhijun. Construction technology and equipment for gas dri- nage borehole drilling in underground coalmine［J］. Coal Science and Technology，2009，37（7）1 4.- ［8］ 孙新胜，王力，方有向，等. 松软煤层筛管护孔瓦斯抽采技术 与装备［J］. 煤炭科学技术，2013，41（3）74 76.- SUN Xinsheng，WANG Li，FANG Youxiang，et al. Technology and equipment of screen pipe protected borehole of gas drainage in soft seam ［J］. Coal Science and Technology，2013，41（3） 74 76.- ［9］ 毛信孚， 傅莉， 刘申城， 等. 地质钻杆的摩擦焊接和热处理［J］. 航空制造技术，2007（5）93-95. MAO Xinfu， FU Li， LIU Shencheng， et al. Friction welding and heat treatment for geological drill rod［J］. Aeronautical Manufac- turing Technology，2007（5）93 95.- ［10］ 崔忠圻. 金属学与热处理［M］. 北京机械工业出版社， 1988. （责任编辑 聂爱兰） （上接第 163 页） ［8］ 孙保山. ZDY6000LD（B）型履带式全液压坑道钻机［J］. 煤田地 质与勘探，2014，42（4）103 105.- SUN Baoshan. ZDY6000LD（B） full hydraulic truck-mounted tunnel drilling rig［J］. Coal Geology Exploration， 2014， 42（4） 103 105.- ［9］ 冯德强. 钻机设计［M］. 武汉中国地质大学出版社，1993. ［10］ 姚克，凡东，殷新胜. 基于泵控液压技术的 ZDY4000L 履 带钻机液压系统［J］. 煤炭科学技术，2009，37（3）68 70.- YAO Ke，FAN Dong，YIN Xinsheng. Hydraulic system of ZDY4000L crawler driller base on pump controlled hydraulic technology［J］. Coal Science and Technology，2009，37（3） 68 70.- ［11］ 邬迪. 分体式履带钻机的研制与应用［J］. 金属矿山，2014（3） 120 123.- WU Di. Development and application of the split crawler drill- ing rig［J］. Metal Mine，2014（3）120 123.- ［12］ 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.- SUN Baoshan， YIN Xinsheng， TIAN Hongliang， et al. Hydr- aulic system of crawler type drilling rig based on load feed- back technology［J］. Coal Science and Technology，2011， 39（3）95 99.- ［13］ 姚亚峰，梁春苗，宋海涛，等. ZDY1450LG 型全液压坑道钻 机及其关键技术［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（6）124 127.- YAO Yafeng，LIANG Chunmiao，SONG Haitao，et al. Deve‒ lopment and key technology of fully hydraulic dril rig DY1450- LG［J］. Coal Geology Exploration，2015，43（6）124 12-7. （责任编辑 聂爱兰） ChaoXing