底抽巷全傾角鉆孔鉆機(jī)及鉆進(jìn)技術(shù)

鄔 迪，趙江鵬，徐鵬博

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

碎軟煤層瓦斯含量大、壓力高，煤層硬度低、透氣性差[1]，瓦斯綜合治理難度大。在碎軟煤層中施工順層鉆孔時(shí)易出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等孔內(nèi)復(fù)雜情況，成孔困難[2]。僅僅依靠順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，往往不能滿足巷道條帶和回采工作面瓦斯區(qū)域治理需求。因此，順層鉆孔結(jié)合底抽巷穿層鉆孔是目前常采用的一種有效的瓦斯綜合治理方式。

由于缺乏專用鉆機(jī)及配套鉆進(jìn)技術(shù)，目前施工底抽巷穿層鉆孔時(shí)，仍存在以下不足：

1）每組全傾角穿層鉆孔由5～9 個(gè)鉆孔組成，為達(dá)到均勻覆蓋待掘煤巷影響區(qū)，每個(gè)鉆孔需要調(diào)節(jié)不同傾角開孔參數(shù)?，F(xiàn)有鉆機(jī)在同一組穿層鉆孔之間調(diào)整傾角參數(shù)時(shí)，需要重新移動(dòng)、穩(wěn)固、調(diào)整鉆機(jī)開孔傾角，調(diào)角操作復(fù)雜，影響綜合鉆進(jìn)效率。

2）底抽巷空間狹小，鉆機(jī)運(yùn)輸不便?，F(xiàn)有鉆機(jī)雖然設(shè)置了傾角快速調(diào)整裝置，但其只可在一個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)主機(jī)與履帶車體垂直，導(dǎo)致鉆機(jī)寬度超限，影響鉆機(jī)運(yùn)輸搬遷。

3）鉆機(jī)操縱臺(tái)固定在鉆機(jī)側(cè)后方，在進(jìn)行大傾角鉆孔施工時(shí)，司鉆人員視線受阻，不利于觀察鉆機(jī)和鉆場(chǎng)情況，存在安全隱患。

基于此研制了底抽巷全傾角ZDY3600LQ 型履帶鉆機(jī)。

1 全傾角鉆機(jī)

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)底抽巷條件和全傾角穿層鉆孔鉆進(jìn)工藝要求，綜合考慮鉆孔傾角、鉆孔深度、鉆進(jìn)效率等各參數(shù)，制定了ZDY3600LQ 型履帶鉆機(jī)基本參數(shù)和整機(jī)結(jié)構(gòu)[3]。鉆機(jī)外形圖如圖1。新型鉆機(jī)既能快速調(diào)整開孔傾角，又縮小了運(yùn)輸尺寸，還可清晰觀察鉆孔施工情況，具有搬遷運(yùn)輸方便、全傾角鉆孔施工效率高、鉆進(jìn)安全可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)。

圖1 鉆機(jī)外形圖Fig.1 Drilling rig

鉆機(jī)基本參數(shù)包括：額定轉(zhuǎn)矩3 600～800 N·m，額度轉(zhuǎn)速70～260 r/min，主軸傾角0°～180°，最大給進(jìn)/起拔力為102 kN，額定功率55 kW，整機(jī)質(zhì)量8 000 kg，鉆機(jī)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）3.2 m×1.25 m×2 m。

鉆機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)采用整體履帶式布局方式, 鉆機(jī)移動(dòng)依靠履帶底盤驅(qū)動(dòng)，鉆機(jī)主機(jī)、操縱臺(tái)、泵站、穩(wěn)固裝置等動(dòng)力、執(zhí)行、操控和輔助裝置布置于履帶車體平臺(tái)上[4]。鉆機(jī)主機(jī)通過(guò)主機(jī)機(jī)架固定在履帶車體平臺(tái)上，為了適應(yīng)底抽巷尺寸、降低鉆機(jī)高度，設(shè)計(jì)了集鉆機(jī)傾角調(diào)整、水平開孔高度調(diào)整、施工/運(yùn)輸主機(jī)位置調(diào)整、鉆機(jī)穩(wěn)固等功能于一體的鉆機(jī)主機(jī)機(jī)架, 主機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 主機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure

鉆機(jī)主機(jī)可利用主機(jī)機(jī)架中的回轉(zhuǎn)平臺(tái)、副回轉(zhuǎn)裝置和主回轉(zhuǎn)裝置等機(jī)構(gòu)使主機(jī)在平行和垂直于履帶車體的2 個(gè)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)并定位。鉆機(jī)搬遷運(yùn)輸時(shí)，主機(jī)與履帶車體平行，并置于左右主立柱之間，降低高度尺寸；鉆機(jī)施工時(shí)，通過(guò)主回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動(dòng)，主機(jī)旋轉(zhuǎn)90°后與履帶車體垂直，通過(guò)副回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動(dòng)，主機(jī)可在同一平面進(jìn)行0°～180°范圍內(nèi)傾角的自動(dòng)調(diào)節(jié)，鉆機(jī)工作狀態(tài)如圖3。鉆機(jī)操縱臺(tái)懸掛于履帶車體前方，施工時(shí)可從履帶車體上取下并放置于便于觀察孔口的位置，提高了鉆機(jī)操作的安全性和可靠性。

圖3 鉆機(jī)工作狀態(tài)Fig.3 Drilling rig working position

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用雙開式泵恒壓控制方式。為了使鉆機(jī)適應(yīng)全傾角穿層鉆孔的高效、可靠和安全施工，鉆機(jī)動(dòng)力頭、夾持器、卡盤等關(guān)鍵部件采用單獨(dú)的方向控制回路，避免了聯(lián)動(dòng)回路中各部件因響應(yīng)速度不同造成鉆具下滑的安全事故[5]。針對(duì)全傾角穿層鉆孔施工，防止給進(jìn)缸浮動(dòng)時(shí)造成動(dòng)力頭下滑，在鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)集成了擰/卸扣功能和動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)功能的集成回路。當(dāng)操作擰/卸扣控制閥時(shí)，先導(dǎo)控制油首先通過(guò)梭閥推動(dòng)二位閥，使給進(jìn)油缸兩腔聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)時(shí)給進(jìn)油缸和動(dòng)力頭浮動(dòng)，有效保護(hù)鉆桿絲扣[6-7]；當(dāng)正常鉆進(jìn)或停鉆時(shí)，操作回轉(zhuǎn)控制閥，給進(jìn)油缸兩腔斷開、浮動(dòng)切斷，可防止因重力造成的動(dòng)力頭下滑事故。

1.2 鉆機(jī)工作流程

在底抽巷內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸、調(diào)角和鉆進(jìn)等工序時(shí)，鉆機(jī)各裝置功能如下：

1）鉆機(jī)井下運(yùn)輸。通過(guò)行走操縱臺(tái)控制鉆機(jī)行走至底抽巷待開孔位置。

2）鉆進(jìn)狀態(tài)調(diào)整。先利用穩(wěn)固操縱臺(tái)將穩(wěn)固裝置伸出，穩(wěn)固鉆機(jī)；然后利用調(diào)角操縱臺(tái)控制主立柱中的回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，使主機(jī)與履帶車體平臺(tái)垂直。將鉆機(jī)操縱臺(tái)從履帶車體平臺(tái)上取下，放置在便于觀察孔口的地方，連接操縱臺(tái)與主機(jī)之間的高壓油管。

3）單個(gè)鉆孔施工。利用穩(wěn)固操縱臺(tái)旋轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)裝置，帶動(dòng)主機(jī)在與履帶車體垂直的平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，使主機(jī)的傾角與鉆孔開孔傾角一致并定位主機(jī)；前頂油缸伸出并穩(wěn)固支撐在底抽巷上；利用鉆進(jìn)操縱臺(tái)控制主機(jī)上的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆孔施工。

4）全傾角鉆孔施工。單個(gè)鉆孔施工完成后，收回前頂油缸，利用調(diào)角操縱臺(tái)旋轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)裝置，帶動(dòng)主機(jī)在與履帶車體垂直的平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，使主機(jī)的傾角與下一個(gè)鉆孔的開孔傾角一致并定位主機(jī)；前頂油缸伸出并穩(wěn)固支撐在底抽巷上；利用鉆進(jìn)操縱臺(tái)控制主機(jī)上的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆孔施工，直至完成同一截面鉆孔群的施工。

2 鉆進(jìn)工藝研究及應(yīng)用

以晉煤集團(tuán)趙莊礦硬巖穿層鉆孔施工為研究對(duì)象。目前趙莊礦主采3#煤層，由于煤層瓦斯含量高、煤層碎軟、透氣性差，采用順層鉆孔解決采掘工作面瓦斯存在鉆孔深度淺、易塌孔，導(dǎo)致鉆孔抽采覆蓋范圍小、有效抽采時(shí)間短、抽采效果差等問(wèn)題[8]，影響掘進(jìn)和回采進(jìn)度，給生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。因此，趙莊礦在1307、1308 工作面嘗試采用底抽巷穿層鉆孔抽采煤巷條帶和回采區(qū)域瓦斯。在實(shí)際生產(chǎn)中瓦斯問(wèn)題有所緩解，掘進(jìn)速度也相應(yīng)提高。但是在底抽巷穿層鉆孔布孔設(shè)計(jì)及鉆孔施工過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題亟待解決，主要包括：穿層鉆孔需要在煤層和巖層中鉆進(jìn)，煤層和巖層對(duì)成孔工藝和設(shè)備的要求不同，當(dāng)在煤層鉆進(jìn)時(shí)，受瓦斯、煤體松軟、破碎影響，鉆孔施工過(guò)程中容易出現(xiàn)瓦斯異常涌出和塌孔等現(xiàn)象，造成鉆進(jìn)速度慢、成孔困難；在巖層鉆進(jìn)時(shí)，巖層硬度大，鉆進(jìn)速度慢，設(shè)備損耗大，對(duì)鉆孔的實(shí)際軌跡無(wú)法控制，容易發(fā)生漂移，最終影響煤巷掩護(hù)效果。因此需對(duì)鉆孔施工工藝進(jìn)行研究，形成一套簡(jiǎn)單、易行、安全、合理的底抽巷穿層鉆孔施工工藝和技術(shù)，提高綜合鉆進(jìn)效率。

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)鉆孔位于二盤區(qū)西翼北回風(fēng)巷，巖層為3#煤層底板，以粉砂巖為主，中間有1 層800 mm 的K6 灰?guī)r。在試驗(yàn)過(guò)程中，K6 灰?guī)r硬度較高，影響了綜合鉆進(jìn)效率。由于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在硬巖地層中鉆進(jìn)效率偏低，因此采用φ89 mm×1 m 液動(dòng)潛孔錘配φ113 mm 三翼胎體式PDC 鉆頭、φ113 mm三翼鋼體式PDC 鉆頭、φ113 mm 四翼PDC 鉆頭、73 mm×800 mm 外平鉆桿的新型鉆具組合，采用泵壓1.0～3.0 MPa, 泵量120～190 L/min, 通過(guò)沖擊回轉(zhuǎn)多動(dòng)力鉆進(jìn)技術(shù)提高硬巖地層中鉆進(jìn)效率[9-11]。

綜合地層鉆進(jìn)效率對(duì)比見表1。從表1 中可以看出，四翼PDC 鉆頭平均鉆進(jìn)效率為23.12 m/h，最高可達(dá)48 m/h；三翼鋼體式弧角PDC 鉆頭平均鉆進(jìn)效率為1.48 m/h，最高可達(dá)96 m/h；三翼胎體式PDC 鉆頭平均鉆進(jìn)效率為24.26 m/h，最高可達(dá)45 m/h。當(dāng)加接液動(dòng)潛孔錘后，四翼PDC 鉆頭從23.12 m/h 提高至26.08 m/h，平均鉆進(jìn)效率有所提高，然而，三翼鋼體式PDC 鉆頭從31.48 m/h 降低至27.89 m/h，平均鉆進(jìn)效率反而有所降低。這是由于該層K6灰?guī)r體較薄，加液動(dòng)潛孔錘后鉆機(jī)轉(zhuǎn)速降低，鉆具的更換也占用了輔助時(shí)間，影響了綜合鉆進(jìn)效率。

表1 綜合地層鉆進(jìn)效率對(duì)比Table 1 Drilling efficiency comparison

為了研究純硬巖地層條件下鉆進(jìn)效率和鉆具級(jí)配關(guān)系，將各類鉆具組合在K6 灰?guī)r孔段中的鉆進(jìn)效率進(jìn)行對(duì)比分析, 純硬巖地層鉆進(jìn)效率對(duì)比見表2。當(dāng)加接液動(dòng)潛孔錘后，四翼PDC 鉆頭從11.9 m/h提高至21.3 m/h，平均鉆進(jìn)效率提高了78.9%；三翼鋼體式弧角PDC 鉆頭從12.8 m/h 提高至22.4 m/h，平均鉆進(jìn)效率提高了75.0%；三翼胎體式弧角PDC鉆頭從11.7 m/h 提高至16.3 m/h，平均鉆進(jìn)效率提高了39.3%。

表2 純硬巖地層鉆進(jìn)效率對(duì)比Table 2 Drilling efficiency comparison

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證，在硬巖地層中，沖擊回轉(zhuǎn)多動(dòng)力鉆進(jìn)比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)綜合鉆進(jìn)效率高，液動(dòng)潛孔錘配PDC 鉆頭的鉆具組合方式具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性；但在松軟破碎或硬巖巖體較薄的地層中，沖擊加回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)方式綜合鉆進(jìn)效率提高不明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

研制了底抽巷全傾角ZDY3600LQ 型履帶鉆機(jī)。通過(guò)研究和試驗(yàn)證明，底抽巷全傾角鉆孔鉆機(jī)具有井下機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、傾角調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)全自動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，適用于底抽巷的快速移動(dòng)、鉆機(jī)穩(wěn)固、全傾角鉆孔高效施工等；在復(fù)雜、堅(jiān)硬地層施工穿層鉆孔時(shí)，液動(dòng)潛孔錘配PDC 鉆頭的沖擊回轉(zhuǎn)多動(dòng)力鉆進(jìn)技術(shù)在鉆進(jìn)效率上提高明顯。