狹窄巷道用定向鉆機研制及應用

梁春苗，姚寧平，姚亞峰，曹建明

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著煤礦開采水平的延伸，地質條件日趨復雜，煤礦安全生產(chǎn)對各類鉆孔的施工裝備和技術要求不斷提高，不但要求鉆孔施工裝備具有較高的鉆進效率，同時需要對鉆孔軌跡精確測量和控制。定向鉆進技術以其鉆進效率高、鉆孔深度大、鉆孔軌跡可測控、一孔多分支、單孔抽采瓦斯?jié)舛雀?、鉆孔瓦斯抽采區(qū)域面積大等優(yōu)點，已成為煤礦井下高效鉆孔施工的主要技術手段[1-4]。

但是，目前成熟的定向鉆進裝備與技術在云貴等西南地區(qū)推廣應用較少。云南、貴州是我國重要能源基地，是西南大型煤炭能源基地的核心組成部分，該地區(qū)煤層賦存條件復雜，煤層瓦斯含量高，煤與瓦斯突出災害嚴重，安全形勢嚴峻。同時受西南地區(qū)礦井開采條件限制，巷道普遍狹窄，這給搬運和施工都帶來了一定的困難，而現(xiàn)有的定向鉆機配合提供孔底動力的泵車后，因外形尺寸較大、傾角調節(jié)范圍有限，很難有用武之地。針對以上問題，經(jīng)過深入現(xiàn)場反復調研，研制出適合云貴地區(qū)狹窄巷道用兩體定向鉆機ZDY6000LD（F），并形成了復雜地質條件適用的成熟、可靠的鉆進工藝技術。

1 鉆機總體方案

結合目前鉆機設計中的新技術、新方法，針對云貴地區(qū)煤礦開采要求鉆機外形小、搬遷方便等特殊需求，考慮到小曲率定向鉆進中鉆機調角范圍設計較大時，可大大減少無效鉆孔段長度，從而提高整體鉆進效率，制定了適合狹窄巷道用兩體履帶式定向鉆機的總體設計方案。鉆車和泵車計獨立履帶驅動形式，可以實現(xiàn)現(xiàn)場快速搬遷。鉆車是鉆進的主要控制和執(zhí)行機構，泵車提供回轉鉆進和定向鉆進的動力。鉆機的主要性能參數(shù)如下：①理論孔深：1 000 m；②最大轉矩：6 000 N·m；③最高轉速：170 r/min；④最大給進（/起拔）力：190 kN；⑤主軸傾角：±30°；⑥鉆車/泵車功率：90/18.5 kW；⑦鉆車（泵車）速度：2.0/0.9 km/h；⑧爬坡能力：15°；⑨水泵流量：200 L/min；⑩水泵壓力：9 MPa；?鉆車外形尺寸（長×寬×高）：3 810 mm×1 250 mm×1 900 mm；?泵車外形尺寸（長×寬×高）：2 750 mm×1 100 mm×1 600 mm。

2 鉆機關鍵技術

1）鉆進與定向集成式泵車。將鉆車用回轉鉆進動力和定向用水泵動力同時集成在泵車上的方案，泵車上有油箱、電機泵組、泥漿泵系統(tǒng)等，不但保證定向鉆進動力需求，還使得鉆車和泵車外形更加緊湊，鉆車和泵車寬度尺寸僅為1.25 m和1.1 m，更適合狹窄巷道定向鉆進，增強了定向鉆的適用范圍。

2）遠程調速的雙馬達大通孔動力頭。研制了扭矩大、體積小、效率和性價比高的雙驅動一級減速器，采用2個定量馬達串并聯(lián)遠程調節(jié)驅動方式，實現(xiàn)單個或2個液壓馬達工作，集定向鉆進扭矩限制和鉆機轉速調節(jié)與一體。同時動力頭通孔直徑設計為 φ110 mm，可配套使用 φ73、φ89、φ102 mm 3種規(guī)格鉆具，提高了鉆機鉆進能力和事故處理能力。

3）多級缸過壓保護式調角裝置。鑒于在有限空間實現(xiàn)較大角度調節(jié)的難度，鉆機調角采用以雙作用多級伸縮油缸，兩端缸筒鉸軸固定在車體上并成為支撐點，調幅時缸桿推動機身兩端，立柱和斜撐為輔助導向桿和兩端油缸伸縮配合的調節(jié)方式來實現(xiàn)俯、仰角±30°和水平開孔高度1.1 m的調節(jié),調角裝置如圖1。雙作用多級油缸采用五級缸逐級伸出和縮回結構，能實現(xiàn)小空間上較大行程油缸布置，從而得到大的調角范圍。為了避免在施工中，立柱和斜撐上抱瓦振動松動，造成油缸的彎曲變形或者傷人事故，在油缸調角液壓系統(tǒng)中設計平衡溢流保護系統(tǒng)，增強了油缸伸縮時的平穩(wěn)性，也減少了因機械卡滯造成油缸損壞，提高鉆進的安全性。

圖1 調角裝置

4）耐磨型合金導軌和襯板。鉆機的給進導軌和襯板承受動力頭往復移動、扭矩、強力起拔和震動。因此，拖板與機身之間運動會導致導軌和襯板的磨損。在原ZDY系列鉆機中使用錳黃銅作為耐磨襯板，但實際使用因其耐磨性較差而更換頻繁[5]。該鉆機設計中采用合金鋼耐磨導軌和襯板，與以往使用的錳黃銅、自潤滑銅合金導軌和襯板相比，合金鋼耐磨導軌和襯板性能有較大提升，在同等工況下的錳黃銅、自潤滑銅合金和合金鋼導軌3種材料使用壽命對比，合金鋼導軌和襯板磨損最小，180 d只磨損了0.2 mm，因此可見，合金導軌和襯板可大大提高其耐磨性，可為用戶節(jié)約后期維護成本。3種耐磨材料使用壽命對比如圖2。

圖2 3種耐磨材料使用壽命對比

5）串并聯(lián)組合缸式機身。對于中深孔鉆進的定向鉆機，大的給進行程可減少倒桿次數(shù)，提高鉆進效率。但行程大會導致機身與車體尺寸加長，不利于布置與運輸。通過行程同為1 650 mm，普通油缸、二級伸縮缸和串并聯(lián)組合缸3種對比，得出串并聯(lián)式組合缸在安裝距和外形尺寸上更有優(yōu)勢。綜合以上因素，給進行程設計為1 650 mm，對于有線隨鉆測量系統(tǒng)，3 m的中心通纜鉆桿倒桿2次可完成快速起、下鉆，對于無線測量系統(tǒng)，1.5 m鉆桿可進行中間加桿，節(jié)省拆卸送水器的輔助時間，提高鉆進總效率[6]。

6）閉合式組合過濾液壓凈化系統(tǒng)。采用閉合凈化油液系統(tǒng)設計，避免煤礦井下污染源的引入，將油箱設計為封閉式結構，從本質安全角度降低了油液污染幾率，并在泵的吸油、高壓出油和回油方面進行二次油液凈化，大大提高液壓系統(tǒng)的抗污染能力，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性[7]。鑒于給油箱加油時也會帶入污染，加油時設計有加油泵，利用煤礦井下的風壓作為加油泵動力，再通過回油濾油器上的單向閥，即可為油箱補油。

3 西南復雜地層中應用

3.1 地層條件

施工地點位于貴州黔西能源青龍煤礦，隸屬畢節(jié)地區(qū)，斜井開拓，設計生產(chǎn)能力120萬t/a，礦方主要開采 16#煤層，16#煤層厚度為 0.81～9.64 m，平均可采厚度為 2.88 m，其煤層傾向為 2°～14°。該煤層堅固性系數(shù)f僅為0.3左右，煤層松軟破碎嚴重，膠結性差，煤層頂板巖性情況見表1。

表1 煤層頂板巖性情況

3.2 鉆孔設計與施工關鍵技術

使用ZDY6000LD（F）型窄體定向鉆機在青龍礦11615工作面頂板大直徑高位定向長鉆孔施工。頂板高位定向長鉆孔是指在煤層頂板裂隙帶內(nèi)布置定向長鉆孔，旨在治理工作面上隅角瓦斯及采空區(qū)瓦斯。確定11615工作面高位孔終孔位于煤層頂板20～30 m處瓦斯抽采效果較好，且須覆蓋到工作面1/3的范圍，單孔設計主孔深度600 m，孔徑133 mm。鉆孔在平面上平行于回風巷（軌道巷），1#、2#、3#、4#孔分別位于距離回風巷 10、20、30、40 m 位置；鉆孔在垂直面沿走向延伸，軌跡平行于煤層頂板上20 m左右。鉆孔存在穿越復雜地層的過程，而在復雜地層中定向鉆進比在穩(wěn)定地層中定向鉆進困難的多，其關鍵在于如何有效排渣和防止塌孔[8]。

11615工作面的4個大直徑高位定向長鉆孔中3個鉆孔孔深達到600 m以上，最深孔深618 m。4個高位定向鉆孔單孔瓦斯抽采濃度最高達到45.2%，最大流量達到 2.29 m3/min，實現(xiàn)穩(wěn)定抽采，效果良好。

3.3 施工關鍵技術

1）復雜地層鉆進時應穩(wěn)定給進速度，加強沖孔，保證鉆孔干凈，控制起拔壓力和回轉壓力。鉆孔軌跡在剖面上盡量保證平直趨勢，以利于鉆渣排出[9]。

2）鉆孔設計時盡量避免或減少地質破碎帶布孔，若無法避開，應該大角度穿越破碎帶或者減少鉆孔長度分段施工，同時，泥漿泵采用低壓、小排量快速通過方式，必要時要采用滑動鉆進，可減少對孔壁的擾動，有利于鉆孔施工[10-11]。

4 結語

1）利用將鉆進與定向動力集成在泵車上方法，完成了狹窄巷道用兩體定向鉆機的設計。該鉆機鉆車、泵車獨立行走，外形尺寸小，鉆機機動性強，傾角調整靈活方便、范圍大，解決了云貴地區(qū)狹窄巷道定向鉆進的問題。

2）開發(fā)的雙馬達大通孔動力頭具有外形小巧，操作方便的特點；合金導軌提高了鉆機耐磨性，組合缸式給進裝置減少了鉆機外形尺寸，閉合式組合過濾液壓系統(tǒng)凈化設計，提高了液壓系統(tǒng)中的安全性、清潔度和可靠性。

3）在貴州青龍礦復雜地層中進行了頂板高位孔鉆進施工，結果表明：鉆機可滿足西南地區(qū)狹窄巷道需要，具有鉆進效率高，鉆孔工藝適應性強和施工可操作性強的特點。