双臂钻机在掘进工作面探放水钻孔施工中的应用.pdf

doi 10. 11799/ ce202111012 收稿日期 2020-12-07 作者简介 阚志涛1985, 男, 河北迁安人, 硕士, 主要从事煤炭井下钻探技术与装备的研发、 推广工作, E-mail kanzhitao 163. com。 引用格式 阚志涛, 孙道明, 魏军贤, 等. 双臂钻机在掘进工作面探放水钻孔施工中的应用 [J]. 煤炭工程, 2021, 53 11 57-60. 双臂钻机在掘进工作面探放水钻孔施工中的应用 阚志涛1, 孙道明1, 魏军贤2, 李旺年1 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077; 2. 山西高河能源有限公司, 山西 长治 047100 摘 要 针对煤矿巷道掘进工作面探放水钻孔数量多、 施工速度慢的问题, 研制了一款机身 窄、 移动灵活、 具有两个工作臂的分体式履带钻机, 并在高河煤矿 E2308 主运输巷掘进工作面进行 了现场应用。 结果表明 钻机结构设计合理, 安全可靠, 作业辅助时间缩短 30, 钻孔效率提高 60, 为类似矿井掘进工作面探放水钻孔施工提供了借鉴及指导。 关键词 双臂钻机; 煤矿巷道; 探放水钻孔; 钻孔时间 中图分类号 TD421. 4 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202111-0057-04 Application of twin boom rig in water exploration and discharge drilling of heading face KAN Zhi-tao1, SUN Dao-ming1, WEI Jun-xian2, LI Wang-nian1 1. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Xian 710077, China; 2. Shanxi Gaohe Energy Co. , Ltd. , Changzhi 047100, China Abstract Aiming at the problems of large quantity and slow construction in the water exploration and discharge drilling of heading face in coal mine roadway, a split crawler drilling rig with narrow body, flexible movement and twin boom was developed. It was used in the heading face of E2308 belt gateway in Gaohe Coal Mine. The results show that the drilling rig has a reasonable, safe and reliable structure, whose operation assistance time is shortened by 30 and the drilling efficiency is increased by 60. The technology can provide reference and guidance for similar construction of water exploration and discharge holes of heading face in other coal mines. Keywords twin boom rig; coal mine roadway; water exploration and discharge drilling; drilling time 煤矿水害是指煤矿掘进或回采过程中, 在水压、 矿压等因素综合作用下, 煤层顶、 底板充水水源沿 断层、 陷落柱、 导水裂缝带等导水通道突然涌入矿 井的现象。 它是威胁煤矿安全生产的主要危害之一, 矿井一旦发生水害事故常常会造成重大人员伤亡及 财产损失。 而从水害事故发生的地点来看, 掘进工 作面为主要的透水地点[1,2]。 在巷道掘进施工前进行 掘进工作面探放水施工, 已成为遏制掘进工作面水 害事故的主要措施。 而探放水施工中需要施工大量 的钻孔, 因此钻机性能将直接影响探放水钻孔的施 工效率, 进而影响巷道的掘进速度和煤炭产量。 煤矿通常使用气动架柱式钻机、 分体钻机及 ZLJ 系列坑道钻机进行掘进工作面探放水钻孔施工。 其 中, 气动架柱式钻机以压缩空气做动力, 质量较小、 易于搬迁, 但能力普遍较小, 安全性差; 分体钻机 使用液压油作为介质传递能量, 由主机、 泵站及操 作台三部分组成, 结构简单紧凑、 安全可靠、 操作 维护方便, 但是主机与泵站部分质量较大, 搬迁移 动困难, 工人劳动强度大; ZLJ 系列坑道钻机采用 机械传动、 液压给进, 体积小, 操作灵活, 成本低, 但也存在质量较大, 搬迁困难的问题, 且施工时需 要预先对钻机进行稳固, 辅助时间长, 施工效率 低[3-7]。 针对这一情况, 国内学者也开展了相关研 究。 梁 春 苗 等 设 计 了 一 款 浅 孔 探 放 水 钻 机 ZDY1300L, 它将泵站、 主机及操作台集成于履带 上, 移位和钻进效率高, 辅助时间和工作量小, 并 75 第53卷第11期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 53, No. 10 万方数据 a 钻车 b 泵车 具有大角度, 多方位孔的施工能力[8]; 李栋研制了 一种 高 转 速、 长 行 程, 适 用 于 300m 孔 深 的 ZDY3500T 型探放水专用钻机, 并通过型式试验验证 了设备的可靠性[9]。 这两种钻机可以满足井下探放 水钻孔的施工要求, 但我国大多数煤矿为了更全面 地反映掘进工作面前方的水文地质情况, 往往需要 在掘进工作面施工多个不同方位、 角度的探放水钻 孔, 因此单一工作臂的钻机在一定程度上已无法满 足煤矿巷道快速掘进的要求。 鉴于此, 本文介绍一 款机身窄、 移动灵活、 稳固调角速度快、 可同时施 工两个钻孔的 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机, 并 在高河煤矿 E2308 主运输巷掘进工作面进行了探放 水钻孔施工, 钻孔的施工效率显著提高, 取得了良 好的应用效果。 1 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机如图 1 所示 采用分体履带形式, 由钻车和泵车两部分组成, 钻 车是执行机构, 泵车是动力源, 两者之间通过液压 胶管连接, 主要性能参数见表 1。 图 1 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机结构 表 1 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机的主要性能参数 主要性能参数 工作臂数量/ 个2 额定转矩/ Nm1000280 额定转速/ r/ min90280 最大给进/ 起拔力/ kN45 给进/ 起拔行程/ mm1200 主轴倾角/ -9060 水平方位角/ -9090 钻孔深度/ m≥100 钻孔直径/ mm≤75 配套钻杆直径/ mm42/50/73 电机功率/ kW75 钻车外形尺寸/ m33. 01. 02. 1 泵车外形尺寸/ m32. 91. 01. 8 1. 1 钻车 钻车由左主机、 左主操作台、 左姿态调整操作 台、 右主机、 右主操作台、 右姿态调整操作台、 主 辅助操作台、 钻车行走操纵台、 钻车履带车体及稳 固装置组成。 左主机和右主机分别设置于钻车履带 车体的两侧, 两者组成基本相同, 均由回转器、 夹 持器、 给进机构、 变幅机构、 旋转装置及下滑动平 台组成, 旋转装置左右对称安装。 下滑动平台可使 两主机主轴的间距在 1. 21. 9m 范围内调节, 旋转 装置可使主轴方位角在-90 90的范围内调节, 变幅机构可使主轴仰俯角在-90 60的范围内调 节, 钻机主轴调节范围广, 巷道适应性强。 给进机 构采用新型油缸加双链条倍程倍速结构形式, 整体 尺寸小、 给进行程大。 回转器采用中心通孔式结构, 通过更换卡瓦, 可夹持直径 42mm、 50mm、 73mm 等三种不同规格的钻杆, 满足多种直径钻孔施工需 求。 钻车履带车体包括车体平台及履带底盘, 车体平 台和履带底盘之间设置有液压旋转支撑, 当钻车到达 工作地点后, 通过液压旋转支撑可实现车体平台与履 带底盘相对转动, 使工作臂正对掘进工作面, 无需反 复调整履带底盘。 稳固装置包括上稳固油缸和下稳固 油缸, 施工过程中上顶下撑, 保证整机稳定。 1. 2 泵车 泵车由电机泵组、 泵车行走操纵台、 防爆机车 灯、 急停按钮、 电磁起动器、 泵车履带车体、 油箱、 冷却器、 液压水泵等部件组成。 电机泵组由 75kW 隔爆型三相异步电动机、 联轴器、 泵座及串联液压 泵组成。 串联液压泵均采用进口元件, Ⅰ泵设定的 压力为 10MPa, 控制液压水泵为钻孔施工提供最高 压力 10MPa, 最大流量 100L/ min 的冲洗液; Ⅱ泵设 定压力为 23MPa, 通过阀组可实现对泵车行走、 左 主机姿态调整及左主机回转器的回转、 给进和起拔 的控制; Ⅲ泵设定压力与Ⅱ泵相同, 通过阀组控制 钻车行走、 右主机姿态调整及右主机回转器的回转、 给进和起拔外, 还能实现对下稳固油缸及液压旋转 支撑的控制。 Ⅳ泵设定压力为 10MPa, 可控制两个 工作臂夹持器、 卡盘的独立动作, 并通过减压阀为 主操作台上的先导手柄供油。 此外, 在Ⅳ泵油路中 设置了切换手柄, 当泵车行走时, 通过切换手柄使 Ⅳ泵液压油直接流回油箱, 减少压力损失。 电磁起 动器用于控制电动机的起动、 停止及防爆机车灯的 开合, 具有过载、 断相、 短路等保护功能。 2 E2308 主运输巷掘进工作面探放水施工 方案 2. 1 E2308 主运输巷概况 山西高河能源有限公司是潞安集团下属的一座 85 施工技术 煤 炭 工 程 2021 年第 11 期 万方数据 年轻的现代化高产高效矿井, 位于山西省长治市长 治县境内, 生产能力为 750 万 t/ a。 矿井采用立井单 水平分区式开拓方式, 采用单水平开采直接排水系 统, 在副立井井底设中央水仓和泵房。 井田属海河 流域浊漳河水系, 主要河流为浊漳河南源, 雍河和 岚水河为其支流, 均常年有水。 矿井目前开采 3 号煤层, 埋藏深度为 420 540m, 平均厚度为 6. 71m。 3 号煤层以亮煤为主, 夹镜煤及暗煤, 光亮煤型, 结构简单, 普氏硬度 1 3。 煤层含 0. 15m 夹厚矸, 矸石为碳质泥岩, 灰黑 色, 中厚层状, 泥质结构。 煤层之上为中粒砂岩, 厚度平均 3. 49m, 成份以石英石为主; 煤层之下为 直接泥岩-细粒砂岩, 泥岩平均厚度为 0. 49m, 含丰 富的植物根化碎石片。 3 号煤层主要水害来源为顶 底板砂岩裂隙水、 底板奥灰岩溶水、 井田内及周边 煤矿采空区积水以及地表水。 E2308 主运输巷沿 3 号煤层底板掘进, 南边为 E2308 工作面, 西接为北 翼回风大巷东大巷, 北接 E2309 工作面。 运输巷总 长度为1264. 6m, 断面为矩形, 宽5. 3m, 高3. 65m。 2. 2 钻孔布置参数 为保证 E2308 主运输巷安全掘进, 掘进工作面 共布置 4 个探放水钻孔组成工作面 “超前钻探” 系 统, 如图 2、 图 3 所示。 钻孔深度与掘进进尺的关 系 钻孔深度达 100m, 掘进进尺 70m, 预留 30m 安 全距离; 如果钻孔深度达不到 100m 时, 减去 30m 的安全距离, 剩余长度为允许掘进进尺。 掘进工作 面探放水钻孔具体参数见表 2。 图 2 钻孔布置示意图 图 3 钻孔剖面示意图 mm 表 2 钻孔参数表 钻孔 编号 钻孔 方位 角/ 钻孔 倾角 / 孔口 高 / mm 孔深 / m 备注 19071800100巷道中央 2105718001051孔左侧 1000mm 375718001051孔右侧 1000mm 490923001051孔正上方 500mm 3 现场应用 3. 1 钻机施工工艺流程 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机在 E2308 主运 输巷进行了掘进工作面探放水钻孔施工, 施工流程 如图 4 所示。 施工时, 配套钻具采用直径 75mm 金 刚石复合片内凹钻头和直径 50mm、 长度 1000mm 的 高强度外平钻杆。 钻机液压系统冷却器用水采用井 下静压水, 为防止静压水压力过大损坏冷却器, 水 路中增加截止阀。 为缩短辅助时间, 提高钻孔效率, 采用中间加杆、 后端卸杆的加卸钻杆方式, 无需反 复拆卸水便。 图 4 钻机施工工艺流程 3. 2 应用情况 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机在 E2308 主运 输巷掘进工作面共完成探放水钻孔施工 6 次, 最大 钻孔深度 200m。 施工过程中, 采用了井下静压水及 液压水泵两种方式提供冲洗介质。 当使用井下静压 水作为冲洗介质时, 单工作臂 2. 5h 可施工完成 100m 钻孔, 双工作臂同时施工 3h 可施工完成 2 个 100m 钻孔; 当使用液压水泵提供冲洗介质时, 单工 作臂 2 小时即可施工完成 100m 钻孔。 试验期间, 钻 机移动灵活, 稳固调角速度快, 辅助时间缩短 30, 钻孔效率提高 60, 有效解决了钻掘交替矛盾问题, 提高了有效工时利用效率, 经济效益显著。 95 2021 年第 11 期 煤 炭 工 程 施工技术 万方数据 3. 3 效果对比 在 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机施工以前, 矿方采用 ZLJ-350 型坑道钻机进行掘进工作面探放 水钻孔施工。 两者施工效果对比如下 ZLJ-350 型 坑道钻机重量大、 井下搬迁困难, 进行掘进工作面 探放水钻孔作业时需先对钻机进行固定, 工人劳动 强度大, 且由于钻机能力较小, 完成 2 个 100m 钻孔 大概需要 3 个工作班每个工作班 8 小时的时间; 而 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机采用分体履带形 式, 井下移动灵活快捷; 机身窄, 可与掘进机交替 进行施工; 回转器扭矩大、 转速高, 钻孔施工效率 较 ZLJ-350 型坑道钻机大幅提升, 从而有效地保障 了煤矿巷道的快速、 安全、 高效掘进。 4 结 语 1 ZDY2-1000LF 型双臂探放水钻机采用分体 履带形式, 机身窄、 移动灵活; 钻机配备两个工作 臂, 可单独施工, 也可同时施工两个不同方位、 角 度的钻孔, 稳固调角速度快、 钻孔效率高; 2 钻机调角范围广, 巷道适应性强, 作业辅助 时间短, 工人劳动强度低, 掘进工作面探放水钻孔 施工效率高, 为煤矿巷道安全高效掘进提供了可靠 的装备保障; 3 钻机能够很好地适应煤矿巷道掘进面探放水 钻孔的施工需求, 现场的应用实践为其他类似矿井 巷道掘进工作面探放水钻孔施工提供了很好的借鉴 及指导。 参考文献 [ 1 ] 沈宝宏, 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. 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