ZD大孔徑反井鉆機(jī)

ZD-150型大孔徑鉆機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和井下工業(yè)性試驗(yàn)情況。該鉆機(jī)的研制成功并投入使用，為急傾斜煤巖層上山掘進(jìn)，增加了一條新途徑。

　　在我國煤礦急傾斜煤巖層上山掘進(jìn)中，如開切眼、溜煤眼等施工，由于施工條件差、機(jī)械化程度低等原因，致使掘進(jìn)速度慢、安全性差、效率低，直接影響了生產(chǎn)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高。由煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制成功的ZD-150型大孔徑鉆機(jī)，較好地解決了上述問題。

 

1　急傾斜煤巖層上山掘進(jìn)對鉆機(jī)的要求

　　(1)外形尺寸與井下條件相適應(yīng)，滿足運(yùn)輸及使用要求；

　　(2)有足夠的功率，能一次鉆穿全段急傾斜煤巖層上山；

　　(3)終孔直徑滿足使用要求；

　　(4)終孔位置誤差小，能準(zhǔn)確到位；

　　(5)能在煤巖層中鉆進(jìn)；

　　(6)符合有關(guān)安全規(guī)程要求，能在不同瓦斯等級(jí)的礦井中使用。

 

2　鉆機(jī)工作原理及主要結(jié)構(gòu)與功能

2.1　鉆機(jī)工作原理

　　ZD-150型大孔徑鉆機(jī)采用鉆削法破碎煤巖層成孔，即鉆頭中的切削具在旋轉(zhuǎn)扭矩帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，切削具破碎煤巖成孔。鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)18.5 kW的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)傳動(dòng)變速箱減速后傳給六方傳動(dòng)軸，并帶動(dòng)六方套旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速后將動(dòng)力傳遞給鉆具及鉆頭。鉆機(jī)設(shè)有兩檔輸出轉(zhuǎn)速，高速用于鉆煤孔及其它小孔，低速用于鉆巖孔與擴(kuò)孔。鉆頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，液壓泵站上7.5 kW電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪泵產(chǎn)生兩路不同壓力、不同流量的壓力油，一路為高壓小流量，供進(jìn)給油缸正常進(jìn)給時(shí)使用；另一路為低壓大流量，供進(jìn)給油缸快速調(diào)車時(shí)使用。

2.2　鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)與功能

　　ZD-150型大孔徑鉆機(jī)主要由泵站、控制箱、主機(jī)、鉆具四大部分組成，并可根據(jù)需要，配置專用電控系統(tǒng)，詳見圖1。

 

1—電控系統(tǒng)；2—泵站；3—控制箱；4—主機(jī)；5—瓦斯傳感器；6—鉆具

 

　　(1)泵站是ZD-150型大孔徑鉆機(jī)的主要?jiǎng)恿υ粗唬奢o助電動(dòng)機(jī)、油箱、雙聯(lián)齒輪泵、溢流閥、濾油器、冷卻器等部件組成。泵站產(chǎn)生的兩路壓力油，為進(jìn)給油缸、支撐油缸等提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)鉆具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

　　(2)控制箱是ZD-150型大孔徑鉆機(jī)的控制機(jī)構(gòu)，由手動(dòng)換向閥、多路換向閥、節(jié)流閥、旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制開關(guān)、油泵電機(jī)控制開關(guān)、壓力表和水閥等組成。操縱手動(dòng)換向閥、多路換向閥和節(jié)流閥的手把，可控制進(jìn)給油缸的伸縮及鉆具的進(jìn)退、正常鉆進(jìn)調(diào)速和快速調(diào)車。

　　(3)主機(jī)由傳動(dòng)變速箱、動(dòng)力頭、機(jī)架、機(jī)座等部件組成。傳動(dòng)變速箱是鉆機(jī)的減速裝置，動(dòng)力頭是鉆機(jī)動(dòng)力輸出部件，將動(dòng)力傳遞給鉆具，實(shí)現(xiàn)鉆具的旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)變速箱、動(dòng)力頭安裝在機(jī)架上。機(jī)架上安裝有進(jìn)給油缸，支撐油缸，以實(shí)現(xiàn)鉆具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)固鉆機(jī)。機(jī)座是鉆機(jī)的主要承重部件和安裝基礎(chǔ)。

　　(4)鉆具是鉆機(jī)破巖的主要工作部件，由鉆桿、鉆頭、定位器等組成。鉆桿將扭矩和軸壓傳遞給鉆頭，使鉆頭中的切削具切削破碎煤巖成孔。定位器具有支撐鉆桿、扶正孔位的作用，使鉆桿在孔內(nèi)不致發(fā)生彎曲，保證終孔位置的準(zhǔn)確。鉆機(jī)配備兩種鉆頭，在煤層及軟巖中鉆進(jìn)時(shí)，使用鑲嵌硬質(zhì)合金的多級(jí)塔式鉆頭即煤鉆頭，在硬巖中鉆進(jìn)時(shí)，使用牙輪鉆頭。

　　(5)電控系統(tǒng)具有過流、短路保護(hù)和風(fēng)電閉鎖等功能，在瓦斯超限和無通風(fēng)時(shí)鉆機(jī)不能啟動(dòng)，對人員和設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)。

 

3　ZD-150型大孔徑鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

 

3.1　主要技術(shù)參數(shù)

 

 

3.2　鉆孔特點(diǎn)

　　(1)鉆機(jī)采用兩次成孔法破巖成孔，即先由下水平巷道(進(jìn)風(fēng)巷或機(jī)巷)向上水平巷道(回風(fēng)巷)施工出一定直徑的鉆孔，鉆穿至上水平巷道后，將鉆頭更換成擴(kuò)孔鉆頭，再由上向下擴(kuò)孔，直到擴(kuò)完這段上山為止。

　　(2)可在45～90°的傾角范圍內(nèi)鉆孔，采取必要措施后，可在20～45°范圍內(nèi)鉆孔；

　　(3)有足夠的功率，能鉆穿全段急傾斜煤巖層上山；

　　(4)鉆具中設(shè)置定向器，隨鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)，起支撐和導(dǎo)向作用，保證鉆孔準(zhǔn)確到位；

　　(5)既可打煤孔，又可打巖孔。打煤孔時(shí)用煤鉆頭，打巖孔使用牙輪鉆頭；

　　(6)可根據(jù)需要配置專用電控系統(tǒng)。該電控系統(tǒng)中設(shè)置有瓦斯傳感器、瓦斯報(bào)警儀、風(fēng)電閉鎖裝置、雙電機(jī)磁力啟動(dòng)器等，對設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行保護(hù)和控制，保障設(shè)備和施工人員的安全。

　　(7)設(shè)置遠(yuǎn)距離控制箱，工人遠(yuǎn)離孔口操作機(jī)器，避免煤巖垮落對施工人員造成傷害。

 

4　井下工業(yè)性試驗(yàn)

 

　　ZD-150型大孔徑鉆機(jī)于1995年2～8月，在天府礦務(wù)局磨心坡煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)合生產(chǎn)需要，施工急傾斜煤層開切眼2個(gè)、瓦斯輸送孔1個(gè)，試驗(yàn)通風(fēng)孔1個(gè)。

4.1　施工急傾斜煤層開切眼

　　鉆孔地點(diǎn)位于井下－10 m水平的南9石門K8煤層，垂高90 m，斜長96 m。K8煤層厚度1.2 m，傾角65°，煤層普氏系數(shù)f＝1～1.5，煤層瓦斯含量11.56 m3／t，具有瓦斯突出危險(xiǎn)，其開切眼布置如圖2所示。開孔位置位于K8煤層中部，鉆機(jī)安裝傾角67°，鉆孔直徑300 mm，鉆孔深度96.6 m，用3個(gè)小班完成，班最大進(jìn)尺58 m，擴(kuò)孔直徑為600 mm，用5個(gè)小班完成，班最大進(jìn)尺33 m。

 

圖2　開切眼施工布置

a—使用ZD-150型鉆機(jī)；b—不用鉆機(jī)

 

4.2　施工瓦斯輸送孔

　　在-115 m水平井底車場暗豎井旁施工瓦斯輸送孔。該鉆孔直徑311 mm，垂高101.5 m，斜長105 m，傾角84°。鉆孔位于暗豎井旁的毛口灰?guī)r中，為順層鉆進(jìn)，巖石普氏系數(shù)f＝8～10，局部達(dá)到f=12，用10個(gè)小班完成，班最大進(jìn)尺18.4 m，詳見圖3。

 

4.3　效果對比

4.3.1　施工急傾斜煤層開切眼與人工作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益對比

　　使用ZD-150型大孔徑鉆機(jī)施工急傾斜煤層開切眼96.6 m，與人工作業(yè)相比，施工時(shí)間由原需4～5個(gè)月縮短為1.5個(gè)月，節(jié)約施工周期約2.5～3.5個(gè)月，工作面因此提前投產(chǎn)，多產(chǎn)原煤約2萬多噸，新增產(chǎn)值(間接效益)約200萬元，節(jié)省開支約6.8萬元(直接效益)，詳見表1。

 

表1　施工開切眼費(fèi)用比較

 

費(fèi)用名稱	大孔徑鉆機(jī)施工	人工作業(yè)施工
支護(hù)材料	-	60 000元
人工費(fèi)	2 700元	26 000元
水電及油料費(fèi)	4 080元	15 000元
鉆孔及刀片材料費(fèi)	6 250元	-
機(jī)器折舊費(fèi)	20 000元	-
合　　計(jì)	33 030元	101 000元

 

 

4.3.2　施工瓦斯輸送孔與鋪設(shè)管道的經(jīng)濟(jì)效益對比

　　施工瓦斯輸送孔106 m，比從斜井架設(shè)直徑為?310 mm的鋼管管道節(jié)約管材216 m，直接節(jié)約開支約9萬元，同時(shí)也避免了因跑車等事故對瓦斯管路的損壞，免于維修，長期受益，間接效益是無法估量的。詳見表2。 

表2　經(jīng)濟(jì)效益比較

 

費(fèi)用名稱	?311 mm巖孔	鋼管管道
人工費(fèi)	2 700元	1 371元
水電及油料費(fèi)	5 120元	-
鉆頭費(fèi)	10 000元	-
鉆機(jī)折舊費(fèi)	20 000元	-
法蘭盤材料費(fèi)	-	15 694元
螺栓材料費(fèi)	-	2 120元
管路材料費(fèi)	-	107 525元
合　　計(jì)	37 820元	126 710元

 

 

4.3.3　安全狀況對比

　　使用ZD-150型大孔徑鉆機(jī)施工急傾斜煤巖層上山，如開切眼等工程孔，工人遠(yuǎn)離孔口操作，避免了人工作業(yè)施工中噴孔、冒頂、煤與瓦斯突出等事故對工人的危害，有效地保證了施工人員的安全，同時(shí)鉆孔將進(jìn)風(fēng)巷(或機(jī)巷)與回風(fēng)巷連通，構(gòu)成一完整的通風(fēng)系統(tǒng)，有效地改善了施工地點(diǎn)的通風(fēng)及安全狀況。由于鉆進(jìn)設(shè)置了配套安全設(shè)備，在施工中未發(fā)生過安全事故，由此而產(chǎn)生的社會(huì)效益是深遠(yuǎn)的，是難以用經(jīng)濟(jì)效益來衡量的。 

5　結(jié)　　論

 

　　(1)鉆機(jī)參數(shù)選擇合理、傳動(dòng)效率高、整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、新穎，加工質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好。

　　(2)用ZD-150型大孔徑鉆機(jī)施工急傾斜煤巖層上山，如開切眼等工程孔，在大幅度提高施工速度的同時(shí)，為施工人員提供一個(gè)較好的安全工作環(huán)境，有效地減少了安全事故的發(fā)生。

　　(3)該鉆機(jī)的研制成功，為我國煤礦急傾斜煤巖層上山掘進(jìn)，開辟了一條新途徑，使用鉆機(jī)鉆進(jìn)代替急傾斜煤巖層的人工采掘工作成為可能，為煤礦提供了一種新型、高效、適用的安全裝備。ZD-150型大孔徑鉆機(jī)在我國煤礦的推廣使用，必將取得廣泛的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。