1、Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-20基金项目 国家重点研发计划项目(编号:2018YFC0808203-3)。作者简介 李旺年(1987),男,副研究员,博士研究生。机电与自动化救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用李旺年1,2 王贺剑1 田宏亮1(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077;2.中国地质大学(武汉)自动化学院,湖北 武汉 430074)摘 要 救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要
2、组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足 85
3、0 mm 集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。关键词 救援车载钻机 大直径救援孔 钻具自动拧卸系统 大开口液压孔口装置 高负荷承载力 中图分类号TD41,TD231 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-161-06DOI 10.19614/ki.jsks.202302022Development and Application of Automatic Screwing and Unloading System for Rescure Vehicle-mounted Drilling RigLI Wang
4、nian1,2 WANG Hejian1 TIAN Hongliang1(1.Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group,Xian 710077,China;2.School of Automation,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)Abstract During the construction of large-diameter rescue holes,the rescue vehicle-mou
5、nted drilling rig needs to trip the drilling tool frequently.As an important part of the drilling rig,the automatic screwing and unloading system of the drilling tool has a direct impact on the construction efficiency and safety of the rescue drilling hole.Aiming at the problems that the orifice pla
6、tform of mine rescue vehicle-mounted drilling rig is difficult to meet the trafficability requirements of large-diameter drilling tools and the low automation level of drilling tool screwing and unloading,an automatic drilling tool screwing and unloading sys-tem integrating the functions of large-di
7、ameter drilling tool passing,fast centering,and clamping is developed.A large opening hydraulic orifice device that can be quickly disassembled and assembled with the drilling rig is developed,which can monitor and adjust the levelness of the orifice device in real-time,and meet the requirements of
8、drilling tool bearing in the hole and tripping construction under different working conditions.The automatic screwing and unloading device of drilling tool with double guide rail structure is developed,which can realize two construction processes:tripping with hydraulic elevator and trip-ping with d
9、ouble arm drilling tool installed on the top drive.Through structural simulation analysis,type inspection,and on-site industrial test,a set of automatic screwing and unloading system of drilling tools with large diameter,compact structure,and high load-bearing capacity is finally formed,which can re
10、alize manual and self integrated one key screwing and unloading oper-ation and meet the requirements of 850 mm cluster DTH hammer tripping,which improves the screwing and unloading efficien-cy of drilling tools and provides reliable equipment guarantee for the rapid construction of rescue drilling.K
11、eywords rescue vehicle-mounted drilling rig,large diameter rescue hole,automatic screwing and unloading system for drilling tools,large opening hydraulic orifice device,high load capacity 我国的整体能源结构为“缺气、少油,相对富煤”,随着我国煤炭资源开采规模、强度和深度逐步161增加,其所面临的瓦斯、水害和冲击地压等自然灾害类型、灾害发生强度趋向多样化和复杂化1-3。一旦发生重大灾害事故,就会导致矿井井筒、巷
12、道发生破坏,主要安全通道被堵塞,作业人员被困井下,为了成功挽救被困人员,通常先在地面施工小直径生命保障孔输送给养,再通过地面大直径救援孔来构建逃生通道完成转运的方式营救被困人员4-6。地面大直径救援孔不同于常规大直径钻孔,不但要求施工工期要短,而且施工过程中不能对井下被救人员造成2 次伤害7。因此,大直径救援孔必须围绕安全和高效为中心,通过工艺技术的创新和配套装备的改进提高钻进效率和提供安全保障8-9。目前,用于地面应急救援的国内外车载钻机有:德国宝峨的RB 系列,美国雪姆公司的 TXD 系列,西安研究院的ZMK 系列,北京天和众邦的 CMD 系列等10-13。地面大直径救援孔的钻进过程中需要
13、在短时间内重复完成大量的钻具拧卸工作14-16,但上述救援车载钻机的自动拧卸系统存在的问题为:与钻机给进系统固定连接,整机质量和结构尺寸偏大,致使钻机通行重量超重且运输高度超限;卸扣装置卸扣能力较弱、拧卸困难,无法满足多种规格钻具的拧卸任务及传统钻进和液压吊卡钻进 2 种工艺要求;采用手动操作对扣及上卸扣,自动化程度较低。针对上述问题,在分析救援车载钻机起下钻施工工艺流程的基础上,结合救援车载钻机钻杆快速对中、夹持和自动拧卸等关键技术问题,研究的钻具自动拧卸系统可以满足多种规格的钻具快速上卸,实现一键自动拧卸钻具,减轻工人劳动强度,提高钻具拧卸效率。1 钻具自动拧卸系统总体方案钻具自动拧卸系统
14、主要依据 ZMK5550TZJ120/50 型救援车载钻机施工 800 mm 大直径救援孔施工工艺进行设计与开发,该钻孔首先通过 127 mm 钻杆配套 346 mm 牙轮钻头进行先导孔施工,然后通过178 mm 双壁钻杆配套 850 mm 集束式潜孔锤施工大直径钻孔。钻机最大输出扭矩 50 kN m,根据施工工艺所采用的钻具技术规格及钻机性能参数,确定钻具自动拧卸系统的主要技术参数如表 1。表 1 钻具自动拧卸系统主要参数Table 1 Parameters of drilling tool screw-off system参数适用钻具直径/mm最大上扣扭矩/(kN m)最大冲扣扭矩/(kN
15、 m)旋扣速度/(r/m)滑车水平移动行程/mm旋扣钳水平移动行程/mm垂直移动行程/mm数值7325480100801 000500500 如图 1 所示,该钻具自动拧卸系统主要包括大开口液压孔口装置、钻具自动拧卸装置、液压卡盘等 3大部件。其中孔口装置包含 U 型平台底座、U 型平台焊接体、扩展平台和液压支腿等部分,孔口装置最大通孔直径 920 mm,满足 850 mm 集束潜孔锤的下钻要求。图 1 钻具自动拧卸系统总体方案Fig.1 Overall scheme of drilling tool screw-off system1旋扣钳;2冲口钳;3夹紧钳;4液压支腿;5液压卡盘;6U
16、型平台底座;7U 型平台焊接体;8扩展平台;9滑车总成钻具自动拧卸装置包含旋扣钳、冲扣钳、夹紧钳和滑车总成,具备手动操作和自动控制 2 种模式。采用液压驱动、计算机自动控制实现钻具接箍位置的精确判别,具有钻具快速旋扣、定扭矩上扣、大扭矩崩扣及钳体自动伸缩等功能,可以实现钻具拧卸一键式操作。液压卡盘采用铸钢结构,可以在孔口装置上快速安装和拆卸,通过更换不同规格的卡瓦组件满足多规格钻具的夹持和通过,最大通过钻具直径 254 mm。2 大开口液压孔口装置设计2.1 机械系统设计为实现与钻机主机快速安装,孔口装置采用模块化设计。钻机与孔口装置通过井口定位销快速连接,U 型平台底座和 U 型平台焊接体通过 4 个带有自锁功能的液压缸连接,可以进行 U 型平台高度调节;U型平台水平面下方安装双轴倾角传感器,可以实时监测和调节孔口装置的水平度;整个机械框架采用型钢焊接,具有较高的强度和刚度,可以满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。2.2 机械结构仿真孔口装置作为钻具给进起拔的主要承力部件,需要保证钻机频繁给进起拔时的稳定,设计最大承载力为 1 500 kN,其性能和可靠性直接影响施工效率和孔