大功率定向鉆探機(jī)性能試驗(yàn)研究

尚澤龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展和大型綜采設(shè)備在工作面的應(yīng)用，煤礦的開采長(zhǎng)度和深度不斷增加，對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的工作面，只有充分掌握其地質(zhì)規(guī)律和礦壓規(guī)律，才能保證整個(gè)工作面的高效、安全生產(chǎn)。地質(zhì)鉆探機(jī)是地質(zhì)勘探的主要設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)各種型號(hào)的地質(zhì)鉆探機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在鉆孔深度淺、鉆進(jìn)速度慢以及鉆進(jìn)參數(shù)無(wú)法存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題[1]。因此，為滿足實(shí)際鉆探需求，提升鉆探機(jī)的功率成為解決問(wèn)題的主要途徑之一。本文重點(diǎn)對(duì)大功率地質(zhì)鉆探機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 大功率鉆探機(jī)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

如何提高地質(zhì)鉆探機(jī)的鉆探精度和適用范圍，對(duì)地質(zhì)條件的勘測(cè)尤為重要。為了滿足煤礦井下相對(duì)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境和復(fù)雜的地質(zhì)條件，有必要研發(fā)一款大功率、大扭矩、功能全面且集成性高的鉆探機(jī)。

1.1 大功率鉆探機(jī)的功能分析

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，要求地質(zhì)鉆探機(jī)必須能夠完成超長(zhǎng)、高位、大直徑的鉆孔。因此，要求大功率鉆探機(jī)具有大扭矩輸出、大起拔能力等。同時(shí)，大功率鉆探機(jī)還需配置高性能的泥漿泵，以滿足高壓力、大流量泥漿的輸出和排渣需求。

在實(shí)際施工過(guò)程中，鉆探機(jī)還需具備機(jī)械化擰卸鉆桿、主軸制動(dòng)等功能。同時(shí)，為了能夠在工作面快捷地搬遷移位，要求鉆探機(jī)具備方便行走的功能。為保證鉆探機(jī)整機(jī)的輸出能力較大且整機(jī)能獨(dú)立布局，采用全液壓傳動(dòng)的動(dòng)力頭式結(jié)構(gòu)[2]。結(jié)合鉆探機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求，大功率鉆探機(jī)需滿足如下特點(diǎn)：大通孔式全液壓動(dòng)力頭可實(shí)現(xiàn)主軸制動(dòng)功能；可滿足多種施工條件下的鉆進(jìn)工藝需求；為滿足不同角度的施工需求，整機(jī)布置遵循大功率緊湊型布置的原則；要求鉆探機(jī)具備鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和可快速實(shí)現(xiàn)擰卸鉆桿的功能。

在實(shí)際生產(chǎn)需求和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，大功率鉆探機(jī)的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 大功率鉆探機(jī)性能參數(shù)

1.2 大功率鉆探機(jī)功能模塊設(shè)計(jì)

考慮到煤礦的使用環(huán)境，大功率鉆探機(jī)采用分體式布局形式，主要由鉆機(jī)和泵車組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大功率鉆探機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 動(dòng)力泵設(shè)計(jì)

動(dòng)力泵為大功率鉆探機(jī)的核心動(dòng)力機(jī)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際工況需求為其配置三個(gè)液壓油泵。其中，在實(shí)際鉆進(jìn)施工過(guò)程中由兩個(gè)泵驅(qū)動(dòng)，當(dāng)其中一個(gè)存在故障中由第三個(gè)液壓油泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.2.2 泥漿泵單元設(shè)計(jì)

鉆探機(jī)所配套的泥漿泵主要為鉆探機(jī)的孔底動(dòng)力鉆提供動(dòng)力介質(zhì)，同時(shí)有助于排渣功能和冷卻孔底鉆頭的作用[3]。為實(shí)現(xiàn)泥漿泵的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，本工程采用大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)式對(duì)泥漿泵進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)的連接如圖2 所示。

圖2 泥漿泵系統(tǒng)連接圖

2 大功率鉆探機(jī)的性能試驗(yàn)

大功率鉆探機(jī)的工作性能直接決定其鉆進(jìn)性能和安全性。本文主要對(duì)大功率鉆探機(jī)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

鉆探機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建試驗(yàn)平臺(tái)完成，主要包括機(jī)械加載系統(tǒng)和性能測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)大功率鉆探機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試，包括在空載、負(fù)載和過(guò)載情況下對(duì)行走性能、整機(jī)效率和安全性等進(jìn)行測(cè)試[4]。

對(duì)大功率鉆探機(jī)的性能參數(shù)與設(shè)計(jì)初期的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 大功率鉆探機(jī)測(cè)試性能參數(shù)與設(shè)計(jì)性能參數(shù)對(duì)比

分析表2 可知，大功率鉆探機(jī)在綜合性能參數(shù)的實(shí)際測(cè)量值和設(shè)計(jì)值之間的偏差不大，且實(shí)際測(cè)試性能均高于設(shè)計(jì)性能，即大功率鉆探機(jī)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 工業(yè)性試驗(yàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方式對(duì)大功率鉆探機(jī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)的工作面煤層的平均厚度為6.5m，煤層條件相對(duì)穩(wěn)定。煤層所屬工作面的地質(zhì)條件如表3 所示。

表3 試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件

為驗(yàn)證大功率鉆探機(jī)的性能，在實(shí)際工作面完成2 個(gè)試驗(yàn)鉆孔，其中1 號(hào)試驗(yàn)孔的深度為1 880 m，鉆孔直徑為120 mm。2 號(hào)試驗(yàn)孔的深度為1 200 mm，鉆孔直徑為120 mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知：1 號(hào)試驗(yàn)孔的實(shí)際鉆孔深度為1 881 m，鉆孔直徑為121 mm，對(duì)應(yīng)的總進(jìn)尺為2 601 m；2 號(hào)試驗(yàn)孔的實(shí)際鉆孔深度為1 209 m，鉆孔直徑為121 mm，對(duì)應(yīng)的總進(jìn)尺為1 767 m。鉆孔記錄具體如下：

1）在1 號(hào)試驗(yàn)孔施工時(shí)，平均進(jìn)尺為210 m。在整個(gè)過(guò)程中鉆探機(jī)給進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力分別為4.1MPa 與6 MPa，遠(yuǎn)小于鉆探機(jī)的額定壓力值，在整個(gè)過(guò)程中鉆探機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵部件和整個(gè)液壓系統(tǒng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）在2 號(hào)試驗(yàn)孔施工時(shí)，當(dāng)鉆進(jìn)至1 188 mm時(shí)，鉆探機(jī)鉆頭出現(xiàn)較為嚴(yán)重的卡鉆事故，在大功率、大扭矩的作用下鉆頭被解出，且并未發(fā)生損壞現(xiàn)象。整個(gè)過(guò)程中鉆探機(jī)給進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力分別為4.2 MPa 和6.6 MPa，遠(yuǎn)小于鉆探機(jī)的額定壓力值，在整個(gè)過(guò)程中鉆探機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵部件和液壓系統(tǒng)均可穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

鉆探機(jī)為煤礦生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，該設(shè)備主要用于對(duì)煤礦地質(zhì)勘探，為保證勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)鉆探機(jī)的性能提出了更高的要求，尤其是在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆進(jìn)速度、精度等要求。本文所設(shè)計(jì)的大功率鉆探機(jī)主要對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其性能，試驗(yàn)結(jié)果證明：鉆探機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)合理且穩(wěn)定性強(qiáng)；整個(gè)鉆探機(jī)的工業(yè)性適應(yīng)能力強(qiáng)，且該設(shè)備的鉆進(jìn)效率極高；在實(shí)際操作中，鉆探機(jī)液壓操作系統(tǒng)具有操作方便靈活且對(duì)應(yīng)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)；在實(shí)際操作中，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)掌握鉆探機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。