ZDY系列全液壓履帶鉆機的研制及應用研究

姚 克

（中國煤炭科工集團西安研究院，陜西省西安市，710077）

ZDY系列全液壓履帶鉆機的研制及應用研究

姚 克

（中國煤炭科工集團西安研究院，陜西省西安市，710077）

介紹了全液壓履帶鉆機研制的必要性和迫切性，闡述和分析了全液壓履帶鉆機研制的重點研究內容和關鍵技術，對ZDY系列全液壓履帶鉆機的主要規(guī)格型號、技術性能參數(shù)、銷售以及煤礦井下應用情況進行了說明。實踐證明，全液壓履帶鉆機在煤礦井下瓦斯抽采施工中的應用優(yōu)勢明顯。

瓦斯抽采 全液壓履帶鉆機 研制 應用研究

根據我國煤層地質條件和瓦斯賦存特點，我國自主開展了適合我國特點的煤礦順煤層、鄰近層和采空區(qū)瓦斯抽放技術體系與成套裝備研究。全液壓動力頭式坑道鉆機已成為我國煤礦鉆進瓦斯抽放鉆孔主導機型。目前，煤礦井下在機巷和風巷沿煤層傾向方向施工的本煤層順層鉆孔多為平行式、扇形和交叉網狀的密集布孔，鉆孔數(shù)量多，成孔速度要求高，鉆機搬遷頻繁。無論是爬履式鉆機還是步履式鉆機搬遷穩(wěn)固相對困難，不但增加了輔助時間和勞動強度，而且容易造成液壓系統(tǒng)的污染，降低鉆機的可靠性和成孔效率。在這種情況下，性能可靠、鉆進能力大、適用范圍廣、操作簡單且便于維護使用的履帶式全液壓鉆機將成為煤礦井下瓦斯抽采的主要設備。

1 全液壓履帶鉆機的研制

全液壓履帶鉆機在煤礦井下瓦斯抽采施工中的優(yōu)勢明顯，由于具有履帶自行行走功能，設備在各鉆場間快速搬遷移位，減輕勞動強度的同時又大大提高瓦斯抽采鉆孔施工工效。全液壓履帶鉆機主要進行了包括主機、泵站、操縱臺3部分在內的鉆機結構設計和液壓系統(tǒng)及其與輔助裝置匹配等方面的研究。

1.1 ZDY系列全液壓履帶鉆機結構布局

全液壓履帶鉆機結構布局根據煤礦巷道條件和抽放鉆孔布置方式的不同有多種型式，其中包括鉆機設備下井方式、巷道寬度尺寸是否滿足鉆機轉彎掉頭的要求、鉆機平臺上是否配套安裝泥漿泵和啟動開關電柜等附屬設備、鉆機配套泥漿泵是電機驅動還是液壓驅動型式、鉆機是否在帶式輸送機巷跨帶式輸送機鉆孔、鉆孔是本煤層多排密集布置還是鉆進有大角度要求的鄰近層穿層鉆孔以及提供操作的良好視野性和安全性等等，這些都是直接影響并決定鉆機結構布局的關鍵因素?？梢钥隙ǖ氖牵茈y有一種可以滿足所有用戶所有要求的鉆機設備，往往因需（人）而異，因礦而異。

ZDY系列全液壓履帶鉆機結構布局見表1，有平行式（鉆機主機與履帶平行）、橫置式（鉆機主機與履帶垂直）、轉盤式（鉆機主機與履帶平行或垂直，主機帶轉盤）、兩體式（鉆車和泵車）幾種型式。無論是哪種結構型式，大多數(shù)礦井都需要將鉆機尺寸做小、鉆進能力做大、重量做輕，甚至是非常個性化的改造設計以適應狹小的巷道條件。但這也不是絕對的，鉆機的自身重量重和結構尺寸大反而會被有些巷道條件好的礦井作為優(yōu)勢來利用，如晉煤寺河礦本煤層密集孔成孔深度多在200m左右，1個班即可完成鉆孔和封孔的任務，鉆機設備無須進行嚴格的穩(wěn)固，單靠鉆機設備本身的重量就可克服鉆機回轉時的反扭矩和給進時的反作用力，鉆機開到位就打，打完就走，機動靈活，達到成孔目的的同時還節(jié)省了輔助時間，提高了工作效率。

表1 ZDY系列全液壓履帶鉆機結構布局

1.2 ZDY系列全液壓履帶鉆機液壓系統(tǒng)

ZDY系列全液壓履帶鉆機液壓系統(tǒng)按功能對應分為履帶行走系統(tǒng)、鉆機鉆進系統(tǒng)和輔助功能回路三部分。其中履帶行走系統(tǒng)主要實現(xiàn)履帶鉆車安全行走、轉彎和制動。鉆機鉆進系統(tǒng)中的回轉回路為鉆具提供回轉動力，給進回路為鉆具提供鉆進的給進力和起拔力，從而實現(xiàn)鉆具回轉和鉆進的復合動作，并根據相應的鉆探工藝實現(xiàn)加壓鉆進和減壓鉆進。輔助功能回路主要實現(xiàn)鉆機諸如履帶車體平臺的穩(wěn)固和機身傾角的調整等功能。ZDY系列全液壓履帶鉆機典型液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 ZDY系列全液壓履帶鉆機典型液壓系統(tǒng)工作原理

1.2.1 履帶行走底盤液壓系統(tǒng)

由于履帶鉆機在特定的巷道條件中行走，所以主要要求為有勁、安全，而對于行走的速度要求略低于對行走操控性和爬坡能力的要求。ZDY系列全液壓履帶鉆機左右履帶的行走由同一個液壓泵來供油，并由一組液控先導閥控制比例多路換向閥中的前兩聯(lián)來實現(xiàn)。采用具有停車自動自鎖和過載保護等回路行走馬達總成可以有效解決坡道駐車等問題，而帶有壓力補償器的多路閥會保持閥的進出口壓力差為恒定值，出口的流量不會瞬間發(fā)生很大的變化，不會造成兩側履帶由于油液流量差別大導致速度失調，很好地解決了系統(tǒng)單油泵為雙馬達轉動供油的壓力協(xié)調和流量分配問題，從而保證履帶鉆車在行走過程中不會因地面負載阻力的變化導致意外事故的發(fā)生。

1.2.2 鉆進液壓系統(tǒng)

針對液壓傳動控制特點與鉆探工藝對鉆機液壓系統(tǒng)的要求，ZDY系列全液壓履帶鉆機設計了由負載敏感泵和負載敏感多路閥以及比例遠控先導閥構成的開式循環(huán)液壓系統(tǒng)，有雙泵系統(tǒng)和三泵系統(tǒng)，其中向回轉機構和液驅泥漿泵馬達供油的泵采用負載敏感泵，多路閥采用具備負載反饋功能的液控比例多路換向閥，從而構成了負載敏感液壓系統(tǒng)。給進機構推進采用恒壓變量泵，鉆機工作的給進和回轉部分為兩個泵各自獨立工作獨立的系統(tǒng)，這樣在鉆進時鉆進參數(shù)調節(jié)更為方便，滿足回轉參數(shù)與給進參數(shù)獨立調節(jié)的要求。

1.2.3 穩(wěn)固調角等輔助功能回路

ZDY系列履帶鉆機穩(wěn)固調角等輔助功能回路的高壓油來自恒壓變量泵，恒壓變量泵由遠控溢流閥設定壓力，該壓力值就是履帶車體平臺在穩(wěn)固時穩(wěn)固油缸的壓力，可以根據需要適時調整到需要的數(shù)值。

2 ZDY系列全液壓履帶鉆機性能及需求分析

ZDY系列全液壓履帶鉆機是結合用戶市場并利用國家部委相應資金項目的支持進行研發(fā)推廣的瓦斯抽采鉆孔施工裝備，可為煤礦井下瓦斯抽采提供品種多樣、性能優(yōu)異的鉆孔施工裝備和配套工藝技術。ZDY系列全液壓履帶鉆機技術性能參數(shù)見表2。

表2 ZDY系列全液壓履帶鉆機技術性能參數(shù)

中煤科工集團西安研究院2000年以來鉆機銷售臺數(shù)與銷售額統(tǒng)計分析見圖2和圖3。

3 ZDY系列全液壓履帶鉆機典型應用

ZDY系列全液壓履帶鉆機在晉煤集團、陽煤集團、寧煤集團、神東公司、淮南礦業(yè)集團和淮北礦業(yè)集團等多個煤業(yè)集團下屬礦井得到了廣泛應用，具有明顯的示范效應。

3.1 回轉鉆進鉆機應用實例

晉城煤業(yè)集團由東向西開采沁水煤田的南部井田，隨著東部低瓦斯礦區(qū)資源枯竭，集團公司的產量重心已經向成莊礦和寺河礦高瓦斯礦區(qū)轉移。針對高瓦斯礦井瓦斯賦存和涌出的規(guī)律特征，兩礦相繼建立了本煤層抽放、采空區(qū)抽放和地面鉆孔抽放三大系統(tǒng)，豐富和改進了抽放工藝方法，實施了強化抽放戰(zhàn)略，建立并加強了專業(yè)的抽放隊伍，配套了相應科學合理的管理制度、安全措施和循序漸進的激勵機制提高抽放水平及效果。抽放量以逐年翻番的速度遞增，2004年高瓦斯礦井的抽采量在標準狀態(tài)下已經突破1億m3。

晉城高瓦斯礦區(qū)3＃煤層開采層具有瓦斯含量大、壓力高、透氣性好、煤質較硬、厚度適中、傾角小、適合在本煤層布孔抽放的特點。成莊礦和寺河礦充分利用這些有利條件，陸續(xù)引進各種型號的分體式鉆機和ZDY6000L、ZDY1200L、ZDY1900L型全液壓履帶鉆機以及ZDY6000LD（A）型和VLD－1000型千米定向鉆機作為瓦斯抽放鉆孔施工的主力機型在本煤層中進行區(qū)域性抽放，擴大了抽放范圍，提高了本煤層抽放效果，緩解了高瓦斯礦井的通風與采掘銜接的矛盾。

成莊礦和寺河礦在工作面圈定前2～3年就將工作面煤體劃定為抽放區(qū)域順煤層布置鉆孔進行預抽放，施工順層鉆孔深度普遍達到300～400m。在巷道掘進過程中，工作面煤層內每隔150m設鉆場施工扇形長鉆孔來抽放圈定區(qū)域內和掘進面前方的瓦斯，鉆孔長度在200m左右。圈出工作面后，在另一側巷道內向工作面煤體內再布置平行順層鉆孔進行抽放，這些順層鉆孔平行于工作面或迎向工作面成一定角度。針對工作面走向越往里開采時間越早和采前預抽時間越短的特點，有意識地加密鉆孔，孔距布置在2～5m之間，實施強化抽放戰(zhàn)略。2009年全年利用ZDY系列全液壓履帶鉆機實現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔施工420000m的總進尺。2010年利用ZDY6000LD（A）型千米定向鉆機完成井下定向長鉆孔最大主孔深度1059m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰。

3.2 定向鉆進鉆機應用實例

通過在煤層頂?shù)装逯惺┕な釥钽@孔，以此解決國內很多煤礦存在煤層較軟、瓦斯壓力大、容易塌孔抱鉆和不易在煤層中施工瓦斯抽放鉆孔的難題，這項國家“十一五”的重大科研成果相繼在陜西、山西、淮北和焦作等地多家煤礦推廣應用。2010年寧煤集團汝箕溝礦利用ZDY6000LD（A）型千米定向鉆機進行本煤層鉆孔施工（見圖4），定向長鉆孔最大主孔深度超過1000m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰。2011年8月彬長公司大佛寺煤礦利用ZDY6000LD坑道定向鉆機及配套技術和裝備，在現(xiàn)場試驗期間完成深度達1212m定向長鉆孔，創(chuàng)造了國產自主知識產權技術與裝備在煤礦井下定向鉆孔施工的最高水平。

圖4 寧煤汝箕溝礦定向長鉆孔實鉆軌跡圖

4 結語

由于ZDY系列全液壓履帶鉆機具有履帶式自行行走功能以及液壓系統(tǒng)設計采用負載傳感和比例先導控制技術方式，在實際使用過程中便于實現(xiàn)遠程控制和節(jié)能，便于在各鉆場間快速搬遷穩(wěn)固，縮短了鉆孔輔助時間，減輕了工人勞動強度，大大提高了瓦斯抽采鉆孔施工工效，有力保障了礦井通風安全，尤其是定向分支長鉆孔的鉆進技術應用越來越受到煤礦用戶的青睞。

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Development and application of ZDY series all hydraulic crawler drillers

Yao Ke

（Xi＇an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Xi＇an，Shaanxi 710077，China）

The necessity and the urgency of the development of all hydraulic crawler driller were introduced.The important issues and key technology for the development of all hydraulic crawler driller were described and analyzed.The main product specifications，technical parameters，sales and application status for ZDY series all hydraulic crawler drillers were classified and introduced.The application showed that all hydraulic crawler driller has obvious advantages in the gas drainage construction for coal mines.

gas drainage，all hydraulic crawler driller，development，application

TD4.25

B

姚克（1973－），男，寧夏人，高級工程師，1997年畢業(yè)于中國地質大學（武漢）探礦工程專業(yè)，現(xiàn)在中煤科工集團西安研究院工作，主要從事ZDY系列鉆機的研制推廣和鉆進工藝的研究工作，發(fā)表論文近二十篇。

（責任編輯 路 強）