郭強(qiáng)，劉廣治，盧猛

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯一直是煤炭安全生產(chǎn)上的一道障礙，尤其是在前期開(kāi)采取樣過(guò)程中，未知因素較大。因此，研究一種輕便的坑道取樣鉆機(jī)成為礦山開(kāi)采的當(dāng)務(wù)之急，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)鉆取符合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的取樣鉆機(jī)，而傳統(tǒng)取樣鉆機(jī)(例如西安煤科院的ZDY系列坑道鉆機(jī)和Atlas Copco(阿特拉斯·科普柯)公司的Diamec系列鉆機(jī))體積、重量大，動(dòng)力要求高，配套設(shè)備多，操作復(fù)雜，需要專(zhuān)業(yè)司鉆操作。常規(guī)鉆機(jī)取樣主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①大塊巖石在運(yùn)至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)受振動(dòng)，巖石中氣體和水分因難以完全密封而導(dǎo)致?lián)]發(fā)和散失，從而造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響，因此對(duì)巖石的完整性要求較高；②巖樣的個(gè)數(shù)取決于大塊巖石的大小、巖性和室內(nèi)取樣方法，且不能連續(xù)取得任意位置的巖樣，取得巖樣個(gè)數(shù)和位置受到限制。

受中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的委托作者研發(fā)了TGQ-QB-2型手持式防爆鉆機(jī)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣?，F(xiàn)場(chǎng)施工表明，TGQ-QB-2型手持式防爆鉆機(jī)在煤礦淺部現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了完整取樣，保證了樣品直接符合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。該鉆機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、實(shí)用性強(qiáng)、能夠360°全方位取樣、經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)。

1 取樣點(diǎn)地質(zhì)情況

該取樣工程的檸條塔井田位于陜西省神木縣西北部，工業(yè)場(chǎng)地距神木縣城約36 km，為神府東勝礦區(qū)的一部分(神南礦區(qū))，行政區(qū)劃屬神木縣麻家塔鄉(xiāng)及店塔鄉(xiāng)管轄。該煤礦區(qū)域地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層巖性單一，區(qū)內(nèi)巖土體可分為三大類(lèi)六七個(gè)巖組，巖體結(jié)構(gòu)多為互層狀，巖體質(zhì)量中等，巖石硬度Hy屬于軟～中硬，聯(lián)合力學(xué)指標(biāo)ρm為3.0～6.8，巖石可鉆性IV～V級(jí)。

2 取樣鉆機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 工藝方法的確定

根據(jù)以上巖石特性，根據(jù)鉆探手冊(cè)推薦鉆進(jìn)方法為硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、PDC鉆進(jìn)、風(fēng)動(dòng)沖擊鉆進(jìn)和全面鉆進(jìn)，考慮到巖石樣品的原狀性要求，排除風(fēng)動(dòng)鉆進(jìn)和全面鉆進(jìn)工藝方法，而硬質(zhì)合金鉆進(jìn)和PDC鉆進(jìn)方法對(duì)鉆機(jī)扭矩的要求比較高，由于鉆機(jī)為手持式，反扭矩較大，因此危險(xiǎn)系數(shù)較大，也給予排除。最終我們選擇北京探礦工程研究所研制的薄壁金剛石鉆頭鉆進(jìn)工藝。首先，薄壁金剛石鉆進(jìn)能夠降低扭矩，而且金剛石鉆進(jìn)對(duì)于原巖的破壞性較小，能夠最大限度的保護(hù)樣品本來(lái)屬性，保證項(xiàng)目的取樣要求。

2.2 取心鉆頭的設(shè)計(jì)

金剛石取心鉆頭分為表鑲式和孕鑲式兩種，該鉆機(jī)配套的金剛石取心鉆頭為薄壁鉆頭，考慮到胎體對(duì)鉆頭的影響，本次選用孕鑲式鉆頭，為了達(dá)到金剛石與胎體的有機(jī)結(jié)合能力，有效釋放唇面應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)薄壁的排粉和金剛石冷卻能力，本次鉆頭設(shè)計(jì)采用尖齒型唇面設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。胎體性能是金剛石鉆頭的重要技術(shù)參數(shù)，對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭尤為重要，因?yàn)樘ンw不僅要牢固包裹金剛石，滿(mǎn)足鉆進(jìn)條件下足夠的強(qiáng)度，并且具有一定的抗沖擊性能，在正常的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭胎體的磨損要稍前于金剛石的磨損，使金剛石不斷出刃。依據(jù)項(xiàng)目工作區(qū)地層情況，在胎體工藝上，我們采用了熱壓鐵基預(yù)合金粉末技術(shù)。隨后，我們根據(jù)鉆進(jìn)地層條件選用了金剛石的品級(jí)并設(shè)計(jì)了金剛石的濃度，按照一般機(jī)械給進(jìn)的鉆進(jìn)工藝，在一般的軟～中硬度地層，宜選用中粒度～混合粒度的金剛石鉆頭，但是會(huì)相應(yīng)的增加鉆進(jìn)的扭矩，為了保證鉆進(jìn)過(guò)程中的人身安全，降低鉆進(jìn)扭矩，本次鉆頭設(shè)計(jì)選用細(xì)粒金剛石，50%的金剛石濃度。

圖1 鉆頭

2.3 取心鉆具的設(shè)計(jì)

由于采用單管鉆進(jìn)的工藝，按照項(xiàng)目要求，鉆進(jìn)深度低于5 m，所以鉆具的設(shè)計(jì)省略掉了傳統(tǒng)的卡簧，采用單獨(dú)的取心器與鉆具相連接的方式，不僅降低了鉆進(jìn)扭矩，而且單獨(dú)的螺旋式取心器(圖2)能夠大大增加取心率；為了增加鉆具的通用性，螺旋式取心器頭可以直接連接在取心鉆具上，鉆進(jìn)時(shí)可以直接將鉆頭改換成取心器頭，能夠大大增加鉆進(jìn)效率。同時(shí)，為了避免孔底巖心不斷裂導(dǎo)致的取心失敗問(wèn)題，我們此次研制了斷心器(圖3)配合取心器的使用，最大限度地保證巖心的采取率。

圖2 螺旋取心器

圖3 斷心器

2.4 鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，為應(yīng)對(duì)坑道內(nèi)可燃?xì)怏w的危險(xiǎn)因素，首先排除了汽油機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)，選取氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力源。其次，該礦區(qū)內(nèi)自備空壓機(jī)，并且氣源一般壓力在1.5 MPa以?xún)?nèi)，恰能滿(mǎn)足馬達(dá)對(duì)氣源的要求，采用氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力的另一個(gè)原因是成本較低，維修方便，并且全氣動(dòng)控制具有防潮、防爆、防火的功能，由于空氣流動(dòng)損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送，非常適合在坑道內(nèi)作業(yè)。

針對(duì)客戶(hù)的鉆探要求，要滿(mǎn)足煤層、砂巖等軟巖及第四系的取心目標(biāo)，我們把轉(zhuǎn)速確定在300 r/min配合專(zhuān)用的薄壁金剛石鉆頭。由于該鉆機(jī)為手持式，鉆探時(shí)的反向扭矩全部由人來(lái)提供，因此，在保證鉆探的情況下，我們將最大扭矩限制在了6.0 N·m，并且在氣體輸入端安裝了開(kāi)關(guān)，最大限度保證工作時(shí)的人身安全。鉆機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆機(jī)參數(shù)表

該鉆機(jī)主要由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、動(dòng)力輸出部分，冷卻部分等組成。附屬工具包括鉆桿、鉆具、鉆頭、斷心器及打撈器等。鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。鉆機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定在0～300 r/min，配備不同的鉆具及鉆頭及沖洗液，能滿(mǎn)足不同巖層及第四系的取樣鉆進(jìn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

開(kāi)展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究需要大量的樣品，為確

圖4 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)圖

保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、科學(xué)性及可靠性，應(yīng)盡量使試樣保持其原狀性。利用我們自主研發(fā)的便攜式取樣鉆機(jī)和室內(nèi)樣品取心機(jī)相互配合對(duì)陜煤集團(tuán)檸條塔煤礦進(jìn)行全面取樣，為室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供可靠有效的巖石樣品。

本項(xiàng)目地區(qū)工程地質(zhì)具有以下特點(diǎn)：①煤礦地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層巖性單一，區(qū)內(nèi)巖土體可分為三大類(lèi)六七個(gè)巖組，巖體結(jié)構(gòu)多為互層狀，巖體質(zhì)量中等；②可采煤層頂板多屬半堅(jiān)硬、堅(jiān)硬的層狀巖類(lèi)，全井田按照南北兩翼共劃分為四個(gè)盤(pán)區(qū)，本次取樣地點(diǎn)選擇南一盤(pán)區(qū)S1229工作面。

為室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供可靠真實(shí)地樣品保障，將取樣鉆機(jī)應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)，鉆取不同巖性的樣品。目前取樣鉆機(jī)于陜煤集團(tuán)內(nèi)檸條塔煤礦進(jìn)行了原狀樣品的鉆取，共鉆取出 200余塊標(biāo)準(zhǔn)樣品。實(shí)驗(yàn)人員分別對(duì)所取巖心進(jìn)行標(biāo)注巖性和位置，在巖樣庫(kù)進(jìn)行封存，為后續(xù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備充足的實(shí)驗(yàn)試件，取出的巖樣見(jiàn)圖5。

圖5 取出的巖樣

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)原位取樣關(guān)系到整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、可靠性和科學(xué)性。本次利用自主研發(fā)的手持防爆鉆機(jī)對(duì)陜煤集團(tuán)檸條塔煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位取樣，大大提高巖石樣品的完整性、可靠性，保障巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性?，F(xiàn)場(chǎng)的取樣實(shí)踐表明，取樣鉆機(jī)得到了成功的應(yīng)用，說(shuō)明了其合理性和可行性，為在其他高瓦斯地區(qū)的取樣工作提供了經(jīng)驗(yàn)。

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