CN107605400B - 煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法，该钻机包括平台系统、稳固系统、操纵系统、动力系统、调角系统和钻进系统，以履带车体为平台，可三个方向稳固支撑；钻进系统的主机可在调角系统的机架、回转平台、副回转装置和主回转装置控制下沿平行和垂直于履带车体的两个平面内旋转并任意角度定位；本发明克服了现有技术的不足，既能快速调整开孔倾角，又缩小了运输尺寸，还可清晰观察钻进施工情况，解决了岩层钻进困难的难题，具有搬迁运输方便，全倾角钻孔施工效率高、钻进安全可靠等显著优点。

Description

煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法

技术领域

本发明涉及钻探装备的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法。

背景技术

瓦斯灾害是煤矿井下最主要、最严重的灾害类型，严重影响矿井安全生产，采用钻孔提前对煤层瓦斯进行预抽采是防治瓦斯灾害事故的主要技术手段，主要包括两个方面：一是预抽待掘煤巷影响区内瓦斯，超前掩护煤巷掘进安全；二是预抽待采工作面内瓦斯，确保工作面煤层回采安全。

松软突出煤层是我国高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井主要煤层类型，在我国分布广泛，瓦斯含量大、压力高，煤层硬度低、透气性差，瓦斯治理难度大。由于松软突出煤层的物理力学特性，其钻进过程中易出现喷孔、塌孔、卡钻等孔内异常现象，钻进困难，目前钻孔深度较浅，平均钻孔深度≤150m，远小于待采工作面和待掘煤巷影响区宽度(一般≥220m)，不能满足递进式抽采需要。因此目前采用的办法是：首先在待掘煤巷下方施工一个底抽巷，然后在底抽巷内施工全倾角扇形穿层钻孔群，覆盖待掘煤巷影响区，待瓦斯抽采达标后进行煤巷掘进(如中国专利CN104314610A示例)；再在掘进好的煤巷内施工顺煤层对穿钻孔抽采工作面内瓦斯，确保矿井安全生产。

底抽巷内全倾角扇形穿层钻孔群的施工效果对瓦斯抽采治理效率影响显著，由于缺乏专用钻机，目前国内底抽巷内全倾角扇形穿层钻孔群钻进时，存在以下不足：①每组全倾角扇形穿层钻孔群一般由5～9个穿层钻孔组成，为达到均匀覆盖待掘煤巷影响区，需要不同倾角开孔，现有钻进装备在每个钻孔施工完成后一般均需要重新移动、稳固钻机并调整钻机开孔倾角，搬迁麻烦、调角复杂，严重影响钻进施工效率；②底抽巷空间狭窄，钻机运输不便，目前部分钻机虽然设置了倾角快速调整装置，但其只可在一个平面内旋转，钻进主机与履带车体垂直，导致钻机宽度超限，严重影响钻机运输搬迁；③钻机操纵台固定在钻机侧方或后方，集成功能较多，部分倾角钻孔施工时，司钻人员视线受阻，不利用观察钻进情况，存在重大安全隐患；④穿层钻孔需要钻穿煤层底板，然后进入煤层，中硬以上岩层钻进困难。

为此，本发明的设计者通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前煤矿井下底抽巷内全倾角扇形穿层钻孔群钻进存在的不足，开发了一种煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对目前煤矿井下底抽巷内全倾角扇形穿层钻孔群钻进时存在的搬迁运输麻烦、开孔倾角调整和施工效率低、不便于观察钻进施工情况等不足，提供了一种煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机，包括平台系统、稳固系统、操纵系统、动力系统、调角系统和钻进系统，其特征在于：

所述平台系统包含履带车体，所述履带车体包含车体平台和位于车体平台两侧的履带体，所述车体平台为中部内凹式的结构，其中部设有凹槽以作为安装平台，所述调角系统可至少包含机架、回转平台、副回转装置和主回转装置，所述机架设置于履带车体的前部且连接于主回转装置，所述回转平台通过所述主回转装置可旋转的连接于机架，且所述回转平台上设置所述副回转装置，所述钻进系统包含主机和钻进机构，所述主机连接于副回转装置，以通过调角系统实现运输时的放平状态和钻进时的垂直状态以及钻进的全倾角调节，所述主机上设置有钻进机构。

其中：所述稳固系统包含前顶油缸、上稳固油缸和下稳固油缸，从而实现三个方向的支撑稳定，确保钻进施工时钻机稳固，所述前顶油缸位于主机的前端，所述上稳固油缸位于所述机架的上部，所述下稳固油缸位于履带车体的四个角处。

其中：所述动力系统包含油箱、电磁起动器和电机泵组，所述电机泵组位于履带车体的凹槽内，且电机泵组的高度低于钻进系统处于放平状态下主机的高度，所述油箱和电磁起动器位于履带车体后方；所述操纵系统包含行走操纵台、稳固操纵台和钻进操纵台。

其中：所述调角系统的机架包含两个塔架，两塔架分别位于所述履带车体的前部两侧，其下端可通过螺栓固定于履带车体，各塔架的前侧设置有限位卡扣，所述主回转装置包含位于各塔架内侧的两组回转支撑轴承和蜗轮蜗杆自锁装置，所述回转平台的两侧通过回转支撑轴承可转动的支撑于两塔架之间，从而采用回转支撑轴承带动回转平台在与机架平行且和履带车体垂直的平面内旋转，并利用蜗轮蜗杆自锁装置在任意角度进行锁紧固定。

其中：所述回转平台上设置有副回转装置、两个液压马达和两个定位卡扣，当回转平台与钻机垂直时，定位卡扣与限位卡扣对齐。

其中：所述的副回转装置与主机连接，在回转平台上的两个液压马达驱动下使主机在回转平台上旋转和进行定位锁紧。

还公开了如上所述的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机的施工方法，包含以下步骤：

步骤一：运输到位，将钻机调整为运输状态，将钻机运输至底抽巷钻场；

步骤二：钻进状态调整，控制主回转装置带动回转平台、副回转装置和主机共同旋转90°，使主机与履带车体垂直并定位锁紧；

步骤三：钻孔开孔倾角调整，旋转副回转装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的倾角与钻孔开孔倾角一致并定位锁紧主机；

步骤四：单个钻孔施工，根据地层硬度选择不同钻进工艺，利用钻进操纵台控制主机上的钻进机构进行钻孔施工；

步骤五：全倾角扇形钻孔施工，单个钻孔施工完成后，旋转副回转装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的倾角与下一个钻孔的开孔倾角一致并定位主机，进行钻孔施工，直至完成所有钻孔施工。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法具有如下效果：

1、以履带车体为平台，可三个方向稳固支撑，移动搬迁速度快，支撑稳固；由机架、回转平台、副回转装置和主回转装置等机构组成的调角系统使主机在平行和垂直于履带车体的两个平面内旋转并定位，搬迁运输时主机与履带车体平行，钻进施工时主机与履带车体垂直。

2、钻机操作分开独立进行，钻进操纵台搬迁运输时悬挂于履带车体前方，施工时可从履带车体上取下并放置在便于观察孔口的地方。

3、本发明克服了现有钻进钻机钻进时存在的搬迁运输麻烦、开孔倾角调整和施工效率低、不便于观察钻进施工情况、中硬以上岩层钻进困难等不足，既能快速调整开孔倾角，又缩小了运输尺寸，还可清晰观察钻进施工情况，具有搬迁运输方便、全倾角钻孔施工效率高、钻进速度快、钻进安全可靠等显著优点。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机的运输状态示意图。

图2显示了本发明中调节系统的部分结构示意图。

图3显示了本发明的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机的钻进状态示意图。

图4、图5、图6、图7分别显示了煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机施工不同倾角钻孔时的状态示意图。

附图标记：

前顶油缸1、油箱2、行走操纵台3、履带车体4、电磁起动器5、电机泵组6、稳固操纵台7，机架8、回转平台9、主机10、上稳固油缸11、副回转装置12、主回转装置13、钻进操纵台14、下稳固油缸15、拉杆16、定位卡扣17、限位卡扣18、液压马达19、锁紧螺母20、销轴21。

具体实施方式

参见图1至图6，显示了本发明的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法。

先参见图1和图3，分别显示了本发明的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机处于运输状态和钻进状态下的示意图，所述煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机可包括平台系统、稳固系统、操纵系统、动力系统、调角系统和钻进系统，其中，所述平台系统可包含履带车体4，所述履带车体4包含车体平台和位于车体平台两侧的履带体，所述车体平台为中部内凹式的结构，其中部设有凹槽，以作为其他系统的安装平台，且是钻机整体移动搬迁的执行部件，所述调角系统可至少包含机架8、回转平台9、副回转装置12和主回转装置13，所述机架8设置于履带车体4的前部且连接于主回转装置13，所述回转平台9通过所述主回转装置13可旋转的连接于机架，且所述回转平台9上设置所述副回转装置12，所述钻进系统可包含主机10和钻进机构，所述主机10连接于副回转装置12，以通过调角系统实现运输时的放平状态和钻进时的垂直状态以及钻进的全倾角调节，所述主机10上设置有钻进机构，所述钻进机构上设置有减震装置，优选为双向减震装置，以采用冲击回转钻进工艺和回转钻进工艺进行施工。

所述稳固系统可包含前顶油缸1、上稳固油缸11和下稳固油缸15，从而实现三个方向的支撑稳定，确保钻进施工时钻机稳固，所述前顶油缸1可位于主机10的前端，所述上稳固油缸11位于所述机架8的上部，所述下稳固油缸15位于履带车体4的四个角处。所述动力系统可包含油箱2、电磁起动器5和电机泵组6，所述电机泵组6位于履带车体4的凹槽内，且电机泵组6的高度低于钻进系统处于放平状态下主机10的高度，所述油箱2和电磁起动器5位于履带车体4后方；所述操纵系统可包含行走操纵台3、稳固操纵台7和钻进操纵台14，其中所述行走操纵台3位于履带车体4后方的油箱2与电磁起动器5之间，用于控制平台系统工作，带动钻机移动搬迁，所述稳固操纵台7位于钻机左前方，用于控制稳固系统工作，所述钻进操纵台14用于控制动力系统、调角系统和钻进系统工作，与履带车体4为非固定式连接，其中，所述钻进操纵台14底部设置有滚轮，搬迁运输时悬挂于履带车体4前方，施工时可从履带车体4上取下并放置在便于观察孔口的地方。

参见图2，所述调角系统的机架8包含两个塔架，两塔架分别位于所述履带车体4的前部两侧，其下端可通过螺栓固定于履带车体4，各塔架的前侧设置有限位卡扣18，所述主回转装置13包含位于各塔架内侧的两组回转支撑轴承，优选还可包含蜗轮蜗杆自锁装置，所述蜗轮蜗杆可与回转支撑轴承为一体结构，且位于其侧面，以通过涡轮和蜗杆进行自锁，并利用涡杆上安装的马达驱动下进行角度的旋转，所述回转平台9的两侧通过回转支撑轴承可转动的支撑于两塔架之间，从而采用回转支撑轴承带动回转平台9在与机架8平行且和履带车体4垂直的平面内旋转，旋转范围为0～90°，并可利用蜗轮蜗杆自锁装置在任意角度进行锁紧固定；所述回转平台9上设置有副回转装置12、两个液压马达19和两个定位卡扣18，当回转平台9在主回转装置17驱动下转动90°与钻机垂直时，拉杆16卡在定位卡扣18的凹槽内与拉杆16对齐，拧紧锁紧螺母20将定位卡扣18和拉杆16锁紧；销轴21插在拉杆16与限位卡扣18上的连接孔，使拉杆16与限位卡扣18固定；所述的副回转装置12与主机10连接，回转平台9上的两个液压马达19驱动副回转装置12使主机10在回转平台9上旋转，旋转范围为0～180°，并可在任意角度利用副回转装置12上的涡轮蜗杆装置进行定位和锁紧。

参见图3，煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机处于运输状态时，主回转装置13、副回转装置12均复位，回转平台9和主机10均与履带车体4平行，并置于电机泵组6上方；前顶油缸1、上稳固油缸11与下稳固油缸15均收回；钻进操纵台14悬挂于履带车体4前方。

参见图4，煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机处于钻进状态时，主回转装置13旋转90°，回转平台9和主机10与履带车体4垂直，并利用主回转装置13的蜗轮蜗杆自锁装置、拉杆16和锁紧螺母19进行双重锁紧；前顶油缸1、上稳固油缸11与下稳固油缸15均伸出；钻进操纵台14放置在便于观察孔口的地方；钻机重心位于履带车体4内。

参见图1～图7，煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机的施工方法，包含以下步骤：

步骤一：运输到位。将钻机调整为运输状态，利用行走操纵台3控制履带车体4行走，将钻机运输至底抽巷钻场。

步骤二：钻进状态调整。先利用稳固操纵台7将上稳固油缸11和下稳固油缸15伸出，稳固钻机；然后利用稳固操纵台7控制主回转装置13，带动回转平台9、副回转装置12和主机10共同旋转90°，使主机10与履带车体4垂直并定位锁紧；将钻进操纵台14从履带车体4上卸下，放置在便于观察孔口的地方，连接钻进操纵台14与主机10之间的高压油管。

步骤三：钻孔开孔倾角调整。利用稳固操纵台7旋转副回转装置12，带动主机10在与履带车体4垂直的平面内回转，使主机10的倾角与钻孔开孔倾角一致并定位锁紧主机10；前顶油缸1伸出并稳固支撑在底抽巷上。

步骤四：单个钻孔施工。根据地层硬度选择不同钻进工艺，利用钻进操纵台14控制主机10上的钻进机构进行钻孔施工。当地层普氏硬度系数f≥6时，采用冲击回转钻进工艺施工，孔内钻具组合依次为冲击锤头、气动冲击器和高强度高韧性钻杆，孔口由地面空气压缩机经供风管路进行中风压供风，驱动孔内钻具工作、排出孔内钻渣和冷却钻具；当地层普氏硬度系数f≥6时，采用回转钻进工艺施工，孔内钻具组合依次为PDC钻头、常规钻杆，孔口由泥浆泵提供高压水，进行钻进排渣和钻具冷却。

步骤五：全倾角扇形钻孔施工。单个钻孔施工完成后，收回前顶油缸1，利用稳固操纵台7旋转副回转装置12，带动主机10在与履带车体4垂直的平面内回转，使主机10的倾角与下一个钻孔的开孔倾角一致并定位主机10；前顶油缸1伸出并稳固支撑在底抽巷上；利用钻进操纵台14控制主机10上的钻进机构进行钻孔施工，直至完成所有钻孔施工。

由此可见，本申请的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机及其施工方法，包括平台系统、稳固系统、操纵系统、动力系统、调角系统和钻进系统，以履带车体为平台，可三个方向稳固支撑；钻进系统的主机可在调角系统的机架、回转平台、副回转装置和主回转装置控制下沿平行和垂直于履带车体的两个平面内旋转并任意角度定位；操纵系统由三部分分开独立控制，钻进操纵台搬迁运输时悬挂于履带车体前方，施工时可从履带车体上取下并放置在便于观察孔口的地方；钻进系统上设置有双向减震装置，可满足冲击回转钻进需要。本发明克服了现有技术的不足，既能快速调整开孔倾角，又缩小了运输尺寸，还可清晰观察钻进施工情况，解决了岩层钻进困难的难题，具有搬迁运输方便，全倾角钻孔施工效率高、钻进安全可靠等显著优点。

尽管本文较多地使用了前顶油缸1、油箱2、行走操纵台3、履带车体4、电磁起动器5、电机泵组6、稳固操纵台7，机架8、回转平台9、主机10、上稳固油缸11、副回转装置12、主回转装置13、钻进操纵台14、下稳固油缸15、拉杆16、定位卡扣17、限位卡扣18、锁紧螺母19、液压马达20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (6)

1.一种煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机，包括平台系统、稳固系统、操纵系统、动力系统、调角系统和钻进系统，其特征在于：

所述平台系统包含履带车体，所述履带车体包含车体平台和位于车体平台两侧的履带体，所述车体平台为中部内凹式的结构，其中部设有凹槽以作为安装平台，所述调角系统可至少包含机架、回转平台、副回转装置和主回转装置，所述机架设置于履带车体的前部且连接于主回转装置，所述回转平台通过所述主回转装置可旋转的连接于机架，且所述回转平台上设置所述副回转装置，所述钻进系统包含主机和钻进机构，所述主机连接于副回转装置，以通过调角系统实现运输时的放平状态和钻进时的垂直状态以及钻进的全倾角调节，所述主机上设置有钻进机构；

所述调角系统的机架包含两个塔架，两塔架分别位于所述履带车体的前部两侧，其下端可通过螺栓固定于履带车体，各塔架的前侧设置有限位卡扣，所述主回转装置包含位于各塔架内侧的两组回转支撑轴承和蜗轮蜗杆自锁装置，所述回转平台的两侧通过回转支撑轴承可转动的支撑于两塔架之间，从而采用回转支撑轴承带动回转平台在与机架平行且和履带车体垂直的平面内旋转，并利用蜗轮蜗杆自锁装置在任意角度进行锁紧固定。

2.如权利要求1所述的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机，其特征在于：所述稳固系统包含前顶油缸、上稳固油缸和下稳固油缸，从而实现三个方向的支撑稳定，确保钻进施工时钻机稳固，所述前顶油缸位于主机的前端，所述上稳固油缸位于所述机架的上部，所述下稳固油缸位于履带车体的四个角处。

3.如权利要求2所述的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机，其特征在于：所述动力系统包含油箱、电磁起动器和电机泵组，所述电机泵组位于履带车体的凹槽内，且电机泵组的高度低于钻进系统处于放平状态下主机的高度，所述油箱和电磁起动器位于履带车体后方；所述操纵系统包含行走操纵台、稳固操纵台和钻进操纵台。

4.如权利要求1所述的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机，其特征在于：所述回转平台上设置有副回转装置、两个液压马达和两个定位卡扣，当回转平台与钻机垂直时，定位卡扣与限位卡扣对齐。

5.如权利要求1所述的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机，其特征在于：所述的副回转装置与主机连接，在回转平台上的两个液压马达驱动下使主机在回转平台上旋转和进行定位锁紧。

6.如权利要求1-5中任一所述的煤矿井下底抽巷全倾角钻孔用履带式钻机的施工方法，包含以下步骤：

步骤一：运输到位，将钻机调整为运输状态，将钻机运输至底抽巷钻场；

步骤二：钻进状态调整，控制主回转装置带动回转平台、副回转装置和主机共同旋转90°，使主机与履带车体垂直并定位锁紧；

步骤三：钻孔开孔倾角调整，旋转副回转装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的倾角与钻孔开孔倾角一致并定位锁紧主机；

步骤四：单个钻孔施工，根据地层硬度选择不同钻进工艺，利用钻进操纵台控制主机上的钻进机构进行钻孔施工；

步骤五：全倾角扇形钻孔施工，单个钻孔施工完成后，旋转副回转装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的倾角与下一个钻孔的开孔倾角一致并定位主机，进行钻孔施工，直至完成所有钻孔施工。