一、研制背景
煤礦井下鉆孔作業(yè)是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要措施，鉆孔作業(yè)時一般采用立軸式鉆機(jī)。立軸式鉆機(jī)是地質(zhì)鉆探中常用的一種回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，它可用于鉆探煤礦井下探放水孔、地質(zhì)構(gòu)造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各種工程用孔。
立軸式鉆機(jī)是機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)式的鉆機(jī)，是現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛使用的一種主要機(jī)型。目前存在的問題主要有：液壓卡盤和進(jìn)給油缸需單獨(dú)設(shè)立液壓泵提供油壓，十分不便；動力傳動機(jī)構(gòu)傳動效率低，機(jī)構(gòu)體積龐大笨重；當(dāng)發(fā)生卡鉆、埋鉆事故時，無法自行反向退桿，極易發(fā)生斷鉆等安全事故；下降鉆具，回收鉆具需人工完成，效率低下；操作人員需要近距離操作，嚴(yán)重威脅到人身安全等。
二、研究內(nèi)容
1.研究目標(biāo)
研制一種煤礦井下全液壓立軸鉆機(jī)，將傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)齒輪傳動與變速形式改進(jìn)為液壓傳動與調(diào)速形式，解決傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)鉆具因無法自動反向回轉(zhuǎn)而造成卡鉆及斷鉆事故的重大問題。
2.裝置組成
該煤礦井下全液壓立軸鉆機(jī)包括機(jī)架、動力傳動機(jī)構(gòu)和立軸機(jī)構(gòu)，動力傳動機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，立軸機(jī)構(gòu)與動力傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動；立軸機(jī)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)箱體、變向機(jī)構(gòu)、空心立軸、液壓卡盤和兩個進(jìn)給油缸。
圖1整體結(jié)構(gòu)示意圖
3.基本原理
油泵電機(jī)通過螺栓固定于機(jī)架上，馬達(dá)支撐板焊接于機(jī)架上，液壓馬達(dá)輸出軸穿過馬達(dá)支撐板后與另一側(cè)的錐齒輪相連。回轉(zhuǎn)器與液壓馬達(dá)的錐齒輪和輸出軸相連，以將液壓馬達(dá)輸出的動力傳輸給回轉(zhuǎn)器。通過操作多路換向閥，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞給錐齒輪，再通過立軸回轉(zhuǎn)器錐齒輪的嚙合作用，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方向轉(zhuǎn)換為豎直方向鉆具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過多路換向閥控制液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)對立軸回轉(zhuǎn)器反向控制。
圖2 傳動機(jī)構(gòu)裝配圖示意圖
鉆機(jī)工作時，啟動油泵電機(jī)，驅(qū)動主油泵、副油泵工作，主油泵泵出的高壓油輸入液壓馬達(dá)，驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行鉆進(jìn)工作；副油泵的高壓油輸入到進(jìn)給油缸，實(shí)現(xiàn)鉆具的下降、上升運(yùn)動，并輸入到卡盤，實(shí)現(xiàn)鉆桿與空心立軸之間的的開合。
4.具體操作方法
全液壓立軸鉆機(jī)的操作方法如下：
第一步，接通總電源，啟動油泵電機(jī)，主油泵、副油泵開始工作。
第二步，操作安全閥和溢流閥，調(diào)整主液壓油路和副液壓油路的油壓。
第三步，操作卡盤多路換向閥中的手柄，使液壓卡盤卡緊鉆具。
第四步，操作馬達(dá)多路換向閥，液壓馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動，使鉆桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；操作馬達(dá)流量閥，調(diào)控鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速。
第五步，操作油缸多路換向閥，控制進(jìn)給油缸的運(yùn)動方向，使得鉆具向下鉆進(jìn)；操作油缸流量閥，控制立軸的進(jìn)給速度。
第六步，鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)埋鉆、卡鉆狀況時，暫停鉆進(jìn)操作，并將馬達(dá)多路換向閥的手柄打到反向位置，液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，使得鉆具反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，卡鉆事故解除后，使鉆具繼續(xù)正向鉆進(jìn)施工。
圖3 變向機(jī)構(gòu)示意圖
三、與同類技術(shù)對比
1.以往立軸機(jī)械調(diào)速式鉆機(jī)無法直接反向退桿，鉆孔施工效率低，安全性低。傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)采用齒輪傳動方式，該方式傳動效率低，機(jī)構(gòu)體積龐大，人工回收鉆具方式效率低下。將傳統(tǒng)齒輪傳動與變速方式改進(jìn)為液壓傳動與調(diào)速方法，徹底解決傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)鉆具因無法自動反向回轉(zhuǎn)而造成卡鉆及斷鉆事故的重大問題。
2.以往缺乏有關(guān)煤礦井下鉆孔防沖卸壓、卸瓦斯施工卡鉆問題的研究和有針對性的解決方法。本研究基于鉆孔施工地質(zhì)條件、鉆機(jī)扭矩、鉆機(jī)進(jìn)給力、液壓系統(tǒng)工作壓力等，建立鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓控制系統(tǒng)，用于指導(dǎo)鉆孔現(xiàn)場施工，提高煤礦鉆孔施工的安全性。
3.以往井下鉆孔施工發(fā)生斷桿事故后，只能依照經(jīng)驗來處理，缺乏有效的理論依據(jù)措施。本研究依據(jù)鉆具抗彎抗扭強(qiáng)度，提出鉆具的選型匹配方法。分析不同類型鉆頭的特點(diǎn)，針對煤質(zhì)屬性、成孔參數(shù)、煤粉排出量等因素改進(jìn)成孔效率的同時減少了勞動強(qiáng)度，不僅解決了斷桿事故頻發(fā)的問題，而且煤粉吐出量也有明顯減少。
圖4 液壓控制原理圖
四、成果的先進(jìn)性
1.動力傳動機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)，提高了鉆機(jī)操作的自動化水平，提高了鉆具返回的效率，降低了操作工人的勞動強(qiáng)度。
2.鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)埋鉆、卡鉆狀況時，液壓馬達(dá)可反向旋轉(zhuǎn)，使得鉆具反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，方便解除卡鉆事故，杜絕了卡鉆、斷鉆事故。
3.鉆機(jī)操控距離大，提高了鉆孔施工安全性與施工效率。
4.采用液壓傳動方式，構(gòu)造簡潔、實(shí)用，機(jī)械化完成下降、回收鉆具，效率高。
5.基于全液壓大扭矩鉆機(jī)工作原理及其施工工況，研制了鉆孔排瓦斯模擬實(shí)驗機(jī)。該實(shí)驗機(jī)可自動完成模擬鉆孔施工的全部動作，為自動鉆孔機(jī)的后續(xù)設(shè)計與調(diào)試提供了極大支持。
五、效益分析
1.經(jīng)濟(jì)效益
原立軸式坑道鉆機(jī)，本身無行走裝置且需加工專用固定底梁配套液壓單體支柱以實(shí)現(xiàn)機(jī)體的穩(wěn)固，現(xiàn)改進(jìn)為Z架柱式履帶回轉(zhuǎn)鉆車，由平均每4.86個小班施工 1 個注水鉆孔提高到3.43個小班。根據(jù)單項工程月度預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，綜放面每完成一個鉆孔施工節(jié)省開支：267923/30×1.43=12770元。在同等勞動時間內(nèi)，節(jié)省102160元，每年可節(jié)約370余萬元。
2.安全效益
該成果的應(yīng)用有效降低了礦井沖擊危險性，減少了人員傷亡，提高了煤炭采出率，維持了煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
六、推廣應(yīng)用前景
該研究成果技術(shù)已在部分煤礦企業(yè)得到推廣應(yīng)用，其對煤礦井下鉆孔施工具有高可靠性、安全性、高效、良好機(jī)動性、可操作性。該成果可廣泛應(yīng)用于煤礦皮帶運(yùn)輸平巷特別是綜合機(jī)械化采煤工作面運(yùn)輸平巷，對相似條件煤礦沖擊地壓的治理具有十分顯著的示范作用和推廣借鑒意義。
小編評論
煤礦井下鉆孔作業(yè)是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要措施，但國內(nèi)外目前采用的立軸式鉆機(jī)存在使用不便、效率低下、威脅安全等多方面問題。
本次研制的煤礦井下全液壓立軸鉆機(jī)將改進(jìn)為液壓傳動與調(diào)速形式，意圖解決傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)鉆具因無法自動反向回轉(zhuǎn)而造成卡鉆及斷鉆事故的重大問題，與同類技術(shù)對比優(yōu)勢明顯，在經(jīng)濟(jì)和安全上都能產(chǎn)生巨大效益，具有顯著的推廣價值。
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