ZDY系列全液压履带钻机的研制及应用研究

姚 克

（中国煤炭科工集团西安研究院，陕西省西安市，710077）

ZDY系列全液压履带钻机的研制及应用研究

姚 克

（中国煤炭科工集团西安研究院，陕西省西安市，710077）

介绍了全液压履带钻机研制的必要性和迫切性，阐述和分析了全液压履带钻机研制的重点研究内容和关键技术，对ZDY系列全液压履带钻机的主要规格型号、技术性能参数、销售以及煤矿井下应用情况进行了说明。实践证明，全液压履带钻机在煤矿井下瓦斯抽采施工中的应用优势明显。

瓦斯抽采 全液压履带钻机 研制 应用研究

根据我国煤层地质条件和瓦斯赋存特点，我国自主开展了适合我国特点的煤矿顺煤层、邻近层和采空区瓦斯抽放技术体系与成套装备研究。全液压动力头式坑道钻机已成为我国煤矿钻进瓦斯抽放钻孔主导机型。目前，煤矿井下在机巷和风巷沿煤层倾向方向施工的本煤层顺层钻孔多为平行式、扇形和交叉网状的密集布孔，钻孔数量多，成孔速度要求高，钻机搬迁频繁。无论是爬履式钻机还是步履式钻机搬迁稳固相对困难，不但增加了辅助时间和劳动强度，而且容易造成液压系统的污染，降低钻机的可靠性和成孔效率。在这种情况下，性能可靠、钻进能力大、适用范围广、操作简单且便于维护使用的履带式全液压钻机将成为煤矿井下瓦斯抽采的主要设备。

1 全液压履带钻机的研制

全液压履带钻机在煤矿井下瓦斯抽采施工中的优势明显，由于具有履带自行行走功能，设备在各钻场间快速搬迁移位，减轻劳动强度的同时又大大提高瓦斯抽采钻孔施工工效。全液压履带钻机主要进行了包括主机、泵站、操纵台3部分在内的钻机结构设计和液压系统及其与辅助装置匹配等方面的研究。

1.1 ZDY系列全液压履带钻机结构布局

全液压履带钻机结构布局根据煤矿巷道条件和抽放钻孔布置方式的不同有多种型式，其中包括钻机设备下井方式、巷道宽度尺寸是否满足钻机转弯掉头的要求、钻机平台上是否配套安装泥浆泵和启动开关电柜等附属设备、钻机配套泥浆泵是电机驱动还是液压驱动型式、钻机是否在带式输送机巷跨带式输送机钻孔、钻孔是本煤层多排密集布置还是钻进有大角度要求的邻近层穿层钻孔以及提供操作的良好视野性和安全性等等，这些都是直接影响并决定钻机结构布局的关键因素。可以肯定的是，很难有一种可以满足所有用户所有要求的钻机设备，往往因需（人）而异，因矿而异。

ZDY系列全液压履带钻机结构布局见表1，有平行式（钻机主机与履带平行）、横置式（钻机主机与履带垂直）、转盘式（钻机主机与履带平行或垂直，主机带转盘）、两体式（钻车和泵车）几种型式。无论是哪种结构型式，大多数矿井都需要将钻机尺寸做小、钻进能力做大、重量做轻，甚至是非常个性化的改造设计以适应狭小的巷道条件。但这也不是绝对的，钻机的自身重量重和结构尺寸大反而会被有些巷道条件好的矿井作为优势来利用，如晋煤寺河矿本煤层密集孔成孔深度多在200m左右，1个班即可完成钻孔和封孔的任务，钻机设备无须进行严格的稳固，单靠钻机设备本身的重量就可克服钻机回转时的反扭矩和给进时的反作用力，钻机开到位就打，打完就走，机动灵活，达到成孔目的的同时还节省了辅助时间，提高了工作效率。

表1 ZDY系列全液压履带钻机结构布局

1.2 ZDY系列全液压履带钻机液压系统

ZDY系列全液压履带钻机液压系统按功能对应分为履带行走系统、钻机钻进系统和辅助功能回路三部分。其中履带行走系统主要实现履带钻车安全行走、转弯和制动。钻机钻进系统中的回转回路为钻具提供回转动力，给进回路为钻具提供钻进的给进力和起拔力，从而实现钻具回转和钻进的复合动作，并根据相应的钻探工艺实现加压钻进和减压钻进。辅助功能回路主要实现钻机诸如履带车体平台的稳固和机身倾角的调整等功能。ZDY系列全液压履带钻机典型液压系统工作原理如图1所示。

图1 ZDY系列全液压履带钻机典型液压系统工作原理

1.2.1 履带行走底盘液压系统

由于履带钻机在特定的巷道条件中行走，所以主要要求为有劲、安全，而对于行走的速度要求略低于对行走操控性和爬坡能力的要求。ZDY系列全液压履带钻机左右履带的行走由同一个液压泵来供油，并由一组液控先导阀控制比例多路换向阀中的前两联来实现。采用具有停车自动自锁和过载保护等回路行走马达总成可以有效解决坡道驻车等问题，而带有压力补偿器的多路阀会保持阀的进出口压力差为恒定值，出口的流量不会瞬间发生很大的变化，不会造成两侧履带由于油液流量差别大导致速度失调，很好地解决了系统单油泵为双马达转动供油的压力协调和流量分配问题，从而保证履带钻车在行走过程中不会因地面负载阻力的变化导致意外事故的发生。

1.2.2 钻进液压系统

针对液压传动控制特点与钻探工艺对钻机液压系统的要求，ZDY系列全液压履带钻机设计了由负载敏感泵和负载敏感多路阀以及比例远控先导阀构成的开式循环液压系统，有双泵系统和三泵系统，其中向回转机构和液驱泥浆泵马达供油的泵采用负载敏感泵，多路阀采用具备负载反馈功能的液控比例多路换向阀，从而构成了负载敏感液压系统。给进机构推进采用恒压变量泵，钻机工作的给进和回转部分为两个泵各自独立工作独立的系统，这样在钻进时钻进参数调节更为方便，满足回转参数与给进参数独立调节的要求。

1.2.3 稳固调角等辅助功能回路

ZDY系列履带钻机稳固调角等辅助功能回路的高压油来自恒压变量泵，恒压变量泵由远控溢流阀设定压力，该压力值就是履带车体平台在稳固时稳固油缸的压力，可以根据需要适时调整到需要的数值。

2 ZDY系列全液压履带钻机性能及需求分析

ZDY系列全液压履带钻机是结合用户市场并利用国家部委相应资金项目的支持进行研发推广的瓦斯抽采钻孔施工装备，可为煤矿井下瓦斯抽采提供品种多样、性能优异的钻孔施工装备和配套工艺技术。ZDY系列全液压履带钻机技术性能参数见表2。

表2 ZDY系列全液压履带钻机技术性能参数

中煤科工集团西安研究院2000年以来钻机销售台数与销售额统计分析见图2和图3。

3 ZDY系列全液压履带钻机典型应用

ZDY系列全液压履带钻机在晋煤集团、阳煤集团、宁煤集团、神东公司、淮南矿业集团和淮北矿业集团等多个煤业集团下属矿井得到了广泛应用，具有明显的示范效应。

3.1 回转钻进钻机应用实例

晋城煤业集团由东向西开采沁水煤田的南部井田，随着东部低瓦斯矿区资源枯竭，集团公司的产量重心已经向成庄矿和寺河矿高瓦斯矿区转移。针对高瓦斯矿井瓦斯赋存和涌出的规律特征，两矿相继建立了本煤层抽放、采空区抽放和地面钻孔抽放三大系统，丰富和改进了抽放工艺方法，实施了强化抽放战略，建立并加强了专业的抽放队伍，配套了相应科学合理的管理制度、安全措施和循序渐进的激励机制提高抽放水平及效果。抽放量以逐年翻番的速度递增，2004年高瓦斯矿井的抽采量在标准状态下已经突破1亿m3。

晋城高瓦斯矿区3＃煤层开采层具有瓦斯含量大、压力高、透气性好、煤质较硬、厚度适中、倾角小、适合在本煤层布孔抽放的特点。成庄矿和寺河矿充分利用这些有利条件，陆续引进各种型号的分体式钻机和ZDY6000L、ZDY1200L、ZDY1900L型全液压履带钻机以及ZDY6000LD（A）型和VLD－1000型千米定向钻机作为瓦斯抽放钻孔施工的主力机型在本煤层中进行区域性抽放，扩大了抽放范围，提高了本煤层抽放效果，缓解了高瓦斯矿井的通风与采掘衔接的矛盾。

成庄矿和寺河矿在工作面圈定前2～3年就将工作面煤体划定为抽放区域顺煤层布置钻孔进行预抽放，施工顺层钻孔深度普遍达到300～400m。在巷道掘进过程中，工作面煤层内每隔150m设钻场施工扇形长钻孔来抽放圈定区域内和掘进面前方的瓦斯，钻孔长度在200m左右。圈出工作面后，在另一侧巷道内向工作面煤体内再布置平行顺层钻孔进行抽放，这些顺层钻孔平行于工作面或迎向工作面成一定角度。针对工作面走向越往里开采时间越早和采前预抽时间越短的特点，有意识地加密钻孔，孔距布置在2～5m之间，实施强化抽放战略。2009年全年利用ZDY系列全液压履带钻机实现瓦斯抽采钻孔施工420000m的总进尺。2010年利用ZDY6000LD（A）型千米定向钻机完成井下定向长钻孔最大主孔深度1059m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰。

3.2 定向钻进钻机应用实例

通过在煤层顶底板中施工梳状钻孔，以此解决国内很多煤矿存在煤层较软、瓦斯压力大、容易塌孔抱钻和不易在煤层中施工瓦斯抽放钻孔的难题，这项国家“十一五”的重大科研成果相继在陕西、山西、淮北和焦作等地多家煤矿推广应用。2010年宁煤集团汝箕沟矿利用ZDY6000LD（A）型千米定向钻机进行本煤层钻孔施工（见图4），定向长钻孔最大主孔深度超过1000m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰。2011年8月彬长公司大佛寺煤矿利用ZDY6000LD坑道定向钻机及配套技术和装备，在现场试验期间完成深度达1212m定向长钻孔，创造了国产自主知识产权技术与装备在煤矿井下定向钻孔施工的最高水平。

图4 宁煤汝箕沟矿定向长钻孔实钻轨迹图

4 结语

由于ZDY系列全液压履带钻机具有履带式自行行走功能以及液压系统设计采用负载传感和比例先导控制技术方式，在实际使用过程中便于实现远程控制和节能，便于在各钻场间快速搬迁稳固，缩短了钻孔辅助时间，减轻了工人劳动强度，大大提高了瓦斯抽采钻孔施工工效，有力保障了矿井通风安全，尤其是定向分支长钻孔的钻进技术应用越来越受到煤矿用户的青睐。

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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，宁夏人，高级工程师，1997年毕业于中国地质大学（武汉）探矿工程专业，现在中煤科工集团西安研究院工作，主要从事ZDY系列钻机的研制推广和钻进工艺的研究工作，发表论文近二十篇。

（责任编辑 路 强）