煤礦坑道鉆機用快速起下鉆裝置研制

劉 智

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下鉆孔施工過程中，時常會遇到需要頻繁起下鉆的工況。例如，煤礦坑道定向鉆孔鉆進至目標(biāo)層位需要取心時，首先需要將孔內(nèi)鉆桿、螺桿馬達、鉆頭等所有鉆具取出，再將取心器安裝在鉆桿前端，重新下入鉆孔內(nèi)。取心器取到煤樣后，再將取心器及鉆桿全部從鉆孔內(nèi)起出，從取心器內(nèi)提取煤樣[1-2]。若需要繼續(xù)延伸鉆孔至其他層位取心時，還要重新下入定向鉆具繼續(xù)鉆進。實際取心過程中，由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，經(jīng)常需要2 次或者多次取心。當(dāng)孔深超過300 m 以上時，單次取心過程耗用時間較長，人工連續(xù)加卸鉆桿勞動強度也較大。又如，鉆孔施工過程中，孔內(nèi)掉鉆、斷鉆的事故時有發(fā)生。處理此類事故，常用的方法之一是要盡快將孔內(nèi)的所有鉆具取出，在鉆桿前端連接打撈公錐或者打撈母錐，重新下鉆至斷鉆處。利用打撈公錐或打撈母錐在斷鉆處強力造扣，造扣成功后起出孔內(nèi)鉆具。強力造扣過程中若發(fā)生打撈公錐或打撈母錐損壞，則需要起出孔內(nèi)所有鉆具重新更換公錐或者母錐。長距離起鉆、下鉆不僅人工勞動強度大，耗費的大量時間也增加了孔內(nèi)垮塌的可能性，降低了打撈成功的概率[3-5]。綜上，研發(fā)了一種適用于煤礦坑道鉆機的具有快速起下鉆功能的裝置。

1 方案設(shè)計

快速起下鉆裝置施工布置圖如圖1。快速起下鉆裝置如圖2。

圖1 快速起下鉆裝置施工布置圖Fig.1 Construction layout of fast tripping device

圖2 快速起下鉆裝置Fig.2 Fast tripping device

起下鉆過程中，擰卸鉆桿間絲扣需要花費大量的時間。本方案采用1 次從孔內(nèi)起出或者下入由3～4 根鉆桿組成的鉆桿柱，這樣可以有效減少擰卸鉆桿絲扣的數(shù)量，提高起下鉆效率。組成鉆桿柱的鉆桿具體數(shù)量可根據(jù)煤礦井下空間大小以及單根鉆桿的長度不同合理選擇。

起下鉆裝置布置在鉆機后端，從鉆孔內(nèi)起出的鉆桿可直接進入到快速起下鉆裝置，減少鉆桿柱的轉(zhuǎn)運次數(shù)和距離。鉆機的動力頭和夾持器具有擰卸鉆桿絲扣，夾緊鉆桿回轉(zhuǎn)及推拉功能。為了減輕快速起下鉆裝置質(zhì)量，縮小外形尺寸，避免與鉆機具有重復(fù)功能，將快速起下鉆裝置設(shè)計為由夾緊承托裝置、吊裝裝置和鉆桿架組成[6]。夾緊承托裝置和鉆桿架平行放置，吊裝裝置跨裝在夾緊承托裝置和鉆桿架的上端。吊裝裝置中的機械手可在夾緊承托裝置與鉆桿架上端的軌道上往復(fù)運動。

夾緊承托裝置的作用是承托從孔內(nèi)起出或者準(zhǔn)備下入鉆孔的鉆桿柱，并具有夾緊鉆桿柱的功能。夾緊功能的作用一是要與鉆機動力頭配合擰卸鉆桿絲扣，二是在進行大傾角鉆孔快速起下鉆時防止鉆桿柱下滑。

吊裝裝置的作用是實現(xiàn)鉆桿柱從鉆桿架到夾緊承托裝置中的往復(fù)搬運。根據(jù)煤礦巷道具有頂?shù)装宓奶攸c，選用單體液壓支柱頂緊巷道頂?shù)装宓姆绞絹矸€(wěn)固吊裝架。用于取放鉆桿柱的機械手不但要具有操作簡單，可適用于不同長度鉆桿柱的要求，還要具有調(diào)節(jié)鉆桿柱傾角的功能。

鉆桿架的作用是儲存鉆桿柱。既要能夠滿足儲存鉆桿柱的功能，也要能夠滿足正常鉆進時儲存單根鉆桿的功能。鉆桿架外形尺寸不易過大，應(yīng)方便在井下搬遷運輸。本方案采用拼裝式鉆桿架，由單體鉆桿架和連接桿拼裝而成。

2 關(guān)鍵零部件

2.1 夾緊承托裝置

夾緊承托裝置如圖3。夾緊承托裝置由夾緊裝置、平移裝置、轉(zhuǎn)動裝置、固定支腿、底座、機身、鉸接支腿組成。夾緊承托裝置用于承托鉆桿柱，并配合鉆機的動力頭實現(xiàn)鉆桿的擰卸。夾緊承托裝置中設(shè)置有3 個平移裝置和2 個轉(zhuǎn)動裝置。

圖3 夾緊承托裝置Fig.3 Clamping bearing device

夾緊裝置由H 型框架、油缸、夾緊體組成。在油缸的作用下，夾緊體可向著或者遠離夾緊裝置中心的位置移動，實現(xiàn)對鉆桿柱的夾緊或松開。平移裝置由平移組件、底座和油缸組成。油缸可帶動平移組件上移或下降。當(dāng)油缸伸長到極限位置時，平移組件中的輥子可承托鉆桿柱沿軸向移動。轉(zhuǎn)動裝置由轉(zhuǎn)動組件、油缸和底座組成組成。油缸可帶動轉(zhuǎn)動組件上移或下降。當(dāng)油缸伸長到極限位置時，轉(zhuǎn)動組件中的輥子可承托三連沿軸向轉(zhuǎn)動。根據(jù)操作流程需求，當(dāng)需要鉆桿柱沿軸向平移時，控制平移裝置中的油缸可使得平移裝置與鉆桿柱接觸。轉(zhuǎn)動裝置中油缸收回。當(dāng)需要鉆桿柱沿軸線轉(zhuǎn)動時，控制轉(zhuǎn)動裝置中的油缸可使得轉(zhuǎn)動裝置與鉆桿柱接觸。平移裝置中油缸收回。

固定支腿與底座固定連接，鉸接支腿與底座鉸接連接。2 根固定支腿和2 根鉸接支腿均由橫梁連接，機身與橫梁均鉸接連接。固定支腿、底座、鉸接支腿和機身組成四邊形框架結(jié)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)機身的傾角以適應(yīng)不同的鉆孔傾角[7]。

2.2 吊裝裝置

吊裝裝置如圖4。吊裝裝置由機械手、導(dǎo)軌和單體液壓支柱組成。導(dǎo)軌和單體液壓支柱組成“門”型結(jié)構(gòu)，機械手可在導(dǎo)軌上滑動。工作狀態(tài)下，單體液壓支柱上、下端分別頂緊巷道頂板、底板，用于承托導(dǎo)軌、機械手以及所吊運鉆桿柱的質(zhì)量。單體液壓支柱具有工作行程大，穩(wěn)固力大，操作簡單等優(yōu)點，是煤礦井下常用的支護設(shè)備。導(dǎo)軌選用三棱型鋼加工而成，制作簡單，外形尺寸小，結(jié)構(gòu)強度高，適合用于對精度要求不高的場合。

圖4 吊裝裝置Fig.4 Hoisting device

機械手如圖5。機械手由滑移車、安裝架、高速馬達、低速馬達、擺臂、油缸、伸縮臂、軟繩、導(dǎo)向輪、吊裝套等組成。機械手是中心對稱結(jié)構(gòu)。軟繩一端纏繞在與高速馬達的連接的繩輪上，另一端連接吊裝套。高速馬達轉(zhuǎn)動過程中可將軟繩纏繞在其連接輪上，實現(xiàn)吊裝套的上提或下放。安裝在伸縮臂上的導(dǎo)向輪對軟繩起導(dǎo)向作用。機械手兩側(cè)的高速馬達分別控制兩側(cè)吊裝套的上提或下放。低速馬達用于帶動擺臂擺動。機械手兩側(cè)的擺線馬達分別控制兩側(cè)的擺臂。油缸的一端與擺臂連接，另一端與伸縮臂連接。油缸的伸長或縮短可帶動伸縮臂沿油缸的軸線方向伸長或縮短。機械手兩側(cè)的油缸單獨控制。工作過程中，分別控制機械手兩側(cè)的高速馬達、低速馬達及油缸可實現(xiàn)鉆桿柱在水平狀態(tài)和傾斜狀態(tài)之間調(diào)節(jié)[8-9]。

圖5 機械手Fig.5 Manipulator

滑移車中設(shè)置4 個滾輪，分為2 組。2 組滾輪軸線成一定夾角布置?；栖嚮瑒舆^程中，滾輪沿導(dǎo)軌的外側(cè)2 個成夾角的表面滾動[10]。吊裝套由弧形橡膠套和掛鉤組成。弧形橡膠套內(nèi)表面設(shè)置有波形條紋，增加與鉆桿表面的摩擦力。吊裝時，人工將弧形橡膠套包裹在鉆桿外壁后，再將掛鉤掛在軟繩上。

2.3 鉆桿架

鉆桿架如圖6。鉆桿架由2 個單體架、4 個連接桿以及若干個隔擋塊組成。

圖6 鉆桿架Fig.6 Drill pipe rack

通過連接桿將2 個單體架連接成為一個整體。正常鉆進時單體架可用于擺放單根鉆桿。快速起下鉆時單體架連接后即可擺放鉆桿柱。隔擋塊由尼龍材料制成，上邊設(shè)置有矩形槽和弧形凹面。矩形槽用于將隔擋塊固定在單體架的橫梁上。工作狀態(tài)下，在弧形凹面內(nèi)擺放鉆桿柱?；⌒伟济嬷g設(shè)置有一定的間距，用于吊裝時從并排的鉆桿柱之間穿過弧形橡膠套并掛好掛鉤。

3 快速起下鉆過程

為便于準(zhǔn)確描述，定義鉆桿柱由前部鉆桿、中間鉆桿和后部鉆桿組成，鉆孔延伸方向定義為前方?？焖倨疸@前，鉆桿柱位于鉆孔內(nèi)，鉆機位于鉆孔孔口與快速起下鉆裝置之間。為清晰表示，僅提及快速起下鉆過程中涉及鉆機的關(guān)鍵部件動力頭和夾持器。動力頭可夾緊鉆桿并沿鉆桿軸線做順時針或逆時針運動，用來擰緊或松開鉆桿間絲扣，同時動力頭可沿鉆機機身做往復(fù)運動。夾持器固定連接于鉆機機身前端，其功能是夾緊鉆桿，防止鉆桿下滑，并配合動力頭實現(xiàn)擰卸鉆桿間絲扣。

3.1 快速起鉆過程

快速起鉆過程主要有：

1）快速起下鉆裝置放置在鉆機后端，夾緊裝置中心孔與動力頭中心孔重合，并位于動力頭中心孔后方延長線上。

2）保持夾緊裝置為打開狀態(tài)，平移裝置中的油缸伸出到極限位置，轉(zhuǎn)動裝置中的油缸縮回到極限位置。

3）動力頭依次將第1 根鉆桿柱中的后部鉆桿、中間鉆桿及前部鉆桿提出孔內(nèi)。動力頭夾緊前部鉆桿，夾持器夾緊第2 根鉆桿柱中的后部鉆桿，動力頭反轉(zhuǎn)將2 個鉆桿間的絲扣松開2～3 扣。

4）動力頭卡盤張開，向孔口方向運動到機身前端，夾緊第2 根鉆桿柱中的后部鉆桿并回退至機身后端極限位置。此時第1 根鉆桿柱穿過夾緊裝置的中心孔并在平移裝置中托輥的輔助作用下移動到機身上端，控制夾緊裝置夾緊鉆桿柱中的前部鉆桿。動力頭夾緊第2 根鉆桿柱中的后部鉆桿正向旋轉(zhuǎn)并緩慢向前運動，后部鉆桿與前部鉆桿之間的絲扣徹底脫開。

5）將吊裝裝置移動到夾緊承托裝置中鉆桿柱的正上方，下放軟繩并將弧形橡膠套套在鉆桿外壁，將掛鉤掛在軟繩末端，控制高速馬達轉(zhuǎn)動將軟繩纏繞在繩輪上，上提鉆桿柱。移動吊裝裝置至鉆桿架上方，下放軟繩將鉆桿柱放置在隔檔塊的弧形凹面內(nèi)。將弧形橡膠套從鉆桿上取下，回收軟繩將吊裝套提離到適當(dāng)高度；

6）重復(fù)上述步驟3）至步驟5），直至取出需要的鉆桿的數(shù)量。

3.2 快速下鉆過程

快速下鉆過程主要有：

1）快速起下鉆裝置設(shè)置在鉆機后端，夾緊裝置中心孔與動力頭中心孔重合，并位于動力頭中心孔后方延長線上。從鉆機夾持器前方穿入1 根鉆桿并在鉆桿前端連接取心器等鉆具。從動力頭后端穿入另1 根鉆桿。前端鉆桿母接頭與后端鉆桿公接頭之間留有一定距離。

2）保持夾緊裝置打開狀態(tài)，吊裝1 根鉆桿柱至夾緊裝置，夾緊裝置夾緊鉆桿柱中的前部鉆桿，鉆桿柱后端放置在平移裝置的托輥上。

3）動力頭夾緊鉆桿逆時針旋轉(zhuǎn)并緩慢后退，鉆桿后端母扣與鉆桿柱前端鉆桿的公扣相接觸并旋合。

4）轉(zhuǎn)動裝置中的油缸伸出到極限位置，平移裝置中的油缸縮回到極限位置，夾緊裝置打開。動力頭夾緊鉆桿順時針旋轉(zhuǎn)并緩慢前進，與鉆機夾持器中的鉆桿絲扣上緊。動力頭沿機身方向往復(fù)運動，將鉆桿柱平推下入孔內(nèi)。下入過程中，通過動力頭和夾持器的配合將動力頭夾持的鉆桿與鉆桿柱前端鉆桿之間的絲扣進行緊固。

5）夾持器夾緊已下入的第1 根鉆桿柱的中間鉆桿，動力頭夾緊已下入的第1 根鉆桿柱的后部鉆桿，動力頭逆時針旋轉(zhuǎn)并后退，松開中間鉆桿與后部鉆桿之間的絲扣。

6）重復(fù)上述步驟2）至步驟5），直至下入需要的鉆桿數(shù)量。

4 應(yīng)用情況

快速起下鉆裝置工業(yè)性試驗在皖北煤業(yè)集團某礦進行。現(xiàn)場共施工4 個設(shè)計孔深500 m 的頂板攔截定向鉆孔。按照鉆孔施工要求，施工過程中鉆遇煤層需進行保壓密閉取心，試驗期間共密閉取心15次。5#鉆孔施工時在306 m 處發(fā)生斷鉆事故1 次，利用公錐打撈失敗后重新下入母錐打撈成功。整個試驗期間共快速起鉆32 次，快速下鉆32 次，起下鉆總進尺15 624 m。施工現(xiàn)場1 次起下由3 根2 m 長的鉆桿組成的鉆桿柱。利用快速起下鉆裝置起鉆速度約為6.2 m/min，下鉆速度約為4.7 m/min，起下鉆速度是常規(guī)單根鉆桿起下鉆速度的3.3 倍左右?？焖倨鹣裸@裝置在提高工作效率、減輕工人勞動強度、保證人員安全方面效果顯著。

5 結(jié) 語

研制了煤礦坑道鉆機用快速起下鉆裝置?？焖倨鹣裸@裝置在起鉆或者下鉆過程中，1 次起出或者下入由3～4 根鉆桿組成的鉆桿柱，大幅度提高了起下鉆的效率?？焖倨鹣裸@裝置中設(shè)計有可調(diào)節(jié)傾角的夾緊承托裝置和機械手，適用于不同傾角的鉆孔施工，適用范圍廣?？焖倨鹣裸@裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，有效減輕了工人勞動強度。在需要進行煤巖取心或斷鉆打撈的工況下，快速起下鉆裝置的優(yōu)點尤為明顯，為煤礦井下瓦斯高效抽采提供了有力的裝備保障。