大直径大功率定向钻机的研制

大直径大功率定向钻机的研制

戴刚 朱心铭

山东省煤田地质局第四勘探队 山东 潍坊 261206

摘要：定向钻机主要用于煤矿井下瓦斯抽（排）放、注浆防灭火、煤层注水、探放水、煤层厚度探测、防突卸压、地质勘探等各类工程定向钻孔的施工。适用于岩石坚固性系数f≤10的中、硬煤层或岩层。定向钻机卡盘与动力头齿轮箱体联接，卡盘工作时在油压的作用下实现卡瓦的夹紧与松开。卡盘夹紧时，通过卡盘后端盖的液控单向阀对密封腔进行保压，使卡盘处于夹紧状态。通过控制油路及反向油口进油实现对卡盘的松开。卡盘夹紧力的大小通过调节油压及楔形卡瓦的压力角来实现。

关键词：定向钻机；大直径；大功率；煤矿井下；定向钻孔

引言

定向钻孔施工具有轨迹可控、抽采效率高等优点，被广泛应用于煤矿井下的瓦斯抽采钻孔和地质超前探测。在定向钻孔瓦斯抽采技术中，大直径、长钻孔治理上隅角瓦斯具有较高的技术优势，高位大直径定向钻孔的经济效益和安全性较高，因此需开发大功率定向钻进技术与装备以满足煤矿的瓦斯抽采工艺需求。目前常用的定向钻机功率较小，输出的扭矩与推进力较小，在长距离钻孔中不能施工大直径定向钻孔，因此开发大功率定向钻机以满足煤矿对一次成孔钻孔直径准150mm以上、钻进深度达到1000m的瓦斯抽采钻孔的需要。定向钻机在施工深钻孔时，由于钻孔深、直径大，在钻进施工与孔内事故处理中需要的扭矩和推进力更大，现有的矿用单液压马达驱动的动力头无法同时满足大功率定向钻机对输出扭矩与输出转速的要求。

1大功率定向钻机整机设计

对于大、中型煤矿区域化瓦斯治理钻孔施工工艺，目前定向钻孔装备施工直径准120mm以上的瓦斯抽采钻孔需要进行二次扩孔，其工艺复杂、耗时长，且二次扩孔难以保证钻孔的成孔率，因此开发大直径、深钻孔的定向钻孔成孔装备，为大中型煤矿提供一种一次定向钻孔施工直径大于准150mm以上的施工工艺，以提高大直径定向钻孔的施工效率和成孔率。为保证钻孔施工的安全性、有效性，开发大直径大功率定向钻机，其动力头的最大扭矩超过20000Nm，有效推进起拔力超过360kN，所研制钻机整机结构尺寸紧凑，单位质量输出功率高，能够完成本煤层、顶板高位孔、底板孔的大直径钻孔施工，解决区域性瓦斯集中抽采问题，提高抽采效率和安全性.

2ZYWL-4500D定向钻机工况分析

定向钻机在井下巷道内进行打钻作业时，可能在巷道内部的任意位置进行打钻作业，所以ZYWL4500D定向钻机设计了0～360°倾角和0～360°的方位角调姿机构，可以实现巷道内全方位打钻作业。该钻机在履带底盘前部设计一个回转操作装置，可实现钻机部的机械位置的切换，从而实现打钻作业在巷道断面和巷道前部工作面2个作业工况的切换。中间的回转减速器可实现±90°的旋转切换，回转操作装置前部有一个回转支撑，可以进行0～360°方位角的旋转切换。进行巷道全断面作业时，只需将回转操作装置前方的回转支承进行旋转定位，即可实现全断面打钻作业；进行巷道前方工作面打钻作业时，将回转操作装置中的回转减速器旋转到±90°位置，再配合操作前方的回转支承进行方位角调节，即可实现工作面的打钻作业工况。

3大功率定向钻机推进系统

3.1机架组件

大功率定向钻机机架是整机实现大直径深钻孔的核心部件，有效的大推进/起拔力是定向钻孔施工安全的基础保障，施工孔径越大，钻孔内事故概率越高，因此需要通过较高的推进/起拔力处理孔内事故，保障钻孔施工的安全。为提高机架输出效率，通过对机架推进力模型进行建模，得出其输出规律并进行优化。影响机架推进力传递效率的相关变量有托架两端等效集中力的距离、动力头夹持钻杆的中心线至导轨等效集中力的距离、推进油缸中心线至导轨等效集中力的距离，接触面摩擦因数。通过对输出结构优化，提高推进力传递效率，优化后推进效率为0.864，设计有效输出推进/起拔力超过360kN。

3.2回转操作装置回转减速器选型

回转操作装置驱动作业位置的切换必须有一个大扭矩、能实现回转的执行机构，经过调研最终决定选用回转减速器来实现。回转减速器采用环面蜗杆结构，多齿接触，抗冲击力强，适用于重载、低速的应用场合。马达带动蜗杆旋转，通过多齿面啮合实现圆形大齿轮的旋转，回转减速器又集成了轴承结构，所以对于大质量结构的旋转具有优势。动力头是实现定向钻进功能的关键部件。双液压马达为动力头扭矩输入的动力源，2个马达通过驱动齿轮轴同时驱动传动大齿轮，传动大齿轮与传动小齿轮通过传动轴联接，从而由传动小齿轮与驱动大齿轮啮合传递扭矩，驱动大齿轮与主轴联接，通过主轴输出扭矩。

3.3对钻头的要求

常规定向钻头的端面为平底结构，便于提高碎岩稳定性以及开分支成功率；后端为宽翼片，用于提高造斜稳定性。这种钻头对于复杂地层有局限性，大颗粒钻渣不容易返出，易造成憋泵、卡钻等事故，特别是对于超前探测异常区域的具体工况要求更不适应，应从优化过流通道、提高返渣空间等方面进行改进。

3.4卡盘卡瓦座参数确定

根据卡盘总体外形尺寸、中间孔最大通过直径及卡瓦座最大轴向推力Fa等参数，经计算得出卡瓦座活塞内径d及卡瓦座最大外径D。其夹紧及松开过程：A腔进油、B腔泄油，卡瓦座在油压作用下向右运动，卡瓦夹紧；B腔进油，A腔泄油，卡瓦座在油压作用下向右运动，卡瓦松开。

3.5回转操作装置结构设计

ZYWL-4500D型低开孔全方位定向钻机回转操作装置如图5所示，主要由回转减速器、座椅、微调阀组、回转组件、多路阀、键盘、操作台、触屏电脑、压力表、流量计组件、操作手柄、急停按钮等组成。回转操作装置通过回转减速器安装在履带底盘上，通过回转组件联接操作台、座椅和前部的钻机部。

4定向钻孔试验

所研制的大功率定向钻机在鹤煤集团进行大直径高位定向钻孔试验，选择高位定向孔解决上隅角回采瓦斯超限问题。此钻场煤层厚度7m，在煤层以上层位存在泥岩、砂质泥岩易破碎层位，为保证成孔、固孔的有效性，施工层位选择煤层顶板25~30m处白沙岩层位，共施工钻孔5个钻孔直径大于准150mm，总进尺3150m，定向钻孔施工轨迹与施工层位。基于ZS-25000钻机实验系统对大功率定向钻机双马达动力头输出转矩、转速进行试验，该实验系统可以对动力头输出的转矩、转速、驱动压力等进行测量与数据记录。通过实验系统对动力头输出转矩、转速进行测量，输入压力范围6~31MPa，对动力头输入压力进行调节，由实验系统对输入压力、输出扭矩进行测量。

结束语

研制的大直径大功率定向钻机，其结构紧凑，单位质量输出功率高，一次成孔直径大，定向钻孔轨迹控制特性良好，整机稳定性高，能够较好地适应大中型煤矿定向钻孔需要，解决现有定向钻孔施工一次成孔直径小、二次扩孔成孔率低的问题，为大中型矿井大直径、长钻孔提供一种施工方法和定向钻孔装备。

参考文献

[1]方鹏.15000N·m大功率定向钻机关键技术研究[J].煤田地质与勘探,2019,47(02):7-12.

[2]方鹏.煤矿井下12000N·m全液压定向钻机关键部件及动态特性研究[D].煤炭科学研究总院,2019.

[3]陈金城,陈俊宇.智能化技术在电气工程自动化控制中的运用[J].智能制造,2018(10):58-60.

[4].大功率定向钻机再创钻孔深度世界纪录[J].煤田地质与勘探,2018,46(01):185.

[5]闫保永,史春宝.ZYWL-13000DS大功率定向钻机研制与应用[J].矿山机械,2018,46(02):9-12.