新型多功能鉆機(jī)平臺研制及在水力壓裂施工中的運(yùn)用

蘇 波，馬 冰，馮彥軍

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013)

我國學(xué)者針對水力壓裂在我國煤礦弱化煤巖體方面進(jìn)行了大量有益研究［1－5］，該技術(shù)已經(jīng)在晉城礦區(qū)開始推廣應(yīng)用，需要在工作面及工作面巷道施工多種角度的鉆孔，但目前尚無專用的壓裂鉆孔施工鉆機(jī)，鉆孔的施工速度較慢，作業(yè)效率低，難以按設(shè)計要求完成鉆孔施工。目前，國內(nèi)鉆機(jī)的種類較多，普遍存在體積大、重量大、移動困難、穩(wěn)鉆時間長、施工效率較低等缺點(diǎn)。

目前國內(nèi)煤礦使用的鉆機(jī)主要有機(jī)械傳動式巖石鉆機(jī)，如TXU系列鉆機(jī) (圖1)，液壓鉆機(jī)有ZY，MK，MYZ系列鉆機(jī)［6］。TXU系列鉆機(jī)的特點(diǎn)是操作方便、360°打孔、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是移動不方便和穩(wěn)定鉆機(jī)難度大;MYZ鉆機(jī)的特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)速度低，適應(yīng)的巖石硬度低;MYZ－150型鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度為150m，全機(jī)重量達(dá)到了1200kg，適應(yīng)的巖石硬度系數(shù)小于7。ZY鉆機(jī)是由煤科總院重慶分院研究開發(fā)的 (圖2)，主要應(yīng)用于井下施工瓦斯鉆孔、探放水鉆孔和煤層注水孔等，整機(jī)較重，輸出力矩較小。MK系列全液壓坑道鉆機(jī)是由煤科總院西安分院開發(fā)的 (見圖3)，特點(diǎn)是主機(jī)、泵站、操縱臺用高壓膠管連接，可解體移動，提高工作效率。缺點(diǎn)是體積較大，無法實(shí)現(xiàn)360°打孔。

履帶式液壓鉆機(jī)主要把液壓鉆機(jī)放置在履帶臺車上，方便鉆機(jī)的移動。由于井下巷道空間有限，往往需要小型的履帶臺車帶動液壓鉆機(jī)進(jìn)行移動。這種鉆機(jī)功率較大，鉆進(jìn)速度快，但設(shè)備笨重、體積較大、對巷道適應(yīng)性低，鉆機(jī)無法在指定地點(diǎn)迅速定位，無法沿巷道走向和斷面方向快速轉(zhuǎn)換。

圖1 TXU系列鉆機(jī)

圖2 ZY系列鉆機(jī)

圖3 MK全液壓坑道鉆機(jī)

有學(xué)者針對煤礦鉆孔高低位開口要求，設(shè)計出煤礦用鉆機(jī)機(jī)架升降調(diào)斜機(jī)構(gòu)，采用二級升降油缸實(shí)施機(jī)架的升降，一次性調(diào)斜模式［7］。孫建［8］采用一套液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)便捷移動，大幅節(jié)省移鉆時間并降低人員勞動強(qiáng)度。但上述裝置是針對特定條件或特殊目的而研究開發(fā)的，并不滿足水力壓裂鉆孔施工。但為高效多功能可移動鉆機(jī)平臺的研發(fā)提供了有益基礎(chǔ)。

綜上所述，TXU系列鉆機(jī)具有操作方便、360°打孔、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。本文是在結(jié)合TXU系列鉆機(jī)諸多特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種高效多功能可移動鉆機(jī)平臺，通過該平臺實(shí)現(xiàn)TXU系列鉆機(jī)的快速移動和穩(wěn)定，提高打鉆效率，推動水力壓裂技術(shù)在煤礦中的發(fā)展應(yīng)用。

2 鉆機(jī)平臺及特點(diǎn)

高效多功能可移動鉆機(jī)平臺，見圖4。

鉆機(jī)平臺的性能參數(shù)如下:

(1)尺寸 (長 ×寬 ×高)3.4m×1.7m×3.3m，離地高度0.42m。

(2)油缸的筒內(nèi)徑60mm，活塞桿外徑50mm，最大伸長量400mm，額定承重5t。

圖4 高效多功能可移動鉆機(jī)平臺

(3)泵站額定壓力15MPa，額定流量35L/min，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，電機(jī)功率7.5kw。

(4)開關(guān)型號為QBZ－60。

高效多功能可移動鉆機(jī)平臺采取的技術(shù)方案:鉆機(jī)放置到機(jī)架上，利用牽引裝置拉至指定位置，開啟泵站，利用手動操作閥分別升起壓頂油缸及壓底油缸，將此平臺牢牢固定住，其后安裝滑軌，鉆機(jī)可在滑軌上自由移動，鉆機(jī)移到指定位置后利用操作閥降下2個壓底油缸，再用螺栓將其與滑軌固定后，方可開始打鉆。

該鉆機(jī)平臺具有以下幾個特點(diǎn):

(1)采用無軌膠輪車的行走方式，便于鉆機(jī)的整體移動，且通過方向控制裝置，保證鉆機(jī)準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。

(2)該平臺實(shí)現(xiàn)了油缸液壓系統(tǒng)與鉆機(jī)動力系統(tǒng)的結(jié)合。

(3)通過調(diào)節(jié)3組油缸來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鉆機(jī)的目的。

(4)與傳統(tǒng)鉆機(jī)相比，該鉆機(jī)平臺機(jī)動性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)鉆、移鉆的機(jī)械化，有利于提升工作效率，降低工人勞動強(qiáng)度，提高鉆孔作業(yè)的安全性和可靠性。

3 應(yīng)用實(shí)例

何家塔煤礦采用傾斜長臂后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面直接頂為細(xì)砂巖和中砂巖，厚度約為0.8～14m，中等穩(wěn)定，隨工作面回采可及時垮落，基本為隨采即垮。基本頂為粉、細(xì)砂巖中厚層狀，厚度約大于40m，比較穩(wěn)定，初次垮落需采取強(qiáng)制措施。采用爆破的方式容易造成工作面CO積聚，污染井下空氣，同時安全性不高，成本較高。

基于以上情況，采用水力壓裂技術(shù)對50104工作面切眼頂板進(jìn)行弱化處理，制定出鉆孔布置方案。水力壓裂鉆孔布置見圖5。

圖5 水力壓裂鉆孔布置

采用研發(fā)的鉆機(jī)平臺進(jìn)行鉆孔施工，完成鉆孔的軸線近似為一條直線。并且施工速度大幅提升，移鉆和穩(wěn)鉆時間大幅減少，工人勞動強(qiáng)度大幅降低。

按設(shè)計要求需打25m，37m 2種深度鉆孔。何家塔煤礦分別采用鐵架子鉆機(jī)平臺及高效多功能可移動鉆機(jī)平臺。采用普通架子做鉆機(jī)底座的，移鉆機(jī)定位時間大概在1.5h左右，穩(wěn)鉆機(jī)時間大概在1h左右，打25m鉆孔，打鉆時間約為5.5h，即打1個25m孔，累計耗時8h。打一個37m孔，累計耗時10h。采用高效多功能可移動鉆機(jī)平臺，移鉆機(jī)定位時間大約為0.5h，穩(wěn)鉆機(jī)時間大概為0.5h，即打1個25m孔，累計耗時6.5h。打1個37m孔，累計耗時8.5h。在移鉆定位用時方面，高效多功能可移動鉆機(jī)平臺省時約33%，在穩(wěn)鉆機(jī)用時方面，高效多功能可移動鉆機(jī)平臺省時約50%。

通過何家塔煤礦現(xiàn)場運(yùn)用來看，高效多功能可移動鉆機(jī)平臺節(jié)省大量移鉆機(jī)、穩(wěn)鉆機(jī)時間，是一種適合井下打鉆的安全、高效的設(shè)計，提高鉆孔效率，保證煤礦的效益，得到了煤礦現(xiàn)場的認(rèn)可。

4 結(jié)論

為滿足水力壓裂鉆孔高效安全施工的需要，研制了一套新型可移動鉆機(jī)平臺，該平臺實(shí)現(xiàn)了快速移動及穩(wěn)定鉆機(jī)的目的，實(shí)現(xiàn)了鉆孔精確定位，通過滑軌來實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)在巷道斷面內(nèi)可施工所有位置的鉆孔，避免了頻繁移動鉆機(jī)的工序。此平臺也可運(yùn)用于煤巷底板錨索鉆孔的施工，將水壓致裂孔施工速度提高約20%，鉆機(jī)移動及定位時間縮小約30%，滿足快速施工鉆孔的需要。

［1］黃炳香，程慶春，劉長友，等.煤巖體水力致裂理論及其工藝技術(shù)框架 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2011，28(2):167－173.

［2］閆少宏，寧 宇，康立軍，等.用水力壓裂處理堅(jiān)硬頂板的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報，2000，25(1):32－35.

［3］孫守山，寧 宇，葛 鈞.波蘭煤礦堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1999(2):55－56.

［4］Fan J，Dou L M，He H，et al.Directional hydraulic fracturing to control hard－roof rockburst in coal mines［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(2):177－181.

［5］馮彥軍，康紅普.定向水力壓裂控制煤礦堅(jiān)硬難垮頂板試驗(yàn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012(6):1148－1155.

［6］孫金海.工作面放頂鉆機(jī)研究［J］.煤礦機(jī)械，2005(6):86－87.

［7］李淑健，段勛興.煤礦用鉆機(jī)機(jī)架自動升降調(diào)斜機(jī)構(gòu)研究［J］.煤炭與化工，2014(6):51－53.

［8］孫 建.鉆機(jī)便捷移動裝置的研制 ［J］.煤礦機(jī)械，2012(5):172－173.