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ZD大孔径反井钻机

ZD-150型大孔径反井钻机

ZD-150型大孔径反井钻机
用    途:主要用于施工急倾斜煤岩层上山的开切眼、溜煤眼、通风眼、煤仓及其他工程孔。
技术特点:
采用机械旋转,液压进给,动力消耗小;
具有液压和瓦斯断电保护功能,可进行远距离操作;
采用自下而上钻孔、自上而下扩孔的二次钻孔法成孔,充分利用杆孔空间,整体刚性大,稳定性好;
既可钻煤孔,又可钻岩孔;钻具设置特殊装置,钻孔精度高。

ZD-150型大孔径反井钻机-技术指标: 
钻孔深度:150(煤)、100(岩) m
开孔直径:300(煤)、311(岩) mm
扩孔直径:600(煤)、500(岩) mm
钻孔倾角:45~90°
输出转速:55~95 r/min
输出扭矩:3.2/1.8 kN·m
钻杆尺寸:Φ89 mm×678 mm
主电机功率:18.5 kW
泵站电机功率:7.5 kW
主机质量:12 000 kg


ZD-150型大孔径钻机的工作原理、主要结构、性能特点和井下工业性试验情况。该钻机的研制成功并投入使用,为急倾斜煤岩层上山掘进,增加了一条新途径。
  在我国煤矿急倾斜煤岩层上山掘进中,如开切眼、溜煤眼等施工,由于施工条件差、机械化程度低等原因,致使掘进速度慢、安全性差、效率低,直接影响了生产的发展和经济效益的提高。由煤炭科学研究总院重庆分院研制成功的ZD-150型大孔径钻机,较好地解决了上述问题。
 
1 急倾斜煤岩层上山掘进对钻机的要求
  (1)外形尺寸与井下条件相适应,满足运输及使用要求;
  (2)有足够的功率,能一次钻穿全段急倾斜煤岩层上山;
  (3)终孔直径满足使用要求;
  (4)终孔位置误差小,能准确到位;
  (5)能在煤岩层中钻进;
  (6)符合有关安全规程要求,能在不同瓦斯等级的矿井中使用。
 
2 钻机工作原理及主要结构与功能
2.1 钻机工作原理
  ZD-150型大孔径钻机采用钻削法破碎煤岩层成孔,即钻头中的切削具在旋转扭矩带动下旋转,同时做进给运动,切削具破碎煤岩成孔。钻头的旋转运动由一台18.5 kW的电动机产生,经传动变速箱减速后传给六方传动轴,并带动六方套旋转,经减速后将动力传递给钻具及钻头。钻机设有两档输出转速,高速用于钻煤孔及其它小孔,低速用于钻岩孔与扩孔。钻头的进给运动由液压传动实现,液压泵站上7.5 kW电动机带动双联齿轮泵产生两路不同压力、不同流量的压力油,一路为高压小流量,供进给油缸正常进给时使用;另一路为低压大流量,供进给油缸快速调车时使用。
2.2 钻机主要结构与功能
  ZD-150型大孔径钻机主要由泵站、控制箱、主机、钻具四大部分组成,并可根据需要,配置专用电控系统,详见图1。
 
1—电控系统;2—泵站;3—控制箱;4—主机;5—瓦斯传感器;6—钻具
 
  (1)泵站是ZD-150型大孔径钻机的主要动力源之一,由辅助电动机、油箱、双联齿轮泵、溢流阀、滤油器、冷却器等部件组成。泵站产生的两路压力油,为进给油缸、支撑油缸等提供动力,实现钻具的进给运动。
  (2)控制箱是ZD-150型大孔径钻机的控制机构,由手动换向阀、多路换向阀、节流阀、旋转电机控制开关、油泵电机控制开关、压力表和水阀等组成。操纵手动换向阀、多路换向阀和节流阀的手把,可控制进给油缸的伸缩及钻具的进退、正常钻进调速和快速调车。
  (3)主机由传动变速箱、动力头、机架、机座等部件组成。传动变速箱是钻机的减速装置,动力头是钻机动力输出部件,将动力传递给钻具,实现钻具的旋转切削运动。传动变速箱、动力头安装在机架上。机架上安装有进给油缸,支撑油缸,以实现钻具的进给运动和稳固钻机。机座是钻机的主要承重部件和安装基础。
  (4)钻具是钻机破岩的主要工作部件,由钻杆、钻头、定位器等组成。钻杆将扭矩和轴压传递给钻头,使钻头中的切削具切削破碎煤岩成孔。定位器具有支撑钻杆、扶正孔位的作用,使钻杆在孔内不致发生弯曲,保证终孔位置的准确。钻机配备两种钻头,在煤层及软岩中钻进时,使用镶嵌硬质合金的多级塔式钻头即煤钻头,在硬岩中钻进时,使用牙轮钻头。
  (5)电控系统具有过流、短路保护和风电闭锁等功能,在瓦斯超限和无通风时钻机不能启动,对人员和设备进行安全保护。
 
3 ZD-150型大孔径钻机的技术参数及特点
 
3.1 主要技术参数
 
钻孔直径/mm
扩孔直径/mm
钻孔深度/m
适应岩石普氏系数
钻孔倾角/(°)
动力头输出转速/r.min-1
动力头输出扭矩/N.m
钻孔推力/kN
扩孔拉力/kN
正常进给速度/m.min-1
正常返回速度/m.min-1
调车速度/m.min-1
钻杆尺寸/mm×mm
主电机功率/kW
辅助电机功率/kW
主机外形尺寸/mm×mm×mm
总质量/kg

300(煤巷)311(岩巷)
600(煤巷)500(岩巷)
150(煤巷)100(岩巷)
f<12
45~90
37(一档) 84(二档)
4 500(一档)2 000(二档)
120
150
1
1.6
4.8
89×676
18.5
7.5
2 700×1 825×2 043
11 000

 
3.2 钻孔特点
  (1)钻机采用两次成孔法破岩成孔,即先由下水平巷道(进风巷或机巷)向上水平巷道(回风巷)施工出一定直径的钻孔,钻穿至上水平巷道后,将钻头更换成扩孔钻头,再由上向下扩孔,直到扩完这段上山为止。
  (2)可在45~90°的倾角范围内钻孔,采取必要措施后,可在20~45°范围内钻孔;
  (3)有足够的功率,能钻穿全段急倾斜煤岩层上山;
  (4)钻具中设置定向器,随钻杆进入孔内,起支撑和导向作用,保证钻孔准确到位;
  (5)既可打煤孔,又可打岩孔。打煤孔时用煤钻头,打岩孔使用牙轮钻头;
  (6)可根据需要配置专用电控系统。该电控系统中设置有瓦斯传感器、瓦斯报警仪、风电闭锁装置、双电机磁力启动器等,对设备和环境进行保护和控制,保障设备和施工人员的安全。
  (7)设置远距离控制箱,工人远离孔口操作机器,避免煤岩垮落对施工人员造成伤害。
 
4 井下工业性试验
 
  ZD-150型大孔径钻机于1995年2~8月,在天府矿务局磨心坡煤矿进行了井下工业性试验,结合生产需要,施工急倾斜煤层开切眼2个、瓦斯输送孔1个,试验通风孔1个。
4.1 施工急倾斜煤层开切眼
  钻孔地点位于井下-10 m水平的南9石门K8煤层,垂高90 m,斜长96 m。K8煤层厚度1.2 m,倾角65°,煤层普氏系数f=1~1.5,煤层瓦斯含量11.56 m3/t,具有瓦斯突出危险,其开切眼布置如图2所示。开孔位置位于K8煤层中部,钻机安装倾角67°,钻孔直径300 mm,钻孔深度96.6 m,用3个小班完成,班最大进尺58 m,扩孔直径为600 mm,用5个小班完成,班最大进尺33 m。
 
图2 开切眼施工布置
a—使用ZD-150型钻机;b—不用钻机
 
4.2 施工瓦斯输送孔
  在-115 m水平井底车场暗竖井旁施工瓦斯输送孔。该钻孔直径311 mm,垂高101.5 m,斜长105 m,倾角84°。钻孔位于暗竖井旁的毛口灰岩中,为顺层钻进,岩石普氏系数f=8~10,局部达到f=12,用10个小班完成,班最大进尺18.4 m,详见图3。
 
4.3 效果对比
4.3.1 施工急倾斜煤层开切眼与人工作业的经济效益对比
  使用ZD-150型大孔径钻机施工急倾斜煤层开切眼96.6 m,与人工作业相比,施工时间由原需4~5个月缩短为1.5个月,节约施工周期约2.5~3.5个月,工作面因此提前投产,多产原煤约2万多吨,新增产值(间接效益)约200万元,节省开支约6.8万元(直接效益),详见表1。
 
表1 施工开切眼费用比较
 
费用名称 大孔径钻机施工 人工作业施工
支护材料 - 60 000元
人工费 2 700元 26 000元
水电及油料费 4 080元 15 000元
钻孔及刀片材料费 6 250元 -
机器折旧费 20 000元 -
合  计 33 030元 101 000元
 
 
4.3.2 施工瓦斯输送孔与铺设管道的经济效益对比
  施工瓦斯输送孔106 m,比从斜井架设直径为310 mm的钢管管道节约管材216 m,直接节约开支约9万元,同时也避免了因跑车等事故对瓦斯管路的损坏,免于维修,长期受益,间接效益是无法估量的。详见表2。 
表2 经济效益比较
 
费用名称 311 mm岩孔 钢管管道
人工费 2 700元 1 371元
水电及油料费 5 120元 -
钻头费 10 000元 -
钻机折旧费 20 000元 -
法兰盘材料费 - 15 694元
螺栓材料费 - 2 120元
管路材料费 - 107 525元
合  计 37 820元 126 710元
 
 
4.3.3 安全状况对比
  使用ZD-150型大孔径钻机施工急倾斜煤岩层上山,如开切眼等工程孔,工人远离孔口操作,避免了人工作业施工中喷孔、冒顶、煤与瓦斯突出等事故对工人的危害,有效地保证了施工人员的安全,同时钻孔将进风巷(或机巷)与回风巷连通,构成一完整的通风系统,有效地改善了施工地点的通风及安全状况。由于钻进设置了配套安全设备,在施工中未发生过安全事故,由此而产生的社会效益是深远的,是难以用经济效益来衡量的。 
5 结  论
 
  (1)钻机参数选择合理、传动效率高、整机结构设计合理、新颖,加工质量好,结构紧凑、稳定性好。
  (2)用ZD-150型大孔径钻机施工急倾斜煤岩层上山,如开切眼等工程孔,在大幅度提高施工速度的同时,为施工人员提供一个较好的安全工作环境,有效地减少了安全事故的发生。
  (3)该钻机的研制成功,为我国煤矿急倾斜煤岩层上山掘进,开辟了一条新途径,使用钻机钻进代替急倾斜煤岩层的人工采掘工作成为可能,为煤矿提供了一种新型、高效、适用的安全装备。ZD-150型大孔径钻机在我国煤矿的推广使用,必将取得广泛的社会效益和巨大的经济效益。
 

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