旋挖鉆機在急傾斜煤層火區(qū)治理中的取煤試驗

賈學(xué)強， 張繼光， 張泉波

(徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司，江蘇 徐州 221001)

旋挖鉆機在急傾斜煤層火區(qū)治理中的取煤試驗

賈學(xué)強， 張繼光， 張泉波

(徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司，江蘇 徐州 221001)

針對正暉煤業(yè)昌元煤礦火區(qū)治理的特點，提出旋挖鉆機在急傾斜煤層進行取煤的試驗要求。而在傾斜工況下的旋挖采煤屬于非正常工況作業(yè)，試驗中進行了鉆機晃動量、工作時整機晃動量、各鉆進參數(shù)的變化、動力頭驅(qū)動鍵的磨損情況、鉆桿桅桿的變形程度以及出煤效率的綜合評估。根據(jù)4種直徑鉆具的試驗結(jié)果，得出了常規(guī)鉆具的最優(yōu)直徑選擇，并提出了在火區(qū)煤帶，利用旋挖鉆機全護筒作業(yè)方式進行“微創(chuàng)”治理的可行性探討。

急傾斜煤層；火區(qū)治理；旋挖鉆機；取煤試驗；“微創(chuàng)”治理

1 試驗背景

山西汾西正暉煤業(yè)昌元煤礦位于寧武縣西南方向約60 km處，地方行政區(qū)劃屬寧武縣新堡鄉(xiāng)管轄，系寧武縣煤礦企業(yè)兼并重組而成，重組后井田面積2.1731 km2，開采2、3、5號煤層，開采深度標(biāo)高1690～450 m。該礦煤層傾角在68°～73°之間，屬于急傾斜煤層，礦區(qū)在歷史時期開采時，在淺部煤層(23～89 m)中留下多處水平巷道，導(dǎo)致大量采空區(qū)的出現(xiàn)，也滋生了火區(qū)。經(jīng)探測礦區(qū)內(nèi)有火區(qū)2處，煤層部分區(qū)影響面積0.24 km2。

為了消除地面裂縫、地面塌陷引起的煤層燃燒以及土地退化危害，配合恢復(fù)耕地，需對火區(qū)進行治理?？紤]到區(qū)內(nèi)急傾斜煤層埋藏深度較淺，且地形較為平緩，開挖剝采比為10∶1，因而對區(qū)內(nèi)采空區(qū)及煤柱上方的該層進行開挖滅火，回填整治。整個治理費用的支出由煤炭銷售收入相抵。

在露天開挖過程中，隨著開挖深度的增加，施工方發(fā)現(xiàn)，下部開挖工作空間逐漸減小，山體臨空面支護成本逐漸增加，如仍采取大規(guī)模爆破剝離方法繼續(xù)開挖，無論是安全或者經(jīng)濟角度，可行性都不高。但是，如果不繼續(xù)向下采煤，雖然可以完成火區(qū)治理的任務(wù)，但是期望煤炭銷售來平衡治理費用的初衷就無法完成。

此外，繼續(xù)向下開采也成了一個重點考慮問題。礦方綜合考慮之后，決定采用旋挖鉆機來開采。

旋挖鉆機是現(xiàn)階段廣泛使用的樁基成孔設(shè)備，其工作原理是通過在可伸縮式鉆桿下端連接集破碎、儲存以及攜帶鉆渣功能為一體的鉆頭，靠鉆具自重以及設(shè)備壓力，在回轉(zhuǎn)力矩作用下，切削地層，并將切削下的鉆渣收入鉆頭內(nèi)，待鉆渣裝到相當(dāng)數(shù)量后提到孔外，卸除鉆渣，然后下放鉆具，重復(fù)以上過程。在傾角為90°的正常工況下，旋挖鉆機最大成孔直徑可達3 m，最大鉆深可達120 m。

在急傾斜煤層中，為保證足夠的鉆進深度，鉆機必須沿著煤層走向傾斜鉆進，而旋挖鉆機各部件的可靠性能否滿足傾斜工況施工，以及旋挖采煤的效率如何，都是未知數(shù)。因此在正式組織大規(guī)模旋挖采煤之前，提出了進行旋挖采煤試驗的要求。該次取煤試驗利用旋挖鉆機在急傾斜煤層鉆孔作業(yè)，設(shè)備在非正常工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及取煤效率都是需要重點關(guān)注的問題。

2 試驗設(shè)備選擇

(1)主機：選用了XR360型旋挖鉆機，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；性能參數(shù)為：額定功率298 kW，最大扭矩360 kN·m，轉(zhuǎn)速7～22 r/min，最大加壓力240 kN，最大提升力220 kN。

圖1 XR360型旋挖鉆機各部件示意圖

(2)鉆桿：選擇JS508-3X17.0選配型號，機鎖式，鉆桿節(jié)數(shù)3節(jié)，單節(jié)長度17.0 m，最大鉆探46 m。

(3)鉆頭:配置了?800 mm雙底雙開截齒撈砂斗、?1200 mm雙底雙開鏟齒撈砂斗、?1500 mm雙底雙開鏟齒撈砂斗以及?1800 mm雙底雙開截齒撈砂斗,各種鉆頭的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 各種鉆頭的主要性能參數(shù)

3 試驗方案

由于傾斜鉆進過程中，隨著鉆孔直徑的增大，設(shè)備鉆進的負(fù)擔(dān)也會加大，設(shè)備結(jié)構(gòu)遭受損壞的可能性也隨之增大。因此，為了保證風(fēng)險的可控性，采用循序漸進的方法進行試驗，即按鉆頭直徑，由小到大依次試驗，在試驗過程中要注意以下內(nèi)容的評估:工作時整機晃動量、各鉆進參數(shù)的變化、動力頭驅(qū)動鍵的磨損情況、鉆桿及桅桿的變形程度，當(dāng)然最重要的一點是采煤效率的評估。該次試驗的地點均選擇在非火區(qū)煤帶。

3.1 試驗情況

現(xiàn)場依照鉆頭直徑大小依次進行了試驗，試驗施工情況見圖2。

圖2 旋挖鉆機采煤示意與施工圖

3.1.1 ?800 mm斜孔試驗

該規(guī)格的鉆具試驗中發(fā)現(xiàn)的一個最大問題是，受進渣口大小的影響，孔內(nèi)破碎下來的煤渣在底板壓力下重復(fù)破碎，導(dǎo)致打出的鉆渣顆粒太細，近乎粉狀，裝車時容易造成煤粉飄灑，浪費嚴(yán)重。還有一個問題就是效率太低，現(xiàn)場統(tǒng)計累積鉆進時間近240 min，總進尺25 m，平均進尺速度大致為6 m/h，出煤量不足5 t/h。

3.1.2 ?1200 mm斜孔實驗

該鉆具使用的是鏟齒，破碎出來的顆粒大小明顯比?800 mm斜孔破碎出來的顆粒要大很多，可以明顯觀察出鉆渣里的煤塊。采煤效率也得到大幅提升，鉆進效率達11 m/h，每小時出煤量可達20 t，比?800 mm提升了將近4倍。

3.1.3 ?1500 mm斜孔鉆進

?1500 mm鉆具破碎出來的鉆渣顆粒大小與?1200 mm相差不大。試驗6號鉆孔由于試驗時距離煤層底板巖石過近，導(dǎo)致在鉆進過程中鉆齒一直在接觸底板巖石，因此效率較低，該數(shù)據(jù)不具有代表性。根據(jù)5號和7號鉆孔的效率統(tǒng)計，?1500 mm鉆頭的進尺效率可達14 m/h，采煤效率大致為40 t/h。

3.1.4 ?1800 mm直孔試驗

現(xiàn)場考慮到?1800 mm鉆頭裝完煤渣后的質(zhì)量，從保證設(shè)備安全的前提下出發(fā)，未對該型號鉆具進行斜孔試驗，而是進行了其正常工況下的直孔試驗，通過正常工況下的試驗來進行效率評估，現(xiàn)場統(tǒng)計其出煤效率在26 t/h左右。現(xiàn)場還進行了間隔試驗——即兩相鄰開采孔之間的安全間距，試驗得出安全間距可取2200 mm(孔心距)。

表2為所試驗各種規(guī)格鉆頭的出煤效率情況。

表2 不同規(guī)格鉆頭的出煤效率統(tǒng)計表

4 鉆機穩(wěn)定性評估

試驗過程中，對鉆機整機穩(wěn)定性觀察，整機工作相對平穩(wěn)，基本上無晃動。鉆進參數(shù)方面，轉(zhuǎn)速基本平穩(wěn)，扭矩變化不大，但是加壓力方面較為特殊，單純依靠鉆桿自重，即可獲得較高的進尺效率，無需使用動力頭加壓。

5 出煤效率分析

5.1 鉆孔直徑對進尺速度的影響

對比3種斜孔孔徑的進尺效率，可以明顯發(fā)現(xiàn):對于煤層，隨著鉆孔直徑的增大，進尺速度也會隨著增大，?1200 mm的進尺速度是?800 mm的近2倍，而?1500 mm的則是?1200 mm的1.3倍。但并不代表直徑越大，進尺效率也就越高，在?1800 mm鉆進8號試驗孔時，其進尺效率不足10 m/h。雖然?1800 mm筒體高度在1 m左右，如果假設(shè)該鉆具高度與?1500 mm鉆具高度同樣為1.2 m，其進尺效率與?1500 mm相比也有一定程度的下降。這種現(xiàn)象主要受2個方面的影響(在筒體高度相同的情況下):進渣口大小與轉(zhuǎn)速大小。

5.2 進渣口大小對進尺速度的影響

通過3種直徑的鉆渣分析，當(dāng)直徑越大時，所取出的煤渣顆粒也越大。這一點主要由于直徑變大時，相應(yīng)旋挖鉆具的進渣口也較大，破碎下來的較大粒徑的鉆渣更容易進入鉆具內(nèi)部，避免孔內(nèi)二次研磨，從而有效進尺增大，速度也得到提升。

5.3 鉆具轉(zhuǎn)速對進尺速度的影響

對于旋挖破碎而言，在壓力作用下旋轉(zhuǎn)切削，是實現(xiàn)進尺的手段。通常意義上，當(dāng)轉(zhuǎn)速越大時，其進尺速度也就越快(實現(xiàn)同一壓入深度的回轉(zhuǎn)切削，大轉(zhuǎn)速耗時更少)。而轉(zhuǎn)速大小，受破碎扭矩影響，當(dāng)直徑較大時，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)切削，需要設(shè)備輸出更大的扭矩，而對同一設(shè)備而言，當(dāng)功率一定時，扭矩與轉(zhuǎn)速成反比，這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。因此，當(dāng)直徑較大時，轉(zhuǎn)速會下降，進而導(dǎo)致進尺速度下降。

因此綜上所述，進尺速度與直徑大小的關(guān)系，并無簡單的比例關(guān)系，需要通過試驗來選取最優(yōu)的直徑大小。

6 試驗結(jié)論

通過3種直徑鉆頭的斜孔試驗過程中整機穩(wěn)定性觀察，對于煤這種強度不大的地層，旋挖鉆機在70°傾角狀態(tài)下進行非常工況作業(yè)是可行的。雖然與正常工況相比，其部分結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)壽命降低的風(fēng)險，但在合適的經(jīng)濟效益下，也是可以接受的。

另外，關(guān)于出煤效率，出煤效率由進尺效率與筒體容量共同決定。筒體容量由筒體高度以及筒體直徑?jīng)Q定，而進尺效率有鉆孔直徑、進渣口大小以及筒體高度(也不排除切削齒類型)的影響。因此出煤量是由這3類因素決定。這是一個較復(fù)雜的比例關(guān)系，如果通過試驗可以明確該關(guān)系，無疑可以找到一種最優(yōu)的鉆頭規(guī)格，在保證筒體容量的同時，又可以獲得較高的進尺效率，從而實現(xiàn)最大的出煤效率。當(dāng)然是在所選鉆具規(guī)格能夠滿足斜孔鉆進的前提下。通過上述4種鉆頭的試驗，在現(xiàn)有常規(guī)鉆具條件下，?1500 mm直徑的鉆頭無疑是綜合效率最佳的。

7 試驗改進意見

7.1 主機設(shè)備改進

以目前XR360型旋挖鉆機鉆進?1500 mm鉆孔時的工作狀態(tài)而言，其扭矩優(yōu)勢發(fā)揮不出來，即鉆機型號可以考慮更小型號，雖然可能純破碎鉆進速度會有一定程度的下降，但是可以通過提高鉆機提放鉆桿以及回轉(zhuǎn)動作等輔助作業(yè)的速度來彌補，從而保證合理的綜合效率；另一方面還可以降低設(shè)備的油耗，從而實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。

因此如不準(zhǔn)備使用鉆機進行大直徑采煤作業(yè)的前提下，型號以選擇配置挖機底盤的XR280C型為宜。

7.2 工作裝置改進

雖然試驗過程中最大的出煤效率可達40 t/h，但是施工方期望能有更高的施工效率，希望單臺設(shè)備日產(chǎn)煤量可達1000 t，即要求出煤效率至少為50 t/h。針對這一要求，根據(jù)前面試驗結(jié)果，如果依靠普通的撈砂斗，無論是加高或者加大直徑，實現(xiàn)的可能性均不大。

因此可以考慮加長螺旋鉆具，初步估算使用?1200 mm直徑、高度3 m的加長雙螺旋直螺鉆具應(yīng)該可以滿足效率要求。雖然在傾斜狀態(tài)下提出孔外時會泄露部分煤渣，但是考慮到是在孔外泄露，影響不會太大。

7.3 鉆齒選擇優(yōu)化

從對比試驗的2種鉆齒(截齒和鏟齒)的結(jié)果來看，鏟齒的優(yōu)點在于其與煤層的接觸是線接觸，接觸面積大，破碎下來的鉆渣，在較大面積的接觸下更容易被鉆齒擠進筒體內(nèi)部；但是這種齒也有缺點，即由于其接觸面積大，導(dǎo)致其破碎時阻力較大，由于煤層相對較軟，其破碎為體積破碎，體積破碎可以看作一種瞬間的躍進破碎，在破碎的同時，齒端的阻力被釋放，導(dǎo)致動力頭轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，這種波動導(dǎo)致了鉆機工作時的振動，雖然這種振動與硬巖石鉆進時的振動相比微乎其微，但是考慮到是在斜孔這種非正常工況下鉆進的，因此這種振動后還是有影響的。

而截齒鉆進時與地層是點接觸，其優(yōu)缺點與鏟齒相反，即攜渣能力較差，但是工作時相對平穩(wěn)。因此可以在2種鉆齒之間折中選擇一種斗齒，可參考挖機齒類型。

8 火區(qū)采煤可行性分析

本次斜孔試驗選擇在非火區(qū)煤帶。對于火區(qū)煤帶，考慮到煤層的不穩(wěn)定性，未進行斜孔試驗，但是進行了傾角90°的豎直孔鉆進。在鉆進過程中，發(fā)現(xiàn)在下部存在火區(qū)的煤帶鉆進，煤質(zhì)更軟，成孔效率更高，但是也伴隨著孔壁不穩(wěn)定的問題，在現(xiàn)場試驗的幾個鉆孔中，每次剛開始鉆進1～2 m深度后，就會出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象。

因此，在火區(qū)采煤需要考慮的主要問題是鉆孔孔壁的穩(wěn)定性問題。而實現(xiàn)這一點，必須依靠全護筒跟進完成。具體操作上，可利用旋挖鉆機動力頭驅(qū)動裝置實現(xiàn)全護筒跟進作業(yè)，在護筒的保護作用下，完成孔內(nèi)煤渣的撈取。

9 結(jié)語

如果在火區(qū)急傾斜煤帶實現(xiàn)旋挖鉆進作業(yè)，就會從根本上改變淺埋深火區(qū)治理的模式，不需要大面積破壞地表環(huán)境，類似“微創(chuàng)”方式將火區(qū)上部煤層開采，或者穿越火區(qū)開采下部煤層，開采完畢后再回填治理。這樣最大限度地保護了自然環(huán)境，也對資源進行了合理利用，可以進一步試驗應(yīng)用。

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Test of Coal Mining by Rotary Drilling Rig in Steeply Inclined Coal Seam/

JIAXue-qiang,ZHANGJi-guang,ZHANGQuan-bo

According to the characteristics of fire area treatment in the Changyuan coal mine of Zhenghui coal industry business, the test requirements of coal mining by rotary drilling rig are put forward in steep coal seam. But in the inclined state, auger mining is of non-normal working condition, the comprehensive assessment on rig shaking amount, shaking amount of the whole working machine, fluctuations of each drilling parameter, wear of power head drive key, deformation degree of drill mast and the efficiency of coal mining. Based on the test results of drilling tool of 4 different diameters, the optimal choice of conventional drilling tool diameter is obtained and the discussion is proposed on the feasibility of “mini-invasive” treatment by using rotary drilling rig full guard barrel operation in the coal belt of fire area.

steeply inclined coal seam; fire area treatment; rotary drilling rig; test of coal mining; mini-invasive treatment

2016-06-08；

2016-12-13

賈學(xué)強，男，漢族，1991年生，助理工程師，從事旋挖鉆機施工工法研究工作,江蘇省徐州市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)馱藍山路36號，761660802@qq.com。

P634.5；TD823.21+3

B

1672-7428(2017)01-0075-04

(Xuzhou Xugong Foundation Construction Machinery Co., Ltd., Xuzhou Jiangsu 221001, China)