底抽巷全傾角鉆孔鉆機及鉆進技術

鄔 迪，趙江鵬，徐鵬博

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

碎軟煤層瓦斯含量大、壓力高，煤層硬度低、透氣性差[1]，瓦斯綜合治理難度大。在碎軟煤層中施工順層鉆孔時易出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等孔內復雜情況，成孔困難[2]。僅僅依靠順層鉆孔預抽煤層瓦斯，往往不能滿足巷道條帶和回采工作面瓦斯區(qū)域治理需求。因此，順層鉆孔結合底抽巷穿層鉆孔是目前常采用的一種有效的瓦斯綜合治理方式。

由于缺乏專用鉆機及配套鉆進技術，目前施工底抽巷穿層鉆孔時，仍存在以下不足：

1）每組全傾角穿層鉆孔由5～9 個鉆孔組成，為達到均勻覆蓋待掘煤巷影響區(qū)，每個鉆孔需要調節(jié)不同傾角開孔參數(shù)。現(xiàn)有鉆機在同一組穿層鉆孔之間調整傾角參數(shù)時，需要重新移動、穩(wěn)固、調整鉆機開孔傾角，調角操作復雜，影響綜合鉆進效率。

2）底抽巷空間狹小，鉆機運輸不便。現(xiàn)有鉆機雖然設置了傾角快速調整裝置，但其只可在一個平面內旋轉，鉆進主機與履帶車體垂直，導致鉆機寬度超限，影響鉆機運輸搬遷。

3）鉆機操縱臺固定在鉆機側后方，在進行大傾角鉆孔施工時，司鉆人員視線受阻，不利于觀察鉆機和鉆場情況，存在安全隱患。

基于此研制了底抽巷全傾角ZDY3600LQ 型履帶鉆機。

1 全傾角鉆機

1.1 鉆機結構

根據(jù)底抽巷條件和全傾角穿層鉆孔鉆進工藝要求，綜合考慮鉆孔傾角、鉆孔深度、鉆進效率等各參數(shù)，制定了ZDY3600LQ 型履帶鉆機基本參數(shù)和整機結構[3]。鉆機外形圖如圖1。新型鉆機既能快速調整開孔傾角，又縮小了運輸尺寸，還可清晰觀察鉆孔施工情況，具有搬遷運輸方便、全傾角鉆孔施工效率高、鉆進安全可靠等顯著優(yōu)點。

圖1 鉆機外形圖Fig.1 Drilling rig

鉆機基本參數(shù)包括：額定轉矩3 600～800 N·m，額度轉速70～260 r/min，主軸傾角0°～180°，最大給進/起拔力為102 kN，額定功率55 kW，整機質量8 000 kg，鉆機尺寸（長×寬×高）3.2 m×1.25 m×2 m。

鉆機整機結構采用整體履帶式布局方式, 鉆機移動依靠履帶底盤驅動，鉆機主機、操縱臺、泵站、穩(wěn)固裝置等動力、執(zhí)行、操控和輔助裝置布置于履帶車體平臺上[4]。鉆機主機通過主機機架固定在履帶車體平臺上，為了適應底抽巷尺寸、降低鉆機高度，設計了集鉆機傾角調整、水平開孔高度調整、施工/運輸主機位置調整、鉆機穩(wěn)固等功能于一體的鉆機主機機架, 主機機架結構如圖2。

圖2 主機機架結構Fig.2 Frame structure

鉆機主機可利用主機機架中的回轉平臺、副回轉裝置和主回轉裝置等機構使主機在平行和垂直于履帶車體的2 個平面內旋轉并定位。鉆機搬遷運輸時，主機與履帶車體平行，并置于左右主立柱之間，降低高度尺寸；鉆機施工時，通過主回轉裝置驅動，主機旋轉90°后與履帶車體垂直，通過副回轉裝置驅動，主機可在同一平面進行0°～180°范圍內傾角的自動調節(jié)，鉆機工作狀態(tài)如圖3。鉆機操縱臺懸掛于履帶車體前方，施工時可從履帶車體上取下并放置于便于觀察孔口的位置，提高了鉆機操作的安全性和可靠性。

圖3 鉆機工作狀態(tài)Fig.3 Drilling rig working position

鉆機液壓系統(tǒng)采用雙開式泵恒壓控制方式。為了使鉆機適應全傾角穿層鉆孔的高效、可靠和安全施工，鉆機動力頭、夾持器、卡盤等關鍵部件采用單獨的方向控制回路，避免了聯(lián)動回路中各部件因響應速度不同造成鉆具下滑的安全事故[5]。針對全傾角穿層鉆孔施工，防止給進缸浮動時造成動力頭下滑，在鉆機液壓系統(tǒng)中設計集成了擰/卸扣功能和動力頭回轉功能的集成回路。當操作擰/卸扣控制閥時，先導控制油首先通過梭閥推動二位閥，使給進油缸兩腔聯(lián)通，實現(xiàn)動力頭回轉時給進油缸和動力頭浮動，有效保護鉆桿絲扣[6-7]；當正常鉆進或停鉆時，操作回轉控制閥，給進油缸兩腔斷開、浮動切斷，可防止因重力造成的動力頭下滑事故。

1.2 鉆機工作流程

在底抽巷內進行運輸、調角和鉆進等工序時，鉆機各裝置功能如下：

1）鉆機井下運輸。通過行走操縱臺控制鉆機行走至底抽巷待開孔位置。

2）鉆進狀態(tài)調整。先利用穩(wěn)固操縱臺將穩(wěn)固裝置伸出，穩(wěn)固鉆機；然后利用調角操縱臺控制主立柱中的回轉平臺旋轉90°，使主機與履帶車體平臺垂直。將鉆機操縱臺從履帶車體平臺上取下，放置在便于觀察孔口的地方，連接操縱臺與主機之間的高壓油管。

3）單個鉆孔施工。利用穩(wěn)固操縱臺旋轉副回轉裝置，帶動主機在與履帶車體垂直的平面內回轉，使主機的傾角與鉆孔開孔傾角一致并定位主機；前頂油缸伸出并穩(wěn)固支撐在底抽巷上；利用鉆進操縱臺控制主機上的鉆進機構進行鉆孔施工。

4）全傾角鉆孔施工。單個鉆孔施工完成后，收回前頂油缸，利用調角操縱臺旋轉副回轉裝置，帶動主機在與履帶車體垂直的平面內回轉，使主機的傾角與下一個鉆孔的開孔傾角一致并定位主機；前頂油缸伸出并穩(wěn)固支撐在底抽巷上；利用鉆進操縱臺控制主機上的鉆進機構進行鉆孔施工，直至完成同一截面鉆孔群的施工。

2 鉆進工藝研究及應用

以晉煤集團趙莊礦硬巖穿層鉆孔施工為研究對象。目前趙莊礦主采3#煤層，由于煤層瓦斯含量高、煤層碎軟、透氣性差，采用順層鉆孔解決采掘工作面瓦斯存在鉆孔深度淺、易塌孔，導致鉆孔抽采覆蓋范圍小、有效抽采時間短、抽采效果差等問題[8]，影響掘進和回采進度，給生產帶來不利影響。因此，趙莊礦在1307、1308 工作面嘗試采用底抽巷穿層鉆孔抽采煤巷條帶和回采區(qū)域瓦斯。在實際生產中瓦斯問題有所緩解，掘進速度也相應提高。但是在底抽巷穿層鉆孔布孔設計及鉆孔施工過程中仍存在一些問題亟待解決，主要包括：穿層鉆孔需要在煤層和巖層中鉆進，煤層和巖層對成孔工藝和設備的要求不同，當在煤層鉆進時，受瓦斯、煤體松軟、破碎影響，鉆孔施工過程中容易出現(xiàn)瓦斯異常涌出和塌孔等現(xiàn)象，造成鉆進速度慢、成孔困難；在巖層鉆進時，巖層硬度大，鉆進速度慢，設備損耗大，對鉆孔的實際軌跡無法控制，容易發(fā)生漂移，最終影響煤巷掩護效果。因此需對鉆孔施工工藝進行研究，形成一套簡單、易行、安全、合理的底抽巷穿層鉆孔施工工藝和技術，提高綜合鉆進效率。

設計的試驗鉆孔位于二盤區(qū)西翼北回風巷，巖層為3#煤層底板，以粉砂巖為主，中間有1 層800 mm 的K6 灰?guī)r。在試驗過程中，K6 灰?guī)r硬度較高，影響了綜合鉆進效率。由于回轉鉆進技術在硬巖地層中鉆進效率偏低，因此采用φ89 mm×1 m 液動潛孔錘配φ113 mm 三翼胎體式PDC 鉆頭、φ113 mm三翼鋼體式PDC 鉆頭、φ113 mm 四翼PDC 鉆頭、73 mm×800 mm 外平鉆桿的新型鉆具組合，采用泵壓1.0～3.0 MPa, 泵量120～190 L/min, 通過沖擊回轉多動力鉆進技術提高硬巖地層中鉆進效率[9-11]。

綜合地層鉆進效率對比見表1。從表1 中可以看出，四翼PDC 鉆頭平均鉆進效率為23.12 m/h，最高可達48 m/h；三翼鋼體式弧角PDC 鉆頭平均鉆進效率為1.48 m/h，最高可達96 m/h；三翼胎體式PDC 鉆頭平均鉆進效率為24.26 m/h，最高可達45 m/h。當加接液動潛孔錘后，四翼PDC 鉆頭從23.12 m/h 提高至26.08 m/h，平均鉆進效率有所提高，然而，三翼鋼體式PDC 鉆頭從31.48 m/h 降低至27.89 m/h，平均鉆進效率反而有所降低。這是由于該層K6灰?guī)r體較薄，加液動潛孔錘后鉆機轉速降低，鉆具的更換也占用了輔助時間，影響了綜合鉆進效率。

表1 綜合地層鉆進效率對比Table 1 Drilling efficiency comparison

為了研究純硬巖地層條件下鉆進效率和鉆具級配關系，將各類鉆具組合在K6 灰?guī)r孔段中的鉆進效率進行對比分析, 純硬巖地層鉆進效率對比見表2。當加接液動潛孔錘后，四翼PDC 鉆頭從11.9 m/h提高至21.3 m/h，平均鉆進效率提高了78.9%；三翼鋼體式弧角PDC 鉆頭從12.8 m/h 提高至22.4 m/h，平均鉆進效率提高了75.0%；三翼胎體式弧角PDC鉆頭從11.7 m/h 提高至16.3 m/h，平均鉆進效率提高了39.3%。

表2 純硬巖地層鉆進效率對比Table 2 Drilling efficiency comparison

根據(jù)試驗驗證，在硬巖地層中，沖擊回轉多動力鉆進比傳統(tǒng)回轉鉆進綜合鉆進效率高，液動潛孔錘配PDC 鉆頭的鉆具組合方式具有一定的先進性和創(chuàng)新性；但在松軟破碎或硬巖巖體較薄的地層中，沖擊加回轉的鉆進方式綜合鉆進效率提高不明顯。

3 結 語

研制了底抽巷全傾角ZDY3600LQ 型履帶鉆機。通過研究和試驗證明，底抽巷全傾角鉆孔鉆機具有井下機動性強、傾角調節(jié)范圍大、調節(jié)全自動等優(yōu)勢，適用于底抽巷的快速移動、鉆機穩(wěn)固、全傾角鉆孔高效施工等；在復雜、堅硬地層施工穿層鉆孔時，液動潛孔錘配PDC 鉆頭的沖擊回轉多動力鉆進技術在鉆進效率上提高明顯。