煤 炭 工 程

ZD Y 4000S 型全液壓鉆機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姚 克，殷新勝，姚寧平，姚亞峰，田宏亮

(煤炭科學(xué)研究總院 西安分院，陜西 西安710054)

摘 要 ：文章介紹 了ZD Y 4000S 型全液壓鉆機(jī)研制的背帚和過(guò)程 ，簡(jiǎn)述 了鉆機(jī)主要 組成部分

的設(shè)計(jì)思路、加工和型式試驗(yàn)，以及典型的應(yīng)用情況，鉆機(jī)經(jīng)多家用戶使用后反應(yīng)非常好，被

證明是一種性能可靠、鉆進(jìn)效率高、應(yīng)用廣泛的設(shè)備，一定會(huì)促進(jìn)煤礦瓦斯預(yù)抽技術(shù)水平的提

高，為煤礦安全生產(chǎn)提供 必要保障。

關(guān)鍵詞：全液壓鉆機(jī) ；大直徑鉆孔 ；瓦斯抽放

中圖分類號(hào)：T D 41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：B

 

D esign and app lication of Z D Y 4000S full hydraulic drilling rig

Y A O K e ， Y IN X in—sheng ， Y A O N in g—pin g ，Y A O Y a—feng ，T IA N H o ng—liang

(X i’an Branch，China Coal Research Institute，Xi’an，710054，China)

A bstract ：T h e paper in trodu ced th e backgro un d and p rocess of th e develop m en t o n Z D Y 4 00 0S full hyd raulic drilling rig ．

T he pap er introd uced the desig n co ncep tion ，p roc essing an d type test of the m ain co m pon en ts of th e drillin g rig ，

includ ing the typical app lications ．A fter sev eral ap plication s o f the rigs by the clien ts，good res ults w ere cam e fro m th e

clients an d the rig is app roved as a rig w ith a reliable p erform a nces ，a high d rilling efficien cy an d a w ide ap plication ．T he

drillin g rig w ill im pro ve the level for m in e g as drain ag e tech nolog y and p rovid e a m easure for the m in e safety ．

K eyw ords ：d rilling rig ；d es ign ； ap plication ； clam p ing too l

隨著 “監(jiān)測(cè)監(jiān)控，先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字方

針的貫徹落實(shí)，煤礦企業(yè)正在努力提高瓦斯抽放技術(shù)水平 ，

應(yīng)用多樣化的抽放方式解決瓦斯抽放問題，而且許多煤礦

有鉆進(jìn)大直徑中深孔進(jìn)行瓦斯抽放的地層條件。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)

研發(fā)現(xiàn)，鉆孔深度在 300m 左右 、終孔直徑大于 153m m 的

瓦斯抽放孔成孔效率高、成本低、綜合抽采效果好，為了

及時(shí)提供適用的設(shè)備，并且使其具有應(yīng)用的廣泛性和較高

的性價(jià)比，我們研制了新型 ZD Y 4000s 型全液壓鉆機(jī)，同

時(shí)對(duì) M K 系列鉆機(jī)進(jìn)行 了有效地完善和補(bǔ)充 。

2004 年底 ，研制 完成 的 ZD Y 400OS 型全 液壓鉆 機(jī)通 過(guò)

了由國(guó)家安全監(jiān)督管理局組織召開的鑒定，成果達(dá)到了國(guó)

際先進(jìn)水平 。

鉆機(jī)的性能參數(shù)的同時(shí)將鉆機(jī)的安裝穩(wěn)固作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

2) 采用優(yōu)化的雙泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分流、合流以及多種液

壓聯(lián)動(dòng)操縱控制，以滿足不同鉆進(jìn)工況的要求。

3) 針對(duì) 地層 、鉆 孔和工藝 的特 點(diǎn) ，設(shè)計(jì) 的鉆 機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)

速范圍更大，轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、給進(jìn)起拔力大 ，處理孔內(nèi)

事故能力強(qiáng)。鉆機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)見表 1。

表 I

鉆機(jī)的主要技術(shù)性 能參 數(shù)

1 總體方案設(shè)計(jì)

2

鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在 M K 系列鉆機(jī)成功研制的基礎(chǔ)上，借鑒煤礦井下施

工大直徑鉆孔 的技 術(shù)經(jīng) 驗(yàn) ，有針 對(duì)性 地應(yīng) 用優(yōu)化 設(shè)計(jì)方 法

進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)計(jì)，使鉆機(jī)具有與復(fù)合片鉆進(jìn)工藝、螺旋鉆進(jìn)

工藝和牙輪鉆頭鉆進(jìn)工藝相適應(yīng) 的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能參數(shù) ，

提高了性價(jià)比，作到了以人為本、高效快捷。

1) 鉆機(jī)整體分主機(jī)、操縱臺(tái)和泵站三大部分，在優(yōu)化

2 ．1

主機(jī)

主機(jī)主要 由動(dòng)力頭 、給進(jìn) 裝置 、機(jī)架 等 部件構(gòu) 成 。鉆

機(jī)主機(jī)見 圖 1。

1) 動(dòng)力頭。動(dòng)力頭是鉆機(jī)的核心部件，具有較強(qiáng)的獨(dú)

立性和解體性，可滿足煤礦井下特殊環(huán)境施工要求。動(dòng)力

頭設(shè)計(jì)時(shí)傳動(dòng)箱采用了空 間三軸式結(jié)構(gòu) ，結(jié)構(gòu)緊湊實(shí)用，

收稿 日期 ：2005 —05 —31

作者簡(jiǎn)介：姚

克(1973 一)，男，寧夏中寧人，工程師，現(xiàn)在煤炭科學(xué)研究總院西安分院從事鉆探機(jī)具及工藝的研制

推廣工作 。

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煤 炭 工 程

2006 年 第 2 期

圈 1 Z D Y 4000S 型全液壓鉆 機(jī)主 機(jī)

加工工藝性強(qiáng)。針對(duì)廣泛適用常規(guī)鉆進(jìn)方法和長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)

的工藝參數(shù)要求的需要 ，設(shè)計(jì)的動(dòng)力頭的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

調(diào)節(jié)范 圍寬 ，工藝適應(yīng)性 強(qiáng)。

2) 給進(jìn)裝置。給進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用一個(gè)雙桿雙作

用油缸帶動(dòng)拖板上的動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，避免 了單

作用油缸由于有桿腔和無(wú)桿腔兩端面積差引起的液壓 回路

局部超壓 ，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。無(wú)論是鉆進(jìn)大直徑中深孔還是

近水平長(zhǎng)螺旋鉆孔，鉆機(jī)均具備可靠加壓和處理發(fā)生的卡

鉆塌孔等孔內(nèi)事故的能力。

3) 夾持器。夾持器是體現(xiàn)機(jī)械 自動(dòng)化的重要組成部

分。利用鉆機(jī)的液壓聯(lián)動(dòng)功能進(jìn)行機(jī)械化擰卸鉆桿，可以

縮短輔助時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

夾持器結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)——復(fù)合常閉式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單實(shí)用，

靈活可靠，并且可以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)讓開孔 口，以便粗徑鉆具通

過(guò)。夾持器左右浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)可以減少鉆孔跑偏后卡瓦和鉆

桿之間的相互過(guò)度磨損 ，在一定程度上提高了鉆機(jī)的適應(yīng)

性和零部件的使用壽命。

4) 機(jī)架。鉆機(jī)的穩(wěn)固在機(jī)架的設(shè)計(jì)和實(shí)際使用中是一

個(gè)重點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)，鉆機(jī)的固定要求快捷、可靠、省力 ，

防止鉆進(jìn)工程中因鉆機(jī)移位而導(dǎo)致鉆孔跑偏、下鉆困難 ，

特別是定向鉆進(jìn) ，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完成鉆孔。由于煤礦

井下巷道條件不一，用單體液壓支柱加可伸縮的加長(zhǎng)桿的

方法簡(jiǎn)單實(shí)用，所 以在機(jī)架兩側(cè)設(shè)計(jì)可拆卸的連接 固定裝

置，對(duì)單體液壓支柱進(jìn)行固定、扶正，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)條件和需

要可選擇性 的安裝三個(gè)或 四個(gè) ，用于保證鉆機(jī)可靠 的穩(wěn) 固。

2 ．2

泵 站

泵站設(shè)計(jì)采用下置式結(jié)構(gòu)，安全保護(hù)性和泵的吸人性

好。結(jié)合以往的使用和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì) 中有針對(duì)性 的加大

了吸油管路和回油濾油器通徑，冷卻器結(jié)構(gòu)為并聯(lián)兩片板

翹式冷卻器，油液不易發(fā)熱，強(qiáng)制冷卻的效果明顯，提高

了系統(tǒng) 效能。

3

液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)和給進(jìn)分別供油的雙泵開式循環(huán)系

統(tǒng) ?；剞D(zhuǎn)參數(shù)和給進(jìn)參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)而不相互干擾，當(dāng)

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主副油泵油液合流時(shí)還可實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?qiáng)力給進(jìn)起拔。由變量

泵和變量馬達(dá)構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)

矩可應(yīng)不同工況要求在大范圍內(nèi)調(diào)整 ，適時(shí)采用溢流給進(jìn)

或卡盤增壓減壓給進(jìn)方式，以滿足不 同工況要求。液壓系

統(tǒng)保護(hù)裝置完備 ，性能穩(wěn)定可靠。液壓系統(tǒng)如圖 2 所示。

圈 2 ZD Y 4000S 型全液壓鉆機(jī)液壓 系統(tǒng)

4

加工與型式試驗(yàn)

為保證鉆機(jī)的性能質(zhì)量 ，提高可靠性，主要液壓元件

均選用國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠家性能最好的產(chǎn)品，外協(xié)加工件與

技術(shù)力量強(qiáng) 、信譽(yù)好的加工單位協(xié)作完成。

鉆機(jī)總裝后進(jìn)行了綜合調(diào)試 ，之后整機(jī)在鉆機(jī)性能綜

合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了包括空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)和過(guò)載試

驗(yàn)的室內(nèi)型式試驗(yàn)，并測(cè)試了包括轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)起拔

力 、整機(jī)效率 、溫升 、噪聲等 主要 性 能參數(shù) ，型式 試驗(yàn) 結(jié)

果表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要

求 比較見表 2 。

表 2

測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì) 要求比較表

5

應(yīng)用情況

ZD Y 4000S 型鉆機(jī)在全 國(guó)多個(gè)礦務(wù) 局進(jìn)行 了成功推廣應(yīng)

用 ，以下是幾例典型的應(yīng)用：

1) 貴州水城礦務(wù)局木沖溝礦曾為恢復(fù)生產(chǎn)對(duì)采空區(qū)進(jìn)

行瓦斯抽放 ，經(jīng)過(guò)半個(gè)月的施工，在煤層砂巖頂板中采用

復(fù)合片鉆頭加穩(wěn)定組合鉆具成功鉆進(jìn)三個(gè)近水平深孔，孔

徑 ~153m m ，孔深分別為 198m 、318m 和 324m ，成孔方式

為二次擴(kuò)孔 ；平均時(shí)效大于 60m ~ h 班，鉆機(jī)鉆進(jìn) 至 324m

時(shí)能力還很富余，回轉(zhuǎn)壓力為 15M Pa。木沖溝礦利用這三

個(gè)瓦斯抽放孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行抽放 ，解決了當(dāng)時(shí)瓦斯?jié)舛染?/div>