井下?550 mm 超大直徑煤層孔鉆進(jìn)技術(shù)裝備及工程應(yīng)用

孫永新

(山西天地煤業(yè)有限公司王坡煤礦，山西 晉城 048021)

瓦斯災(zāi)害是煤礦主要災(zāi)害類型之一，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。近年來(lái)，隨著礦井采掘深度、采掘強(qiáng)度的增加，礦井瓦斯涌出量逐漸增大，特別是采空區(qū)瓦斯異常聚集與涌出，極大增加了工作面瓦斯治理的難度，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯高效抽采是高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井瓦斯治理的關(guān)鍵[1-4]。

2016 年頒布的《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：采煤工作面嚴(yán)禁設(shè)置專用排瓦斯巷，這對(duì)于采用U 型通風(fēng)系統(tǒng)工作面通風(fēng)瓦斯管理提出了更高的要求。實(shí)踐表明：針對(duì)U 型通風(fēng)的采煤工作面，利用臨近工作面巷道布置橫川預(yù)埋抽放管進(jìn)行瓦斯抽采是采空區(qū)瓦斯治理的有效舉措[5-8]。但橫川施工存在工程量大、施工周期長(zhǎng)、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，采用超大直徑鉆孔替代橫川施工，實(shí)現(xiàn)“以孔代巷”瓦斯抽采是降低施工成本、縮短施工周期、提高抽采效果的重要技術(shù)措施，研發(fā)超大直徑螺旋鉆進(jìn)鉆機(jī)是煤層超大直徑鉆孔成孔的關(guān)鍵。黃光利等[9]采用ZDY-6000 型全液壓坑道鉆機(jī)在白芨溝煤礦施工完成了孔徑?500 mm 的超大直徑鉆孔，先導(dǎo)孔直徑94 mm，然后按照?153 mm→?193 mm→?250 mm→?300 mm→?350 mm→?500 mm 擴(kuò)孔級(jí)序逐級(jí)擴(kuò)孔至?500 mm。李飛[10]、汪開(kāi)旺[11]等采用ZDJ10000L 型全液壓坑道鉆機(jī)在天地王坡煤礦、五陽(yáng)煤礦施工完成了孔徑500 mm 的超大直徑鉆孔，研究形成了超大直徑鉆孔施工工藝流程，有效降低了煤層回采期間上隅角瓦斯?jié)舛取ＴS超[12]、王鮮[13]等采用ZDY12000 型全液壓坑道鉆機(jī)在成莊煤礦施工完成了孔徑?650 mm 煤層鉆孔。

上述超大直徑鉆孔施工過(guò)程中，也暴露出煤層超大直徑鉆孔施工存在以下技術(shù)難題：①超大直徑鉆孔直徑≥500 mm，施工工況要求鉆機(jī)輸出扭矩大、給進(jìn)和起拔能力強(qiáng)，然而當(dāng)前常規(guī)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩一般較小，排渣能力受到一定限制，實(shí)際施工中很難達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，施工效率也很難得到保證；② 受巷道狹窄作業(yè)空間限制，要求鉆機(jī)尺寸盡可能縮小，同時(shí)由于運(yùn)輸巷道內(nèi)一般布置有運(yùn)輸皮帶，施工超大直徑瓦斯抽采鉆孔時(shí)，鉆機(jī)需具備跨皮帶施工能力，現(xiàn)有鉆機(jī)不能滿足跨皮帶施工的工況要求；③由于超大直徑鉆孔施工配備的鉆桿直徑大、重量重，采用人工加卸鉆桿存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性低等缺陷；④ 超大直徑鉆孔施工過(guò)程中，勢(shì)必產(chǎn)生大量鉆渣，及時(shí)清理鉆場(chǎng)煤渣是連續(xù)施工的保障，而人工清理勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低；⑤ 采用多級(jí)擴(kuò)孔工藝施工超大直徑煤層孔效率低。針對(duì)上述情況，筆者提出研制一款外形尺寸小、回轉(zhuǎn)扭矩大并具備跨皮帶施工能力的松軟煤層大直徑螺旋鉆進(jìn)鉆機(jī)，并對(duì)鉆機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了配套的超大直徑鉆孔成孔工藝技術(shù)，為超大直徑煤層鉆孔施工提供了技術(shù)裝備支撐。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)超大直徑鉆孔施工的特點(diǎn)，宜采用主機(jī)和泵站分體式的布局，且單體外形尺寸要求盡可能小。主機(jī)和泵站均采用履帶式結(jié)構(gòu)，方便井下搬遷。主機(jī)主要功能是執(zhí)行鉆進(jìn)施工，由給進(jìn)裝置、機(jī)械臂、操作臺(tái)等組成。泵站主要功能是為主機(jī)提供液壓動(dòng)力，由電機(jī)泵組、油箱、電磁起動(dòng)器、散熱器等組成[14-15]。

1.1 鉆機(jī)主機(jī)

鉆機(jī)主機(jī)主要由車體平臺(tái)、給進(jìn)裝置、調(diào)角裝置、穩(wěn)固裝置、操作臺(tái)、機(jī)械臂等組成，如圖1 所示。給進(jìn)裝置中包含有動(dòng)力頭、夾持器和給進(jìn)機(jī)身。為施工時(shí)方便觀察孔口情況，操作臺(tái)設(shè)計(jì)在機(jī)身平臺(tái)最前方。根據(jù)鉆場(chǎng)施工要求，履帶行走方向與鉆孔施工方向垂直，履帶車體與履帶底盤間設(shè)置有回轉(zhuǎn)支撐。行走駐車后，車體平臺(tái)可相對(duì)履帶進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)完成孔位后穩(wěn)固上下支撐。由于大螺旋鉆進(jìn)過(guò)程中機(jī)身受到鉆具的反作用力大，在機(jī)身前后端設(shè)計(jì)了輔助支撐。施工時(shí)，輔助支撐頂緊巷道兩側(cè)煤壁，增強(qiáng)鉆機(jī)穩(wěn)定性。機(jī)械臂設(shè)置在機(jī)身一側(cè)，機(jī)械臂伸出后可在車體平臺(tái)外側(cè)吊裝鉆桿，機(jī)械臂收回后鉆桿處于動(dòng)力頭與夾持器之間，方便上卸鉆桿。

圖1 鉆機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structural diagram of drilling rig

1.2 泵 站

泵站是鉆機(jī)的動(dòng)力源，其動(dòng)力大小直接決定鉆機(jī)的能力強(qiáng)弱。泵站主要由電機(jī)泵組、油箱、冷卻器、電磁起動(dòng)器和車體平臺(tái)等部件組成，如圖2 所示。電機(jī)泵組和油箱采用兩列并排式布置，減小了泵站長(zhǎng)度方向的尺寸。油箱與電機(jī)泵組之間的吸油管中安裝了截止閥，在進(jìn)行油泵更換時(shí)可將截止閥截止，減少液壓油損失。松軟煤層鉆進(jìn)過(guò)程中，巷道內(nèi)煤塵較大，為保證液壓系統(tǒng)清潔，在油箱上還安裝了吸油濾油器、回油濾油器、空氣濾清器等過(guò)濾組件。油箱內(nèi)放置磁鐵，對(duì)系統(tǒng)管路中排出的鐵屑進(jìn)行吸附，防止再次進(jìn)入液壓系統(tǒng)。油溫計(jì)和液位計(jì)安裝在油箱上醒目位置，便于觀察油溫和液位情況。泵站輸出的高壓油經(jīng)高壓膠管連接到主機(jī)，最大限度減少了主機(jī)和泵站之間膠管數(shù)量。高壓膠管外側(cè)套裝鋼絲網(wǎng)，防止膠管在地面拖拽時(shí)磨損。

圖2 泵站結(jié)構(gòu)Fig.2 Pump station

1.3 主要性能參數(shù)

根據(jù)松軟煤層特點(diǎn)和大直徑螺旋鉆進(jìn)施工的要求，鉆機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 鉆機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 The main parameters of drilling rig

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械臂

大直徑螺旋鉆進(jìn)鉆機(jī)使用的鉆桿直徑和重量大，利用人力進(jìn)行上卸鉆桿需要多人協(xié)作且安全性也無(wú)法保障。機(jī)械臂是用來(lái)吊運(yùn)鉆桿的重要部件，采用直角坐標(biāo)系式的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成鉆桿的起吊、搬運(yùn)、歸位3 個(gè)動(dòng)作。機(jī)械臂主要由舉升組件、水平軌組、吊鉤機(jī)構(gòu)、多組油缸等組成，如圖3 所示。通過(guò)控制多組油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作，在舉升組件中舉升油缸的作用下實(shí)現(xiàn)整體舉升。水平軌組在水平油缸的作用下可實(shí)現(xiàn)吊鉤機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)，將鉆桿運(yùn)送到指定位置。吊鉤機(jī)構(gòu)由一組定滑輪、鋼絲繩組和吊鉤組成，吊掛好鉆桿后在舉升組件的配合下實(shí)現(xiàn)鉆桿在豎直方向的起吊。

圖3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)Fig.3 Robotic arm

2.2 動(dòng)力頭

動(dòng)力頭主要用于向鉆桿傳遞扭矩，并在給進(jìn)油缸的帶動(dòng)下完成旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)動(dòng)作。在松軟煤層中施工超大直徑鉆孔時(shí)，動(dòng)力頭帶動(dòng)螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)在螺旋葉片的作用下將煤渣從鉆孔內(nèi)排出，因此需要?jiǎng)恿︻^具有足夠的扭矩，故采用雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到設(shè)計(jì)扭矩。動(dòng)力頭主要由馬達(dá)和變速箱構(gòu)成，變速箱內(nèi)部設(shè)置一級(jí)減速機(jī)構(gòu)，由2 個(gè)主動(dòng)齒輪和一個(gè)被動(dòng)齒輪組成，主動(dòng)齒輪由油馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，被動(dòng)齒輪帶動(dòng)動(dòng)力頭中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4 所示。由于被動(dòng)齒輪分度圓直徑不宜過(guò)大，一級(jí)減速機(jī)構(gòu)減速比又較小，因此選用低轉(zhuǎn)速大扭矩馬達(dá)。動(dòng)力頭中心軸與鉆桿連接方式采用外六方插銷式結(jié)構(gòu)，鉆進(jìn)過(guò)程中若發(fā)生塌孔埋鉆事故，動(dòng)力頭可反向旋轉(zhuǎn)將鉆桿從孔內(nèi)退出。

圖4 動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Power head

2.3 夾持器

大直徑螺旋鉆桿與孔壁的摩擦力較大，即使進(jìn)行一定范圍內(nèi)的傾角鉆孔，也不需要較大的夾緊力來(lái)夾持孔內(nèi)鉆具。螺旋鉆桿普遍采用六方插接式結(jié)構(gòu)，在卸鉆時(shí)不需要夾持器承受較大的反扭矩，夾持器夾緊力過(guò)大反而容易損傷螺旋鉆桿葉片。大直徑螺旋鉆桿夾持器的主要作用在于保持孔內(nèi)鉆桿與動(dòng)力頭中心孔對(duì)中，方便加卸鉆桿。夾持器由油缸、接頭體、銷軸、卡瓦組、連接板等組成，由油缸控制夾持器的開(kāi)合，通過(guò)控制進(jìn)入油缸液壓油的壓力來(lái)控制夾持力的大小，如圖5 所示。夾持器卡瓦與油缸的連接點(diǎn)設(shè)置為鉸接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有自動(dòng)對(duì)中功能，尤其適合插接式螺旋鉆桿使用。

圖5 夾持器結(jié)構(gòu)Fig.5 Retainer

2.4 操作臺(tái)

操作臺(tái)分為主操作臺(tái)與副操作臺(tái)。主操作臺(tái)可水平回轉(zhuǎn)調(diào)整，便于操作時(shí)觀察施工情況；副操作臺(tái)位于鉆機(jī)右側(cè)中間靠后的位置，操作時(shí)便于觀察鉆機(jī)穩(wěn)固情況。主操作臺(tái)上安裝先導(dǎo)閥，分別控制鉆機(jī)回轉(zhuǎn)、鉆機(jī)給進(jìn)、夾持器開(kāi)合、起重機(jī)的回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、收放繩。安裝先導(dǎo)閥的操作臺(tái)使得操作更加簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)多種方式操作。副操作臺(tái)上安裝了多路換向閥，用來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)支腿穩(wěn)固、前頂穩(wěn)固、后頂穩(wěn)固和鉆機(jī)調(diào)角。

3 工程應(yīng)用

3.1 礦井概況

王坡煤礦位于山西省晉城市，礦井屬于高瓦斯礦井，主要開(kāi)采煤層3 號(hào)、9 號(hào)、15 號(hào)煤，目前開(kāi)采3 號(hào)煤層，生產(chǎn)能力300 Mt/a，井下布置2 個(gè)綜采工作面。3307 工作面位于三采區(qū)北翼，為3314 工作面的接替面。采用U 型布置通風(fēng)方式，長(zhǎng)壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約1 521 m，開(kāi)切眼長(zhǎng)183 m，工作面底板高程為+495～+525 m。根據(jù)周邊鉆孔和鄰近工作面揭露情況分析，該工作面煤層厚度5.15～5.76 m，平均煤層厚度5.5 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0.1 m。直接頂板為黑色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，基本頂為灰黑色–灰白色細(xì)砂巖、粉砂巖交互層。煤層傾角2°～10°，平均6°。煤層瓦斯含量8.53～10.44 m3/t，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎，堅(jiān)固性系數(shù)0.30～0.55，透氣性系數(shù)0.071 m2/(MPa2·d)。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

鉆孔施工從3307 回風(fēng)巷距切眼30 m 處開(kāi)始沿回風(fēng)巷道走向布置，鉆孔間隔10 m?？讖綖?550 mm，方位上垂直于巷道走向施工，開(kāi)孔高度1.5 m，具體鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 超大直徑鉆孔參數(shù)Table 2 Parameters of super large diameter borehole

3.3 鉆進(jìn)工藝

采用研制的ZDY15000LP 全液壓履帶式鉆機(jī)，在王坡煤礦3307 工作面開(kāi)展了超大直徑鉆孔鉆進(jìn)試驗(yàn)及工程應(yīng)用。采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，利用鉆機(jī)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)大直徑螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鉆頭切削破巖。

為提高鉆孔施工效率，在保證鉆孔施工安全前提下，提出采用“先導(dǎo)孔+二次擴(kuò)孔”成孔工藝。即首先采用?165 mm 鉆頭、?110 mm 鉆桿施工先導(dǎo)孔。先導(dǎo)孔施工完成后退鉆，向鉆孔內(nèi)插入導(dǎo)向頭，并連接?550 mm 大直徑擴(kuò)孔鉆頭，配套采用?426 mm 大螺旋鉆桿進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆具組合如圖6 所示。

圖6 擴(kuò)孔鉆具組合Fig.6 Schematic diagram of reaming bottom borehole assembly

?550 mm 大直徑擴(kuò)孔鉆頭設(shè)計(jì)為五翼錐形刮刀結(jié)構(gòu)，既有利于鉆頭切入煤層，又有利于大量煤屑排出，實(shí)物如圖7 所示。?426 mm 大螺旋鉆桿采用螺栓連接，桿體長(zhǎng)度為822 mm、外徑159 mm，如圖8 所示。螺旋翼片采用高強(qiáng)度鋼材，螺距395 mm，螺旋葉片連續(xù)焊接在桿體上，兩端焊縫均勻，排渣能力強(qiáng)。?426 mm大螺旋鉆桿螺距內(nèi)體積大于單位時(shí)間內(nèi)?550 mm 鉆頭最大切削量，排渣能力強(qiáng)，滿足連續(xù)高效排渣需要。

圖7 ?550 mm 大直徑擴(kuò)孔鉆頭Fig.7 ?550 mm large diameter reaming bit

圖8 ?426 mm 大螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)Fig.8 ?426 mm large spiral drill pipe

?550 mm 大直徑擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，前端導(dǎo)向頭沿著先導(dǎo)孔前進(jìn)，使超大直徑鉆孔軌跡與先導(dǎo)孔保持一致，可有效提高超大直徑鉆孔終孔精度。二次擴(kuò)孔施工完成后，下入?426 mm 護(hù)孔管，最后進(jìn)行注漿封孔。

3.4 施工效果分析

施工過(guò)程中，履帶行走方向沿巷道方向布置，主機(jī)進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，垂直3307 工作面回風(fēng)巷道方向開(kāi)孔。前后支撐柱分別頂緊巷道兩側(cè)煤壁，整體穩(wěn)固良好，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生鉆機(jī)移位現(xiàn)象。主機(jī)采用跨皮帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆進(jìn)過(guò)程中的煤渣直接落于皮帶之上，解決了大直徑鉆孔清渣工作量大的問(wèn)題。機(jī)械臂吊裝鉆桿，很大程度上減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率。鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的鉆渣通過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)螺旋葉片往外運(yùn)送的鉆渣掉落到孔口下方安裝的轉(zhuǎn)載機(jī)內(nèi)，然后通過(guò)帶式輸送機(jī)運(yùn)到主運(yùn)輸皮帶上，這極大減輕了清渣壓力。

王坡煤礦煤體結(jié)構(gòu)碎軟，易塌孔、掉塊等不利因素影響產(chǎn)生大量煤渣，鉆孔施工過(guò)程中充分利用鉆機(jī)大扭矩輸出和大直徑螺旋鉆桿“機(jī)械輸送”的特點(diǎn)，強(qiáng)化孔內(nèi)排渣，有效避免孔內(nèi)鉆渣大量堆積，保證了超大直徑煤層鉆孔施工順利進(jìn)行。在3307 工作面共施工大直徑瓦斯抽采鉆孔17 個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺583 m，鉆孔施工共計(jì)30 d，單孔成孔班次由以前的6 個(gè)班次下降至4～5 個(gè)班次，綜合施工效率提高20%。

4 結(jié)論

a.研制了ZDY15000LP 超大直徑孔鉆機(jī)，鉆機(jī)主機(jī)和泵站采用分體式的設(shè)計(jì)，減小了單體外形尺寸，增加了鉆機(jī)在煤礦井下的機(jī)動(dòng)性。

b.鉆機(jī)扭矩大、給進(jìn)行程長(zhǎng)，適合進(jìn)行大直徑螺旋鉆孔施工，具備?550 mm 超大直徑孔鉆進(jìn)能力；采用機(jī)械臂輔助鉆具與護(hù)孔管安裝，操作方便，減輕了輔助加桿與下放套管勞動(dòng)強(qiáng)度，整體提升了施工效率。

c.開(kāi)發(fā)了基于“先導(dǎo)孔+二次擴(kuò)孔”的超大直徑鉆孔成孔工藝，并研制了超大直徑鉆孔施工配套的大螺旋鉆桿和大直徑擴(kuò)孔鉆頭，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用驗(yàn)證了所研制鉆進(jìn)裝備的可靠性和穩(wěn)定性。