切缝钻机在110工法顶板预裂钻孔施工中的应用研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202006016 收稿日期 2019-08-08 作者简介 李旭涛1985, 男, 陕西商洛人, 硕士, 助理研究员, 现在主要从事煤矿设备的研究、 设计和推广工作, E-mail lixutao cctegxian. com。 引用格式 李旭涛, 范铁君, 雷晓辉, 等. 切缝钻机在 110 工法顶板预裂钻孔施工中的应用研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 526 72-75. 切缝钻机在 110 工法顶板预裂钻孔施工中的应用研究 李旭涛1, 范铁君2, 雷晓辉1, 吴云鹏2 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077; 2. 黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司 东荣三矿, 黑龙江 双鸭山 155100 摘 要 煤矿巷道顶板预裂钻孔施工是 “110” 工法施工的关键技术, 针对该工法顶板预裂钻 孔施工效率低、 劳动强度大, 缺乏专用设备等问题, 研发了 ZDY2-300LM 型切缝钻机, 该钻机具有 双钻臂、 定位精准及施工效率高等特点, 并在龙煤集团双鸭山矿业有限公司东荣二矿进行了推广应 用, 使用效果良好。 并根据井下施工特点, 总结出一套适用于切缝钻孔的施工工艺方法, 该钻机的 成功应用为 “110” 工法的广泛推广提供了装备保障, 为类似顶板预裂钻孔施工提供了参考。 关键词 切缝钻机; 110 工法; 施工工艺; 顶板预裂钻孔; 调角装置 中图分类号 TD421 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202006-0072-04 Application of slitting drilling in roof pre-cracking drilling construction with 110 LI Xu-tao1, FAN Tie-jun2, LEI-Xiao-hui1, WU Yun-peng2 1. CCTEG Xi’an Research Institute, Xi’an 710077, China; 2. Dongrong No. 3 Mine, Heilongjiang Longmei Shuangyashan Mining Co. , Ltd. , Shuangyashan 155100, China Abstract The pre-cracking drilling construction of coal mine roadway roof is the key technology of 110 construction . For the construction , the pre-cracking drilling is of low efficiency, high labor intensity and lacks special equipment. The ZDY2-300LM type slitting drilling machine is developed. The rig has the characteristics of double-drilling arm, precise positioning and high construction efficiency, which was applied in the Dongrong No. 2 Mine, showing favorable effect. According to the characteristics of underground construction, a set of construction techniques for slitting drilling is summarized. The successful application of the drilling rig provides equipment support for the extensive promotion of 110 construction , and offers references for similar roof pre-cracking construction. Keywords slitting drilling rig; 110 construction ; construction process; roof pre-cracking; angle adjustment device 切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术又称为 “110” 工法[1,2], 即采用恒阻锚索对巷道顶板加强 支护, 回采前对巷道正帮侧顶板定向预裂, 待工作 面推过后, 在矿压的作用下, 顶板沿预裂切缝自动 切落形成巷帮, 作为下一个工作面巷道二次使用[3], 实现了一个工作面一条巷道煤柱开采。 该技术的实 施概括为 “拉得住、 切得开、 下得来、 护得住”。 其中, 顶板切得开又是定向预裂的重要环节, 因此, 定向预裂孔的施工就要专业可靠的钻孔施工 设备保证[4]。 中煤科工集团西安研究院有限公司以 下简称西安研究院研制的 ZDY2-300LM 型煤矿用 履带式全液压坑道钻机以下简称切缝钻机是一款 专门用于顶板预裂钻孔施工的专用设备, 2019 年 初, 西安研究院与龙煤集团双鸭山矿业有限公司东 荣二矿进行合作, 进行了现场推广应用。 1 巷道地质条件 根据东荣二矿生产实际需求, 切缝钻机试验场 地布置在南四 17 层二面下料道, 南四 17 层二面平 均 走 向 约 583m, 倾 向 长 约 189m, 面 积 为 27 第52卷第6期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 6 106106. 4m2, 开采上线标高为-280m, 下线标高为 -380m, 17 层煤无伪顶, 直接顶为 1. 25m 深灰色粉 砂岩, 17 层煤无直接底, 下为 4m 深灰色粉砂岩, 具体地质情况见表 1。 表 1 南四 17 层二面顶板地质情况 顶底板名称岩石名称厚度/ m岩性特征 基本顶细粒砂岩3. 5 灰色、 坚 硬、 波 状 层 理、 裂隙发育 直接顶深灰色粉砂岩1. 25 深灰色, 含较多植物化石 碎屑 与 上 覆 岩 层 呈 渐 变 接触 伪顶无无 无 老顶灰白色粗砂岩10. 4 灰白色, 分选差含微量小 砾石, 胶结坚硬 2 切缝钻机 试验设备采用西安研究院研制的 ZDY2-300LM 型切缝钻机, 是一种可进行煤矿巷道顶板、 边帮锚 杆索孔施工的钻孔设备, 主要用于切顶卸压自动 成巷无煤柱开采技术应用。 该钻机具有定位精确、 移动灵活、 施工快速、 结构简练、 安全可靠、 维护 方便等优点, 可大幅降低工人劳动强度, 改善作业 环境, 提高作业效率。 ZDY2-300LM 型切缝钻机外形结构如图 1 所示, 主要由操作台、 工作臂、 电磁启动器、 液压油箱、 调角装置、 电机泵组、 履带车体和散热装置组成, 切缝钻机主要技术参数见表 2。 图 1 ZDY2-300LM 型切缝钻机 2. 1 调角装置 调角装置主要由调节螺栓、 侧推油缸、 回转减 速器及侧推底板组成, 结构如图 2 所示。 通过调节 螺栓安装位置的不同, 可实现等间距双钻孔 2. 4m 和 2. 5m 同时施工。 回转减速器作为工作臂的承载部 件, 又是工作臂倾角调节机构, 可实现垂直于机身 方向-30 90范围调节, 满足预裂钻孔角度施工 要求[5,6]。 通过侧推油缸推动侧推底板, 实现工作臂 垂直于车体方向, 外移 350mm, 补偿钻机机身与巷 道侧帮停车距离, 解决钻孔角度偏离问题。 表 2 切缝钻机主要技术参数 类别名称参数 回转器 额定转矩/ Nm300 额定转速/ rmin -1 350 额定压力/ MPa21 给进 装置 额定压力/ MPa22 最大给进力/ kN20 最大起拔力/ kN8 行程/ mm1100 主轴倾角范围/ -3090 液压 泵站 电动机额定功率/ kW45 油泵额定压力/ MPa22 油箱有效容积/ L260 行走 装置 最大行走速度/ kmh -1 1. 8 爬坡能力/ 15 电磁 起动器 额定压力/ V1140/660 控制电压/ V36 整机 配套钻杆直径/ mm38 配套钻头直径/ mm50 质量/ kg5000 外形尺寸/ m3. 10. 852. 1 图 2 调角装置 2. 2 给进装置 给进装置主要由上顶油缸、 给进杆组件、 给进 油缸、 回转器组成。 在回转减速器作用下, 工作机 构可以左右偏转一定角度, 满足预裂钻孔角度要求, 给进装置通过油缸链条组合, 实现倍程倍速, 提高 钻孔效率。 2. 3 液压系统 液压系统是切缝钻机的动力源, 由隔爆电动机、 液压油泵、 液压油箱 、 冷却器及换向阀等组成, 为 保证液压系统的正常运行, 在泵站上设计有吸油滤 油器、 回油滤油器、 空气滤清器及液位计等保护装 置, 液压油泵具有交叉传感恒功率控制方式, 能感 知压力的变化, 自动调节泵的排量、 系统稳定, 性 能可靠。 2. 4 电气系统 电气系统由一台 YBK2-225M-4660/1140型 37 2020 年第 6 期 煤 炭 工 程 施工技术 隔爆电动机、 QJZ28060 /1140660矿用隔爆兼 本质安全型真空电磁起动器、 BZA3-5/36-1J 矿用 隔爆型急停按钮及 DGE24/36L 型矿用隔爆型 LED 机 车灯等组成。 3 现场应用情况 3. 1 场地条件 切缝钻机在东荣二矿南四 17 层二面下料道进行 推广应用, 该巷道为矩形巷道, 部分区段 11以上的 坡度, 煤层平均厚度 2. 86m, 该煤层无伪顶, 直接 顶为 1. 25m 深灰色粉砂岩, 老顶为 10. 4m 灰白色粗 砂岩, 根据矿方顶板预裂钻孔施工要求钻孔直径 50mm, 开 孔 角 度 10, 孔 间 距 500mm, 孔 深 9000mm。 切缝钻孔施工方式如图 3 所示。 图 3 切缝钻孔施工示意图mm 3. 2 施工工艺 钻孔施工采用 ZDY2-300LM 型切缝钻机, 配套 长 1000mm 的 Φ38mm 钻杆及 Φ50mm PDC 三翼弧角 钻头, 钻机液压系统冷却、 钻头冷却采用井下静压 水, 钻机具有双钻臂结构, 双钻臂可同时施工互不 干涉。 钻机运至下料道之后, 自行走至施工场地, 通过支腿调整, 使得车体平台处于近水平位置, 然 后通过钻架侧移、 回转和上顶稳固, 满足顶板爆破 预裂钻孔角度要求[7,8], 具体施工流程如图 4 所示。 3. 3 试验效果 钻机自 2019 年 1 月 10 日开始陆续钻孔施工, 期间由于水便接头磨损, 导致耽搁 2d, 其他机构运 转正常。 经协调整改, 于 1 月 13 日正式进行钻孔施 工, 因钻机施工效率较高, 且只需满足钻孔爆破数 量需求即可[9,10], 因此钻机只在早班进行施工作业, 截至 5 月中旬, 南四 17 层二面已经全部回采完成, 共计施工钻孔 1116 个。 在打钻施工过程中, 以打钻施工各项工序为基 图 4 钻机工作流程示意图 础, 统计单根安装时间、 单根钻进时间和单根卸钻 时间, 各工序时间对照见表 3。 表 3 钻机施工钻孔情况统计表 日期单根安装/ s单根钻进/ s单根卸钻/ s 2019-01-15169525 2019-01-17129222 2019-01-19138321 2019-01-21188515 2019-01-23169317 2019-01-25139819 2019-01-27159420 2019-01-29179121 2019-01-31168223 而且统计出, 钻机移位、 支腿稳固、 钻架侧移、 上顶稳固、 循环介质、 单根安装、 单根钻进和单根 卸钻时间, 具体各工序时间对照如图 5 所示。 图 5 钻机施工工序时间对照 西安研究院生产的 ZDY2-300LM 型切缝钻机与 某厂家生产的, 在同煤层、 同巷道使用的 ZLJ1000L 型钻机, 对比分析两种钻机结构特点, 见表 4。 对比 分 析 可 以 看 出, 就 每 班 总 进 尺 而 言, ZDY2-300LM 钻机较 ZLJ1000L 型钻机提高近 73, 且在整机功率, 散热, 加卸钻杆方面有明显优势。 需要说明的是, ZDY2-300LM 型钻机是针对 “110 工法” 切缝钻孔研制的专用钻机, 而且采用双钻臂, 47 施工技术 煤 炭 工 程 2020 年第 6 期 可独立操作施工, 因此施工效率远远高于非专用 钻机。 表 4 钻机施工效果对比 类型 ZDY2-300LM 型 切缝钻机 ZLJ1000L 全液压履带钻机 设备尺寸/ m3. 10. 852. 12. 50. 91. 8 钻机主要参数 功率/ 扭矩/ 泵 压/ 给进力/ 自重 45kW/300Nm/21MPa /20kN/5000kg 22kW/1000Nm/15MPa /9kN/2200kg 钻臂数量/ 个21 钻具钻头/ mm 38mm 外平中空钻杆 PDC50mm 35mm 外平中空钻杆 PDC45mm 加卸钻方式液压夹持器液压夹持器 散热方式循环水散热循环水散热 施工钻孔参数 直径/ 长度/ 夹角 50mm/9000mm/80 50mm/9000mm /80 最大施工效率19 个/ 班11 个/ 班 每班总进尺寸171m99m 4 结 论 切缝钻机在东荣二矿井下工业性试验约四个月, 共计施工顶板预裂钻孔 1100 余个, 为后续 “110 工 法” 爆破施工及工作面的安全回采奠定了基础, 具 体应用情况总结如下 1 切缝钻机在东北地区顶板预裂钻孔施工作业 尚属首次, 且切缝钻机采用双钻臂施工, 与之前矿 方所使用的钻机相比, 钻孔施工效率提高 73。 2 切缝钻机各项性能均满足 “110 工法” 切缝 钻孔施工需求, 钻机移动便捷, 钻进施工稳定性好, 施工效率高, 钻臂调整精准, 钻孔定位准确; 且钻 机具有优良的钻孔保直率, 为顶板爆破切缝施工提 供装备保障。 3 根据现场施工特点, 总结了一套适用于切缝 钻机的顶板预裂钻孔施工工艺, 满足爆破装药孔精 准施工要求, 为类似条件下 “110 工法” 爆破孔施 工提供借鉴。 参考文献 [1] 何满朝, 宋振骐, 王 安, 等. 长臂开采切顶短臂梁理论及 其 110 工法 第三次矿业科学技术变革 [J].煤炭科技, 20171 1-13. 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