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Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 煤矿用窄体小型履带式定向钻机 李晓明 1， 韩 健 2， 姚亚峰2,3 （1.山西兰花科技创业股份有限公司， 山西 晋城 048000； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710007； 3.煤炭科学研究总院， 北京 100013） 摘要 针对现有定向钻机宽度尺寸大， 无法在常规进回风巷道进行跨带式输送顺层瓦斯钻孔 施工、 钻掘交替超前探施工以及其他狭小空间条件下的定向钻进施工等问题， 研制开发了宽度 仅为 0.95 m 的窄体履带式定向钻机。介绍了窄体小型履带式定向钻机平台及关键部件小型化 的研究， 分析总结了钻机液压系统的功能及特点。通过在山西晋城大阳煤矿的煤层陷落柱探查 钻孔试验表明 该钻机占用巷道空间小、 探查精确、 自动化程度高、 移孔换位快捷， 适合于常规进 回风巷道中的定向钻孔施工。 关键词 定向钻机； 窄体式； 陷落柱探查； 薄煤层； 钻掘交替 中图分类号 TD41文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0142-04 Narrow-body Directional Crawler Drilling Rig Used in Coal Mine LI Xiaoming1, HAN Jian2, YAO Yafeng2,3 （1.Shanxi Lanhua Sci-tech Venture Co., Ltd., Jincheng 048000, China;2.China Coal Technology 3.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China） Abstract For the problems that existing directional drilling rig with a large width could not drill crossing belt borehole in conventional roadway and could not use in the drilling-excavating alternately construction, a smaller crawler directional drill rig with width only 0.95 meter is developed. The paper introduces the research on miniaturized tracked directional drill rig plat and its components. The characteristics and functions of the hydraulic system are summarized and analyzed. The experiment to detect collapse column in Dayang Coal Mine proves that the new rig takes up little space when it works. Also it has the advantages of accurate detection, high degree of automation and flexibility. This new rig is suitable for drilling borehole in conventional roadway. Key words directional drill rig; narrow-body; collapse column detecting; thin seam; drill and dig alternately 随着煤矿开采深度、 强度及效率的提高， 对于钻 探相关技术及装备的要求也不断提升[1]。从 “十一 五”开始，由中煤科工集团西安研究院有限公司主 导开发的“随钻测量定向钻进技术”实现了煤矿井 下的受控钻探。并逐步研制了 ZDY4000LD （A） 、 ZDY6000LD、 ZDY12000LD、 ZDY15000LD 等 一 系 列 定向钻机[2]及配套装备， 同时还开发了有线通缆、 无 线电磁波、 无线泥浆脉冲等随钻测量系统[3-5]。 随着定向钻进技术及相关知识的推广、 普及， 越 来越多的矿区提出了对定向钻进技术的需求。例如 西南矿区的薄煤层高瓦斯矿井，采用定向钻进技术 可以实现跨工作面一次钻孔施工，大大提高了瓦斯 抽采效率， 降低施工量， 并节约了成本； 对于掘进工 作面的超前探施工，若采用定向钻进技术，也可以 大大提高前探距离及准确性， 进而提高掘进效率[6]； 新的煤矿防治水规程，提倡有条件的矿井采用定向 钻进技术进行常规探放水施工替代现有的普通回转 钻进施工。但是，目前市场上现有的定向钻机宽度 尺寸普遍都在 1.5 m 以上， 且无法进行方位角调节， 需要专做钻场再进行施工，故无法在普通进回风巷 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.030 李晓明， 韩健， 姚亚峰.煤矿用窄体小型履带式定向钻机 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 142-145. LI Xiaoming, HAN Jian, YAO Yafeng. Narrow-body Directional Crawler Drilling Rig Used in Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 142-145. 移动扫码阅读 142 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 2上开口夹持器下放钻具示意图 Fig.2Installation diagram for drilling tools 道内施工，也无法与掘进机交替并行进行超前探施 工，极大的限制了定向钻进技术在以上需求领域的 推广及应用。 针对上述问题，研制了窄体小型履带式定向钻 机， 该钻机采用履带自行式， 宽度尺寸仅为 0.95 m， 主要针对 300 m 内各类精确钻孔施工， 能在普通巷 道内进行跨带式输送机侧帮施工，钻机自动化程度 高， 机动灵活。 在山西晋城大阳煤矿的试验验证表明 该钻机施工占用空间小， 施工效率高、 稳定可靠。 1钻机的设计方案 结合各个矿区对于定向钻机小型化的要求， 小 型定向钻机的开发需着重解决以下 3 方面问题 ① 钻机车体平台的小型化开发；②相关部件的小型化 设计； ③配套液压系统的开发。 根据小型定向钻机的用途、常规巷道尺寸及定 向钻具规格等参数，钻机的主要性能参数设计为 ①最大转矩 4 000 N m； ②最高转速 210 r/min； ③ 制动扭矩 1 000 N m；④给进力 110 kN；⑤起拔 力 123 kN；⑥行走速度 2 km/h；⑦运输状态尺寸 （长宽高） 3 900 mm950 mm1 995 mm。 2钻机车体平台的小型化 钻机车体平台承载着钻机所有部件，决定着钻 机整体的宽度。 研制宽为 0.95 m 的车体平台主要需 要解决功能部件在车体有限空间内合理布局以及施 工状态下整机的稳定性问题。由于占用空间最大的 防爆电机及油箱的尺寸相对固定，所以需要进一步 提高其余部件的集成度， 提高空间利用率， 此外， 还 需兼顾维护保养过程中的便利性。为此，钻机通过 相关部件的小型化设计，采用立体式布局，更加合 理的利用了平台空间， 保证了平台宽度不超过 0.95 m。小型化履带车体平台如图 1。 此外，钻机在施工状态下的稳固能力也是设计 中需要着重考虑的方面。定向钻进配套钻具不同于 常规普通钻具， 其价格相对昂贵， 施工过程中若无法 处理孔内事故将造成巨大的经济损失。钻机处理孔 内事故过程中， 需要进行强力起拔动作， 而过窄的车 体平台严重影响钻机在强力起拔过程中的稳定性， 进而影响事故处理并产生安全隐患。所以本车体平 台设计了可沿钻机宽度方向伸出的下稳固装置， 最 大稳固宽度可达 1 390 mm， 显著提高了钻机在极端 工况下的稳固性。 3相关部件的小型化 3.1窄体上开口夹持器 夹持器在施工时主要用于夹持孔内钻具及配合 动力头拧卸钻具， 为了适应整机的小型化设计， 夹持 器进行了窄体化设计。与传统夹持器[7-8]相比， 本窄 体夹持器采用单活塞腔式设计，主油缸活塞内部设 计有腔体，既作为主油缸活塞又作为夹紧油缸的外 缸体。这样消除了夹紧油缸所占用的宽度，大大缩 短了整体宽度尺寸。 定向钻进施工过程中， 下放上、 下无磁钻杆、 孔 底马达及探管时，由于在普通顺槽巷道内没有专用 钻场，故很难有足够的空间从动力头后方送入以上 钻具。而本夹持器具备上开口打开功能，可直接从 动力头和孔口间下放以上钻具， 避免了移机让位， 大 大简化了下放钻具的过程，提高了施工效率。上开 口夹持器下放钻具示意图如图 2。 3.2给进装置的小型化 钻机在施工状态下，履带车体沿巷道长度方向 放置， 给进装置沿巷道宽度方向布置， 所以给进装置 的长度也是影响钻机施工状态下占用巷道空间的主 要因素。本给进装置将给进油缸置于夹持器下方的 机身内部， 大大提高了给进装置内部的空间利用率， 同时采用铰轴耳环式油缸，有效的降低了油缸的总 图 1小型化履带车体平台 Fig.1Miniaturized track plat 143 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 4制动及回转保护液压原理 Fig.4Hydraulic principle of brake system 图 3给进装置 Fig.3Propulsion device 长， 在保证给进装置行程 600 mm、 起拔力 123 kN 的 基础上， 将整体长度将为了 1 800 mm。给进装置如 图 3。 3.3操纵台的小型化 常规的操纵台内部由多种阀块组合而成，各阀 块间采用液压油管连接[9]， 这样造成了操纵台整体 占用空间较大。为了进行操纵台的小型化，开发设 计的一体式集成阀组，集合了回转调压调速、快速 给进、慢速调压调速给进、联动功能操作等所有与 钻进相关的功能，并且大大降低了占用空间。阀内 部的油道代替了原有的油管连接，减少了泄漏点， 可靠性大大提高。而且所有功能阀组都采用螺纹插 装形式，维护保养更为方便。操纵台占用空间的大 大降低也让电机泵站、操纵台及冷却器形成了立体 式布局， 为整机的小型化创造了条件。 4配套液压系统 孔底马达的工具面向角决定着钻孔钻进的轨 迹，在定向钻进施工过程中，通常要求动力头制动 装置处于主轴制动状态，以保证工具面向角不发生 偏移。但在实际操作的中，操作人员时常会出现的 误操作，例如在未解除制动状态下操作正转或反 转，进而对制动装置造成冲击，久而久之影响制动 装置的可靠性，后果轻则影响钻孔轨迹，重则会损 坏孔底马达， 造成巨大经济损失。为此， 本钻机液压 系统设计了定向钻进回转保护功能，在制动状态下 会切断动力头马达的进油，防止误操作对制动装置 造成冲击。 在制动装置的供油方式上，常规定向钻机为了 实现回转保护功能及其他联动功能，多采用连续式 供油[10]， 即使采用恒压变量泵， 制动状态下泵阀及相 关管路也都处于高压状态；而本液压系统采用点动 式供油，通过设计开发先导零泄漏式换向阀及单向 阀， 实现了制动油路的持续保压， 即制动状态下， 泵 阀处于卸荷状态。系统制动及回转保护原理如图 4。 5现场试验 钻机现场试验在山西晋城大阳煤矿环边界探水 巷 3307 准备工作面展开。该巷道宽 3.5 mm、 高 3.5 m， 巷道边侧带有 1.3 m 高的带式运输机。根据前期 的三维地震勘探资料显示工作面周围陷落柱发育较 多， 其中 X81 陷落柱， 长轴 267 m， 短轴 94 m， 严重 影响回采生产。为了该工作面下一步的施工计划及 工作面布置规划，决定应用窄体小型履带式定向钻 机，利用定向钻进技术验证陷落柱 X81 在 3307 准 备工作面内的发育情况和导含水情况。 为了能够全面覆盖陷落柱范围，本次钻探在环 边界探水巷左帮 1 390 m 处，设计施工钻孔 10 个， 呈扇形布置。 施工采用φ75 mm 钻头、φ63.5 mm 外螺 旋螺杆马达、φ63.5 mm 的通缆钻杆的钻具组合并配 套 260 L/min 的泥浆泵。 现场试验顺利完成钻孔 11 个， 孔深大于 200 m 的钻孔 7 个， 总进尺 2 100 m。探测结果表明 X81 陷 落柱的实际范围仅为三维地震测量结果的 1/4。物 探、钻探的有效结合实现了对陷落柱范围精准圈 定，为下一步回采工作面的设计及布置提供了可靠 依据。 6结语 窄体小型履带式定向钻机主要针对 300 m 以内 的精准钻探施工， 钻机宽度仅为 0.95 m， 钻机操作 自动化程度高，在井下机动灵活，施工时占用巷道 空间小， 无需专做钻场， 可直接在普通巷道跨带式输 送机进行定向钻进施工； 现场试验表明 该窄体小型 履带式定向钻机， 施工效率高、 探测精准， 充分展示 144 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 形-渗透特性试验研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2011， 28 （4） 542-547. ［8］ 姚邦华.破碎岩体变质量流固耦合动力学理论及应用 研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2012. ［9］ 马丹.破碎岩体变质量非 Darcy 流渗透性试验研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2013. ［10］ 王路珍.变质量破碎泥岩渗透性的加速试验研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2014. ［11］ YU Bangyong, CHEN Zhanqing, WU Jiangyu. Experi－ mental Investigation on Seepage Stability of Filling Material of Karst Collapse Pillar in Mining Engineering ［J］ . Advances in Civil Engineering, 2018 （8） 1-10. ［12］ 郁邦永.胶结破碎岩石非 Darcy 流渗透特性试验研 究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2017. ［13］ 张天军， 庞明坤， 彭文清， 等.三轴应力下胶结破碎煤 岩体渗流稳定性 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2019， 36 （4） 834-840. ［14］ 郁邦永， 陈占清， 吴疆宇， 等.变质量胶结破碎岩石非 Darcy 流渗透特性试验研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2017， 46 （2） 321-327. ［15］ 郁邦永， 陈占清， 戴玉伟， 等.饱和破碎砂岩压实过程 中粒度分布及能量耗散 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2018， 35 （1） 197-204. 作者简介 郁邦永 （1987） ， 江苏邳州人， 讲师， 博士， 2017 年毕业于中国矿业大学， 主要从事破碎岩体渗流力学 及试验设备开发方面的教学及科研工作。 （收稿日期 2020-03-26； 责任编辑 王福厚） （上接第 141 页） 了定向钻进技术的优势，准确的圈定了陷落柱的实 际范围，为矿方后续的生产安排、工作面布置提供 了可靠的依据；该钻机外形尺寸小，特别适用于例 如常规巷道内的探放水施工、薄煤层大倾角跨工作 面瓦斯抽采钻孔施工、钻掘交替超前探施工等一 系列由于现场空间限制而影响定向钻进技术应用 的领域。 参考文献 ［1］ 石智军， 姚克， 田宏亮， 等.煤矿井下随钻测量定向钻 进技术与装备现状及展望 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 47 （5） 22-28. ［2］ 李泉新， 石智军， 田宏亮， 等.我国煤矿区钻探技术装 备研究进展 ［J］ .煤田地质与勘查， 2019， 47 （1） 1-6. ［3］ 汪凯斌.YSDC 矿用电磁波随钻测量系统及在煤矿井 下空气钻进中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （1） 153-156. ［4］ 李泉新， 褚志伟.矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发 生装置设计 ［J］ .工矿自动化， 2019， 45 （8） 32-37. ［5］ 胡振阳， 张甲迪， 郝世俊， 等.泥浆脉冲式随钻测量系 统在高位定向孔中的应用 ［J］ .探矿工程， 2019， 46 （3） 20-24. ［6］ 刘基， 赵忠证， 丁湘.千米定向钻机在高压探放水中的 应用研究 ［J］ .煤炭工程， 2014， 46 （11） 36-38. ［7］ 彭涛.大行程复合式氮气弹簧夹持器的设计 ［J］ .煤矿 安全， 2019， 50 （1） 114-116. ［8］ 梁春苗.定向钻机顶部开合夹持器设计 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （8） 114-119. ［9］ 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. ［10］ 方鹏.15 000 N m 大功率定向钻机关键技术研究 ［J］ .煤田地质与勘察， 2019， 47 （2） 7-12. 作者简介 李晓明 （1970） ， 山西晋城人， 高级工程师， 硕士，山西兰花科技创业集团有限责任公司董事长兼总经 理， 主要从事煤炭开采技术和管理等方面的工作。 （收稿日期 2019-12-26； 责任编辑 李力欣） 145