履带式全液压坑道钻机在巷道掘进中的应用研究

霍 璇

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

引言

我国煤矿赋存环境复杂，“有掘必探，先探后掘”对矿井的安全生产有着重要意义[1]。通过超前探测技术提前探明采掘区前方水源情况，并采取相应防治措施，可以有效避免矿井水害的发生。坑道钻探作为防治矿井涌水的重要手段之一，分为螺旋差动给进式和动力头式（液压式）两类[2]。小庄煤矿40302 工作面运输巷采用的传统机械式坑道钻机存在工作强度大、探查精度低、周期长的问题。随着安全生产对钻孔施工技术要求的不断提高，传统坑道钻机的局限性也日益凸显。因此，急需寻求一种新型钻机对小庄煤矿40302 工作面运输巷道采掘过程中超前探水设备进行改进。

1 小庄煤矿40302 工作面概况

40302 工作面运输巷由40302 设备硐室向东侧开口掘进，北侧为40304 工作面，南侧为40210 工作面，西侧为中央2 号回风大巷，东侧紧邻井田东翼开拓大巷保护煤柱，设计长度2 200.6 m。40302 工作面运输巷与40302 回风顺槽平行且相距196 m，沿煤层底板掘进，掘进方位90°，工作面四周无采空区，均不会对该运输巷道造成影响。40302 运输巷煤层硬度为中硬，施工范围内主含水层由中、粗粒砂岩组成，依分选性、胶结程度及裂隙发育程度不同，呈现相对隔水或局部含水，受局部断裂构造的影响，可能在局部地段通过导水裂隙进入井巷系统。

由工程概况可知，掘进巷道地质构造较复杂，可能存在含水构造。为避免巷道掘进过程中揭露含水构造，威胁巷道的安全掘进，需要在巷道掘进前进行超前探水施工。但通过前期探水效果看来，采用传统机械式坑道钻机施工无法达到预期效果，施工效率低，劳动作业强度大，精确性低，无法充分消除作业区域水害隐患。因此，需要寻找一种新型坑道钻机替换传统机械式坑道钻机。

2 传统坑道钻机分析

2.1 传统坑道钻机的组成和运行

由图1 所示，传统坑道钻机主要由钻机、钻杆、钻头三部分组成。利用钻机的动力头驱动孔内钻具回转，带动钻头旋转切削煤岩层，同时钻机提供孔内钻具前进的动力，实现破岩钻进，最后钻屑随高压冲洗液沿四周环形空间间隙排出孔外[3]。

图1 传统坑道钻机组成示意图

2.2 传统坑道钻机应用效果分析

1）由工程概况可知，小庄煤矿40302 工作面运输巷涌水量主要来源于构造裂隙水和施工水两方面，其中构造裂隙水主要为巷道顶板淋滴水或前方遇断层构造或裂隙带时突然涌水。开展钻探作业难度较大，采用传统坑道钻机施工时，需要频繁调节设备位置及角度，极大增加了工人工作量，同时拖延了施工进度，影响巷道开掘和生产。

2）采用传统坑道钻机在上山方向钻探施工时，顶板和煤壁易发生冒顶、片帮等事故。由于40302 运输巷煤层较为坚硬，容易出现因负荷过大导致钻杆卡死的现象，造成钻机的综合保护插件频繁烧毁，存在一定程度的安全隐患[4-5]。

3）传统坑道钻机体积大、结构松散复杂、行走不便，对作业环境要求较高。采用点柱的方式作为中心支撑点，当施加力较大时，将会产生相对应的大反作用力，最终使得钻机在钻孔时摇摆不定，产生左右晃动的不稳定现象。

综上，传统坑道钻机存在工人工作强度大、设备不稳定、移动拆卸困难等问题，在40302 运输巷中，开掘应用效果不佳，不能保质保量地完成钻探水施工，影响施工进度。

3 履带式全液压坑道钻机分析

3.1 履带式全液压坑道钻机的结构组成

履带式全液压坑道钻机为整体式布局，由前下稳固装置、上稳固装置、主机、回转油路板总成、冷却器、电机泵组、上下稳固装置、主操纵台、油箱及履带车体等部分组成，各部分之间用高压胶管和螺栓连接。履带式全液压坑道钻机结构如图2 所示。

图2 履带式全液压坑道钻机

3.2 履带式全液压坑道钻机的特点

1）40302 运输巷掘进探水施工时工作量大，履带式全液压坑道钻机低转速大转矩，钻孔破岩速度快，工作行程大，可以极大减轻工人劳动强度。

2）履带式全液压坑道钻机适应性强，解体性好，移机和稳钻时间短，移动搬迁方便，可实现360°无死角钻探，可满足40302 运输巷探水钻孔多方位、多角度的需求。

3）履带式全液压坑道钻机操作台设在履带车体后方左侧，操作时远离孔口，可以避免上山施工所造成的砸伤等隐患，提高了施工环境及施工人员的安全性。

综上，履带式全液压坑道钻机具有钻孔效率高，工艺适应性强，稳定牢固，移动搬迁方便，安全可靠等一系列优点，符合相关设计要求，适合用于巷道掘进探水钻孔施工。

4 履带式全液压坑道钻机的应用效果分析

根据小庄煤矿40302 运输巷特点，结合现场实际情况，应用ZDY3500LP 煤矿用履带式全液压坑道钻机进行探放水施工，针对ZDY3500LP 煤矿用履带式全液压坑道钻机的钻进速度、工人劳动强度、打钻安全性和稳定性对其应用效果进行评价。

4.1 钻进速度

40302 运输巷采用综掘机进行掘进，平均每天掘进工程量为6 m，巷道每掘进10 d 需进行一次探放水施工，探水施工周期为2 d，每月因探水施工影响施工工期为4～6 d，掘进前期探水钻场间距为60 m，每个探水钻场布置2 排钻孔，共6 个钻孔。采用煤矿用履带式全液压坑道钻机ZDY3500LP 施工超前探水钻孔后，比预计工时78 d 提前了16 d 左右，并完成钻孔施工深度大约在60 m，巷道掘进效率提高了21%。

4.2 工人劳动强度

采用液压支架支护比传统钻机减少了很多工序，用传统钻机打钻需4 人推钻、1 人抱钻、1 人观山、1人洒水，共7 人；而使用履带式全液压坑道钻机只需4 人完成，推、抱钻环节各1 人即可，工作量也大幅减少。

4.3 安全稳定性

采用履带式全液压坑道钻机后，施工人员所在操作台的位置安装于主机轮廓外，不仅可以避免上山施工所造成的砸伤等隐患，同时还能保证在下山施工时实现远程操作、定时排水。表现方式更为稳定，确保40302 运输巷在探水施工时钻孔角度符合设定值，工作安全性稳步提升。

整个设备具有安全高效、结构紧凑、性能稳定、易于操作以及拆卸移动方便等优点，经过相关检测机构进行实验得出，符合相关设计施工要求，适用于煤矿井下掘进探水及其他工程孔的施工，具有一定的推广意义。

5 结论

1）传统坑道钻机由于体积大和结构松散等特点，造成40302 运输巷的掘进工期延迟。

2）履带式全液压坑道钻机结构紧凑，稳定性高，安装搬运方便，在巷道掘进探水中具有更强的适应性。

3）选用履带式全液压坑道钻机后，掘进效率提升21%，工人劳动强度降低，安全性提高。