千米定向鉆機關鍵技術的研究與應用

劉兆宇

（山西王家嶺煤業有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

定向鉆機的長鉆孔技術能夠實現長鉆孔鉆進，而且能精準控制鉆孔的運動軌跡，使鉆孔在煤層中靈活延伸，在瓦斯抽放、探放水等開采中可以達到更好的效果。但是在千米定向鉆機鉆進過程中，由于鉆具和孔壁間存在摩擦阻力，定向鉆機的鉆孔軌跡深度有限，鉆進速度難以控制，鉆進的開分支效率和成功率大大降低[1]。

1 技術要求

在鉆進1 000 m 以上的煤層時，主要面臨以下問題：在滑動鉆進時，鉆機的推進力不足；高壓管路的壓力損耗大，使泵的壓力很容易達到額定壓力；隨鉆測量信號傳輸時困難[2]。針對上述問題，在鉆機的關鍵技術上進行研究，通過對關鍵組件的選擇，在施工過程中，鉆機主機用來完成鉆桿的拆裝、進給及鉆孔方位角的控制和調整，鉆機的主要技術參數見表1。

表1 鉆機的主要技術性能參數

2 關鍵技術研究

2.1 動力源組件設計

動力源組件的基本單元是電機，電機轉動產生的電能轉化為機械能供給液壓泵，在液壓泵的作用下將機械能轉化為液壓能，然后輸送給各個執行機構，在聯軸器的帶動下，電機帶動油泵作旋轉運動，從油箱中吸油并最終輸出壓力油。其中，聯軸器的一端與電機的平鍵連接，另一端與泵的花鍵連接。三聯泵中水泵驅動泵為馬達提供動力源，主泵的高壓油為動力頭的旋轉提供動力，推動油缸的進油和后退，輔泵的壓力油支撐油缸進行伸縮運動。

2.2 執行機構組件設計

執行機構組件主要有動力頭組件、機架組件、夾持器組件、支撐油缸組件及履帶車組件[3]，其中，動力頭組件中的變速箱采用的是兩級齒輪傳動，通過轉動馬達上的手輪改變馬達排量的大小，從而實現無級調速；機架是承受動力頭推進或旋轉所產生的負載力矩；夾持器是用來夾緊鉆桿，防止鉆桿滑落，并與卡盤配合對鉆桿進行拆裝；支撐油缸是用來固定鉆機的；履帶車是行走操作手柄，用來驅動鉆機的前進、后退和轉彎。

2.3 控制機構組件設計

控制機構組件包括鉆進操作和支撐行走操作。鉆進操作的操作臺是通過液控手柄來控制主多路閥，通過多路換向閥將壓力油分配到各個液壓執行元件中，實現鉆機的各項功能；支撐行走操作的多路閥用來控制油缸的升降，通過操作手柄控制主多路閥，實現對履帶車的前進、后退及轉彎動作的控制。

2.4 水路系統組件設計

水路系統組件是為液壓系統提供冷卻水和螺桿馬達提供高壓水，外供水在進入水路系統后，通過三通管件，一路水經Y 型過濾器過濾和減壓閥減壓后進入冷卻器，供給液壓油；另一路水進入水泵，驅動水泵作活塞運動，產生高壓水，高壓水驅動螺桿馬達轉動，帶動鉆頭進行旋轉運動，用來切削煤或巖石。同時，在水泵上裝有安全閥，起過載保護作用，在高壓水大于10 MPa 時，自動進行泄壓，保護水泵，蓄能器吸收高壓水，保護螺桿馬達。

2.5 油箱組件設計

油箱組件主要是用來存儲、凈化和冷卻液壓油的，油箱的有效容積為300 L，在油箱的側面安裝一根放油管，方便換油和運輸空油箱，在油箱的頂部安裝空氣濾清器，過濾掉在加油過程中液壓油所產生的氣泡和雜質，在油箱和濾油器中間安裝吸油過濾器，方便泵進行吸油過濾，對主泵和輔泵出油端，采用高壓過濾器進行過濾[4]。

3 應用效果

為了驗證千米鉆機的性能，在地面進行模擬鉆孔試驗。某礦井井田內南北走向長度為16.56 km、東西傾向寬度為6 km，井田面積為124.08 km2，礦井的工業儲量為929.05 Mt，井田呈單一傾斜構造，傾角為5°，井田內大斷層較少，落差均小于20 m，但井田內陷落柱較發育，會嚴重破壞煤層結構。進行工業試驗時，將鉆場選擇在北回風巷中，巷道寬度為7 m、高度為4 m，鉆場共設計8 個鉆孔，5 個分支孔、3 個主孔的方位角均為60°，其中1 號鉆孔的傾角為2.5°、2 號鉆孔的傾角為1.3°、3 號鉆孔的傾角為3.5°，鉆孔的平面布置圖如圖1 所示。

圖1 鉆孔平面布置示意圖

根據鉆孔的設計軌跡，采用螺桿馬達對主鉆孔進行施工，采用后退式施工工藝對分支孔進行側鉆，在施工期間，1 號鉆孔累計進尺471 m，2 號鉆孔累計進尺1 371 m，3 號鉆孔累計進尺1 324 m，各分支孔的具體鉆孔參數見表2 和表3。

表2 分支孔參數

表3 主孔參數

4 結論

1）根據千米定向鉆機的技術和功能要求，制訂鉆機的整體設計方案，包括設計動力源組件、執行機構組件、控制機構組件、水路系統組件及油箱組件。

2）對千米鉆機的性能進行工業試驗，結果表明，1 號鉆孔累計進尺471 m，2 號鉆孔累計進尺1 371 m，3號鉆孔累計進尺1 324 m，相比傳統鉆機，千米定向鉆機的鉆進性能和效率更好。