２０１０，全国煤矿机械与救援装备高层论坛暨新产品技术交流会论文集
矿用钻探机械的现状与发展趋势
四川省煤炭产业集团川煤矿山勘测设计有限责任公司 赵强胡文刘作军陈文生
摘要ｌ概括介绍了目前煤矿井下所用立轴式钻机和全液压钻机的优劣，在收集分析国内外煤矿单位矿用钻 探机械设备使用情况的基础上，找出我国矿用钻探机械与国际先进水平的差距，为我国矿用钻探机械的研 发方向提出可供参考的建议。 关键词：煤矿井下立轴式全液压钻机现状发展趋势
（ｍｍ）
５０
钻孔倾角
（ｏ）
０“±９００ ７５／２０５ ６５０／２００
４６．３
０‘±９００ ７５／２０５
１ ０００／４００
０’±９００ ８５／１７８ ２１００／１ １００
８５
０’±９００ ６０／１２５ ３３００／１３００
１１３．５
０’±９００ ５６／１２０ ４０００／１６４０
１２５．５
额定转速
（ｒｐｍ）
二，机械传动，液压传动钻机与钻探工艺适应性分析
煤矿钻机采用机械传动还是液压传动方式虽然是一个老话题，但是面对当今施工的现状，尤其是煤矿
井下生产环境的变化、操作者的技能状况，我们还是有必要作一些简单的分析比较。我们也应该注意到机 械传动立轴式钻机和全液压动力头式钻机有很多共性的东西，从总体技术路线上讲，都采用了中心通孔回 转机构、常闭式液压卡盘、采用卷扬机滑轮机构作为钻机的主升降系统等。 ２．１机械立轴式钻机的优点 （１）制造成本低； （２）消耗功率小，传动效率高； （３）对操作技能要求较低，维修方便； （４）可靠性较高； （５）提下钻辅助时间短； （６）处理事故能力强。 ２．２机械立轴式钻机的缺点 （Ｉ）给进行程短； （２）工作平稳性差，包括回转器启动、停车的特性ｌ （３）一般要求使用主动钻杆，实现机上加杆困难； （４）要使用钻塔或需施工专门的反井钻窝，工作量大ｌ （５）不易实现斜孔钻进； （６）转速不能无级调节，对钻探工艺适应性差。
额定扭矩
（Ｎ．ｍ）
最大给进力
（ＫＮ）
６３
７２
最大起拨力
（ＫＮ）
３７．５
４３
５２
５２
８５
９４
给进行程
（ｍｍ）
８５０
８５０
８５０
８５０
８５０
８５０
电机功率
（ＫＷ）
１１
１８．５
３０
３７
３７
４５
主机外形尺 寸（ｒａｍ）（ 长×宽× 高） 主机莺量 （不含钻
杆）（ｋＲ）
２０００×８００ ×１６００
２０００Ｘ８００ ×１６００
２３２０×９６０ ×１６００
２３２０ ｘ９６０ ×１６００
２３２０Ｘ９６０ ×１６００
２３２０×９６０ ×１６００
９６０
１３００
１８３７
１９０５
２１０６
２１４５
煤科院西安分院眦系列主要机型 型号 钻孔深度／ｍ 钻杆直径／ｍｍ 钻孔倾角／（
。
ＭＫ－６型 ８００／６００ ７３／８９ ±９０
１５０ ６０００ ２ｌＯ ２１０ ７５ ４０００ ３．Ｏ×０．９６× １．５
ＭＫ－２型
７５ ４２ ±９０ ７５ ４５０ １４ ２３ ７．５ ５００ １．５×０．５７× ０．８
）
终孔直径／ｍｍ 最大扭矩／Ｎ
ｍ
给进能力／ｋＮ
起拔能力／ｋＮ
电机功率／ｋＷ
整机质量／ｋｇ
主机外形尺
寸／ｍＸｍＸｍ
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煤科院重庆分院ＺＹ系列主要机型 型号 最大钻进深 度（ｍ） 终孔直径 （ｍｍ） 钻杆直径备高层论坛暨新产品技术交流会论文集
２．３全液压动力头式钻机的优点 （１）给进行程长； （２）工作平稳： （３）孔上钻杆柱导向性好，采用机上加接钻杆； （４）容易实现斜孔钻进； （５）搬迁方便； （６）钻进工艺适应性好。 ２．４全液压动力头式钻机的缺点 （１）目前造价较高： （２）动力消耗大，传动效率低； （３）提下钻辅助时间长； （４）保养维修技能要求高，配件价格高； （５）处理事故能力较差。
钻进深度
（ｍ）
３００／２００
１１５
开孔直经
（ｍｍ）
１１５
９４／１１５ ７５／９４ ５０／６３．５ ０’±９００ ８８／１８０
１ ６５０／７５０
９４／１１５ ９４／１ｌＯ
６３．５
９４／１１５ ９４／１１５ ６３．５／７３
９４／１１５ ９４／１３３
７３
终孔直经
（ｍｍ）
６５／７５ ４２／５０
６５１７５
钻杆直经
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镇江安达煤矿机械有限责任公司ＺＤＹ系列主要机械
型号
ＺＤＹ６５０ １００－１５０ ＺＤＹ—１０００ ＺＤＹｌ６５０ ２５０－３５０ ＺＤＹ２ｌＯＯ ２５０－３５０ ＺＤＹ３３００ ２００－３５０ ＺＤＹ４０００ ２００－４００
勘探用钻机还采用了自动控制技术，实现了机电一体化操作。这些新技术将很快在矿用钻机上得到推广应 用。 在钻进动力方面，美国对用水力和压缩空气钻进进行了研究，ＲＥＩ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ公司曾研发了一种水力破 碎岩石的设备及钻进工艺，在肯塔基州某矿煤层顶板中钻进近水平定向瓦斯抽放孔，取得较好的效果。与 清水钻进相比，在松软、渗透性好的地层，泥质页岩、泥岩等遇水容易膨胀、坍塌的地层，采用压缩空气 钻进效果要好得多。 在煤矿井下采用稳定组合钻具控制钻孔方向的方法最先始于２０世纪７０年代的美国，但在煤矿井下应用 效果最好的却是德国，并且推广到了钾盐矿。１９９９年德国Ｗｉｒｔｈ公司用稳定组合钻具在一个钾盐矿完成了一 个进尺２２２３米的地质勘探孔，２００３年该公司网站又发布了又钻成一个进尺２７００米的水平勘探孔的消息，这 是目前世界范围内最深的井下近水平定向钻孔。日本利根公司采用该技术成效也很显著，曾在上世纪８０年 代初钻成２１５０米的近水平勘探孔。这种方法的优点是成本较低、可以钻大直径钻孔，缺点是控制钻孔方向 的能力不如孔底马达。 煤矿井下钻机采用孔底马达的定向钻进技术于上世纪８０年代初始于英国，当时其设备能力可以达到 １０００米，因为煤层松软和钻进工艺问题，实际最大孔深只有６３５米。但从８０年代中期开始，该方法已成为 澳大利亚施工瓦斯抽放孔和地质勘探孔的主要手段，成效也最为显著。钻孔深度一般在７００米左右。最大 孔深纪录不断刷新，至２００２年达到１７６１米。该方法的优点是控制钻孔方向的能力较强，但由于孔底马达的 扭矩较小，钻孔直径也较小，孔底马达的价格较高，相应地钻井成本较高。值得注意的是，这种方法得到 成功应用的前提条件是要有长寿命的孔底马达和可靠的随钻测斜技术。国外先进的孔底马达寿命一般都在 ２００－－－３００ｄ、时以上。使用效果较好的随钻测量仪器有澳大利亚钻机上配备的ＤＤＭ娅ＣｃＡ测量系统，据称可确
三、钻探机械的发展现状
３．１国外现状 全液压动力头式钻机已成为欧美市场的主流机型，近年来国外产品的发展主要表现在：适应市场需求 变化，逐步完善产品系列；新型中深孔钻机多为多功能钻机；在产品自动化和智能化方面取得了长足的进 步。 从上世纪６０年代起，国外一些发达国家逐步实现了坑道钻机的更新换代，用全液压动力头式钻机取代 立轴式钻机。特别是９０年代推出的新产品，比以前的产品又有明显的改进，将电液比例控制技术应用于新 型钻机。瑞典Ａｔｌａｓ Ｃｏｐｃｏ公司、加拿大ＪＫＳ Ｂｏｙｌｅｓ公司、澳大利亚Ｌｏｎｇｙｅａｒ公司等开发的几种新型坑道
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保钻孔精度在０．５。／１００米以内，每百米孔深最大偏差为０．５～１．ｏＫ，钻孔直径在８９～９６毫米之间。 在矿井抢险救灾快速通道钻掘方面，美［］Ｓｃｈｒａｍｍ公司生产的Ｔ６８５ＷＳ钻机，在第四系冲击层中钻进可 达ｌＯｍ／ｈ，在基岩地层中钻进平均２０ｍ／ｈ，最高可达３０ｍ／ｈ（传统方式钻进１—２ｍ／ｈ），钻孔直径一般为１９６— ２１６ｒａｍ，最大扩孔直径可达３１ｌ一５００ｒａｍ，可以作为通风、输送食品、通讯联络乃至升降人员的救援通道。 ３．２国内现状 立轴式钻机用于煤矿井下相对于全液压动力头式钻机有很多不足之处，但由于其价格便宜、操作简 单、维修方便、整体搬运方便等特点，到目前为止还有一些煤矿在浅孔钻进时使用这种钻机。国内生产立 轴钻机的厂家较多，在煤矿生产中常见的有杭州钻探机械制造厂生产的ＳＧＺＸ系列钻机、石家庄煤矿机械有 限责任公司生产的ＴＸＵ系列钻机、煤炭科学研究总院重庆分院生产的ＺＬ系列钻机等。 在煤矿井下的特殊环境中，全液压动力头式坑道钻机钻进效率高、操作安全、解体性好、移动搬迁方 便等特点非常突出，因此成为煤矿坑道钻探作业首推的主导机型。目前，国内全液压动力头式钻机的生产 厂家较多，钻进能力从几十米到１０００米，已形成多个系列。主要有：煤炭科学研究总院西安分院的ＭＫ系列 钻机、重庆分院的ＺＹ系列钻机、镇江安达机械有限责任公司的ＺＤＹ系列钻机 经过多年努力，我国煤矿用井下钻孔技术与装备有了很大发展。上世纪７０年代中期，国内煤矿一直采 用地面钻探用的立轴式钻机用来施工煤矿井下钻孔。７０年代末我国先后从英国和日本引进一批能力为１５０米 和３００米的全液压动力头式钻机，在阳泉、抚顺等矿务局用于井下瓦斯抽采，取得良好效果。８０年代初，煤 炭科学研究总院所属的西安分院和重庆分院等单位在引进吸收国外先进技术的基础上，结合我国煤矿的实 际生产条件制造出了拥有自主知识产权的全液压动力头式钻机。８０年代末开始走上系列化生产的轨道。 进入９０年代以后，随着煤矿综采技术的发展，对坑道钻探设备的钻探能力和钻探工艺提出更高的要 求，坑道钻探技术也有了新的发展。有关单位在煤矿井下近水平定向钻进技术的研究方面取得重大进展， ２００８年，煤炭科学研究总院西安研究院在国家科技科研院所技术开发专项资金、国家发改委“煤矿瓦斯综 合治理与利用关键技术研发和装备研制”重大专项等的资助下，经过近三年的研究和攻关，在新型千米水 平定向钻机的研究方面取得了突破。研制的ＺＤＹ６０００ＬＤ（Ａ）千米履带定向钻机填补了我国自主开发的煤矿井 下千米履带定向钻机的空白；研制的随钻测量探管和孔口监视器，实现了孔口即时显示钻孔轨迹和钻具姿 态参数；研制的高强度中心通缆钻杆，保证了测量信号的有效传输，并通过优化设计，有效提高了钻杆的 接头强度和整体的抗拉、抗扭能力，使其既可满足孔底马达钻进的要求，也可满足孔口回转钻进的要求。 与新型千米钻机配套研制开发的随钻测量定向钻进系统、水平分支孔钻进工艺等关键技术结合我国煤矿井 下定向钻孔施工的特点，实现了千米定向钻机与随钻测量定向系统的技术配套 但我国矿用钻探设备存在的问题主要是：钻探机械装备的标准化、系列化、通用化程度不高，系列产 品少，同档次产品多；优质高效产品少，低技术含量产品多；行业布局不合理，重复生产比较严重，深孔 及大型设备少，中小型普通设备多Ｉ市场急需的设备生产周期长，使用单位需花大量外汇进口；钻机性能 不能满足多种钻进工艺发展的需要：整机传动的液压化程度和水平远低于国外同类型；设备的控制系统、 运行和工况的监测系统十分落后，钻进参数监测仪表不够完善；钻探设备的装载型式落后，难于适应煤矿 井下施工的需要。