一、研制背景
煤礦井下鉆孔作業(yè)是保證煤礦安全生產的必要措施，鉆孔作業(yè)時一般采用立軸式鉆機。立軸式鉆機是地質鉆探中常用的一種回轉式鉆機，它可用于鉆探煤礦井下探放水孔、地質構造孔、滅火孔、抽放瓦斯孔及其他用途的各種工程用孔。
立軸式鉆機是機械傳動、液壓給進式的鉆機，是現(xiàn)在國內外廣泛使用的一種主要機型。目前存在的問題主要有：液壓卡盤和進給油缸需單獨設立液壓泵提供油壓，十分不便；動力傳動機構傳動效率低，機構體積龐大笨重；當發(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，嚴重威脅到人身安全等。
二、研究內容
1.研究目標
研制一種煤礦井下全液壓立軸鉆機，將傳統(tǒng)立軸式鉆機齒輪傳動與變速形式改進為液壓傳動與調速形式，解決傳統(tǒng)立軸式鉆機鉆具因無法自動反向回轉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包括機架、動力傳動機構和立軸機構，動力傳動機構安裝在機架上，立軸機構與動力傳動機構實現(xiàn)傳動；立軸機構包括回轉箱體、變向機構、空心立軸、液壓卡盤和兩個進給油缸。
圖1整體結構示意圖
3.基本原理
油泵電機通過螺栓固定于機架上，馬達支撐板焊接于機架上，液壓馬達輸出軸穿過馬達支撐板后與另一側的錐齒輪相連。回轉器與液壓馬達的錐齒輪和輸出軸相連，以將液壓馬達輸出的動力傳輸給回轉器。通過操作多路換向閥，液壓馬達旋轉產生的轉矩傳遞給錐齒輪，再通過立軸回轉器錐齒輪的嚙合作用，將旋轉運動的方向轉換為豎直方向鉆具的回轉運動。通過多路換向閥控制液壓馬達，實現(xiàn)對立軸回轉器反向控制。
圖2 傳動機構裝配圖示意圖
鉆機工作時，啟動油泵電機，驅動主油泵、副油泵工作，主油泵泵出的高壓油輸入液壓馬達，驅動液壓馬達旋轉，進行鉆進工作；副油泵的高壓油輸入到進給油缸，實現(xiàn)鉆具的下降、上升運動，并輸入到卡盤，實現(xiàn)鉆桿與空心立軸之間的的開合。
4.具體操作方法
全液壓立軸鉆機的操作方法如下：
第一步，接通總電源，啟動油泵電機，主油泵、副油泵開始工作。
第二步，操作安全閥和溢流閥，調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，操作馬達多路換向閥，液壓馬達開始轉動，使鉆桿產生轉矩；操作馬達流量閥，調控鉆機的轉速。
第五步，操作油缸多路換向閥，控制進給油缸的運動方向，使得鉆具向下鉆進；操作油缸流量閥，控制立軸的進給速度。
第六步，鉆進過程中出現(xiàn)埋鉆、卡鉆狀況時，暫停鉆進操作，并將馬達多路換向閥的手柄打到反向位置，液壓馬達反向旋轉，使得鉆具反向回轉運動，卡鉆事故解除后，使鉆具繼續(xù)正向鉆進施工。
圖3 變向機構示意圖
三、與同類技術對比
1.以往立軸機械調速式鉆機無法直接反向退桿，鉆孔施工效率低，安全性低。傳統(tǒng)立軸鉆機采用齒輪傳動方式，該方式傳動效率低，機構體積龐大，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為液壓傳動與調速方法，徹底解決傳統(tǒng)立軸式鉆機鉆具因無法自動反向回轉而造成卡鉆及斷鉆事故的重大問題。
2.以往缺乏有關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條件、鉆機扭矩、鉆機進給力、液壓系統(tǒng)工作壓力等，建立鉆機負載敏感液壓控制系統(tǒng)，用于指導鉆孔現(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，只能依照經驗來處理，缺乏有效的理論依據措施。本研究依據鉆具抗彎抗扭強度，提出鉆具的選型匹配方法。分析不同類型鉆頭的特點，針對煤質屬性、成孔參數(shù)、煤粉排出量等因素改進成孔效率的同時減少了勞動強度，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、成果的先進性
1.動力傳動機構采用液壓驅動傳動機構，提高了鉆機操作的自動化水平，提高了鉆具返回的效率，降低了操作工人的勞動強度。
2.鉆進過程中出現(xiàn)埋鉆、卡鉆狀況時，液壓馬達可反向旋轉，使得鉆具反向回轉運動，方便解除卡鉆事故，杜絕了卡鉆、斷鉆事故。
3.鉆機操控距離大，提高了鉆孔施工安全性與施工效率。
4.采用液壓傳動方式，構造簡潔、實用，機械化完成下降、回收鉆具，效率高。
5.基于全液壓大扭矩鉆機工作原理及其施工工況，研制了鉆孔排瓦斯模擬實驗機。該實驗機可自動完成模擬鉆孔施工的全部動作，為自動鉆孔機的后續(xù)設計與調試提供了極大支持。
五、效益分析
1.經濟效益
原立軸式坑道鉆機，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現(xiàn)機體的穩(wěn)固，現(xiàn)改進為Z架柱式履帶回轉鉆車，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。根據單項工程月度預算標準，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，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、推廣應用前景
該研究成果技術已在部分煤礦企業(yè)得到推廣應用，其對煤礦井下鉆孔施工具有高可靠性、安全性、高效、良好機動性、可操作性。該成果可廣泛應用于煤礦皮帶運輸平巷特別是綜合機械化采煤工作面運輸平巷，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的必要措施，但國內外目前采用的立軸式鉆機存在使用不便、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將改進為液壓傳動與調速形式，意圖解決傳統(tǒng)立軸式鉆機鉆具因無法自動反向回轉而造成卡鉆及斷鉆事故的重大問題，與同類技術對比優(yōu)勢明顯，在經濟和安全上都能產生巨大效益，具有顯著的推廣價值。
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