23 000 N·m 大直徑定向鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

陳澤平

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

我國(guó)煤礦煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯含量高、壓力大，瓦斯災(zāi)害事故時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重威脅井下從業(yè)人員生命安全和煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔軌跡可控、鉆進(jìn)距離遠(yuǎn)、成本低、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)煤礦井下瓦斯治理方面得到廣泛應(yīng)用[3-5]。但在復(fù)雜地質(zhì)條件下，定向鉆機(jī)深孔大直徑施工能力不足，導(dǎo)致鉆孔效率低、深度淺、瓦斯抽采效率低，無(wú)法滿足煤礦井下瓦斯高效治理及“以孔代巷”實(shí)際需求。

“十二五”期間，中煤科工集團(tuán)重慶研究院研制了ZYWL-13000DS 定向鉆機(jī)，主機(jī)功率132 kW，推力/拉力最大280 kN，最大扭矩13 000 N·m，配套泵車流量480 L/min。該鉆機(jī)在晉煤成莊礦43163 巷道頂板復(fù)雜地質(zhì)條件下，采用“先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔”二次成孔工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一次鉆孔直徑?120 mm，最大鉆孔深度810 m[6]。中煤科工集團(tuán)西安研究院在山西晉城寺河礦，采用ZDY-12000LD 定向鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)孔一次成孔?120 mm，最大鉆孔深度456 m[7]。

“十三五”期間，為滿足煤礦井下煤層氣（瓦斯）高效抽采和提質(zhì)增效的要求，中煤科工集團(tuán)重慶研究院承擔(dān)了國(guó)家重大科技專項(xiàng)任務(wù)“大直徑高位長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)及裝備”，重點(diǎn)研制ZYWL-23000DS大直徑定向鉆機(jī)，滿足一次鉆孔直徑達(dá)?153 mm、成孔深度1 000 m 以上。要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，需要在井下空間受限條件下大幅提高定向鉆機(jī)裝備整體性能參數(shù)，對(duì)鉆機(jī)總體布局、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)等提出了更高的要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

ZYWL-23000DS 定向鉆機(jī)整體尺寸比ZYWL-13000DS 定向鉆機(jī)增加幅度較大，在井下巷道的適應(yīng)性將會(huì)受到很大限制。因此，將鉆機(jī)主機(jī)及泵車采用分體式結(jié)構(gòu)，均采用全液壓履帶底車驅(qū)動(dòng)，并在長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，以滿足煤礦井下運(yùn)輸和鉆場(chǎng)適應(yīng)性。定向鉆機(jī)主機(jī)和泵車之間可通過(guò)1 根液壓先導(dǎo)管和水管的連接成為一個(gè)有機(jī)的整體。

定向鉆機(jī)除具備回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)和復(fù)合定向鉆進(jìn)等基本功能外，還需要在定向鉆孔過(guò)程中處理孔底事故時(shí)，具備大轉(zhuǎn)矩和強(qiáng)力起拔力能力。泵車需要大流量輸出，滿足在深孔鉆進(jìn)時(shí)高效率排渣需要。鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：①額定轉(zhuǎn)矩：23 000～5 000 N·m；②額定轉(zhuǎn)速：45～150 L/min；③主軸通孔直徑：135 mm；④制動(dòng)轉(zhuǎn)矩：4 000 N·m；⑤推進(jìn)/起拔力：400 kN；⑥輸出泵量：800 L/min；⑦爬坡角度：20°；⑧電機(jī)功率：200 kW；⑨主機(jī)外形尺寸：5 500 mm×1 600 mm×2 300 mm；⑩泵車外形尺寸：3 550 mm×1 450 mm×1 860 mm。

2 大直徑定向鉆進(jìn)裝備關(guān)鍵技術(shù)

定向鉆機(jī)需要滿足一次鉆孔直徑?153 mm 以上，在頂板巖中鉆孔施工能力達(dá)到1 000 m 以上，相較于“十二五”期間有大幅提升?；诳傮w方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)需要解決整機(jī)結(jié)構(gòu)布局、大扭矩動(dòng)力頭、大推力給進(jìn)系統(tǒng)、大流量泥漿泵車、輔助上桿裝置、鉆桿吊裝車等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 鉆機(jī)總體布局

為滿足狹窄巷道運(yùn)輸和施工要求，鉆機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)、履帶車行走形式，各功能部件集成在履帶底車上。定向鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖1，其中油箱、電動(dòng)機(jī)組件、操作臺(tái)、防爆電腦等依次排成一列，機(jī)架、動(dòng)力頭等單獨(dú)成列。電腦組件采用可轉(zhuǎn)動(dòng)式設(shè)計(jì)，有效利用了履帶車上方空間，較常規(guī)固定式電腦組件而言，避免了視線的阻擋，操作者能夠更容易觀察鉆孔數(shù)據(jù)、動(dòng)力頭和上鉆桿等動(dòng)作情況；各部分組件均采用模塊化設(shè)計(jì)，液壓閥組設(shè)置在機(jī)架附近空隙部位，各組件通過(guò)液壓管路實(shí)現(xiàn)功能連接。鉆機(jī)整體通過(guò)工業(yè)造型設(shè)計(jì)，具有布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、易于維修的特點(diǎn)。

圖1 定向鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局圖Fig.1 Structural layout of directional drilling rig

2.2 雙泵并聯(lián)大流量泥漿泵車

泥漿泵車作為定向鉆孔的核心配套裝備，有“鉆進(jìn)心臟”之稱[8]，其輸出流量在很大程度上決定了定向鉆進(jìn)的排渣能力和鉆進(jìn)效率。常規(guī)煤礦井下泥漿泵車均為單泵配置，額定輸出流量都在500 L/min以下[8-9]，輸出流量很難進(jìn)一步提升。為滿足深孔大直徑定向鉆進(jìn)需求，提出了基于雙泵并聯(lián)的泥漿泵車新方案。泥漿泵車結(jié)構(gòu)布局圖如圖2。

圖2 泥漿泵車結(jié)構(gòu)布局圖Fig.2 Structural layout of mud pump truck

泵車的關(guān)鍵在于雙水泵并聯(lián)設(shè)計(jì)，將流量為500 L/min 和300 L/min 的2 個(gè)泥漿泵進(jìn)行并聯(lián)，總體輸出流量范圍為0～800 L/min，最高輸出壓力10 MPa，總體成本為單泵輸出方案的30%～40%。為了控制并聯(lián)結(jié)構(gòu)整體尺寸，將主、副泥漿泵上下布置，并合理布置雙泥漿泵、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、進(jìn)出水管路的位置及朝向，得到了最小尺寸布置方案。

2.3 雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)大扭矩動(dòng)力頭

動(dòng)力頭的主要作用提供輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以及滿足定向鉆進(jìn)中多種鉆進(jìn)工藝需要，是實(shí)現(xiàn)大直徑深孔定向鉆進(jìn)的關(guān)鍵部件。為滿足大扭矩輸出要求，設(shè)計(jì)了“雙液壓馬達(dá)+齒輪傳動(dòng)”式動(dòng)力頭，動(dòng)力頭最大輸出扭矩達(dá)到23 000 N·m，在驅(qū)動(dòng)齒輪軸處設(shè)置了2 個(gè)剎車裝置，制動(dòng)扭矩達(dá)到4 000 N·m。動(dòng)力頭通孔孔徑達(dá)到?135 mm，能夠滿足可配套?102、?114、?127 mm 等多種規(guī)格的定向鉆桿和事故打撈鉆具，適用于定向鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)、鉆具打撈等各種鉆進(jìn)工藝。雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of dual motor driving power head

2.4 “剎車優(yōu)先”邏輯控制技術(shù)

剎車裝置是依靠剎車卡瓦夾緊時(shí)的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭主軸的制動(dòng)，是定向鉆機(jī)的關(guān)鍵部件，也是易損件。在定向鉆進(jìn)時(shí)，需要?jiǎng)x車裝置處于制動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)力頭禁止旋轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，鉆機(jī)操作人員經(jīng)常在剎車制動(dòng)狀態(tài)下操作動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)手柄，一方面對(duì)剎車裝置造成沖擊，導(dǎo)致剎車卡瓦磨損或損壞；另一方面容易導(dǎo)致動(dòng)力頭小幅度旋轉(zhuǎn)，造成螺桿馬達(dá)彎頭方向改變、鉆孔軌跡控制不精確。為解決這一問(wèn)題，將動(dòng)力頭與剎車的先導(dǎo)控制油路設(shè)計(jì)成“剎車優(yōu)先”邏輯控制回路，起到“剎車優(yōu)先”的作用，“剎車優(yōu)先”邏輯控制液壓系統(tǒng)如圖4。

圖4 “剎車優(yōu)先”邏輯控制液壓系統(tǒng)Fig.4 “Brake priority”logic control hydraulic system

“剎車優(yōu)先”邏輯控制工作原理：

1）剎車狀態(tài)。操作剎車裝置控制手柄至“剎車”位時(shí)，控制油B3通油，主換向閥3 切換至左位，剎車裝置使動(dòng)力頭主軸處于鎖緊狀態(tài)。此時(shí)，控制油A3通過(guò)液控單向閥9 進(jìn)入液控?fù)Q向閥6、換向閥7、換向閥8 的液控口X，使其換向至右位，從而使動(dòng)力頭正反轉(zhuǎn)先導(dǎo)油路強(qiáng)制切斷，B1、B2口卸壓。此時(shí)，動(dòng)力頭與剎車形成邏輯互鎖，即使操作動(dòng)力頭控制手柄，動(dòng)力頭不旋轉(zhuǎn)，操作無(wú)效。

2）解鎖狀態(tài)。操作剎車裝置控制手柄至“解鎖”位時(shí)，控制油A4使液控單向閥9 反向打開(kāi)，液控?fù)Q向閥液控口X 卸壓，液控?fù)Q向閥6、換向閥7、換向閥8 在復(fù)位彈簧的作用下?lián)Q向至左位，動(dòng)力頭正反轉(zhuǎn)先導(dǎo)油路接通。此時(shí)操作動(dòng)力頭控制手柄，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)，操作有效。

“剎車優(yōu)先”邏輯控制技術(shù)從根本上解決了因人為誤操作導(dǎo)致剎車沖擊磨損、孔底馬達(dá)彎頭方向改變的問(wèn)題，保證了鉆孔軌跡控制的精確性，提高了深孔鉆進(jìn)鉆孔安全。

2.5 雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進(jìn)系統(tǒng)

給進(jìn)系統(tǒng)是鉆機(jī)的核心部件之一，是鉆機(jī)動(dòng)力頭的承載部件，兩者配合完成加減壓鉆進(jìn)、裝卸鉆桿、處理孔內(nèi)事故等功能[10]。為進(jìn)一步提高定向鉆進(jìn)深孔鉆進(jìn)施工能力，設(shè)計(jì)了雙油缸-雙導(dǎo)向桿大起拔力推進(jìn)系統(tǒng)。雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進(jìn)系統(tǒng)如圖5。

圖5 雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進(jìn)系統(tǒng)Fig.5 Double cylinder-double guide rod feeding system

雙油缸-雙導(dǎo)向桿給進(jìn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況好，傳遞效率高，最大推進(jìn)/起拔力達(dá)到400 kN，大幅提高了復(fù)雜地質(zhì)條件下處理孔底事故能力。導(dǎo)向桿部分采用“銅套+密封潤(rùn)滑脂”密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向桿的密封潤(rùn)滑，惡劣工況下使用壽命3 年以上。采用調(diào)斜油缸和導(dǎo)向柱相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了較大傾角定向鉆進(jìn)時(shí)機(jī)架的角度調(diào)整，提高了定向鉆機(jī)的適應(yīng)性。

2.6 輔助上鉆桿技術(shù)

大直徑鉆機(jī)所使用的定向鉆桿和擴(kuò)孔鉆桿直徑分別達(dá)到了?102 mm 和?127 mm，單根鉆桿長(zhǎng)度3 m，質(zhì)量達(dá)到50 kg 以上，若采用常規(guī)“肩扛手?jǐn)Q”的方式預(yù)擰緊鉆桿，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在一定的安全隱患。為控制鉆機(jī)整體尺寸，保證巷道通過(guò)性能，同時(shí)滿足3 m 長(zhǎng)鉆桿輔助擰緊需求，設(shè)計(jì)了后置式輔助上鉆桿裝置，主要由底座、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、托桿組件、油缸等組成。輔助上桿裝置如圖6。

圖6 輔助上桿裝置Fig.6 Auxiliary rod loading device

后置式輔助上桿裝置工作原理：將2 根鉆桿分別放置在鉆機(jī)動(dòng)力頭中空部位，卡盤和夾持器夾緊鉆桿，通過(guò)調(diào)整輔助上桿裝置底座墊片高度、調(diào)節(jié)螺桿等，使得2 根鉆桿中心線重合，從而完成輔助上桿裝置、卡盤、夾持器中心對(duì)中；調(diào)節(jié)輔助上桿裝置轉(zhuǎn)動(dòng)油缸，使鉆桿壓緊；操作輔助上桿裝置擺線馬達(dá)控制手柄，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前后鉆桿的自動(dòng)擰緊。該輔助上桿裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、過(guò)載時(shí)可以打滑保護(hù)鉆桿絲扣等優(yōu)點(diǎn)。

3 性能測(cè)試和工業(yè)性試驗(yàn)

2019 年7 月，委托國(guó)家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了整機(jī)性能測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要有外觀、安全性能、負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)、過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)、剎車機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)性能等。檢驗(yàn)結(jié)果表明：鉆機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果為：①負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)：額定工況轉(zhuǎn)速為46.3～152 L/min，額定工況轉(zhuǎn)矩為23 464～5 212.7 N·m，空載推進(jìn)速度為1.55 m/min；②推進(jìn)機(jī)構(gòu)：推進(jìn)/起拔力為418.8/393.1 kN，最大推進(jìn)力為482.0 kN；③剎車裝置：動(dòng)作靈活、可靠；④整機(jī)效率：56.8%；⑤行走性能：爬坡角度20°。

2020 年4 月，ZYWL-23000DS 定向鉆機(jī)成套技術(shù)裝備在河南鶴壁三礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，在頂板巖層中施工鉆孔5 個(gè)，一次成孔直徑?153 mm，其中孔深1 000 m 以上鉆孔2 個(gè)，總進(jìn)尺3 978 m，平均日進(jìn)尺效率約95 m。試驗(yàn)結(jié)果表明：定向鉆進(jìn)裝備整體工作性能穩(wěn)定，泥漿泵車排渣能力強(qiáng)，具有較好的事故處理能力。通過(guò)檢測(cè)，該巷道上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.4～0.5 之間，滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）23 000 N·m 大直徑定向鉆機(jī)通過(guò)鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局和關(guān)鍵部件創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了井下空間受限條件下大能力輸出和緊湊型設(shè)計(jì)之間的矛盾，定向鉆進(jìn)裝備巷道適應(yīng)性強(qiáng)，提高了鉆機(jī)整體性能和可靠性。

2）23 000 N·m 大直徑定向鉆機(jī)采用后置式上桿裝置，實(shí)現(xiàn)了3 m 大直徑定向鉆桿的輔助擰緊，大幅降低了現(xiàn)場(chǎng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和安全性能。

3）鉆機(jī)的性能測(cè)試驗(yàn)證了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工業(yè)性試驗(yàn)表明ZYWL-23000DS 定向鉆機(jī)裝備能夠滿足煤礦井下頂板高位大直徑、深孔鉆進(jìn)施工需求，為煤礦井下瓦斯高效治理提供了先進(jìn)的技術(shù)與裝備保障。