螺旋杆燃油钻机的改进开发与应用

蒋海江，彭树梁，张 记，陈 旭，吴祥银

（云南省小龙潭矿务局，云南 开远 661699）

云南省小龙潭矿务局下属小龙潭露天矿、布沼坝露天矿2 个露天煤矿，已开采50 多年，现设计生产能力褐煤1 500 万t/a，剥离土方1 500 万m3/a，采用穿孔爆破工艺，孔深10.5 m，孔径125～130 mm。自采用机械化开采生产以来，矿务局一直都在寻求适宜于小龙潭矿区煤岩层地质结构特性的高效钻孔设备，终因矿区煤岩层在钻孔过程中会形成一种压缩空气无法排除的黏性面团状的钻渣，以致市场上普遍应用的潜孔钻、牙轮钻、切削钻等依靠压缩空气排渣的钻机都无法正常使用[1]。为解决开采过程中的钻孔问题，设计改装出了电动螺旋钻机，成功解决了缺乏钻孔设备的困局。然而自制钻机属无合格证的“三无”产品，且操控性、环保性以及作业效率都不理想，已经无法适应当前安全生产形势的需要，因此必须对在用的自制钻机进行改进，研究开发安全高效、环保适用、合格的钻孔设备。

1 采剥工作面煤岩层特性分析及应对措施

1）工作面煤岩层特性。云南省小龙潭矿务局所属2 个露天矿采剥工作面需钻孔的岩层主要以泥灰岩、褐煤为主（普氏系数都≥2），偶然间夹有煤矸石（普氏系数3～5）。2 个露天矿地处南方山间盆地的深凹露天煤矿，南盘江穿越两矿之间，每年5—10 月频繁降雨，以致煤层与泥灰岩层含水重，在较低水平的采煤工作面钻孔时经常遇到孔内浸水，导致钻渣成黏稠状的现象，泥灰岩在干燥状态时钻渣成粉末状、当含水重甚至有浸水时钻渣则形成黏性的面团状。若使用依靠压缩空气排渣的潜孔钻、牙轮钻、切削钻等钻机作业，其排渣孔均会被堵塞而无法正常钻孔。

2）应对措施。为解决此类特殊煤岩层钻孔的排渣问题，经反复研究论证，拟订了借助螺旋的上升特性将黏稠状钻渣排除的方案。通过对相关矿山考察及广泛的钻机市场了解调研，仍未找到适宜2 个露天矿钻孔需要的成熟螺旋钻机，市场上普遍的螺旋钻机主要用于地探或基建地桩施工钻孔，特点是设备庞大、费用昂贵、钻孔直径大、钻孔速度较慢，无法满足完成每天上百个炮孔的作业需求。因此矿务局组织相关技术人员自行设计，拟订了以东方红履带式拖拉机底盘为平台，发动机改为电动机、构建钻架及提升、下钻装置的自制电动螺旋钻机方案[2-3]，并先后制造了12 台投入使用，正常煤岩层工作面上的钻孔效率为：10.5 m 的孔深成孔时间大约为18 min，已完全满足采剥生产的穿孔需要，成功地解决了特殊煤岩层无适宜穿孔设备的问题。

2 自制螺旋钻机的缺陷与不足

1）自制钻机属“三无”产品。自制钻机是没有出厂合格证及相关检验报告的“三无”产品，不符合现在煤矿安全生产标准化管理的要求，上级相关部门检查时，也多次提出钻机是“三无”产品，需要采用专业生产厂家制造的合格产品。

2）电控系统不完善，无漏电保护功能。因采剥工作面多、推进速度快、钻机分布范围广以致供配电点布局困难，其电控装置元器件老旧，属淘汰产品，也无法加装漏电保护相关功能，存在安全隐患。

3）操控作业环境差。钻孔作业在野外露天进行，作业人员经常面临风吹日晒雨淋、扬尘及坑内高温酷暑的作业环境，作业人员面临的职业病危害因素风险大。

4）无降尘装置。无法加装相关降尘装置，钻机作业时粉尘较大，环保问题凸显，可能面临环保部门的处罚，也影响煤矿安全生产标准化达标验收的通过。

5）作业环节多，作业劳动强度大，对安全作业有一定影响。作业人员需不断的从事搬抬钻杆、装卸换杆、清理钻渣、拉埋电缆、测量钻孔深度等多个环节工作，特别是在搬抬钻杆、装卸换杆、清理钻渣时易发生夹伤碰伤手指、被钻杆螺旋卷入等伤害事故。

6）作业人员多，占用较多人力资源，不利于相互间协调。作业时通常每台钻机需3 人操作，其中司机1 人操控设备、2 人合作搬抬钻杆、装卸换杆、清理钻渣、拉埋电缆。困难的是司机的操控与装卸换杆、清理钻渣人员之间的作业协调，操作稍有不慎就可能发生伤害事故。

7）配件购买困难。由于年代久远，相关零配件难以在市场上购买，很多零配件需要单独加工，影响钻机的使用效率。

3 新型钻机的研究开发

通过钻机市场调研了解，邀请厂商实地现场查看，并与相关厂商交流沟通及反复论证后，拟订了以山河智能装备股份有限公司SWDR115 切削钻机的动力系统与底盘为平台，取消原钻机的切削钻孔装置，重新设计高效安全的新型的螺旋钻孔装置[4-8]。

1）整体考虑。为提高新型的螺旋钻孔装置的钻孔效率，需考虑自动换杆或免换杆方案，以减少人工装卸换杆作业时间，并科学合理设计钻杆螺旋角、钻头钻架形式及钻孔动力头与进给驱动机构方式。自动换杆装置不仅结构复杂、样机开发成本高，且钻杆间只能采用螺纹连接方式不能反转，无法满足钻孔过程中发生堵转时反转操作的需要，因此不宜采用。

2）钻杆及钻头的考虑。根据开采工艺，钻孔深度需达到10.5 m 的要求，考虑采用2 根5.5 m 长的钻杆通过六方形插口同时加装锁紧型高强度耐磨连接定位销连接的方案，不仅消除了换杆作业环节，而且当遇到钻杆堵转时也可实现反转操作。通过反复计算与试验证明，钻杆的钻头采用一字刀口形硬质合金钻头，钻杆螺旋角为14°时的钻孔效率最高。

3）驱动装置的考虑。采用液压油缸驱动钻架的竖立与放平，分别设置钻孔动力头及进给机构驱动液压马达。为方便维修保养，进给液压马达设置于钻架底部，通过链传动机构带动钻杆的进给与退出。

4）排渣装置的考虑。为减少钻渣粉末飞扬、钻孔时钻杆抖动过大并能自动清除钻杆螺旋间附着的黏土，需设置内圈可旋转的随动中间导向支撑及底部导向支座、附着黏土清除刷及喷雾降尘喷头。

5）安全方面的考虑。为防止操作失误，造成动力头碰撞钻架顶部、及钻孔过程中钻架变换角度造成相关机构损伤，需分别在钻架顶部设置无触点限位及机械式限位开关双重保护，并设置钻架调整锁定开关。

6）操控性方面的考虑。为提高操控性、舒适性、安全环保性，需采用液压先导操控、司机室内安装钻孔深度指示、配置冷暖型空调，机体顶部设置防人员坠落防护围栏。

4 新型钻机的应用效果

现已为云南省小龙潭矿务局提供了5 台合格的新型燃油螺旋钻机，运行效果非常好。

1）钻孔效率显著提高。自制钻机在正常煤岩层工作面上钻10.5 m 深的孔一般需要18 min，同样工况下新型钻机钻11 m 孔深只需3 min，钻孔效率显著提升。

2）极大地节省人力资源成本。自制钻机每台需3人操作，新型钻机仅需1 人操作，每台钻机节省2人，全局已释放15 人钻孔作业人力资源，这15 人已调整到其他急需岗位作业，矿务局人力资源短缺现象得到一定缓解，根据测算，按照一线操作人员每人每年不少于14 万元的人力成本，每年可节约人力资源成本210 万元。

3）安全环保性、操控性、舒适性好。自制钻机操作环节多、操作司机与辅助人员之间协调困难、稍有不慎易发生伤害事故，同时露天作业，操作人员免不了遭受风吹日晒雨淋、粉尘伤害。新型钻机只有1 人在司机室内操作，不存在协调沟通问题，不易发生伤害事故，且司机室内装有空调，加上钻机配置的喷雾降尘装置，效果良好，操作人员作业环境明显改善。

4）钻孔深度不需人工反复测量。自制钻机钻孔深度由于钻渣堵塞问题，钻孔深度需要人工反复测量，才能保证钻孔的合格率，新型钻机设置了钻孔深度指示，即使遇到钻杆堵转的情况，钻孔的深度指示也不会有误，不需要人工进行反复测量，钻孔的合格率也能得到保证。

5 结语

根据云南省小龙潭矿务局2 个露天煤矿独特的煤岩层特性，分析现有钻机的不足，提出解决方案。以山河智能装备股份有限公司的SWDR115 切削钻机为基础，重新研究开发新的螺旋钻孔装置，成功研制出新型的SWDR115H 切削螺旋钻机。经实践证明，新型钻机非常适用于矿务局两露天煤矿，可在相关的露天煤矿推广应用。