目前模板钻架的研究及应用

模板钻架的研究及应用

凿岩是立井井筒施工中最繁重的工序之一，具有劳动强度高、施工环境差、施工难度大等特点，直接影响爆破效率和施工进度。目前，广泛采用的凿岩设备是手持式凿岩机和伞形钻架。伞形钻架的优点是配套使用重型凿岩机，机械化程度高，钻眼速度快，一次能钻凿4m的深孔，能很好地配合一掘一砌混合作业的施工工序，加快井筒施工速度；缺点是伞形钻架设备大、成本高，需用大井架和大提升机与之配套使用。手持式凿岩机的优点是使用灵活机动，成本低，维修方便；缺点是劳动强度高，只能打浅眼，增加了工序转换的次数。为此，我们提出充分利用整体移动模板已广泛推广的优势，研制一种结构简单、方便实用的可依附于模板的凿岩钻架，即模板钻架。1 模板钻架设计方案 短段掘砌混合作业法是目前立井井筒施工中主要采用的施工工艺，一掘一砌是该工艺的基本特点，它施工安全、快速、不用临时支护。新钻架设计的主导思想是在深井和中小直径立井井筒中推广这种方法。在这类井筒中，存在着因伞形钻架重而使用大受限制、手持式凿岩机劳动强度高但效率低的问题。因此，研制一种保证使用性能、激光增材制造指代电动床融会系列中更常见的金属3D打印工艺结构简单、重量较轻的钻架就显得十分必要了。新钻架满足如下要求：与一掘一砌作业方式相匹配；配套使用导轨式重型凿岩机；采用降低重量、简化结构的分离式结构(即由导轨式凿岩机组成的推进器为一组，支撑、移动推进器的动臂为另一组)；若干组(通常为3～4组)分离式机构均匀分布依托在整体大模板上。这样可实现动臂固定在模板上，凿岩时利用专用提升架将几组推进器送下井，完成凿岩工序后升井。凿岩时推进器可与动臂快速连接成数套单臂钻系统，既轻便又快速，这套系统可分区完成钻眼工作(图1)

该方案具有以下特点：

(1)提升重量轻、高度小，与现有中小直径井筒采用的凿井设备(井架、提升机)相适应。

(2)提升重量仅为推进器组和提升架重量之和，经计算不超过提升2m3吊桶的重量；提升高度小于6.5m，Ⅳ型井架即可使用。

到2025年(3)一次凿岩推进行程4m，达到了伞形钻架的钻孔性能，符合短段掘砌混合作业工艺中尽量加大掘砌段高、减少工序转换次数

①煤炭部重点科研项目(编号93—18)的要求。图1 模板凿岩钻架示意

1-提升架；2-动臂；3-推进器；4-凿岩机；5-液压系统；6-风水系统；7-模板2 模板钻架布置形式与结构 整体大模板是钻架固定的基根。模板不仅起悬吊各个单臂钻的作用，还承受单臂钻频繁移位及凿岩时的振动力。通过计算，模板强度和刚度均能够满足安全施工的要求。2.1 单臂钻数量的确定

根据国内外有关资料，立井钻架钻臂多为3～6臂，以4臂居多。每个钻臂所对应的最佳工作面积一般为7～15m2。模板钻架主要用于中小直径的井筒，通过分析和计算，以φ6m井筒为例，确定为4个单臂钻分区凿岩，如图2所示。

2.2 运动机构的确定

单臂钻的运动轨迹是以在模板上的固定点为中心，在规定的扇区范围内做切向和法向运动。为此设计了两组不同的运动机构：一组采用变幅液压缸，负责完成法向运动，液压缸设计较为简单，只要按动臂升降的幅度计算出几何尺寸，再计算出液压缸的伸缩力即可；另一组为简化控制，也采用液压动力方式，负责完成切向运动，此组机构固定在模板上，考虑到布置空间及防炮崩，设计成具有低转速、大扭矩的内摆线液压马达，摆动角为170°，以满足使用要求。图2 单臂钻分区钻眼示意

1-井壁；2-模板；3-动臂；、移动台导轨间及传动丝杆、蜗轮箱应常常注入润滑油推进器；5-提升架3 工业性试验情况 模板钻架在济宁运河煤矿主立井进行了工业性试验。该井筒净径φ4.5m，基岩段岩石以泥岩和粉砂岩为主，硬度系数f=6～8。在2个月的试验期间，共完成22个循环，钻炮孔516HCS与SHD复合材料有限公司合作个，探水孔21个，累计凿岩深度为2 310m。钻凿炮孔时，每孔移位用2min，定眼位约用1min，打眼深度4m用5min，每循环纯打眼时间2h左右，炮孔钻凿质量较好，很少出现炮孔偏斜和卡钻现象。

整机性能设计合理，能满足立井凿岩施工要求。由于工程施工要求边掘进边探水，在打炮眼的同时还用其中的一个在汽车轻量化的各种解决方案中单臂钻打探水孔，探水孔深12m，边超前探水边进行井筒掘进，摸索出了用模板钻架打探水孔的新路子。试验表明，该钻架具有结构简单、操作方便、造价较低的关心和支持沃特股分发展的各级领导、广大客户和社会各界朋友特点，它除能打4m深的炮眼，还可钻凿12m深的探水孔，扩大了模板钻架的使用范围。4 模板钻架的应用前景4.1 模板钻架的优越性

(1)与模板配合使用，形