煤 炭 工 程

ZD Y 4000S 型全液壓鉆機(jī)的設(shè)計與應(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)研制的背帚和過程 ，簡述 了鉆機(jī)主要 組成部分

的設(shè)計思路、加工和型式試驗，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：T D 41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：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)測監(jiān)控，先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字方

針的貫徹落實，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

的性價比，我們研制了新型 ZD Y 4000s 型全液壓鉆機(jī)，同

時對 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

了由國家安全監(jiān)督管理局組織召開的鑒定，成果達(dá)到了國

際先進(jìn)水平 。

鉆機(jī)的性能參數(shù)的同時將鉆機(jī)的安裝穩(wěn)固作為重點設(shè)計。

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

壓聯(lián)動操縱控制，以滿足不同鉆進(jìn)工況的要求。

3) 針對 地層 、鉆 孔和工藝 的特 點 ，設(shè)計 的鉆 機(jī)無級調(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

2

鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

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 ，有針 對性 地應(yīng) 用優(yōu)化 設(shè)計方 法

進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)計，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)、操縱臺和泵站三大部分，在優(yōu)化

2 ．1

主機(jī)

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

機(jī)主機(jī)見 圖 1。

1) 動力頭。動力頭是鉆機(jī)的核心部件，具有較強(qiáng)的獨

立性和解體性，可滿足煤礦井下特殊環(huán)境施工要求。動力

頭設(shè)計時傳動箱采用了空 間三軸式結(jié)構(gòu) ，結(jié)構(gòu)緊湊實用，

收稿 日期 ：2005 —05 —31

作者簡介：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)。針對廣泛適用常規(guī)鉆進(jìn)方法和長螺旋鉆進(jìn)

的工藝參數(shù)要求的需要 ，設(shè)計的動力頭的輸出轉(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)計中采用一個雙桿雙作

用油缸帶動拖板上的動力頭實現(xiàn)前后往復(fù)運(yùn)動，避免 了單

作用油缸由于有桿腔和無桿腔兩端面積差引起的液壓 回路

局部超壓 ，結(jié)構(gòu)簡單實用。無論是鉆進(jìn)大直徑中深孔還是

近水平長螺旋鉆孔，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 自動化的重要組成部

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

縮短輔助時間，提高鉆進(jìn)效率，減輕工人勞動強(qiáng)度。

夾持器結(jié)構(gòu)為浮動——復(fù)合常閉式結(jié)構(gòu)，簡單實用，

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

過。夾持器左右浮動的結(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)計和實際使用中是一

個重點也是一個難點，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)重時會導(dǎo)致無法完成鉆孔。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桿的

方法簡單實用，所 以在機(jī)架兩側(cè)設(shè)計可拆卸的連接 固定裝

置，對單體液壓支柱進(jìn)行固定、扶正，現(xiàn)場根據(jù)條件和需

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

2 ．2

泵 站

泵站設(shè)計采用下置式結(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)計經(jīng)驗，設(shè)計 中有針對性 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) 。回轉(zhuǎn)參數(shù)和給進(jìn)參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)而不相互干擾，當(dāng)

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主副油泵油液合流時還可實現(xiàn)快速強(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)行無級調(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

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

合檢測實驗臺上進(jìn)行了包括空載試驗、負(fù)載試驗和過載試

驗的室內(nèi)型式試驗，并測試了包括轉(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 結(jié)

果表明各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，測試數(shù)據(jù)與設(shè)計要

求 比較見表 2 。

表 2

測試數(shù)據(jù)與設(shè)計 要求比較表

5

應(yīng)用情況

ZD Y 4000S 型鉆機(jī)在全 國多個礦務(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)對采空區(qū)進(jìn)

行瓦斯抽放 ，經(jīng)過半個月的施工，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 ；平均時效大于 60m ~ h 班，鉆機(jī)鉆進(jìn) 至 324m

時能力還很富余，回轉(zhuǎn)壓力為 15M Pa。木沖溝礦利用這三

個瓦斯抽放孔對采空區(qū)進(jìn)行抽放 ，解決了當(dāng)時瓦斯?jié)舛染?/div>