薄煤層全斷面履帶式鉆機關鍵技術

汪 蕓

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來，在我國豐富的煤炭資源中占有比重很大的薄煤層煤炭資源受到開采的重視，薄煤層存儲總量大，一些地區(qū)超過了煤炭資源總量的30 %，但是由于地質條件和礦井條件的限制，開采條件相對困難，開采量有限；近些年逐漸受到重視，一方面薄煤層資源豐富的地區(qū)已經將薄煤層納入直接開采范圍，使煤炭資源得到充分利用；另一方面將薄煤層作為保護層開采，既能實現(xiàn)鄰近突出煤層瓦斯的卸壓，又能使薄煤層資源得到充分回采獲得經濟效益[1-3]。因此無論是直接開采薄煤層還是作為保護層解決突出礦井的卸壓防突問題而得到開采，開采前的瓦斯抽采裝備及技術的應用是保障薄煤層安全高效開采的重要舉措。對實現(xiàn)安全高效開采，具有十分重要的意義。

鑒于對貴州地區(qū)薄煤層瓦斯抽采現(xiàn)狀及其礦井客觀條件的分析，總結出適應該地區(qū)薄煤層礦井鉆探施工條件、高效安全地進行瓦斯抽采的鉆機必須具備以下條件：①鉆機在低矮狹窄巷道具有良好的通過性；②滿足鉆探低位孔、立體面施工、開孔范圍覆蓋面大、調角時主機、穩(wěn)固的結構高度可控；③鉆機自帶行走功能、輔助操作時間短、操作安全和操作人員減負等要求；④技術先進、性能可靠、自動化程度高和鉆探施工效率高等要求。

因此有針對性地對適應于薄煤地層條件和礦井條件的鉆機進行了研究，設計鉆機的水平開孔高度范圍至少在0.7～1.3 m 之間[4-7]，整機行走高度在1.7 m以內，寬度不大于1.1 m，鉆機轉矩達到4 000 N·m，在進行全斷面施工時，主機結構的調整范圍滿足低矮巷道的施工要求，具有遠程控制自動調角的特點，可實現(xiàn)自行式的履帶鉆機。

1 鉆機整體布局及關鍵技術

現(xiàn)有煤礦用履帶式坑道鉆機，主要以履帶橋架為載體，調角裝置的下端面固定在履帶橋架的車體平臺上，上端面連接鉆機主機。由于調角裝置和履帶橋架以及車體平臺的結構決定了這三者通常是以疊加的形式實現(xiàn)的，很難降低鉆機的整體高度?？刂沏@機的施工狀態(tài)和功能最關鍵的就是穩(wěn)定性好、自由度高的調角裝置，而影響鉆機高度最主要的部件為調角裝置和履帶車體，因此設計新型的調角裝置和履帶車體是研制適應于低矮薄煤層低位孔鉆機的關鍵。

1.1 翻轉式調角穩(wěn)固裝置

鉆機上的調角裝置主要用于調整鉆機的開孔傾角，該鉆機方案要求首先必須滿足巷道內全斷面大角度立體面施工鉆孔的功能；其次在高度方向有一定范圍內位移的自控調整；再次在完成大幅度調角功能的同時，其結構尺寸在可以控制在小范圍內；最后要求調角裝置自動化程度高、調角方便、結構尺寸小、強度大[8]。

考慮到上述綜合因素，實現(xiàn)全斷面施工選用回轉支承的方式，完成0°～360°范圍內回轉的基本功能，并且回轉支承扭矩大、速度可控、精度高。要完成全斷面施工鉆孔，具備了大范圍回轉功能外，鉆機結構還要提供可大范圍旋轉的平臺，因此確定回轉功能結構外置于履帶車體。如果將主機和回轉支承固定在車體前端，由于主機的長度尺寸在通過巷道行走時，必須把主機要拆除外能通過巷道，更好的解決方法就是在施工鉆孔時，可將主機伸出車體前端，主機回轉時不受車體干涉，在巷道行走時主機處于收回狀態(tài)，一般履帶車體的高度是600 mm左右，主機的總高度是800 mm 左右，因此要想滿足鉆機整機高度≤1 800 mm，調角裝置包括所有聯(lián)接部件尺寸必須保證≤200 mm。

克服小空間內設計功能齊全的調角裝置完成全斷面施工功能是有一定難度的，設計的調角裝置通過結構設計具有調節(jié)方位角和傾角的功能；同時將主機從和車體平行收縮位置自動調至車體前端，采用一組油缸和焊接調角結構將完成運輸狀態(tài)到施工狀態(tài)的自動、高效、可靠的調整；調角結構和穩(wěn)固結構設計為一體，相互嵌套，節(jié)省空間、還增加一次穩(wěn)固的高度。設計的翻轉式調角穩(wěn)固裝置結構示意圖如圖1。

圖1 翻轉式調角穩(wěn)固裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the inverted type angle adjustment device

鉆機主軸滿足在巷道斷面內完成-180°～＋180°范圍內自由調整的功能，因此高效可靠的調角裝置是該鉆機的關鍵部件之一。

1.2 內嵌式低矮履帶車體

鉆機平臺是解決鉆機適應性的另一關鍵技術。履帶車體平臺包括履帶行走機構和焊接車體平臺，其中履帶行走機構的橋架設計及考慮承載鉆機其它部件的能力，還要更有效的利用其空間布置其它部件，履帶橋架低于驅動輪組件，這樣降低了整體車身的高度，為在矮巷道薄煤層低位施工鉆孔提供可能；車體平臺主要沿履帶及履帶橋架設置，這樣在車體本身的結構上設置平臺，在保證承載臺面功能的同時盡量的節(jié)省整車的空間和位置，使整個結構更加緊湊。比如履帶橋架和車體平臺的連接靠多組螺栓固定，履帶橋架左端部分裸露，結構形式為斜面T型橋梁，用于安裝鉆機的調角裝置；右端鑲嵌車體平臺構件，既有具備承載鉆機的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等其余零部件的能力，又不影響調角裝置的安裝位置和放置高度。為矮巷道薄煤層低位施工鉆孔鉆機提供了一種可獨立行走的專用平臺，可以進行矮巷道運輸工作、薄煤層低位施工鉆孔，還具有較大的開孔范圍。研制的鉆機履帶車體平臺如圖2。

圖2 履帶車體平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the crawler body platform

1.3 鉆機低矮功能實現(xiàn)

鉆機的功能實現(xiàn)結構示意圖如圖3。

圖3 鉆機的功能實現(xiàn)結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the function realization structure of the drilling rig

翻轉式全斷面調角穩(wěn)固裝置應用在內嵌式低矮履帶車體上，行成了適應性很好的鉆機平臺。①通過翻轉式調角穩(wěn)固裝置調節(jié)主機和穩(wěn)固裝置相對于車體平臺的位置，將該鉆機的行走高度嚴格控制在巷道允許的尺寸范圍內（圖3（a））；②鉆機自行走到達鉆場位置后，主機從行走狀態(tài)要調整到鉆孔狀態(tài)時，將主機從履帶上面調至履帶前端，主機的方位角在0°～±180°范圍內旋轉調整，在調整過程中主機可以一直處于相對水平狀態(tài)，調角裝置和主機的結構尺寸在可控范圍，以適合低巷道施工（圖3（b））；③鉆機在鉆孔施工前，先進行主機和履帶穩(wěn)固，立柱穩(wěn)固裝置不影響鉆機的行走高度和鉆孔高度，分2 種形式，1 種是鉆場高度較低時，直接用立柱油缸頂在巷道頂板，如果巷道高一些，可在立柱油缸上接上一級加長桿即可頂在巷道頂板上（圖3（c））；④調整調角裝置在垂直方向上的位移距離，鉆孔時最低水平開孔位可控制到650 mm，開孔調整范圍700 mm，鉆機水平鉆孔高度在650～1 350 mm 范圍內調整，薄煤層的厚度一般為800～1 200 mm，因此開孔高度適應薄煤層低位孔施工的最佳高度（圖3（d））。

2 鉆機操縱系統(tǒng)

操縱系統(tǒng)是為控制鉆機的各種功能和動作而設置的裝置，由控制閥塊、操作手柄和壓力表及連通液壓管路接頭組成。該鉆機的操縱裝置分為3 部分，分別為移動式主操縱臺、行走遠控操縱臺和副泵功能切換閥。

2.1 移動式主操縱臺

移動式主操縱臺的功能主要是由整體式集成閥來實現(xiàn)的，設計的整體式集成閥是將鉆機液壓系統(tǒng)中所有的控制元件全部集成在1 個整體的閥塊上，形成整體式集成閥，閥體是鑄造后經過機械精加工，閥體上預留了所有閥的安裝通道，以及各閥之間相通的油道。整體式集成閥只需要預留外部的油口，用于液壓系統(tǒng)中動力元件及執(zhí)行元件連接，整合了四聯(lián)閥、回轉油路板閥、副泵油路板閥、節(jié)流閥組、溢流閥組等所有閥組的功能，實現(xiàn)了鉆機液壓系統(tǒng)完成的功能。

此閥結構緊湊，集成度高，通用性強。用于控制回轉馬達、調角油缸、給進起拔油缸等執(zhí)行機構的正常運行，實現(xiàn)起下鉆聯(lián)動、夾轉聯(lián)動、副泵溢流給進、卡盤增加給進等聯(lián)動功能，通過不同機能的主閥芯實現(xiàn)不同的邏輯換向功能。此閥主要用于雙泵系統(tǒng)，2 個泵可以同時工作，也可以單獨工作。

該集成閥避免了液壓系統(tǒng)中每個液壓元件獨立的管路連接。解決了原液壓控制系統(tǒng)中結構復雜、體積大、連接點多、需要大量的管路、布置不方便、維修困難、外觀繁雜、易出現(xiàn)漏油等技術問題。從而簡化了液壓管路，且便于安裝與維修[9]。該閥不僅具有結構緊湊、體積小、維修拆裝方便，而且具有質量輕、流阻小等特點。閥體上安裝的插裝閥提高了油路的穩(wěn)定性，液壓系統(tǒng)更可靠。并且集成了防動力頭下滑模塊。達到自我保護的目的。

主操縱閥由于外接油管數(shù)量少，并且和動力部件、執(zhí)行單元的對接采用快插式連接，設計為可移動式具有明顯的優(yōu)勢，可以移動到鉆機前端，操作視線好；也可遠程控制，控制距離可達到30 m。

2.2 行走操縱臺

行走操縱臺設計為可旋轉式操縱，布置在鉆機的側后方，除滿足設計功能需求，還要考慮到人機工程學原理，方便操作，預留安全操作距離。將行走操縱閥坐落在兩級旋轉結構座上，操縱閥可以繞著兩級轉軸分兩級旋轉，旋轉自由度比較靈活，在履帶行走時可將遠控行走操縱閥旋轉臂拉伸至遠離履帶車體，同時在操縱手柄上設置了防誤操作控制鎖,提高了鉆機的安全性[10]。

2.3 副泵切換操縱臺

副泵功能切換閥進行副泵油路切換，防止誤操作，將副泵的高壓油分為2 路，其中1 路油液主要用于鉆機的位姿控制和鉆機的穩(wěn)固，包括控制鉆機的調角油缸、舉升油缸、平移油缸、前后頂油缸、穩(wěn)固油缸的伸縮、以及主機傾角的回轉驅動；另1 路油液主要用于鉆機施工鉆孔動作的控制，直接流向主操縱臺集成式多路換向閥，實現(xiàn)副泵給進、快速起拔或卡盤增壓等功能。

3 現(xiàn)場應用

2019 年3 月該鉆機在貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦13 運底鉆探施工，地層比較復雜、構造較多，施工的是穿層孔，0°～90°的孔均有涉及，設計孔深40～50 m，施工最大孔深至80 m，累計進尺9 100 m，平均日進尺245 m，最大日進尺310 m。鉆機的適用性良好，使用過程一切正常。

4 結 語

為解決低矮巷道、薄煤層鉆孔施工問題，有針對性地對鉆機的整機結構和關鍵技術展開了設計，同時對鉆機的操縱系統(tǒng)進行了研制，研制出了低矮全斷面薄煤層施工用履帶鉆機。該鉆機的整體翻轉式調角穩(wěn)固裝置、半內嵌式履帶車體保證了鉆機在低矮巷道、薄煤層低位進行全斷面鉆探施工的適用性；可移動式整體操縱閥既適應鉆機進行全斷面鉆探施工觀察施工斷面可視性強的特點，又可遠離孔口遠程操縱保障人身安全。通過現(xiàn)場應用進一步驗證了該鉆機在低矮巷道鉆探施工中良好的適應性及針對薄煤層鉆探施工的高效性。