定向鉆桿輔助上桿及搬運(yùn)技術(shù)

陳澤平

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重、事故多發(fā)，井下定向鉆孔抽采是瓦斯防治的重要措施之一，在煤礦安全高效生產(chǎn)中發(fā)揮著重要支撐作用[1-2]。目前，煤礦井下定向鉆機(jī)自動(dòng)化程度較低，如定向鉆進(jìn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序加接鉆桿、鉆桿搬運(yùn)等操作嚴(yán)重依賴人工[3-4]。以在煤礦廣泛應(yīng)用的ZYWL-13000DS 定向鉆機(jī)為例，配套鉆桿直徑φ89 mm，長(zhǎng)度為3 m，需要2 名操作工人用肩抗的方式將每根鉆桿從10 m 以外抬至機(jī)架尾部，然后通過(guò)手?jǐn)Q的方式加接鉆桿，勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工效率低，若出現(xiàn)配合不當(dāng)，容易出現(xiàn)安全事故。

“十三五”期間，中煤科工集團(tuán)重慶研究院開發(fā)了ZYWL-23000DS 大直徑定向鉆機(jī)，一次鉆孔直徑達(dá)到φ153 mm，鉆進(jìn)能力達(dá)到1 000 m 以上[4]。其中，配套通纜鉆桿直徑φ102 mm，擴(kuò)孔鉆桿直徑φ127 mm，長(zhǎng)度均為3 m，單根質(zhì)量達(dá)到50 kg 以上，鉆桿直徑和質(zhì)量均大幅增加。按照鉆孔深度1 000 m 計(jì)算，鉆桿數(shù)量達(dá)到330 余根，鉆桿的加接和搬運(yùn)成為急需解決的難題。

在煤礦鉆機(jī)自動(dòng)上下鉆桿技術(shù)方面，中煤科工集團(tuán)重慶研究院蒲劍[6]、陳航[7]、呂晉軍[8]對(duì)自動(dòng)上下桿鉆桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、抓桿機(jī)械手、鉆桿箱、鉆桿定位方法及自動(dòng)上下桿流程等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高了其可靠性和上下鉆桿的效率，并在自動(dòng)鉆機(jī)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了減人增效，取得了良好的效果；中煤科工集團(tuán)西安研究院韓健[9]對(duì)煤礦全液壓自動(dòng)加桿裝置進(jìn)行了開發(fā)，在測(cè)試中單根鉆桿加接時(shí)間為35 s 左右。以上自動(dòng)上桿機(jī)構(gòu)均針對(duì)常規(guī)自動(dòng)鉆機(jī)研發(fā)，鉆機(jī)扭矩小，鉆孔深度在200 m 以內(nèi)，鉆桿直徑僅為φ73 mm，鉆桿長(zhǎng)度1 m，其自動(dòng)上下鉆桿系統(tǒng)體積易于控制，一般布置在鉆機(jī)動(dòng)力頭和夾持器之間。而ZYWL-23000DS 定向鉆機(jī)受整體體積、鉆桿長(zhǎng)度等限制，該類型結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行借鑒應(yīng)用。

因此，在不增加鉆機(jī)整體尺寸的情況下，提出了一種基于后置式上桿裝置和鉆桿吊裝車的組合方案，以解決大直徑長(zhǎng)鉆桿加接和搬運(yùn)難題，為煤礦機(jī)械開采自動(dòng)化減人的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

1 總體方案設(shè)計(jì)

由于定向鉆機(jī)及泵車外形尺寸較大，一般采用分體式結(jié)構(gòu)，以便提高定向鉆機(jī)巷道運(yùn)輸及行走的適應(yīng)性。在鉆場(chǎng)布置時(shí)，主機(jī)、泵車、鉆桿依次排列，主機(jī)與泵車之間預(yù)留4 m 左右間距，便于上桿操作，鉆桿堆放區(qū)域距主機(jī)10～20 m 左右。

定向鉆桿輔助上桿及搬運(yùn)方案如圖1。采用后置式輔助上桿裝置，實(shí)現(xiàn)3 m 長(zhǎng)定向鉆桿輔助擰緊功能；采用全液壓履帶式鉆桿吊裝車，實(shí)現(xiàn)鉆桿遠(yuǎn)距離搬運(yùn)功能。二者通過(guò)配合可完成鉆桿吊裝、搬運(yùn)、上桿等功能。

圖1 大直徑長(zhǎng)鉆桿上桿及搬運(yùn)方案Fig.1 Adding and transporting scheme of large-diameter and long drill pipes

根據(jù)定向鉆進(jìn)工藝流程，在定向鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿吊裝車將定向鉆桿從鉆桿堆放區(qū)域分批次搬運(yùn)至鉆機(jī)施工處，準(zhǔn)備加接鉆桿。進(jìn)行加接鉆桿時(shí)，將鉆桿從鉆桿箱起吊至輔助上桿裝置上，完成上桿擰緊動(dòng)作。定向鉆孔成孔后，通過(guò)鉆機(jī)動(dòng)力頭擰卸鉆桿，然后吊裝至鉆桿箱，并分批次運(yùn)送至鉆桿堆放區(qū)域，從而完成鉆桿搬運(yùn)及裝卸全流程作業(yè)。整個(gè)操作過(guò)程僅需1 名人工輔助即可完成，大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。裝置主要技術(shù)參數(shù)為：①鉆桿直徑：89/102/127 mm；②鉆桿長(zhǎng)度：3 000 mm；③起吊質(zhì)量：500 kg；④起吊高度：1 500 mm；⑤鉆桿數(shù)量：≥16 根；⑥搬運(yùn)距離：30 m；⑦鉆桿吊裝車尺寸：3 500 mm×1 500 mm×1 800 mm。

2 大直徑長(zhǎng)鉆桿輔助上桿技術(shù)

常規(guī)自動(dòng)鉆機(jī)由于鉆機(jī)本體尺寸小，且鉆桿直徑小、長(zhǎng)度短，自動(dòng)上下鉆桿機(jī)構(gòu)體積易于控制，在鉆機(jī)上布局較為方便，一般布置在鉆機(jī)動(dòng)力頭和夾持器之間即可。對(duì)大直徑定向鉆機(jī)而言，鉆機(jī)本體尺寸較大，單根鉆桿長(zhǎng)度3 m，若從中間上鉆桿勢(shì)必會(huì)大幅增加鉆機(jī)整體尺寸，影響定向鉆機(jī)巷道適應(yīng)性。根據(jù)定向鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)，充分利用了鉆機(jī)動(dòng)力頭尾端空間，設(shè)計(jì)了基于摩擦輪的后置式輔助上鉆桿裝置，后置式上鉆桿方案如圖2。

圖2 后置式上鉆桿方案Fig.2 Scheme of rear adding drill pipes

輔助上桿裝置主要利用摩擦輪的摩擦力完成鉆桿的擰緊，主要由底座、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、調(diào)節(jié)螺桿、托桿組件、油缸等部件組成，輔助上桿裝置如圖3。該輔助上桿裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)調(diào)整從動(dòng)輪直徑，以適應(yīng)φ89、φ102、φ127 mm 等不同規(guī)格鉆桿上桿功能，易于在其他型號(hào)鉆機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用，通用性好。另外，只需要將輔助上桿裝置液壓系統(tǒng)升級(jí)為電液比例控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上桿功能，提高定向鉆機(jī)的自動(dòng)化水平。

圖3 輔助上桿裝置Fig.3 Auxiliary drill pipes adding device

在首次使用上桿功能之前，需要解決鉆桿對(duì)中問題。將2 根鉆桿分別放置在鉆機(jī)動(dòng)力頭中空部位，卡盤和夾持器夾緊鉆桿，通過(guò)調(diào)整底座墊片高度、調(diào)節(jié)螺桿螺母等，使得2 根鉆桿中心線重合，完成上桿裝置、卡盤、夾持器中心對(duì)中。

加接鉆桿流程如下：

1）進(jìn)行加桿操作前，操作液控手柄使轉(zhuǎn)動(dòng)油缸收回，浮動(dòng)油缸伸出，留出放桿和上桿空間。

2）操作鉆桿吊裝車將鉆桿吊至上桿裝置的從動(dòng)輪和拖輪上，如圖1 所示位置。

3）操作轉(zhuǎn)動(dòng)油缸伸出手柄，使拖輪壓緊鉆桿，操作擺線馬達(dá)旋轉(zhuǎn)手柄，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，使鉆桿完成擰緊動(dòng)作，此時(shí)油缸處于浮動(dòng)狀態(tài)，以保護(hù)鉆桿螺紋。

4）上桿完畢后，操作液控手柄使轉(zhuǎn)動(dòng)油缸收回，浮動(dòng)油缸伸出，留出放桿和上桿空間。

3 鉆桿吊裝車

巷道井下鉆場(chǎng)較為狹窄，鉆桿吊裝車需要頻繁往返在鉆桿架與鉆機(jī)施工處之間進(jìn)行吊裝鉆桿，因此鉆桿吊裝車需要具備自行走功能、鉆桿夾持功能[10]。同時(shí)需要進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，以便和定向鉆機(jī)、泥漿泵車等進(jìn)行錯(cuò)車，鉆桿吊裝車寬度嚴(yán)格控制在1 500 mm。為了能快速抓取鉆桿并起吊到鉆桿車或鉆桿輔助上桿裝置上，設(shè)計(jì)了基于液壓平衡吊原理的機(jī)械臂，利用平行四邊形桿系的平衡原理，可實(shí)現(xiàn)鉆桿在工作空間內(nèi)任一點(diǎn)快速定位和保持平衡。鉆桿在的水平和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由操作者手動(dòng)控制，鉆桿升降由液壓控制，只需要較小的輔助力便能夠完成鉆桿起吊功能。鉆桿吊裝車主要由履帶車、電磁啟動(dòng)器、鉆桿箱、液壓平衡吊、鉆桿夾持組件等部件組成，分成2列布局在履帶車上面，鉆桿箱單獨(dú)成列，整體布局較為緊湊。操作臺(tái)位于吊臂旁邊，便于觀察鉆桿起吊情況。鉆桿吊裝車結(jié)構(gòu)布局如圖4。鉆桿箱采用分層間隔擺放，可載長(zhǎng)度為3 m 的φ102 mm 鉆桿數(shù)量約24 根，載φ127 mm 鉆桿數(shù)量約16 根，按照定向鉆孔單班進(jìn)尺24～30 m 計(jì)算，一次裝載基本能夠滿足2 個(gè)班定向鉆孔或擴(kuò)孔鉆進(jìn)的鉆桿數(shù)量需求，避免了頻繁搬運(yùn)鉆桿，節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率。鉆桿夾持組件采用“X 型”機(jī)械手結(jié)構(gòu)，共設(shè)置有8 片夾緊卡瓦，充分利用鉆桿自重進(jìn)行夾持，操作簡(jiǎn)單、安全性高。鉆桿夾持組件結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4 鉆桿吊裝車Fig.4 Drill pipe hoisting truck

圖5 鉆桿夾持組件Fig.5 Drill pipes clamping assembly

利用鉆桿吊臂和鉆桿夾持組件相互配合，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配套設(shè)備的吊裝、搬運(yùn)、定向鉆機(jī)輔助檢修等。如定向鉆機(jī)配套用φ127 mm 螺桿馬達(dá)質(zhì)量達(dá)到290 kg，需要4～5 人用肩抗的方式進(jìn)行搬運(yùn)，需要人數(shù)多、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。而利用鉆桿吊裝車進(jìn)行搬運(yùn)，只需要2 名人工輔助即可完成，大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

4 性能測(cè)試和工業(yè)性試驗(yàn)

輔助上桿裝置及鉆桿吊裝車在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，單根鉆桿上桿時(shí)間約30 s，鉆桿吊裝車能夠快速完成鉆桿起吊、上桿等操作，鉆桿夾持牢固、可靠，兩者配合能夠較好地完成定向鉆桿的吊裝、搬運(yùn)、上桿等功能。

2020 年4 月至7 月，ZYWL-23000DS 大直徑定向鉆機(jī)在河南鶴壁三礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，在井下頂板巖層中施工鉆孔5 個(gè)，一次成孔直徑φ153 mm，累計(jì)進(jìn)尺3 978 m，單班進(jìn)尺效率約30 m。在試驗(yàn)過(guò)程中，輔助上桿裝置整體性能較好，能夠較好地完成上桿功能，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種定向鉆桿輔助上桿及搬運(yùn)組合方案。采用后置式上桿裝置，實(shí)現(xiàn)了3 m 大直徑定向鉆桿輔助上桿功能，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，能夠適應(yīng)多種規(guī)格鉆桿，易于在其他型號(hào)鉆機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用；鉆桿吊裝車集起吊、裝載、搬運(yùn)、輔助上桿、輔助檢修等多種功能于一體，僅需1 名人工輔助即可完成，有效降低了現(xiàn)場(chǎng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。