?200 mm定向鉆孔一次成孔技術與裝備的研究

閆保永，孟祥輝

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.西南石油大學，四川 成都 610500；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤礦工作面上隅角瓦斯隱患是制約煤礦安全高效生產的關鍵因素之一。隨著定向鉆進技術與裝備的發展，利用定向鉆機在煤層頂板施工高位定向長鉆孔進行瓦斯抽放，已成為上隅角瓦斯治理的關鍵技術措施，同時也為“以孔代巷”技術的推廣奠定了基礎[1-3]。對于工作面絕對瓦斯涌出量不大的情況，通過布置多組高位鉆孔可滿足上隅角瓦斯抽放和治理需求[4-6]。但對于工作面絕對瓦斯涌出量大、工作面生產緊張的情況，僅通過增加高位鉆孔數量，不僅會加大鉆孔工程量，增長鉆孔周期，還會占用更多的設備和人力資源，增加施工成本，容易與條帶和本煤層瓦斯治理環節產生沖突，治理難度較大[7]。

通過施工頂板大直徑高位定向長鉆孔的方法已成為上隅角瓦斯治理的最有效措施之一，且隨著鉆孔直徑增大，抽放效果提升明顯[8-11]。目前常用的大型定向鉆機(轉矩大于等于12 000 N·m)，在施工大孔徑(?200 mm)鉆孔時，均是采用二次成孔工藝施工定向鉆孔+回轉擴孔[12-15]。該種工藝不僅要使用2套鉆具，增加了設備成本，而且“鉆孔+擴孔”的成孔工藝較為復雜，施工效率低[16-21]。為探索大直徑一次成孔工藝，研發了ZYWL-23000DS大功率定向鉆孔成套技術與裝備。可為一次成孔?200 mm鉆孔，提高大直徑定向鉆孔成孔效率，實現煤礦瓦斯的高效治理提供支持。

1 大功率定向鉆機

為實現?200 mm鉆孔一次成孔，需精準設計鉆機的關鍵技術參數，包括輸出轉矩、推進/起拔力、泥漿系統流量等。所研發的?200 mm定向鉆孔一次成孔裝備包括：大功率定向鉆機和雙泵大流量泥漿系統。其中，大功率定向鉆機主要包括：履帶車系統、給進系統、雙驅動力頭、夾持器、錨固系統等，如圖1所示。

1—履帶車系統；2—給進系統；3—雙驅動力頭；4—夾持器；5—錨固系統。

1.1 “雙油缸雙導向桿”大起拔/推進力給進系統

給進系統是定向鉆機的核心承載部件。定向鉆機依靠給進系統輸出轉矩、起拔/推進力，調定鉆孔傾角。為達到大直徑定向鉆進大起拔/推進力的輸出技術要求，需要對該系統的輸出傳遞效率進行優化，以提高傳遞起拔力的能力[11]。雙油缸雙導向桿大起拔/推進力給進系統受力模型如圖2所示。

L3—雙油缸雙導向桿給進系統托架等效長度；G—雙油缸雙導向桿給進系統重力；N—鉆具對系統的反轉矩。

給進系統在穩態工作中，x、y軸方向的力矩、力平衡，因此可以得到雙油缸雙導向桿給進系統的平衡方程如下：

(1)

∑My=0

(2)

∑Fx=0

(3)

∑Fy=0

(4)

由雙油缸雙導向桿給進系統平衡方程得出：

(5)

雙油缸雙導向桿給進系統給進/起拔力傳遞效率k為：

(6)

式中：F0為雙油缸輸出給進/起拔力，N；Fx為系統鉆具輸出力，N；μ為雙導向桿摩擦因數；Lx為系統托架等效力F的間距，mm；L1為鉆具中心線與雙導向桿中心線距離，mm；L2為雙油缸中心線至雙導向桿中心線距離，mm。

在雙油缸雙導向桿大起拔/推進力給進系統受力模型中，將Lx系統托架等效力F間距，等效為L3雙油缸雙導向桿給進系統托架等效長度。

6.孵化器對園內企業開展的孵化服務比較齊全。調查顯示，孵化器企業提供創業計劃輔導和融資輔導的占92%，提供法律規范輔導的有80%，提供企業制度輔導的占72%，提供人力資源管理輔導的占68%，而提供風險規避輔導、市場營銷輔導、其他輔導、成本控制輔導、生產管理輔導的分別有60%、56%、56%、40%、20%。

因此，與傳遞效率相關的量為：L1、L2、L3、μ。

基于雙油缸雙導向桿大起拔/推進力給進系統的傳遞效率，對各參數進行優化，相關參數如下：

L1=310 mm，L2=182 mm，L3=663 mm，μ=0.1。

優化后雙油缸雙導向桿給進系統給進/起拔力的傳遞效率k=0.864。對傳遞效率進行試驗，分別在系統輸出轉矩為0、23 000、26 450 N·m(超功15%)的情況下，測試推進力的傳遞效率，結果如圖3所示。

圖3 雙油缸雙導向桿給進系統給進/起拔力傳遞效率

由圖3可以看出，在系統輸出轉矩為0、23 000、26 450 N·m(超功15%)情況下，給進/起拔力傳遞效率由50%提高至84%。推進系統輸出載荷越大，Lx越接近于L3，輸出效率越高，越接近于理論設計效率。

經過優化的雙油缸雙導向桿給進系統給進/起拔力傳遞效率，與一般鉆進給進系統相比，其推進效率提高了8%。

1.2 雙驅動力頭

為實現動力頭的大轉矩輸出、轉速寬域可調的傳動要求，設計使用雙馬達驅動動力頭，采用“雙液壓馬達+齒輪傳動”的驅動方式，其模型結構如圖4所示。

1—夾持組件；2—箱體；3—制動組件；4—雙驅馬達。

雙驅動力頭是提供轉矩和回轉速度的關鍵部件，將液壓能轉換成機械能，高壓油驅動液壓馬達旋轉，經減速器減速后帶動鉆具工作[8],傳動模型如圖5所示。

圖5 雙驅動力頭傳動模型

雙驅動力頭由2個馬達驅動，雙馬達的均載系數為0.95，二級減速比為13.8，設計最大額定輸出轉矩為23 000 N·m，轉速為35～110 r/min。

因此雙驅動力頭單馬達的額定輸出轉矩Tm為：

(7)

式中：T為最大額定輸出轉矩，23 000 N·m；i為二級減速比，其值為13.8；ηb為機械傳動效率，其值為0.93；ηj為雙馬達均載系數，取0.95。

因此在此模型中，雙驅動力頭單馬達額定輸出轉矩為820 N·m，輸出最高轉速不小于1 520 r/min。

2 雙泵大流量泥漿系統

泥漿系統為螺桿馬達提供動力，同時可為鉆孔排渣。為保證?200 mm鉆孔正常施工，匹配?127 mm螺桿馬達，需要的泥漿流量為1 000 L/min，泥漿壓力10 MPa。為實現此技術目標，研發雙泵大流量泥漿系統，利用仿真軟件對該系統輸出泥漿壓力為10 MPa時的流量輸出特性進行仿真研究。

該泥漿系統由電動機驅動液壓泵，液壓泵經控制閥組驅動馬達，馬達驅動雙泥漿泵，最后輸出泥漿。搭建的雙泵大流量泥漿系統仿真模型如圖6所示。

圖6 雙泵大流量泥漿系統仿真模型

參數設置：驅動電動機轉速1 480 r/min；液壓泵排量195 mL/r，最大壓力40 MPa；泥漿泵驅動馬達排量420 mL/r，最高轉速700 r/min；單泵額定流量520 L/min，輸出排量961.5 mL/r，主水泵額定壓力10 MPa。雙泵大流量泥漿系統流量輸出情況如圖7所示。

圖7 雙泵大流量泥漿系統流量輸出情況

由圖7可知，系統輸出壓力為10 MPa，流量達到輸出穩態的時間為0.1 s，系統最大流量輸出為1 000 L/min，在高壓工況下，水泵容積效率略有下降，導致流量略有下降。雙泵輸出相位差疊加后輸出穩定，能夠滿足螺桿馬達的驅動要求。因此，所研發的雙泵大流量泥漿系統有較好的響應特性，滿足技術要求。

3 大直徑定向鉆孔一次成孔試驗

在王坡煤礦3316巷道進行一次成孔?200 mm定向鉆孔試驗，設計孔深500 m，采用“?200 mm鉆頭、?127 mm螺桿馬達、?102 mm成套鉆具”開展試驗。

試驗鉆孔軌跡如圖8所示。實際施工鉆孔孔深501 m，每8 h施工班組平均鉆進效率31.8 m，一次成孔?200 mm；而二次擴孔工藝，施工?120 mm定向鉆孔后，更換鉆具擴孔至?200 mm，加更換鉆具時間，每8 h施工班組平均鉆進小于15 m。因此較二次擴孔工藝，“?200 mm定向鉆孔一次成孔技術”施工的工程量及用時約減少50%。

圖8 鉆孔軌跡平面圖

采用“?200 mm鉆頭、?127 mm螺桿馬達、?102 mm成套鉆具”匹配方式，施工全孔段方位角變化量如圖9所示，傾角變化量如圖10所示。

圖9 方位角變化量

圖10 傾角變化量

綜合考慮鉆桿剛度、鉆孔參數，傾角和方位角每3 m變化量小于1°，在施工過程中能夠保持較好的軌跡控制能力，同時能夠控制推進阻力，保障了施工大孔徑深鉆孔的能力。

本次施工81次調節工具面向角，其余采用復合鉆進及原方位角鉆進方式，在施工數據中，方位角變化量超過1°的1次，方位角調節變化合格率98.7%；傾角變化量超過1°的4次，傾角調節變化合格率95.1%。因此，采用“?200 mm鉆頭、?127 mm螺桿馬達、?102 mm成套鉆具”匹配方式，能夠較好地完成工具面向角的調整，實現?200 mm定向鉆孔一次成孔施工。

4 結語

研發了?200 mm定向鉆孔一次成孔技術與裝備，經優化，大起拔/推進力給進系統傳遞效率達到84%；雙驅動力頭輸出穩定，當雙泵大流量泥漿系統輸出壓力為10 MPa時最大流量輸出1 000 L/min，輸出特性滿足使用要求。通過試驗驗證了“?200 mm鉆頭、?127 mm螺桿馬達、?102 mm成套鉆具”匹配方式的適用性和合理性，施工鉆孔軌跡包括傾角和方位角滿足定向成孔特性要求，成孔效率較二次擴孔工藝提高50%以上。