井下?550 mm 超大直徑煤層孔鉆進技術裝備及工程應用

孫永新

(山西天地煤業有限公司王坡煤礦，山西 晉城 048021)

瓦斯災害是煤礦主要災害類型之一，嚴重制約著礦井的安全高效生產。近年來，隨著礦井采掘深度、采掘強度的增加，礦井瓦斯涌出量逐漸增大，特別是采空區瓦斯異常聚集與涌出，極大增加了工作面瓦斯治理的難度，實現采空區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鍵[1-4]。

2016 年頒布的《煤礦安全規程》規定：采煤工作面嚴禁設置專用排瓦斯巷，這對于采用U 型通風系統工作面通風瓦斯管理提出了更高的要求。實踐表明：針對U 型通風的采煤工作面，利用臨近工作面巷道布置橫川預埋抽放管進行瓦斯抽采是采空區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、維護成本高等缺點，采用超大直徑鉆孔替代橫川施工，實現“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措施，研發超大直徑螺旋鉆進鉆機是煤層超大直徑鉆孔成孔的關鍵。黃光利等[9]采用ZDY-6000 型全液壓坑道鉆機在白芨溝煤礦施工完成了孔徑?500 mm 的超大直徑鉆孔，先導孔直徑94 mm，然后按照?153 mm→?193 mm→?250 mm→?300 mm→?350 mm→?500 mm 擴孔級序逐級擴孔至?500 mm。李飛[10]、汪開旺[11]等采用ZDJ10000L 型全液壓坑道鉆機在天地王坡煤礦、五陽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濃度。許超[12]、王鮮[13]等采用ZDY12000 型全液壓坑道鉆機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程中，也暴露出煤層超大直徑鉆孔施工存在以下技術難題：①超大直徑鉆孔直徑≥500 mm，施工工況要求鉆機輸出扭矩大、給進和起拔能力強，然而當前常規鉆機回轉扭矩一般較小，排渣能力受到一定限制，實際施工中很難達到設計孔深，施工效率也很難得到保證；② 受巷道狹窄作業空間限制，要求鉆機尺寸盡可能縮小，同時由于運輸巷道內一般布置有運輸皮帶，施工超大直徑瓦斯抽采鉆孔時，鉆機需具備跨皮帶施工能力，現有鉆機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強度大、安全性低等缺陷；④ 超大直徑鉆孔施工過程中，勢必產生大量鉆渣，及時清理鉆場煤渣是連續施工的保障，而人工清理勞動強度大、效率低；⑤ 采用多級擴孔工藝施工超大直徑煤層孔效率低。針對上述情況，筆者提出研制一款外形尺寸小、回轉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鉆機，并對鉆機的關鍵零部件進行了創新設計，開發了配套的超大直徑鉆孔成孔工藝技術，為超大直徑煤層鉆孔施工提供了技術裝備支撐。

1 總體方案設計

根據超大直徑鉆孔施工的特點，宜采用主機和泵站分體式的布局，且單體外形尺寸要求盡可能小。主機和泵站均采用履帶式結構，方便井下搬遷。主機主要功能是執行鉆進施工，由給進裝置、機械臂、操作臺等組成。泵站主要功能是為主機提供液壓動力，由電機泵組、油箱、電磁起動器、散熱器等組成[14-15]。

1.1 鉆機主機

鉆機主機主要由車體平臺、給進裝置、調角裝置、穩固裝置、操作臺、機械臂等組成，如圖1 所示。給進裝置中包含有動力頭、夾持器和給進機身。為施工時方便觀察孔口情況，操作臺設計在機身平臺最前方。根據鉆場施工要求，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置有回轉支撐。行走駐車后，車體平臺可相對履帶進行90°旋轉，調節完成孔位后穩固上下支撐。由于大螺旋鉆進過程中機身受到鉆具的反作用力大，在機身前后端設計了輔助支撐。施工時，輔助支撐頂緊巷道兩側煤壁，增強鉆機穩定性。機械臂設置在機身一側，機械臂伸出后可在車體平臺外側吊裝鉆桿，機械臂收回后鉆桿處于動力頭與夾持器之間，方便上卸鉆桿。

圖1 鉆機主機結構Fig.1 The structural diagram of drilling rig

1.2 泵 站

泵站是鉆機的動力源，其動力大小直接決定鉆機的能力強弱。泵站主要由電機泵組、油箱、冷卻器、電磁起動器和車體平臺等部件組成，如圖2 所示。電機泵組和油箱采用兩列并排式布置，減小了泵站長度方向的尺寸。油箱與電機泵組之間的吸油管中安裝了截止閥，在進行油泵更換時可將截止閥截止，減少液壓油損失。松軟煤層鉆進過程中，巷道內煤塵較大，為保證液壓系統清潔，在油箱上還安裝了吸油濾油器、回油濾油器、空氣濾清器等過濾組件。油箱內放置磁鐵，對系統管路中排出的鐵屑進行吸附，防止再次進入液壓系統。油溫計和液位計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高壓膠管連接到主機，最大限度減少了主機和泵站之間膠管數量。高壓膠管外側套裝鋼絲網，防止膠管在地面拖拽時磨損。

圖2 泵站結構Fig.2 Pump station

1.3 主要性能參數

根據松軟煤層特點和大直徑螺旋鉆進施工的要求，鉆機主要設計參數詳見表1。

表1 鉆機主要設計參數Table 1 The main parameters of drilling rig

2 關鍵部件設計

2.1 機械臂

大直徑螺旋鉆進鉆機使用的鉆桿直徑和重量大，利用人力進行上卸鉆桿需要多人協作且安全性也無法保障。機械臂是用來吊運鉆桿的重要部件，采用直角坐標系式的運動軌跡，完成鉆桿的起吊、搬運、歸位3 個動作。機械臂主要由舉升組件、水平軌組、吊鉤機構、多組油缸等組成，如圖3 所示。通過控制多組油缸的伸縮，實現不同動作，在舉升組件中舉升油缸的作用下實現整體舉升。水平軌組在水平油缸的作用下可實現吊鉤機構的水平運動，將鉆桿運送到指定位置。吊鉤機構由一組定滑輪、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現鉆桿在豎直方向的起吊。

圖3 機械臂結構Fig.3 Robotic arm

2.2 動力頭

動力頭主要用于向鉆桿傳遞扭矩，并在給進油缸的帶動下完成旋轉鉆進動作。在松軟煤層中施工超大直徑鉆孔時，動力頭帶動螺旋鉆桿旋轉在螺旋葉片的作用下將煤渣從鉆孔內排出，因此需要動力頭具有足夠的扭矩，故采用雙馬達驅動動力頭轉動以達到設計扭矩。動力頭主要由馬達和變速箱構成，變速箱內部設置一級減速機構，由2 個主動齒輪和一個被動齒輪組成，主動齒輪由油馬達直接驅動，被動齒輪帶動動力頭中心軸轉動，如圖4 所示。由于被動齒輪分度圓直徑不宜過大，一級減速機構減速比又較小，因此選用低轉速大扭矩馬達。動力頭中心軸與鉆桿連接方式采用外六方插銷式結構，鉆進過程中若發生塌孔埋鉆事故，動力頭可反向旋轉將鉆桿從孔內退出。

圖4 動力頭結構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，即使進行一定范圍內的傾角鉆孔，也不需要較大的夾緊力來夾持孔內鉆具。螺旋鉆桿普遍采用六方插接式結構，在卸鉆時不需要夾持器承受較大的反扭矩，夾持器夾緊力過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鉆桿與動力頭中心孔對中，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合，通過控制進入油缸液壓油的壓力來控制夾持力的大小，如圖5 所示。夾持器卡瓦與油缸的連接點設置為鉸接結構，這種結構具有自動對中功能，尤其適合插接式螺旋鉆桿使用。

圖5 夾持器結構Fig.5 Retainer

2.4 操作臺

操作臺分為主操作臺與副操作臺。主操作臺可水平回轉調整，便于操作時觀察施工情況；副操作臺位于鉆機右側中間靠后的位置，操作時便于觀察鉆機穩固情況。主操作臺上安裝先導閥，分別控制鉆機回轉、鉆機給進、夾持器開合、起重機的回轉、升降、伸縮、收放繩。安裝先導閥的操作臺使得操作更加簡便，可實現多種方式操作。副操作臺上安裝了多路換向閥，用來實現鉆機支腿穩固、前頂穩固、后頂穩固和鉆機調角。

3 工程應用

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，主要開采煤層3 號、9 號、15 號煤，目前開采3 號煤層，生產能力300 Mt/a，井下布置2 個綜采工作面。3307 工作面位于三采區北翼，為3314 工作面的接替面。采用U 型布置通風方式，長壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝。工作面推進長度約1 521 m，開切眼長183 m，工作面底板高程為+495～+525 m。根據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。煤層結構簡單，含夾矸0.1 m。直接頂板為黑色泥巖，泥質結構，基本頂為灰黑色–灰白色細砂巖、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，煤層節理裂隙發育、結構破碎，堅固性系數0.30～0.55，透氣性系數0.071 m2/(MPa2·d)。

3.2 鉆孔設計

鉆孔施工從3307 回風巷距切眼30 m 處開始沿回風巷道走向布置，鉆孔間隔10 m。孔徑為?550 mm，方位上垂直于巷道走向施工，開孔高度1.5 m，具體鉆孔設計參數見表2。

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

3.3 鉆進工藝

采用研制的ZDY15000LP 全液壓履帶式鉆機，在王坡煤礦3307 工作面開展了超大直徑鉆孔鉆進試驗及工程應用。采用常規回轉鉆進工藝，利用鉆機動力頭驅動大直徑螺旋鉆桿回轉，從而帶動鉆頭切削破巖。

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“先導孔+二次擴孔”成孔工藝。即首先采用?165 mm 鉆頭、?110 mm 鉆桿施工先導孔。先導孔施工完成后退鉆，向鉆孔內插入導向頭，并連接?550 mm 大直徑擴孔鉆頭，配套采用?426 mm 大螺旋鉆桿進行擴孔鉆進，鉆具組合如圖6 所示。

圖6 擴孔鉆具組合Fig.6 Schematic diagram of reaming bottom borehole assembly

?550 mm 大直徑擴孔鉆頭設計為五翼錐形刮刀結構，既有利于鉆頭切入煤層，又有利于大量煤屑排出，實物如圖7 所示。?426 mm 大螺旋鉆桿采用螺栓連接，桿體長度為822 mm、外徑159 mm，如圖8 所示。螺旋翼片采用高強度鋼材，螺距395 mm，螺旋葉片連續焊接在桿體上，兩端焊縫均勻，排渣能力強。?426 mm大螺旋鉆桿螺距內體積大于單位時間內?550 mm 鉆頭最大切削量，排渣能力強，滿足連續高效排渣需要。

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

圖8 ?426 mm 大螺旋鉆桿結構Fig.8 ?426 mm large spiral drill pipe

?550 mm 大直徑擴孔鉆頭擴孔鉆進過程中，前端導向頭沿著先導孔前進，使超大直徑鉆孔軌跡與先導孔保持一致，可有效提高超大直徑鉆孔終孔精度。二次擴孔施工完成后，下入?426 mm 護孔管，最后進行注漿封孔。

3.4 施工效果分析

施工過程中，履帶行走方向沿巷道方向布置，主機進行90°旋轉，垂直3307 工作面回風巷道方向開孔。前后支撐柱分別頂緊巷道兩側煤壁，整體穩固良好，鉆進過程中未發生鉆機移位現象。主機采用跨皮帶結構設計，鉆進過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題。機械臂吊裝鉆桿，很大程度上減輕了工人勞動強度，提高了施工效率。鉆進過程中產生的鉆渣通過轉載機和帶式輸送機運輸，鉆桿旋轉時螺旋葉片往外運送的鉆渣掉落到孔口下方安裝的轉載機內，然后通過帶式輸送機運到主運輸皮帶上，這極大減輕了清渣壓力。

王坡煤礦煤體結構碎軟，易塌孔、掉塊等不利因素影響產生大量煤渣，鉆孔施工過程中充分利用鉆機大扭矩輸出和大直徑螺旋鉆桿“機械輸送”的特點，強化孔內排渣，有效避免孔內鉆渣大量堆積，保證了超大直徑煤層鉆孔施工順利進行。在3307 工作面共施工大直徑瓦斯抽采鉆孔17 個，累計進尺583 m，鉆孔施工共計30 d，單孔成孔班次由以前的6 個班次下降至4～5 個班次，綜合施工效率提高20%。

4 結論

a.研制了ZDY15000LP 超大直徑孔鉆機，鉆機主機和泵站采用分體式的設計，減小了單體外形尺寸，增加了鉆機在煤礦井下的機動性。

b.鉆機扭矩大、給進行程長，適合進行大直徑螺旋鉆孔施工，具備?550 mm 超大直徑孔鉆進能力；采用機械臂輔助鉆具與護孔管安裝，操作方便，減輕了輔助加桿與下放套管勞動強度，整體提升了施工效率。

c.開發了基于“先導孔+二次擴孔”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孔鉆頭，通過現場試驗及工程應用驗證了所研制鉆進裝備的可靠性和穩定性。