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      常見問答

      煤礦用全液壓坑道定向鉆機選配經驗

      隨著我國綜合開采技術的發展和采煤速度的提高,從煤礦安全高效開采的角度來看,井下煤層地質構造勘探的影響變得愈發明顯,但現階段的煤礦井下構造探查技術發展相對滯后,常用的物探手段如地質雷達、三維地震勘探及電法勘探等的探測效果受干擾因素較多,對于需要精確探測的斷層來說其精度并不高,而傳統的鉆探方法如打直孔探查的工作量大、成本高、探查距離短、精度低、存在盲區、鉆孔軌跡偏斜較大且無法精確測量,不能明確指示構造的發育情況,已無法滿足礦井常規需求,嚴重影響煤礦的安全生產及發展。

      基于以上問題,我國煤礦近年來也在不斷的引進、移植國外的先進技術,相關企業也在加快配裝備的研發速度,水平定向鉆進技術便在此階段內逐漸應用于我國煤礦井下探查工作中,且效果顯著。其具有鉆孔軌跡隨鉆測控、精度高、一次性探查距離遠、可開分支等優點,能大幅減少工作量,節約成本,提高探查效率,在煤礦井下地質勘探中發揮巨大作用,緩解煤礦發展的被動局面。

      定向鉆進技術是利用彎外管孔底螺桿馬達等將鉆頭帶動起來進行回轉,利用有限隨鉆測量技術來實現對孔底信息的傳輸,并通過孔口監視器實時監測鉆孔軌跡,并及時調節螺桿馬達工具面向角,以調節使鉆孔傾角發生改變,實現對鉆孔軌跡的變化的有效控制,最終保證準確的將鉆孔軌跡鉆入到靶點中。

      其用于斷層探測時,通過所采集的鉆孔軌跡數據可以計算出地層構造的三維坐標,并可以在已探明構造點鉆孔的相應區域設計多個分支孔,同理計算出其三維坐標。最后,對獲得的多組三維坐標點數據統計匯總建模,就可以勾勒出所探查的地質構造的實際空間分布情況。

      定向鉆進裝備的選配

      近水平定向鉆進技術的應用效果受機具設備性能及鉆探技術水平限制,許多煤礦因機具設備選型不當、技術力量薄弱等,致使性能達不到鉆探工藝要求,主要表現在鉆機電機功率小、輸出扭矩小,達不到要求的鉆孔深度;鉆機轉速不合適,達不到鉆頭切割巖石所需要的線速度;鉆機功能不完善,如打向下傾斜孔或垂直向下鉆孔時,沒有打撈鉆桿和排渣的設備等;所選的鉆桿強度、重量、級配不合理,造成鉆桿與鉆孔摩擦能耗大,無法鉆至工藝要求的鉆進深度或在鉆進時發生孔內事故;未根據巖石性質選擇合理的直徑、種類的鉆頭,造成鉆孔進尺慢;所用泥漿泵泵壓、泵速等達不到對應螺桿馬達和設計孔深的需求,造成螺桿馬達運轉不暢、鉆孔沖洗液量小、排渣能力不夠,引發鉆時減慢或鉆屑卡鉆等,因而有必要針對機具裝備的選配展開研究。

      (1)選配原則

      鉆機類型的選取至關重要,目前煤礦井下使用的鉆機主要有全液壓鉆機,半機械半液壓鉆機,電動鉆機和氣動鉆機等。電動鉆機和氣動鉆機由于功能簡單,能力有限,在施工孔身結構較復雜鉆孔時基本不予考慮,因此主要在全液壓鉆機和半機械半液壓鉆機之中選擇。半機械半液壓鉆機由于配備的液壓泵排量較小,配套手動夾持器夾緊力有限,在施工復雜較長距離鉆孔時夾緊力不足,易發生鉆桿從孔中滑落等事故,因此最終決定選取液壓鉆機進行施工。在選型時主要考慮以下問題:

      ①實際鉆進深度及機身傾角調整范圍;

      ②額定轉速范圍及回轉力矩;

      ③起拔、給進能力;

      ④液壓系統的功能及油泵個數;

      ⑤運輸及工作狀態尺寸、行走速度、可拆卸程度、智能化程度;

      ⑥操作臺儀表盤鉆進參數表個數。

      (2)主要功能參數選擇與分析

      ①主軸通孔直徑

      鉆機的主軸通孔的直徑是根據所匹配的鉆桿柱的最大直徑來確定的。鉆桿的直徑和結構直接影響動力頭和進給裝置的尺寸和旋轉,以增強鉆具所需的功率。鉆孔機支撐鉆桿,以確保傳動扭矩和拉力能力,必須確保有足夠的強度和符合工藝要求的沖擊韌性,不應在正常鉆進過程中出現鉆桿折斷或扭曲的現象。該項目配備了直徑為 73(75)mm的鉆桿,鉆桿為結構為中心通欄式,鉆探施工中,考慮到也可能使用到直徑大于 75mm的鉆桿,例如 89mm 鉆桿,因此,綜合考慮,通孔直徑設計為 95mm。

      ②鉆機的功率設計與選擇

      確定鉆機的功率是選擇動力機的依據,而且還要計算傳輸的大小和強度的基礎進行驗證。由于許多因素的影響,首先按估計值計算根據目前用于 1000 m 瓦斯抽采鉆孔的定向鉆機(功率為 75kw)取得的實鉆數據,及水害防治和地質異常體探查定向孔孔深一般在 600m 以下的鉆進需要。確定鉆機正常工作情況下所需的最大功率為 75kw,根據電機標準進行選配,選用了 YBK2-280M-4 型防爆電機,可以滿足本工程的使用。

      ③液壓系統的工作壓力設計

      為了在最大程度上提高鉆機的可靠性和液壓驅動的工作效率,并且想要減少液壓元件的體積,減輕鉆探設備的重量,應盡可能選擇優質,高壓,小型液壓元件。 鑒于以上方面的綜合考量,根據液壓傳動與液壓系統的設計方法與理論,主要液壓部件采購進口高質量產品,如液壓馬達串聯泵,多通閥,先導控制閥,帶有制動功能的液壓馬達,所有液壓元件均為根據 31.5MPa 進行選擇。根據高壓管路壓力和液壓系統優化膠管直徑的工作流量來設計液壓系統壓力,第一泵系統設計的常規工作壓力為 25MPa,第二泵組和第三泵組的工作壓力設計選擇為 21MPa。

      ④主軸回轉速度

      鉆機主軸轉速是根據鉆進工藝確定的。螺桿馬達定向鉆進需要的轉速較小,主要用于螺桿馬達工具面的調整,而回轉鉆進對轉速要求較高,就常情況而言,鉆頭高速回轉,快速對地層進行切削與破碎,鉆孔效率高。但在煤礦定向鉆孔中鉆桿柱和孔壁摩擦嚴重的情況下,回轉速度過高,鉆桿柱的磨損更快。雖然較高的回轉速度可以有效地提升鉆進碎巖成孔效率,但容易造成鉆桿過度磨損而引發孔內事故,因此過高的回轉速度是不合適的。根據近年來在礦井下鉆孔積累的經驗來看,200 r / min 的回轉速度可以滿足各種鉆井過程所需的最大速度。計算和調整液壓元件參數后,主軸輸出回轉速度最終確定為為 50?190r / min,現場試驗可以證明,該回轉速度區間選擇的較為合理。

      ⑤主軸最大扭矩

      鉆機除了驅動旋轉鉆頭與鉆具之外,還經常作為擰卸機構,用于加減鉆桿。為了使鉆機的回轉器具有滿足工作需要的較大回轉扭矩,選擇液壓馬達后,適當調整馬達的傳動比,使鉆機的回轉速度在 5?50r / min 的范圍內輸出的回轉扭矩恒定,相應的 扭矩值為 6000Nm。根據施工中使用的不同的鉆孔方法設置了限壓閥,定向鉆進施工時回轉力矩不超過 3000Nm,以防止損壞內部帶有電纜的鉆桿柱。

      ⑥給進進程

      履帶鉆機的尺寸取決于兩個方面的因素,一個是履帶車體尺寸的長度,為了使履帶式鉆機可以自由適應較小轉彎半徑的需要,應盡量縮短其長度。二是鉆孔速度,如果鉆機具有比較大的給進行程,則可以可減少加減鉆桿的頻次,縮短施工過程中的非鉆進時間,從而提高整體鉆井效率。給進形成的大小也與給進機構的類型以及給進、提升能力的大小有關。全液壓動力頭式鉆機的給進機構同時也可以作為升降機構,所以也考慮到鉆機在需要提升鉆頭的時候,深孔鉆機的形成需要比較長,這是為了減少鉆井時間。但是若行程太大,鉆機的靈活性移動性很差,且需要較長的履帶,致使鉆機的整體重量增加。此外由于水害防治定向孔鉆孔傾角較大,給進行程過大將增加鉆桿加桿難度。綜上所述,鉆機的給進形成既不能過大也不能過小,應始終,最終確定為 1000mm,并采用液壓聯動的方式。

      ⑦給進與起拔能力

      鉆機提升與起拔能力應符合正常施工鉆孔的需求,同時鉆機的起拔能力還要能夠滿足處理孔內事故的需求。因為在水害防治和地質異常體探查定向孔施工中,鉆孔中容易發生卡鉆等孔內事故,在處理孔內事故強力起拔鉆具時就需要鉆機的拉力要比正常情況要大得多。根據鉆探施工經驗,最終選擇給進起拔力為 180kN,通過合理選擇型液壓油缸和給進裝置,可以滿足該設計要求。

      ⑧履帶參數

      由于鉆機本身的能力和履帶結構參數的選擇,確保了鉆機的結構尺寸,重量和穩定性,這是項目的難點之一。因此,使用 P130 型履帶,并與中國地質裝備總公司合作對履帶車體結構進行開發試制。

      ⑨機身傾角調整范圍

      由于水害防治定向孔施工目的層位主要為煤層底板或頂板,為盡快進入目的層位施工,鉆孔開孔傾角較大,一般為-30~20°,因此機身傾角的調整范圍要比瓦斯抽采定向鉆機更大,設計機身傾角調整范圍為-30°~20°。

      (3)選型的確定

      孟村煤礦的井下 MC-DF29 斷層探測工程中,由于受鉆場位置選取限制,致使該鉆孔的軌跡較長,即鉆具懸重也較大,這便造成此工況下鉆機負荷較大,若選型不當,勢必造成設備故障率高,施工效率低下,更有甚者會發生安全事故,造成人員傷亡,因此其對配套鉆機性能具有特殊要求。

      綜上,結合所需鉆機自身特點、孔身結構、地層條件和井下環境,借鑒其他礦區的成功施工經驗,最終選定 ZDY6000LD 型全液壓坑道鉆機進行施工(圖 1),其體積小、重量輕、零部件拆卸方便,便于搬遷和運輸、滿足全方位鉆進要求。對我國煤礦坑道狹窄、運輸困難、鉆場環境惡劣等有很好的適應性,且在晉城、撫順、銅川等礦區的井下實際鉆進效果顯示,其性能及穩定性、價格、售后服務等優于同類進口鉆機。該鉆機主要技術參數見表。

      圖 1 ZDY6000LD 型定向鉆機

      ZDY6000LD  全液壓履帶鉆機主要參數

      鉆桿直徑 mm 73/89

      鉆進傾角 ° -30~20

      額定扭矩 N·m 6000~1600

      起拔能力 kN 180

      給進能力 kN 180

      電機功率 kW 90

      額定電流 A 96.4/55.7

      額定電壓 V 660/1140

      行走速度(m/s) 0~2.5

      給進/起拔行程(mm) 1000

      最大爬坡能力(°) 20

      接地比壓 N/mm 2 0.06

      外形尺寸 mm 3380×1450×1800

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