分体式履带钻机的研制与应用

邬 迪

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

分体式履带钻机的研制与应用

邬 迪

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

目前常用的分体式钻机和整体式履带钻机存在这样的缺陷：不能将井下机动性高、外形尺寸小、操作人员安全性高等特点融合在1台设备上，使瓦斯抽采钻孔施工效率低，钻机对复杂钻场和矿井条件适应性差。分体式履带钻机是一种新型瓦斯抽采钻孔施工装备，由于采用分体式履带结构，新型钻机外形尺寸小、井下移动灵活，工人可远离孔口和主机对钻孔施工进行控制和操作。结合复杂条件矿井煤/岩层赋存条件与钻场施工条件，通过分析和研究分体式履带钻机的结构特点、主要功能、关键技术和液压系统,设计了适用于不同工况和施工环境的分体式履带钻机系列。工业性试验表明，分体式履带钻机外形尺寸小适中、井下机动性能强、综合钻进效率高、工艺适应范围广，在复杂条件矿井具有良好的应用前景。

煤矿 分体式履带钻机 瓦斯抽采 液压系统

1 煤矿用钻机分类

随着我国煤矿向深部开采，出现了很多煤层瓦斯压力高、地应力大等复杂条件矿井。煤矿井下钻孔是进行瓦斯综合治理的有效手段，而井下钻机是进行瓦斯抽采钻孔施工的专用设备[1-2]。常用的井下钻机有分体式钻机、整体式履带钻机、分体式履带钻机3大类，不同钻机的主要特点和适用范围如表1所示。

传统的分体式钻机由主机、泵站、操纵台等部分组成，井下布局灵活；但无论采用爬履式还是步履式钻机结构，井下工作和搬迁时仍需频繁拆卸和组装，不但增加了辅助时间和劳动强度，而且容易造成液压系统污染，导致阀芯卡滞或过度磨损，降低钻机的可靠性。

表1 常用钻机分类Table 1 Classification of common drilling machine

整体式履带钻机是将主机、泵站和操纵台集成安装在履带平台上，具有机动性能强、劳动强度减轻、瓦斯抽采钻孔施工效率提高等优点[3-5]；但整体式履带钻机和操作者工作时必须直接面对可能发生瓦斯突出的钻孔孔口，存在安全隐患；由于整体式履带钻机体积大，在运输条件较差的矿井下井时，不得不先拆解、再运输、井下再安装，降低了综合施工效率。

分体式履带钻机是一种新型瓦斯抽采钻孔施工装备，钻机的泵车、钻车等部分分别由履带底盘驱动，井下机动性强、各部分体积小、对矿井运输条件要求低，钻机在特殊矿井(如瓦斯突出)施工时，操纵台可远离孔口布置，提高了设备和人员的安全性。

2 分体式履带钻机的研制

分体式履带钻机是根据复杂条件矿井煤/岩层赋存条件、矿井运输条件和巷道钻场尺寸设计的新型履带式煤矿用坑道钻机。

目前，中国煤科西安院根据郑煤、淮北、淮南、西山等用户的瓦斯抽采钻孔施工要求，研制了3款不同结构和参数的分体式履带钻机，主要技术参数如表2所示。

表2 分体式履带钻机技术参数Table 2 Split type crawler driller parameters

2.1 结构结构特点

ZDY3200LF型和ZDY4000LF型分体式履带钻机(如图1、图2)采用2体3部分结构，由钻车、泵车和操纵台3部分组成。搬迁行走时，钻机操纵台安装在钻车上，泵车和钻车分别由履带底盘驱动行走；钻孔施工时，3部分可根据钻场实际工况灵活布置，各部分之间通过高压胶管连接，提高操作人员和设备的安全性。

图1 ZDY3200LF型分体式履带钻机Fig.1 ZDY3200LF split type crawler driller

图2 ZDY4000LF型分体式履带钻机Fig.2 ZDY4000LF split type crawler driller

ZDY4300LF型分体式履带钻机(如图3)采用紧凑型2体结构，由钻车、泵车组成，各部分最大宽度为0.85 m，是国内最窄的煤矿用履带式坑道钻机。

图3 ZDY4300LF型分体式履带钻机Fig.3 ZDY4300LF split type crawler driller

研制的3款分体式履带钻机整机结构特点包括：

(1)采用分体式双履带钻机结构，符合煤与瓦斯突出矿井安全要求。由于采用分体式履带钻机结构，在不影响钻机机动性能的基础上，各部分体积小，宽度降低到1.15 m以内，适合绝大部分矿井的运输条件和钻场施工条件。钻机施工时，回转器、夹持器、给进装置等主执行机构安装在钻车上，需布置在钻孔孔口前方；而电机、电柜和机灯等电器设备则布置在泵车上，可远离钻孔孔口或避开瓦斯突出方向布置，避免了瓦斯突出时携带的煤粉和岩石对电器隔爆性能的损害，降低了瓦斯突出对矿井安全生产的危害。由于操纵台布置位置灵活，操作人员观察孔口方便，人员和设备安全性高。

(2)钻进姿态调整范围大，稳固可靠、速度快。在煤矿井下机巷和风巷内，沿煤层走向施工本煤层顺层钻孔和邻近层穿层钻孔，钻孔束呈平行、扇形或交叉网状布置，钻孔数量多、钻机搬迁稳固频繁、施工效率要求高[3]。

钻孔施工时，分体式履带钻机的钻车部分在钻场进行短距离位置、角度调整时，泵车可原地不动，降低了工人劳动强度，提高了辅助工序效率；主机置于钻车车体回转平台上，方位角调整范围达到180°，方便进行巷道两侧帮和迎头的瓦斯抽采钻孔施工；主机最大仰角可达到80°，满足了穿层钻孔的施工要求；为了提高施工的稳定性和稳固速度，钻车上采用三级稳固油缸系统，分别对履带车体、回转平台和主机进行稳固，整体稳固可靠，可有效避免强力起拔时钻机移位事故的发生。

2.2 液压系统特点

分体式履带钻机液压系统根据其功能可分为泵车系统和钻车系统2部分。泵车系统提供动力源，钻车系统为执行和控制部分，2部分各包含1组行走控制系统。

钻机行走时，Ⅰ泵、Ⅱ泵输出的高压介质分别进入钻车和泵车行走多路阀，独立控制钻车和泵车的前进、后退、转弯和速度。工作时，Ⅰ泵、Ⅱ泵输出的高压介质通过单向阀组合流，驱动回转回路；Ⅲ泵输出的高压介质通过副泵油路板调压和限压后，驱动给进/起拔回路，回转回路和给进回路的参数可独立调整，系统稳定性提高。由于行走多路阀采用串并联结构，当钻机回转钻进时，行走控制手柄误操作后履带无动作，提高了钻机稳固的可靠性和人员安全。

分体式履带钻机液压系统主要特点是：

(1)具有丰富联动功能的泵控液压系统。分体式履带钻机采用了泵控液压系统，对比传统的阀控系统，减少了高压溢流损失，具有能耗低、发热量小、系统运转平稳等优点，适合地层软硬变化频繁的穿层钻孔施工[6-9]。

系统具有卡转联动、卸扣联动、夹转联动等联动回路，通过1个操作阀实现夹持器、卡盘、回转器、给进等主执行机构的符合动作，降低了误操作发生概率和工人劳动强度，人机互动性好[10-12]。

(2)双泵驱动工作回路。为了实现钻机2车体井下的独立行走和控制，采用双泵独立驱动和控制，2部分压力和流量无相互影响，井下行走的稳定性和操控精确性好。

3 分体式履带钻机的应用

2011年9月，ZDY3200LF型和ZDY4000LF型分体式履带钻机分别在郑州煤业集团淮北矿业集团进行工业性试验。

ZDY4000LF型分体式履带钻机在淮北矿业集团芦岭煤矿Ⅱ817-2#机巷内进行工业性试验。其中，普通ZDY3200S型分体式钻机瓦斯抽采钻孔深度在60～70 m，而新型ZDY4000LF型钻机钻孔深度达到90 m以上，平均月进尺达到1 978 m。在Ⅱ842巷道内，ZDY4000LF型钻机钻孔平均月进尺3 252 m，最大月进尺达到4 068 m。ZDY4000LF和ZDY3200S型钻机平均月进尺如表3所示。

表3 钻机进尺对比Table 3 Drilling footage contrast

工业性试验中，对ZDY3200S和ZDY4000LF型钻机在搬运、调角和稳固3个辅助工序的人员和耗时方面进行对比(如表4)得出，ZDY4000LF型钻机辅助工序工人劳动强度和耗时减少50%以上，证明新型分体式履带钻机井下机动性强、调角和稳固操作方便、工人劳动强度低，满足高效的瓦斯抽采钻孔施工要求。

表4 钻机辅助工序对比Table 4 Rig auxiliary process comparison

通过工业性试验表明，新型ZDY4000LF型分体式履带钻机综合施工效率提高20%以上，辅助工序效率提高50%以上，平均钻孔深度提高30%以上。工业性试验检验了新型分体式履带式全液压钻机的钻进能力、钻机可靠性和灵活性、液压系统等优点，为分体式履带钻机系列产品的开发奠定坚实基础。

4 结 语

作为一种新型钻机，分体式履带钻机系列产品性能可靠，系列产品满足类似西南矿区小型巷道运输、施工条件和类似两淮矿区高瓦斯突出矿井的安全要求。分体式履带钻机开孔姿态调整范围大、机动性强、工艺适应范围广、施工效率高，是煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工的新型装备。

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(责任编辑 徐志宏)

Development and Application of the Split Crawler Drilling Rig

Wu Di

(CCTEGXi'anResearchInstitute，Xi'an710077，China)

There are some shortcomings in the split drilling rig and the entire crawler drilling rig，that can not integrate such functions as high flexibility，small size，high personnel security into one device.So the drilling efficiency for gas extraction is lowered and the drilling rig has a poor adaptability under complex drilling field and mines.The split crawler drilling rig is a new type of drilling and construction equipment for gas extraction.Due to its split and crawler structure，this new-type rig owns small size，flexible underground mobility，and workers can stay away from the orifice and the host to realize control and operation of drilling.Combined with complex conditions of coal mine/rock occurrence and drilling field，and based on analysis and investigation of the structural features，the main function，the key technologies and the hydraulic systems of split crawler drilling rig，the split crawler rig series for different condition and construction environment were designed.The industrial test showed that the split crawler rig has moderate dimensions，high flexibility at underground，high comprehensive drilling efficiency，and wide adaptability.It has a good prospect in mines with complex conditions.

Coal mine，Split-type crawler drilling rig，Gas drainage，Hydraulic system

2013-12-01

“十二五”国家油气重大专项(编号：2011ZX05041-001)。

邬 迪(1980—)，男，副研究员，硕士。

P634.3

A

1001-1250(2014)-03-120-04