ZDY系列履带定向钻机的研制及应用探讨

摘要：在煤矿开采工程中，履带定向钻机是主要的机械设备，发挥着十分重要的作用，其中ZDY系列是履带定向钻机中较为常用的型号。基于此，文章结合定向钻机系列化开发的依据和思路进行了介绍，同时对ZDY系列履带定向钻机的性能参数进行了分析。

关键词：ZDY系列；履带定向钻机；煤矿开采；瓦斯抽采施工；煤矿井下作业 文献标识码：A

中图分类号：TD41 文章编号：1009-2374（2016）17-0136-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.17.066

对于宏华集团等石油钻机的设计研发公司来说，了解和掌握煤矿钻机的设计和研发不但可以增加新技术的应用范围，同时也可以拓展钻机的开发和销售范围，提高公司的效益和抗经济风险的能力。而ZDY系列履带定向钻机作为现有煤矿钻机的发展趋势，发挥着十分重要的作用，因此应当对其研制和应用加以重视，从而进一步提升煤矿开采的效率。

1 ZDY系列履带定向钻机的性能参数

在煤矿井下的瓦斯抽采施工中，定向钻机具有很大的优势，布孔采用了梳状空、羽状孔、集束多分支孔等方式，对过去的钻孔施工方式进行替代，不但能够提升瓦斯抽采的效率，还能够降低工作的劳动强度。在研究ZDY系列履带定向钻机性能参数的过程中，选取具有代表性的煤矿巷道条件，从而对钻机的产品配套、整机外形尺寸、整体结构布局等进行研究。在钻机的关键部位，通过系列化和模块化设计，采用高质量的液压元器件，能够在300～1000m的深度进行定向钻孔，具有150～250kN的起拔能力，功率约为55～90kW。对于不同的施工工艺、巷道条件来说，都能够加以满足，更好地实现复合钻进、孔底马达动力钻进、孔口回转钻进等施工任务。

2 ZDY系列履带定向钻机的关键技术

2.1 钻机结构布局

结合不同的抽放钻孔布置方式以及煤矿巷道的实际条件因素，履带定向钻机可以有很多种不同形式的结构布局。而在影响和决定钻机结构布局的过程中，有很多方面的因素会对其产生影响，例如在钻孔过程中，安全性和视野性是否良好；在钻孔施工中，是否需要进行大角度临近层穿层的操作；钻机配套的泥浆泵，采用的是液压驱动形式还是电机驱动形式；瓦斯闭锁开关、启动开关电柜等附属设备是否配备；是否将泥浆泵配套安装在钻机平台中；钻机掉头和转弯的操作当中，巷道的尺寸和宽度是否能够符合要求；钻机设备的下井方式等。因此，对于不同要求的用户来说，无法通过一种装备满足所有的要求，因此需要针对不同的施工环境，有针对性地进行钻机结构布局。

ZDY系列履带定向钻机主要有整体式和两体式结构，针对不同的矿井条件，不同结构形式的钻机都应当对质量、能力、功能、尺寸等方面的要求进行满足。在整体式结构中，紧凑型结构中包括防爆计算机、控制电柜、外配泥浆泵；一体型结构包括外配防爆计算机、控制电柜、泥浆泵；多功能型结构包括瓦斯闭锁装置、急停开关、防爆计算机、控制电柜、带泥浆泵。在两体式结构中，一种是履带泵车和履带钻车结合的形式，其中包括了瓦斯闭锁装置、急停开关、防爆计算机、控制电柜、带泥浆泵，其主要的特点是机动性强、安全性高、结构紧凑；另一种则是胶轮泵车和履带钻车结合的形式，其中包括了防爆计算机、控制电柜、带泥浆泵，其主要的特点是安全性高、结构紧凑。

2.2 钻机液压系统

在ZDY系列履带定向钻机的液压系统中，对比例先导控制液压技术、恒压变量泵控技术、负载敏感技术等进行了应用。其功能回路能够适应常规钻进工艺、孔底马达定向钻进工艺等要求。钻机结构、液压系统等也能够匹配钻进工况。同时，能够满足快速搬迁稳固位移、远程控制、钻机节能等要求，操控性和可靠性十分良好。在液压系统中，主要包括辅助功能回路、制动保护回路、钻机回转钻进系统、履带行走系统等部分，能够确保履带钻机的安全行走、制动和转弯，为钻具提供回转动力，提供起拔力和给进力，同时可以在钻进中保护主轴和钻具，从而满足钻机的工作需求。

2.3 钻机安全防护

在定向钻孔施工中，定向钻机装备使用、成套技术的可靠性和安全性十分关键，因此，在成套装备中，应当装载安全机构和保护回路。将液控通断阀设置在远控比例阀供油回路中，从而避免定向钻进过程中的回转手把误操作。通过对动力头马达的浮动，阻断回转手把的作用，从而避免意外动作。在运动部件、操纵台等重要的位置，要对警示标志和安全操作注意事项等进行设置，同时对主机端部和操纵台设置急停开关按钮。此外，还应在配套泥浆泵车上设置瓦斯闭锁开关、瓦斯监测仪器等，从而提升定向钻机的可靠性和安全性。

3 ZDY系列履带定向钻机的零件结构

3.1 制动装置

为了解决孔底马达钻进的反转矩问题，采用了定向制动装置，能够对钻杆进行任意位置的锁定，迅速加紧、彻底松开，从而确保钻孔的良好精度以及施工的顺利进行。通常情况下，钻机注重具有4000～6000N/m的转矩，因此可以设置1000N/m转矩的配套制动装置，从而对孔底马达钻进反扭矩加以克服。在实际应用中，主要包括摩擦盘式定向制动装置、斜面增力式定向制动装置等。此外，可以通过CAE软件对定向制动装置的安全、性能、功能等进行计算和优化。

3.2 稳固装置

ZDY系列履带定向钻机的稳固装置主要包括伸缩杆、下接地装置、上接地装置、稳固油缸等部分，对于钻机的钻孔施工来说，稳固装置的刚度和强度，有着极大的影响，同时布置稳固装置的位置也会对钻机的可靠性和稳定性产生直接的影响。因而在实际施工过程中，通常将钻机自带的稳固装置与顶底板顶紧，同时利用顶在机身前端煤壁的辅助支撑、落在车体平台死角的地锚等，对钻机进行稳定，从而在正常钻进的过程中或是发生埋钻、卡钻等问题的时候，能够确保钻机的稳固

安全。

3.3 主轴夹持装置

在ZDY系列履带定向钻机中，应用了动力头主轴通孔式结构，通过与夹持器、全液压卡盘的作用，能够进行推进和回转的操作，其中设计的动力头主轴通孔有78～110mm的直径，能够应用73～102mm直径的打捞钻具、中心通缆钻杆、常规钻杆等，利用相应规格的卡瓦，在不同工况下，能够满足钻具的夹紧要求，从而使钻具的使用规格范围得以扩大，对于孔内事故，钻机也能够更好地进行处理。常开式液压卡盘采用的是弹簧松开、油压夹紧的胶筒式结构。

3.4 给进和调角装置

钻机的给进性能参数以及钻机的质量，与给进装置的结构形式有着十分密切的联系，通常采用的是油缸加链条倍速结构或是油缸直接推进结构。在给进装置中，主要包括调角装置、前后夹头体、拖板、机身、油缸等部分，在机身前后两端固定机身，在机身拖板上固定缸筒。通过撑杆、衡量、调角油缸等，能够完成钻机的调角功能，在这一过程中，通过调角油缸的动作，能够更加省力、可靠、迅速地完成钻机调角，有效地降低劳动强度和辅助时间。

3.5 履带底盘和车体平台

ZDY系列履带定向钻机采用的液压式履带底盘，采用高强度、耐磨的钢制履带片作为履带总成。车体平台主要是对操纵台、泵站、主机等进行安装，所以其空间位置和强度必须满足使用要求。在设计过程中，对于矿井的运输条件、钻机的整体布局等，都要加以考虑，在满足这些要求的基础上，尽量缩小钻机的尺寸，从而能够适应更多不同的巷道条件。通常是平行布置定向钻机的履带和主机，所以可通过给进装置的长度，对钻机的长度进行控制。在履带底盘总成上，通过转盘对车体平台进行连接，从而实现大角度的旋转，能够有效地提升钻进施工的效率。

4 ZDY系列履带定向钻机的实际应用

目前在我国很多煤矿井下，就已经对ZDY系列履带定向钻机进行了应用，例如在神华乌海能源公司平沟煤矿、神华神东保德煤矿、神华宁煤汝箕沟煤矿等数十个矿井中，都对ZDY履带定向钻机进行了十分广泛的应用，并且取得了十分良好的应用效果。在陕西彬长大佛寺煤矿中，对ZDY6000LD履带定向钻机及其配套装备、配套技术工艺等进行了应用，在施工现场，进行了1212m深度的定向长钻孔施工。在施工中，定向长钻孔的水平偏差控制在孔深的0.5%以内，垂直偏差也控制在了孔深的0.1%以内。在煤矿井下定向钻孔施工领域中，这是利用我国拥有自主知识产权的装备和技术所取得的一个非常良好的成果。在施工过程中，在煤层顶底板上进行了梳状钻孔的施工，从而对很多煤矿中存在的问题进行了有效的解决，例如煤层中不宜钻孔抽放瓦斯、容易发生塌孔抱钻、瓦斯压力过大、煤层较软等问题，从而有效地确保定向钻孔施工的效率和质量。

5 结语

在煤矿开采等很多工程中，都需要进行定向钻进施工，因此需要用到定向钻机。在该领域中，ZDY系列履带定向钻机是一种应用较为广泛的机械设备，在实际应用中，能够有效地提高施工效率和施工效果。因此，结合浅层石油钻机现有的技术及煤炭企业实际需求，对ZDY系列履带定向钻机的研制进行分析，从而实现其更为良好的应用。

参考文献

[1] 石智军，董书宁，姚宁平，李泉新，田东庄，姚克.煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术与装备[J].煤炭科学技术，2013，（3）.

作者简介：巨静斋（1979-），男（回族），青海西宁人，四川宏华石油设备有限公司产品研究所机械工程师，研究方向：石油钻井机械。