ZRJ20—400/300型乳化液钻机的研制

摘要： 针对煤矿井下小型液压钻机钻进能力不足、搬运不便的问题，中煤科工集团重庆研究院研制了ZRJ20-400/300型乳化液钻机。介绍了ZRJ20-400/300钻机的主要技术参数设计、整体设计方案、液压系统设计特点和应用效果。

Abstract： According to drilling capacity deficiency and handling inconvenience of Small hydraulic drill for coal mine， Chongqing Institute of China Coal Technology and Engineering Group have developed ZRJ20-400/300 emulsion drilling rig. Rig main parameter design， the overall design of the scheme， the design features of the hydraulic system and rig application effect have been introduced.

关键词： 乳化液；架柱式钻机；大功率；轻便型

Key words： emulsion；post drill；high-power；lightweight

中图分类号：TD41 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）10-0026-02

0 引言

为提高钻机效率、改善劳动条件，各种液压钻机或部分液压驱动的钻机得到了迅速发展。目前煤矿井下钻机广泛是用于抽放瓦斯等作业，现有的底座式和履带式全液压钻机、风动钻机、水平定向钻机等系列为煤矿井下瓦斯抽放提供了可靠的设备，但是全液压钻机需要独立的液压泵站作力动力源，体积和重量大，井下移动不便，而风动钻机钻进能力不足，且粉尘大施工环境恶劣，因此研制一种轻便型大功率钻机是非常必要的。考虑到抽放瓦斯等危险作业条件，为确保煤矿井下钻孔作业安全，开发与应用以乳化液为工作介质的乳化液液压钻机是非常必要的[1][2]。

1 钻机适用条件

ZRJ20-400/300型架柱式乳化液钻机主要用于煤矿井下地质前探孔、岩石放炮孔、超前瓦斯抽放孔、煤帮锚杆支护孔等钻进。钻机可以采用井下机械化采煤工作面广泛使用的0.7-3%乳化液作为工作介质，也可采用矿物质油作为工作介质，是井下不同动力源多功能钻孔工具。在岩石普氏硬度系数f为2-8的岩层中，能够钻进50m以上，直径为75mm的成孔。

2 钻机技术参数设计

2.1 基本参数 乳化液钻机主要在煤矿井下钻孔施工，由于煤矿井下巷道断面积小，施工快，循环作业，对钻机体积、重量、移动和安装锚固方面提出了较高要求。除严格满足安全要求外，钻机必须具备足够的动力，以处理在钻进过程中可能出现的垮孔、卡钻和抱钻等孔内事故。根据我国煤矿安全开采的具体情况，确定以下基本参数：①最大钻孔直径75mm；②钻机理论钻进深度50m；③适应岩层普氏硬度系数2≤f≤8。

2.2 推进起拔力 钻机主要应用于煤矿井下工作面施工地质前探孔，因此其钻孔倾角调整范围不大；因此钻机的推进主要作用是克服钻杆钻头与岩石的摩擦力，向孔底钻具提供合理的钻压。能够强力起拔钻具，具有一定的处理孔内事故的能力。根据钻机的基本设计参数，结合以往的设计经验，直径为75mm的钻头破碎普氏硬度系数f=8的岩石，所需要的钻压不小于5kN，考虑到各处的摩擦阻力及钻孔倾角调节等因素，设计额定推力Q=10kN。

2.3 动力头功率及扭矩 动力头所需要的功率由钻头在孔底破碎岩石所消耗的功率及回转钻杆所消耗的功率组成。根据岩石的碎岩石基理，中硬以下岩层采用刀片式切削破碎方法。孔底碎岩功率包括钻头切削岩石的功率Nx及钻头与岩石摩擦消耗的功率Nm[3]。

N■=■=3.63kW

式中m—钻头上刀片的组数；

σ—岩石的抗压强度极限；

h—每组刀片每片的吃入深度，可以根据平均钻进速度求解；

F—孔底碎岩面积，即钻头的旋转扫掠面积。

n—钻头的转速；由该钻机应用范围可知，钻头通常在中硬、硬质较均匀且偶尔有穿层或裂隙的岩层中钻进，根据以往的钻孔经验，设计转速在300-350r/min为宜[3]。在功率一定的情况下，为了提高钻机的输出转矩，转速取最小值为300r/min。

N■=■=4.09kW

式中β—钻孔的弯曲度和钻杆弯曲度系数，取最大值1.3；

f—钻头与岩石的摩擦系数；

C—钻压，即作用在钻头上的压力；

R—钻头外半径。

破碎岩石所消耗的功率

N■=N■+N■=7.72kW。

破碎岩石所需扭矩

M■=■=256N.m。

考虑到动力头驱动钻杆所需要的扭矩、卸扣需要及马达参数选取，最终确定额定扭矩M=400Nm。反算钻机的旋转输出功率为12.56kW。

根据以上计算，并与国内同类型钻机技术资料对照比较，确定该乳化液钻机主要技术参数如下：

钻孔直径/mm 75

钻孔深度/m 50

额定转矩/N.m 400

额定转速/r.min-1 300

给进力kN 10

给进行程mm 850

3 钻机设计

3.1 液压系统设计 ZRJ20-400/300型架柱式乳化液钻机采用旋转切削破岩方式。整个钻孔过程中钻具边旋转边推进，因此同时需要两股压力液作为钻机的动力源。为了简化钻机结构，减轻工人的劳动强度，钻机设计为单动力源驱动。

系统按工况将钻机各执行机构分为回转机构、推进机构和钻机锚固等机构。采用乳化液专用摆线马达驱动，具有较高的容积效率和使用寿命[4]；推进传动系统采用单液压专用乳化液油缸直接推进，使用旁路节流调速，可以灵活调节推进速度。系统的调节控制机构都集成在操作台上。分流阀控制输入流量的分流比例，可用于调节钻机的转速；两组手动换向阀分别控制钻机的旋转、推进或锚固；四个溢流阀分别限定钻机的正转、反转、推进及起拔回路的最大工作压力，保证系统的安全性；通过调节调速阀来调节钻机的推进速度。

3.2 钻机机械结构设计 架柱式钻机有单立柱和双立柱两种结构。本着稳固且轻便的设计原则，本文设计了单立柱及双立柱两种方案。

图2为单立柱结构。该结构采用单体液压支柱作为钻机的立柱，上下锚固在巷道的顶底板之间；为了改善机架的受力特性，机架采用侧向放置方式，为了减轻钻机重量，选用空心矩钢作为机架的主梁。推进油缸选用铰轴耳环安装方式安置在机架尾部，为了保证机架的稳定性及钻孔倾角的可调性，在机架前端和立柱上安装调斜丝杆机构。

该钻机采用单立柱形式，重量轻且便于拆装，机架侧向放置使得钻机结构紧凑，但钻进稳定性不好，在推进力较大的情况下机架容易发生水平转动。推进油缸正向后置使得钻机推进力大于起拔力，在处理孔内事故时能力有限。采用丝杆机构调斜方便，但受尺寸限制，可调角度范围有限。

图3为双立柱结构。该结构采用两根锚固油缸连接支撑杆作为钻机的立柱，上下锚固在巷道的顶底板之间，钻机机架采用两根空心矩管作为主要结构，同时对其外表进行抛光，作为导轨，推进油缸选用铰轴耳环方式倒置安装在机架前端，为了保证机架的稳定性及钻孔倾角的可调性，在机架前端和立柱上安装调斜拉杆，采用抱箍固定调斜。

双立柱式结构较第一种方案较为复杂，但钻机稳定性更好，油缸倒置使钻机起拔力大于推进力，能够有效地处理孔内事故。最终钻机主机采用双立柱式结构。

4 应用效果

ZRJ20-400/300架柱式乳化液钻机于2012年12月至2013年1月在淮南矿业公司朱集矿进行了钻孔施工。在105巷道钻进岩石孔2个，总进尺52m，平均进尺4.3m/h，最大钻进深度为36m。在1141（1）底巷钻进岩石孔2个，总进尺92.8m，最大钻进深度为71.2m；在1141（1）顶巷钻进岩石孔1个，孔深36.8m。试验表明钻机，整机结构设计合理，液压系统简单可靠，操作方便，钻机折装运输方便，降低了工人的劳动强度，在工作过程中，震动小，噪音低，性能稳定。

参考文献：

[1]李耀武，张立刚.乳化液液压钻机及其发展前景[J].煤炭科学技术，2004，（10）：63-66.

[2]王巍，赵继云，秦家升.采煤工作面防突钻机现状分析与展望[J].矿山机械，2009，（5）：11-14.

[3]冯德强.钻机设计[M].中国地质大学出版社，1992：29-31.

[4]栾振辉.乳化液煤层液压钻马达结构研究[J].安徽理工大学学报，2009，29（4）：26-30.