ZDY4000 全液压钻机定向化改造技术应用

赵 磊

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030200）

引言

瓦斯是影响煤矿安全生产的主要威胁，在实际生产中通过合理的通风措施对工作面的瓦斯进行稀释，以使得瓦斯浓度低于《煤炭安全规程》的要求；同时，在开采前还可通过全液压钻机钻孔对瓦斯进行预抽采，降低工作面煤层的瓦斯涌出量。针对瓦斯抽采的钻机以全液压定向钻机为主，定向钻机在实际应用中由于工作量大且年代久远故障频发[1]。为保证瓦斯抽采效率，本文以ZDY4000 全液压钻机为例，对其实际生产中存在的不足和问题进行定向化改造，并对改造后的效果进行验证。

1 ZDY4000 全液压钻机概述

ZDY4000 全液压钻机具有高钻孔效率、钻机、辅助工作时间短以及钻机利用率高的优势。该型全液压钻机可自主行走、结构布置合理辅助功能齐全。从结构上分析，ZDY4000 全液压钻机由开关、移动沙箱、操作台、动力源、行走装置、油箱以及主机等组成，设备对应的参数包括有回转参数、给进参数、机架参数、行走参数等，各项参数的具体指标如表1 所示。

表1 ZDY4000 全液压钻机关键参数指标

ZDY4000 全液压钻机行走装置的结构特点可有效避免现场的障碍物，并在其侧面安装了4 个具备液压锁的液压支柱；设备通过梅花形弹性连接器实现电机动力至钻头动力的传递，同时配有板翅式冷却器对液压油进行强制冷却；设备油箱内部采用鳞化结构保证箱体内液压油的清洁度[2]。同时，ZDY4000 液压钻机采用双油泵的模式，实现回转和给进相对独立的恒功率控制；可根据工作面情况对设备倾角进行方便调节。

目前，ZDY4000 全液压钻机在实际应用中的主要问题是由于钻杆跑偏导致钻孔的轨迹无法精确控制。因此，急需对其进行定向化改造。本文将主要对其抱紧机构、液压系统并配套相应的钻杆完成定向化改造。

2 ZDY4000 全液压钻机的定向化改造

本小节主要对ZDY4000 全液压钻机的抱紧机构和液压系统进行改造。

2.1 抱紧机构

为保证ZDY4000 全液压钻机的定向功能，急需对其抱紧机构进行改造。目前，抱紧机构的主要优势为夹紧力大且反应及时；但是，由于长时间的应用导致其卡瓦磨损严重，对应的更换零部件耗时且费力[3]。因此，结合ZDY4000 全液压钻机的结构特点，将原斜面增力式抱紧机构替换为湿式摩擦盘式定向抱紧机构，摩擦盘式定向抱紧机构结构如图1 所示。

图1 湿式摩擦式定向抱紧机构

如图1 所示的湿式摩擦式定向抱紧机构与斜面增力式抱紧机构相比，其在油压作用下主动摩擦片和被动摩擦片之间被挤压实现抱紧功能，具有制动力矩大且性能更加可靠的优势。

2.2 液压系统

鉴于抱紧机构改造为湿式摩擦式定向抱紧机构，为保证抱紧机构功能的正常发挥，需对其液压系统进行大量改造，具体从对主轴抱紧功能控制油路和增加抱紧装置锁紧控制油路两方面着手改造。具体改造路径如下：

为液压系统新增定向钻进操作阀，该项装置主要为定向抱紧机构提供高压油，从而实现对钻机主轴的定向控制；同时，为液压系统新增马达浮动截止阀，避免钻机的正常工作受到意外动作的影响[4]。

为保证定向钻机在实际钻进过程的稳定性和钻进效率，并结合上述改造方案为其配置国产Φ73 mm 的三机螺杆马达，保证定向钻进的需求；同时，为了避免在实际过程中受到负载振动、冲击载荷作用而经常发生的卡钻事故，提高设备的排渣效果，为其配置Φ73 mm 的整体式宽翼片螺旋钻杆；对应的将直径为96 mm 的钻头扩大为153 mm。

3 ZDY4000 全液压钻机的定向化改造效果

为验证ZDY4000 全液压钻机的定向化改造效果，将其应用到西山煤电屯兰矿22302 轨道巷中对其性能进行验证。

3.1 22302 工程概况

22302 轨道巷钻场位于Z4点附近，测试钻孔开孔点位于钻场正前与右手帮相交处（开孔点距底板1.6 m），贯穿点位于22300 胶带巷与22300皮顺绕道相交处（贯通点距底板2 m）。开孔点X 坐标37 594 609.752 3，Y 坐标4 195 864.167 4，Z 坐标792.7；贯穿点X 坐标37 594 554.960 4，Y 坐标4 195 706.584 1，Z 坐标794.07。（届时，根据钻进现场实际施工情况，钻进坐标参数将作适当微调），钻孔将采取绕顶钻进方式，即钻孔将进入2 号煤顶板钻进，爬升到一定高度后，钻孔再向下钻进，直至钻进至贯通点，钻进期间钻孔会通过2 条正断层，过断层期间，放慢钻进速度，以防卡钻。钻孔贯通水平投影距离为166.84 m。本次试验涉及的设备如表2 所示。

表2 施工设备

施工工序如下：钻场准备→钻孔设计→稳固钻机→开孔注浆（安装封孔管）→安装孔口瓦斯管理装置→钻进施工→洗孔→退钻杆[5]。

3.2 施工效果

开孔点位于22302 轨道巷Z4点硐室内右手帮拐角处，贯通点位于22300 皮带顺槽P3点前47.98 m，高差距离巷道底板2.1 m。实际钻孔开孔倾角9.23°，方位角185.63°，钻孔开孔后向上爬升至6.95 m 再向下钻进至预计贯穿点，施工途中，钻孔分别穿过砂质泥岩、1 号煤、细砂岩、3 号煤，钻孔施工完毕后，终孔位置距P3点前48.18 m，左右偏差为0.2 m，高差距巷道底板0.7 m，施工期间实钻数据向下偏移0.4 m，故上下轨迹实际偏移量为1 m，钻孔轨迹总长177.48 m。钻进结果如表3 所示。

表3 钻进结果

贯穿点距离向右偏移0.2 m，向下偏移1 m。根据实钻结果计算，该测量系统倾角误差为±0.3%，方位角误差为±0.1%。根据结果显示，实际贯穿点位于计算误差范围内，测量系统性能较为稳定，实现了定向钻进的功能。

4 结语

全液压钻机为煤矿瓦斯抽采的主要设备，该设备的钻进速度、钻进精度等均为保证瓦斯抽采效果的主要参数。为解决ZDY4000 全液压钻机在实际钻进过程中存在的问题，将原斜面增力式抱紧机构替换为湿式摩擦式定向抱紧机构，并在其液压系统增加定向钻进操作阀和浮动截止阀以满足抱紧机构改造的使用要求。实践表明，ZDY4000 全液压钻进机实施定向化改造后测量系统性能较为稳定且实现了定向钻进的功能。