礦用深孔氣動(dòng)鉆機(jī)的工藝研究與應(yīng)用

王慶華　王彥民　申軍波　趙素敏

【摘要】煤炭工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%左右，我國(guó)富煤、貧油、少氣的資源特點(diǎn)，決定了煤炭在一次能源中的重要地位。因國(guó)內(nèi)各大煤業(yè)集團(tuán)和若干地方性煤礦企業(yè)所處的地質(zhì)構(gòu)造不同，并且伴隨開采深度不斷增加，造成了井下事故頻發(fā)。事故主要集中在瓦斯突出、瓦斯爆炸、沖擊低壓，以及透水事故。解決這一問題的主要技術(shù)方法是靠鉆機(jī)打孔，瓦斯排放孔、卸壓孔、探水孔等。但是國(guó)內(nèi)井下現(xiàn)有鉆機(jī)體積大、重量大、打孔淺。諸多缺陷不能有效解決以上問題，急需打孔深、易于搬運(yùn)的新型安全鉆機(jī)。本文介紹了礦用深孔氣動(dòng)鉆機(jī)的工藝研究與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】大功率 氣源動(dòng)力 深孔鉆進(jìn) 大直徑鉆孔

1 引言

我國(guó)煤礦瓦斯爆炸頻發(fā)，死亡人數(shù)眾多，瓦斯事故是煤礦生產(chǎn)的最大威脅。在采煤之前先采出煤氣層，有利于從根本上防止煤礦瓦斯事故。目前，我國(guó)煤礦使用的探水探瓦斯、排水排瓦斯鉆機(jī)大都使用電機(jī)作為動(dòng)力源，配備電源、電纜、綜保裝置等系列供電系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致接地、短路、拉弧等機(jī)電事故，從而影響電動(dòng)防突鉆機(jī)的正常使用，影響正常生產(chǎn)。另外，使用電動(dòng)防突鉆機(jī)，由于供電電纜在工作面掘進(jìn)頭反復(fù)拖動(dòng)，可能造成線嘴活動(dòng)、電纜破口等失爆現(xiàn)象，對(duì)于高瓦斯礦井來說，無形中在安全方面埋下了重大隱患。由于手持式電動(dòng)鉆機(jī)重量在30-35kg，不便手持操作，而系列深孔安全鉆機(jī)重量在500-1000kg之間，移動(dòng)更加不方便，生產(chǎn)效率低，煤礦用坑道鉆車雖解決了移動(dòng)問題，但仍然使用電力為動(dòng)力源，存在一定安全隱患。

本研究用氣動(dòng)鉆機(jī)代替電動(dòng)鉆機(jī)，可大大減輕重量、減小體積，使用中可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆孔效率，為煤礦安全提供有力的裝備保障，產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2.目前我國(guó)煤礦井下瓦斯鉆機(jī)存在的主要問題

（1）是高瓦斯礦區(qū)抽采，鉆孔鉆不進(jìn)去、瓦斯抽不出來，松軟突出煤層抽采鉆孔施工難以解決。松軟突出煤層一般是煤層松軟、滲透性極差，但瓦斯含量卻特高。在這種煤層中鉆進(jìn)，容易產(chǎn)生垮孔、卡鉆、噴孔等現(xiàn)象。我國(guó)在松軟突出煤層雖然有鉆孔深度超過150m 甚至達(dá)到240m 的記錄，但大部分的鉆孔深度都在100m 以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我國(guó)松軟煤層（硬度系數(shù)f≤1）在所采煤層中所占比例較大，因此，松軟突出煤層的鉆進(jìn)成孔問題一直是個(gè)亟待解決的難題。目前，在煤礦井下鉆探施工時(shí)，大部分都用水作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)，由于煤層松軟，高壓水流對(duì)孔壁的沖刷和浸泡導(dǎo)致孔壁坍塌、掉塊，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鉆桿卡死，孔底水壓升高，形成憋泵現(xiàn)象。用壓縮空氣作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)有利于保持孔壁穩(wěn)定和瓦斯的釋放，可有效減少瓦斯突出的可能。

（2）是高瓦斯礦超前抽采鉆孔施工長(zhǎng)度不足，抽采時(shí)間短。目前，國(guó)內(nèi)普遍采用的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆孔軌跡的控制主要靠改變孔底穩(wěn)定組合鉆具和調(diào)整工藝參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的地層來講，如果鉆孔軌跡設(shè)計(jì)合理，操作方法得當(dāng)，基本能夠滿足鉆孔的方向性要求。但對(duì)于復(fù)雜地層，特別是深孔鉆進(jìn)，鉆孔軌跡的方向就很難控制。這是制約我國(guó)坑道鉆探技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵性難題。

（3）是施工防突鉆突出現(xiàn)象嚴(yán)重，危險(xiǎn)性大，易造成事故。目前，施工防突超前鉆孔是局部防突的重要技術(shù)措施之一。然而，施工防突鉆突出現(xiàn)象嚴(yán)重，危險(xiǎn)性大，直接威脅工作面作業(yè)人員安全。例如，松藻礦務(wù)局在工作面打超前排放鉆孔時(shí)即發(fā)生了突出強(qiáng)度近700t 的突出，現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔施工人員全部殉職?；茨系V區(qū)幾年前也有工作面作業(yè)人員在場(chǎng)的情況下發(fā)生的突出，導(dǎo)致了人員傷亡。

國(guó)外的安全鉆機(jī)以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有進(jìn)口產(chǎn)品，主要為德國(guó)進(jìn)口的哈澤瑪格公司的P75以及P120氣動(dòng)鉆機(jī)，該鉆機(jī)雖然功率大，但是體積大，重量大，價(jià)格高，所需配件也完全依賴進(jìn)口，維修成本高。國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的大功率開孔鉆機(jī)主要以液壓為動(dòng)力，液壓鉆機(jī)雖然功率大，但是需要有液壓泵站為動(dòng)力，泵站需用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安全性差。并且液壓油過熱容易引起火災(zāi)。所以從國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)來看，未來發(fā)展方向?yàn)橐詨嚎s空氣為主要?jiǎng)恿υ?、重量輕、能自行移動(dòng)的鉆機(jī)。

3.研究主要內(nèi)容

根據(jù)煤礦瓦斯綜合治理的需要和我國(guó)的技術(shù)實(shí)力，我國(guó)煤礦井下瓦斯鉆機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)朝著三個(gè)主要方向發(fā)展。第一是研制開發(fā)滿足大口徑、長(zhǎng)鉆孔、定向水平孔需要的鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)與高端鉆機(jī)裝備。其中研發(fā)研制的關(guān)鍵技術(shù)是長(zhǎng)壽命孔底馬達(dá)和性能可靠的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等。為解決煤礦井下鉆機(jī)頻繁搬遷問題，需研制具有自行能力的履帶式鉆機(jī)，以提高工作效率。第二是研制開發(fā)適宜松軟突出煤層的瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)及其鉆機(jī)裝備，突破松軟突出煤層的瓦斯抽采難關(guān)。第三是研制開發(fā)安全、可靠、有效的遠(yuǎn)距離防突關(guān)鍵技術(shù)及其性能優(yōu)良的防突遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)裝備。為了實(shí)現(xiàn)上述研究的總體目標(biāo)，需要開展如下研究工作：

（1）實(shí)驗(yàn)室和理論研究分析氣源流量和壓力對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)功率的影響規(guī)律，確定氣動(dòng)馬達(dá)合理的工況條件，為鉆機(jī)選擇或研制合適的氣動(dòng)動(dòng)力提供理論基礎(chǔ)。

（2）通過理論分析鉆機(jī)性能指標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)合理的馬達(dá)功率和尺寸。

（3）根據(jù)對(duì)馬達(dá)工作過程中所受力學(xué)狀況，及其散熱情況選擇合適的馬達(dá)外殼材質(zhì)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)加工馬達(dá)殼體。

（4）合理設(shè)計(jì)鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行力學(xué)分析和鉆機(jī)過程模擬，選擇合理的推進(jìn)方式。

（5）根據(jù)設(shè)計(jì)試制樣機(jī)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；

（6）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試情況，進(jìn)一步完善鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)性能指標(biāo)，并再次現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，直至達(dá)到預(yù)期研發(fā)目標(biāo)，最終確定鉆機(jī)最終方案。

4.工藝流程

本研究通過實(shí)驗(yàn)室和理論研究分析現(xiàn)有煤礦井下用鉆機(jī)的破巖機(jī)理及深孔鉆進(jìn)控制機(jī)理，探索合適的鉆機(jī)氣動(dòng)馬達(dá)參數(shù)，及井下鉆機(jī)需要適應(yīng)的主要工況條件等參數(shù)，開發(fā)基于氣動(dòng)動(dòng)力源的大功率深孔鉆進(jìn)技術(shù)，研制開發(fā)大功率、高轉(zhuǎn)速、體積輕便，推進(jìn)方式合理氣動(dòng)鉆車，有效改變現(xiàn)有井下鉆機(jī)裝備工作條件受限的現(xiàn)狀，提高鉆機(jī)裝備水平，為煤礦安全提供裝備保障。

5.鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

（1）鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

煤礦用氣動(dòng)深孔鉆機(jī)是一種以壓縮空氣為動(dòng)力，配有履帶式行走結(jié)構(gòu)的輕型深孔鉆車。它主要由主機(jī)、立柱、托架、氣動(dòng)操縱臺(tái)、本體架總成、液壓操縱臺(tái)、泵站、履帶總成、操作平臺(tái)、油箱組件等部分組成。具有操作簡(jiǎn)單方便，作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)。

（2）技術(shù)指標(biāo)

本研究完成后，可以解決巖石中中小孔徑的打鉆深度，換上煤鉆配置后則適合鉆探煤層。鉆機(jī)可全方位鉆孔，其短窄設(shè)計(jì)方便快速運(yùn)輸和調(diào)整，達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

6.應(yīng)用領(lǐng)域

此鉆車是以壓縮空氣為動(dòng)力，配有履帶式行走機(jī)構(gòu)的輕型氣動(dòng)深孔鉆車。廣泛用于煤礦煤層探排水、注水、及探排瓦斯孔和卸壓孔等鉆孔施工。可配套Φ69、Φ76、Φ89高效螺旋鉆桿和Φ42地質(zhì)鉆桿使用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]宋建峰，李偉亮.架柱式大功率氣動(dòng)鉆機(jī).石家莊中煤裝備

制造有限公司

注：科研項(xiàng)目（河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：14211907D）

作者簡(jiǎn)介：王慶華（1977.10～），男，河北石家莊人，石家莊天地煤礦機(jī)械有限公司總經(jīng)理，研究方向：煤礦機(jī)械。