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ZD大孔径反井钻机
ZD-150型大孔径反井钻机
用 途：主要用于施工急倾斜煤岩层上山的开切眼、溜煤眼、通风眼、煤仓及其他工程孔。
技术特点：
采用机械旋转，液压进给，动力消耗小；
具有液压和瓦斯断电保护功能，可进行远距离操作；
采用自下而上钻孔、自上而下扩孔的二次钻孔法成孔，充分利用杆孔空间，整体刚性大，稳定性好；
既可钻煤孔，又可钻岩孔；钻具设置特殊装置，钻孔精度高。
采用机械旋转，液压进给，动力消耗小；
具有液压和瓦斯断电保护功能，可进行远距离操作；
采用自下而上钻孔、自上而下扩孔的二次钻孔法成孔，充分利用杆孔空间，整体刚性大，稳定性好；
既可钻煤孔，又可钻岩孔；钻具设置特殊装置，钻孔精度高。
ZD-150型大孔径反井钻机-技术指标：
钻孔深度：150(煤)、100(岩) m
开孔直径：300(煤)、311(岩) mm
扩孔直径：600(煤)、500(岩) mm
钻孔倾角：45～90°
输出转速：55～95 r/min
输出扭矩：3.2/1.8 kN·m
钻杆尺寸：Φ89 mm×678 mm
主电机功率：18.5 kW
泵站电机功率：7.5 kW
主机质量：12 000 kg
ZD-150型大孔径钻机的工作原理、主要结构、性能特点和井下工业性试验情况。该钻机的研制成功并投入使用，为急倾斜煤岩层上山掘进，增加了一条新途径。
在我国煤矿急倾斜煤岩层上山掘进中，如开切眼、溜煤眼等施工，由于施工条件差、机械化程度低等原因，致使掘进速度慢、安全性差、效率低，直接影响了生产的发展和经济效益的提高。由煤炭科学研究总院重庆分院研制成功的ZD-150型大孔径钻机，较好地解决了上述问题。
1 急倾斜煤岩层上山掘进对钻机的要求
(1)外形尺寸与井下条件相适应，满足运输及使用要求；
(2)有足够的功率，能一次钻穿全段急倾斜煤岩层上山；
(3)终孔直径满足使用要求；
(4)终孔位置误差小，能准确到位；
(5)能在煤岩层中钻进；
(6)符合有关安全规程要求，能在不同瓦斯等级的矿井中使用。
2 钻机工作原理及主要结构与功能
2.1 钻机工作原理
ZD-150型大孔径钻机采用钻削法破碎煤岩层成孔，即钻头中的切削具在旋转扭矩带动下旋转，同时做进给运动，切削具破碎煤岩成孔。钻头的旋转运动由一台18.5 kW的电动机产生，经传动变速箱减速后传给六方传动轴，并带动六方套旋转，经减速后将动力传递给钻具及钻头。钻机设有两档输出转速，高速用于钻煤孔及其它小孔，低速用于钻岩孔与扩孔。钻头的进给运动由液压传动实现，液压泵站上7.5 kW电动机带动双联齿轮泵产生两路不同压力、不同流量的压力油，一路为高压小流量，供进给油缸正常进给时使用；另一路为低压大流量，供进给油缸快速调车时使用。
2.2 钻机主要结构与功能
ZD-150型大孔径钻机主要由泵站、控制箱、主机、钻具四大部分组成，并可根据需要，配置专用电控系统，详见图1。
1—电控系统；2—泵站；3—控制箱；4—主机；5—瓦斯传感器；6—钻具
(1)泵站是ZD-150型大孔径钻机的主要动力源之一，由辅助电动机、油箱、双联齿轮泵、溢流阀、滤油器、冷却器等部件组成。泵站产生的两路压力油，为进给油缸、支撑油缸等提供动力，实现钻具的进给运动。
(2)控制箱是ZD-150型大孔径钻机的控制机构，由手动换向阀、多路换向阀、节流阀、旋转电机控制开关、油泵电机控制开关、压力表和水阀等组成。操纵手动换向阀、多路换向阀和节流阀的手把，可控制进给油缸的伸缩及钻具的进退、正常钻进调速和快速调车。
(3)主机由传动变速箱、动力头、机架、机座等部件组成。传动变速箱是钻机的减速装置，动力头是钻机动力输出部件，将动力传递给钻具，实现钻具的旋转切削运动。传动变速箱、动力头安装在机架上。机架上安装有进给油缸，支撑油缸，以实现钻具的进给运动和稳固钻机。机座是钻机的主要承重部件和安装基础。
(4)钻具是钻机破岩的主要工作部件，由钻杆、钻头、定位器等组成。钻杆将扭矩和轴压传递给钻头，使钻头中的切削具切削破碎煤岩成孔。定位器具有支撑钻杆、扶正孔位的作用，使钻杆在孔内不致发生弯曲，保证终孔位置的准确。钻机配备两种钻头，在煤层及软岩中钻进时，使用镶嵌硬质合金的多级塔式钻头即煤钻头，在硬岩中钻进时，使用牙轮钻头。
(5)电控系统具有过流、短路保护和风电闭锁等功能，在瓦斯超限和无通风时钻机不能启动，对人员和设备进行安全保护。
3 ZD-150型大孔径钻机的技术参数及特点
3.1 主要技术参数
|
钻孔直径／mm 扩孔直径／mm 钻孔深度／m 适应岩石普氏系数 钻孔倾角／（°） 动力头输出转速／r.min－1 动力头输出扭矩／N.m 钻孔推力／kN 扩孔拉力／kN 正常进给速度／m.min－1 正常返回速度／m.min－1 调车速度／m.min－1 钻杆尺寸／mm×mm 主电机功率／kW 辅助电机功率／kW 主机外形尺寸／mm×mm×mm 总质量／kg |
300(煤巷)311(岩巷) |
3.2 钻孔特点
(1)钻机采用两次成孔法破岩成孔，即先由下水平巷道(进风巷或机巷)向上水平巷道(回风巷)施工出一定直径的钻孔，钻穿至上水平巷道后，将钻头更换成扩孔钻头，再由上向下扩孔，直到扩完这段上山为止。
(2)可在45～90°的倾角范围内钻孔，采取必要措施后，可在20～45°范围内钻孔；
(3)有足够的功率，能钻穿全段急倾斜煤岩层上山；
(4)钻具中设置定向器，随钻杆进入孔内，起支撑和导向作用，保证钻孔准确到位；
(5)既可打煤孔，又可打岩孔。打煤孔时用煤钻头，打岩孔使用牙轮钻头；
(6)可根据需要配置专用电控系统。该电控系统中设置有瓦斯传感器、瓦斯报警仪、风电闭锁装置、双电机磁力启动器等，对设备和环境进行保护和控制，保障设备和施工人员的安全。
(7)设置远距离控制箱，工人远离孔口操作机器，避免煤岩垮落对施工人员造成伤害。
4 井下工业性试验
ZD-150型大孔径钻机于1995年2～8月，在天府矿务局磨心坡煤矿进行了井下工业性试验，结合生产需要，施工急倾斜煤层开切眼2个、瓦斯输送孔1个，试验通风孔1个。
4.1 施工急倾斜煤层开切眼
钻孔地点位于井下－10 m水平的南9石门K8煤层，垂高90 m，斜长96 m。K8煤层厚度1.2 m，倾角65°，煤层普氏系数f＝1～1.5，煤层瓦斯含量11.56 m3／t，具有瓦斯突出危险，其开切眼布置如图2所示。开孔位置位于K8煤层中部，钻机安装倾角67°，钻孔直径300 mm，钻孔深度96.6 m，用3个小班完成，班最大进尺58 m，扩孔直径为600 mm，用5个小班完成，班最大进尺33 m。
图2 开切眼施工布置
a—使用ZD-150型钻机；b—不用钻机
4.2 施工瓦斯输送孔
在-115 m水平井底车场暗竖井旁施工瓦斯输送孔。该钻孔直径311 mm，垂高101.5 m，斜长105 m，倾角84°。钻孔位于暗竖井旁的毛口灰岩中，为顺层钻进，岩石普氏系数f＝8～10，局部达到f=12，用10个小班完成，班最大进尺18.4 m，详见图3。
4.3 效果对比
4.3.1 施工急倾斜煤层开切眼与人工作业的经济效益对比
使用ZD-150型大孔径钻机施工急倾斜煤层开切眼96.6 m，与人工作业相比，施工时间由原需4～5个月缩短为1.5个月，节约施工周期约2.5～3.5个月，工作面因此提前投产，多产原煤约2万多吨，新增产值(间接效益)约200万元，节省开支约6.8万元(直接效益)，详见表1。
表1 施工开切眼费用比较
| 费用名称 | 大孔径钻机施工 | 人工作业施工 |
| 支护材料 | - | 60 000元 |
| 人工费 | 2 700元 | 26 000元 |
| 水电及油料费 | 4 080元 | 15 000元 |
| 钻孔及刀片材料费 | 6 250元 | - |
| 机器折旧费 | 20 000元 | - |
| 合 计 | 33 030元 | 101 000元 |
4.3.2 施工瓦斯输送孔与铺设管道的经济效益对比
施工瓦斯输送孔106 m，比从斜井架设直径为?310 mm的钢管管道节约管材216 m，直接节约开支约9万元，同时也避免了因跑车等事故对瓦斯管路的损坏，免于维修，长期受益，间接效益是无法估量的。详见表2。
表2 经济效益比较
| 费用名称 | ?311 mm岩孔 | 钢管管道 |
| 人工费 | 2 700元 | 1 371元 |
| 水电及油料费 | 5 120元 | - |
| 钻头费 | 10 000元 | - |
| 钻机折旧费 | 20 000元 | - |
| 法兰盘材料费 | - | 15 694元 |
| 螺栓材料费 | - | 2 120元 |
| 管路材料费 | - | 107 525元 |
| 合 计 | 37 820元 | 126 710元 |
4.3.3 安全状况对比
使用ZD-150型大孔径钻机施工急倾斜煤岩层上山，如开切眼等工程孔，工人远离孔口操作，避免了人工作业施工中喷孔、冒顶、煤与瓦斯突出等事故对工人的危害，有效地保证了施工人员的安全，同时钻孔将进风巷(或机巷)与回风巷连通，构成一完整的通风系统，有效地改善了施工地点的通风及安全状况。由于钻进设置了配套安全设备，在施工中未发生过安全事故，由此而产生的社会效益是深远的，是难以用经济效益来衡量的。
5 结 论
(1)钻机参数选择合理、传动效率高、整机结构设计合理、新颖，加工质量好，结构紧凑、稳定性好。
(2)用ZD-150型大孔径钻机施工急倾斜煤岩层上山，如开切眼等工程孔，在大幅度提高施工速度的同时，为施工人员提供一个较好的安全工作环境，有效地减少了安全事故的发生。
(3)该钻机的研制成功，为我国煤矿急倾斜煤岩层上山掘进，开辟了一条新途径，使用钻机钻进代替急倾斜煤岩层的人工采掘工作成为可能，为煤矿提供了一种新型、高效、适用的安全装备。ZD-150型大孔径钻机在我国煤矿的推广使用，必将取得广泛的社会效益和巨大的经济效益。
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