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第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY ultra-deep borehole; high-power; compound directional drilling; coal mine 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 8 煤田地质与勘探 第 47 卷 随着技术的进步和施工装备的发展，采煤工作 面长度已经超过 3 000 m， 为满足超长工作面瓦斯综 合治理需要，在“十一五”科研成果的基础上，“十二 五”国家科技重大专项开展了大功率定向钻进技术 与装备的研发，重点在本煤层超长定向钻孔施工和 顶板高位钻孔施工方面进行了探索，经过示范和推 广，煤层瓦斯抽采钻孔深度不断刷新记录，为矿井 瓦斯治理和安全生产管理提供有效的技术和装备支 持，煤层超长距离定向钻进技术也被越来越多地应 用到超长工作面瓦斯抽采钻孔施工1-3。同时，随着 矿井生产强度和采矿深度的增加，在工作面推进过 程中，采空区和邻近煤层中的瓦斯涌入，严重威胁 了矿井的安全生产4-6。为了解决上述问题，在“十 二五”期间， 依托研制的大功率定向钻进装备在顶板 大直径定向钻孔方面进行了研究，在解决上隅角瓦 斯问题上取得了一定效果。经过在淮南矿区的推广 应用，顶板高位大直径定向钻孔抽采瓦斯效果得到充 分认可，因其具有施工效率高、抽采效果好、降本增 效显著的特点， 为以孔代巷提供了可行方案5-7。 然而， 由于顶板大直径定向钻孔施工过程受岩层地质条件 的影响，对钻进装备的能力提出不同需求，为了满 足该技术日益发展的需要，在原有 12 000 Nm 定向 钻机基础上开发能力更大的钻进装备，形成系列化 的大功率定向钻机产品显得尤为必要。 基于以上分析，论文结合 15 000 Nm 大功率定 向钻机设计的基本需求， 提出具体解决方案的思路， 并结合钻机设计中的关键技术进行了详细介绍。 1 技术研究思路 1.1 基本需求分析 由于考虑顶板高位大直径定向钻孔钻进过程 中，钻遇复杂破碎岩层时需要采用回转钻进方式实 现钻孔延伸，以及在本煤层枝状钻孔群超长距离定 向钻孔施工中需采用复合定向钻进工艺技术，提高 钻进施工效率，因此，钻机需要具备回转钻进、定 向钻进和复合定向钻进的基本功能；为满足超长工 作面瓦斯抽采钻孔施工需要，钻机需具备 1 500 m 以上超深定向钻孔施工能力；为解决钻进过程中不 可避免的卡、埋钻等钻孔事故，钻机需具备大扭矩 输出和大给进/起拔能力，实现强力回转和起拔的目 的；另外还需要结合岩、煤层地质条件，开发与超 长距离定向钻进施工工艺相适应的功能结构和控制 方法7。 1.2 技术解决方案 在上述基本功能需求分析基础上进行钻机整体 结构、关键部件以及液压控制系统的设计，确定钻 机的主要技术参数表 1。 表 1 钻机主要技术参数表 Table 1 The main parameters of directional drilling rig 主要性能 参数 额定转矩/Nm 15 0003 500 额定转速/rmin-1 40135 主轴制动转矩/Nm 3 000 主轴通孔直径/mm 135 主轴倾角/ 1020 额定给进/起拔力/kN 250 给进/起拔行程/mm 1 200 电机额定功率/kW 132 外形尺寸/mm 4 2001 6001 900 利用数字化技术，从钻机的关键技术方面开展 研究；通过模块化设计思路，解决大功率定向钻机 关键部件的结构和功能开发，创新研制回转、夹持、 调角和制动等关键结构部件；通过关键参数核算、 三维虚拟装配、CAE 分析等手段，实现钻机一体 化紧凑型布局；采用恒功率控制、负载敏感和比例 先导控制技术， 开发适应复杂工况条件的钻机专用 液压系统，降低钻机的故障率，提高钻机工作可靠 性8。 2 关键技术研究 基于钻机设计的基本需求分析和解决方案，主 要对总体布局设计、大能力回转器与托板分析、大 开口夹持器设计、动力与液压系统设计、关键部件 模块化设计等关键技术进行研究。 2.1 总体布局设计 结构布局及传动方式是履带式钻机设计需要首 先解决的问题，因其直接影响钻机外形尺寸，结构 类型和整机功能，同时还影响制造的容易性、加工 成本、产品的易用性和可维护性9。结合大功率定 向钻机施工要求，钻机采用全液压驱动、履带自行 和动力头式结构，通过 2 列布局结构，实现紧凑型 设计需要，钻机外形结构如图 1 所示。 1操纵台；2主机；3液压泵站；4稳固装置； 5履带车体；6防爆电脑 图 1 钻机外形结构 Fig.1 Structural configuration of directional drilling rig 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 第 2 期 方鹏 15 000 Nm 大功率定向钻机关键技术研究 9 履带车体底盘上集成布局主机、操纵台、液压泵 站，各部件通过液压管路实现功能连接。为有效增大 给进行程，主机中心与双履带平行布局，通过液压油 缸和地锚实现钻机的快速可靠固定。另外，总体布局 还需重点解决好各执行部件的操作可视性和操纵台的 舒适性与美观性问题。根据定向钻进施工需要，防爆 电脑集成设计在操纵台右侧， 便于随时观测钻孔数据。 2.2 大能力回转器与托板分析 回转器通过托板与钻机给进装置连接，并传递 给进和起拔力，因此回转器形式和托板结构与强度 直接影响钻机的性能和可靠性。 2.2.1 大能力回转器设计 回转器是驱动钻具回转，提供回转速度和扭矩 的关键部件，同时还兼顾机械化拧卸钻杆和处理孔 内事故需要10。为了解决大能力输出和小型化设计 的矛盾，采用双液控变量液压马达作为驱动单元， 经行星齿轮和斜齿轮两级减速后，实现转速和转矩 的输出，回转器传动原理如图 2 所示。根据输出转 矩要求，和一级齿轮传动比取值 36 的设计原则， 计算选取回转器总传动比 i， 并对 2 级传动比进行合 理分配设计。 图 2 回转器传动原理图 Fig.2 Transmission schematic of rotary head 回转器采用通孔式结构， 结合 ZDY 系列钻机液 压卡盘结构，对关键零件进行优化设计，使主轴通 孔直径达到 135 mm，可满足多种型号钻具使用需 要。通过对齿轮传动系统分析，对齿轮的材料、结 构和表面硬度进行设计和优化，使优化后的回转器 具备 15 000 Nm 转矩输出能力和较高的传动效率。 同时在驱动端设计湿式摩擦片式抱紧装置，提供定 向钻进的制动需要。 2.2.2 托板设计与分析 拖板是主机单元的重要部件，用于连接回转器 和给进机身，并将给进力传递给回转器，实现沿给 进机身导轨的前后运动11。为了提高托板的结构强 度，采用整体式结构经铸造而成；为了在起、下钻 过程中保护钻杆丝扣，在液压系统功能回路设计基 础上，对托板与给进油缸连接部位进行特殊设计， 结构如图 3 所示。 图 3 托板浮动连接结构图 Fig.3 Floating connection structure of layer board 作为钻机的主要受力部件，对托板结构进行分 析可达到最优设计的目的。通过三维设计软件建立 托板实体模型，并进行网格划分，选择单元类型为 隐式线性三维应力减缩积分并检验网格划分的质 量；结合托板实际运动时的受力分析，通过建立参 考点来替换回转器主轴的中心，并在参考点施加最 大给进力和回转转矩方式对实际外载荷进行等效处 理，通过静力学仿真，得到托板的应力和形变图， 如图 4 所示。 图 4 托板应力和形变图 Fig.4 Stress and strain diagram of layer board 根据图4分析结果， 托板的最大应力为85.0 MPa， 大部分应力分布低于 80.0 MPa；最大形变值为 0.180 mm，发生在托板后方横方向筋板的中部区 域。托板由铸钢 ZG270-500 制成，材料的许用应力 为 270.0 MPa，因此其强度设计和应力与形变均符 合设计要求。 对于应力超过 80.0 MPa 的部分可增大 局部倒角；因中间开口处长条筋板的应力和形变较 小，可不做调整；可在托板后上部形变较大的两筋 板间加设竖筋，形成工字型结构，对于托板的变形 能起到较好的抑制作用。 2.3 大开口夹持器设计 承载类型是夹持器设计的基础，由于钻机需具 备一定倾角调节和 1 500 m以上超长钻孔施工能力， 因此其承载主要由钻具质量和反扭矩两种负载类型 承担。为提高钻具夹持动作的响应速度，采用碟簧 夹紧和油压松开方式，设计直接型常闭式复合夹持 结构12。 碟簧产生的夹紧力主要用于夹持孔内钻具， 所需的最大夹紧力 F1主要克服钻孔内钻杆的自重， 计算公式为 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 10 煤田地质与勘探 第 47 卷 1 sin/2 FG nf 1 式中 G 表示单根钻杆的重量，kN；n 表示钻杆的数 量； 表示钻孔的最大倾角，；f 表示钻杆和卡瓦 接触的摩擦系数，一般取 f0.3。 根据 F1值选择合适的碟形弹簧， 结合结构设计 尺寸和碟形弹簧作用力的标准公式计算其工作点的 作用力 p2，当 p2F1时即可满足孔内钻具夹持需要。 为了机械化拧卸钻杆，夹持器满足最大反扭矩 所需的夹紧力计算公式为 F2M/df 2 式中 M 表示钻机的额定转矩，Nm；d 表示钻杆直 径，mm。 采用复合式结构的夹持器，在回转器反转拧卸 钻杆时，通过碟簧和液压油缸共同作用提供最大夹 持力F， 当FF2时即可满足反转卸扣时的夹紧需要。 以此为条件，根据液压油缸计算公式即可核算夹持 器油缸直径参数，从而指导夹持器结构设计。 夹持器功能设计方面， 设计上开口拉杆结构， 结 合夹持器油缸行程和最大外形尺寸要求， 优化设计最 大开口距离达到 200 mm，可解决粗径钻具快速通过 的难题； 夹持器前端设计了与其通孔同心且高度可调 的扶正装置，实现正常钻进时对钻具的导向作用13。 2.4 动力与液压系统设计 液压系统的设计和液压元件的计算选型，以及 动力单元的配套直接影响钻机的输出性能，需要结 合钻机的应用工况对其进行研究。 2.4.1 液压系统设计 根据钻机执行机构的主要功能，将其液压系统 分为钻进系统、辅助系统和行走系统。结合超长距 离复合定向钻进工艺对于钻机功能的需求分析，将 钻进系统设计快慢速 2 种驱动模式，分别采用 2 组 独立的泵控容积调速系统，减小 2 种模式操作的相 互影响， 可分别对回转和给进单元进行精准调控14。 采用三泵开式液压系统方案，结合负荷传感、恒压 变量、恒功率控制和比例先导技术，实现改善回转 和给进工况，以及节能的目的，且可满足钻进系统 多执行机构单独控制的要求15。结合基本需求和功 能分析，设计系统组成形式如图 5 所示。 图 5 液压系统组成形式 Fig.5 Composition pattern of hydraulic system 根据液压系统组成形式分析，对各关键回路进 行设计。分别对回转、给进、辅助和行走等回路进 行原理设计和参数计算； 专门针对大功率钻机特点， 设计钻杆丝扣保护、定向钻进保护、行走闭锁、防 掉钻保护、扭矩切换等多种功能回路，提高系统安 全性。 2.4.2 动力单元设计 根据液压系统设计原理，采用三串式液压油泵 作为动力驱动单元， 通过防爆电机直接驱动的方式， 减小安装尺寸，选用的液压油泵基本参数见表 2。 表 2 液压油泵基本参数表 Table 2 The basic parameters of hydraulic oil pump 泵型 最大排量/ mLr-1 工作压力/ MPa 最高转速/ rmin-1 控制 方式 泵 0160 28 2 100 LRDS 泵 071 26 2 200 DFR1 泵 028 21 3 000 DRG 根据所选取的液压油泵性能参数，初步核算动 力单元的最大功率 NB，基本计算公式为 B 1 /60 n iii i Np Q 3 式中 pi表示液压油泵的额定工作压力，MPa；Qi 表示泵的实际输出流量，可根据泵的排量和实际转 速计算得到，L/min；i表示泵的总效率，柱塞式液 压油泵一般取 i0.9。 钻进施工时，钻机分别由泵和泵驱动，实 现回转和给进的独立控制。 由于实际工况泵不会同 时出现最高压力和最大排量输出， 且泵只提供所 需压力和很小流量，钻机的驱动功率可按最大值 NB的 70选取，以此作为动力系统功率选型的主 要依据。 2.5 关键部件模块化设计 为了提高产品个性化定制的响应速度，对于钻 机的关键部件采用模块化设计思想，对其功能、性 能和用途进行分析和合理划分，在此基础上对产品 的零件进行标准化设计，形成具有不同独立功能的 模块单元。根据大功率钻机的设计要求，将给进装 置、调角机构、操纵台、液压油箱、防爆电脑、履 带车体、稳固装置等关键部件划分成具有特定功能 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 第 2 期 方鹏 15 000 Nm 大功率定向钻机关键技术研究 11 的属性模块，使其在系列化大功率钻机中达到通用 配套需要16。以操纵台为例，对于各种功能回路采 用集成设计方式，选用标准功能模块进行开发17。 针对特定工况，对部分部件的功能结构进行适当优 化调整。 为提高复杂岩层钻进施工时主机的稳定性和施工 效率， 通过分析计算， 采用2根110 mm/55 mm-1200 双 杆双作用给进油缸，配套设计可更换式耐磨导轨结构 的给进装置，可有效提高顶板高位大直径钻孔碎岩过 程中给进导轨的抗冲击性，同时可与 12 000 Nm 大功 率定向钻机所采用的 V 型导轨给进装置互换，形成 2 种给进装置模块，结合施工要求，可进行灵活配 置。 3 性能测试试验 钻机性能测试是检验钻机设计性能指标的有效 手段，需开展负载性能、过载性能、空载性能和温 升等测试内容18。利用国家安全生产西安勘探设备 检测中心试验平台，进行钻机负载性能测试，分别 节选低速和高速 2 种状态的测试结果表 3。 表 3 钻机负载性能测试结果 Table 3 Test results of load perance of drilling rig 序号 输入功率/kW 转矩/Nm转速/rmin-1 状态 1 122.8 15 113 42 2 122.8 15 115 42 3 122.8 15 112 42 4 122.8 15 116 42 低速 5 122.0 3 620 157 6 122.0 3 618 157 7 122.0 3 621 157 8 122.0 3 620 157 高速 测试结果显示钻机的转速、转矩等关键性能参 数满足设计要求，其他测试结果也符合 15 000 Nm 大功率定向钻机企业标准的相关规定。 4 结 论 a. 通过对 15 000 Nm 大功率定向钻机关键技 术的研究，解决了整机大功率配套、大能力输出和 紧凑型布局设计的矛盾， 提高了钻机的工艺适应性， 提升了整机性能和关键部件的使用寿命。 b. 钻机的性能测试验证了整机的各项技术指 标均达到设计要求，为超长距离工作面本煤层瓦斯 抽采钻孔和复杂煤层顶板高位大直径钻孔施工，提 供了一套成熟可靠的钻进装备保障。 c. 采用模块化的设计思想，可以有效提升钻机 关键部件的通用性，降低研发和生产成本，对于提 高大功率定向钻机的用户个性化定制开发响应速度 具有重要的现实意义。 d. 持续开展大功率定向钻机关键技术的深入 研究，并进行相关技术的后优化设计，为产品的 不断完善和指导相关产品的研发提供了切实可行 的思路。 参考文献 1 申宝宏，刘见中，张泓. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策J. 煤 炭学报，2007，327673679. 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