地面救援車載鉆機(jī)的研制

凡 東，鄒祖杰,2，王瑞澤，魯飛飛,2，劉 祺，王賀劍

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

地面救援鉆孔由生命保障孔和大直徑救援井組成，救援時先施工生命保障孔，用于被困人員定位搜尋、生命保障、通信聯(lián)絡(luò)等，孔徑一般在159～216 mm，要求鉆孔施工速度快、軌跡平滑、與巷道連通即可；確定被困人員位置后，在生命保障孔鄰近適當(dāng)位置迅速開展大直徑救援井的施工，用于被困人員的提升救援通道，終孔孔徑一般應(yīng)大于580 mm，要求成孔速度快、孔壁完整、垂直度好、并與巷道安全貫通[1-2]。車載鉆機(jī)將回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)裝置、孔口裝置等鉆進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成于車輛底盤上，具有能力大、效率高、事故處理能力強(qiáng)、機(jī)動性好等優(yōu)點，可同時滿足2 種救援鉆孔的施工需求，是地面應(yīng)急救援施工的理想機(jī)型。

國外開發(fā)車載鉆機(jī)始于20 世紀(jì)40 年代，早期主要應(yīng)用于水文水井和大直徑樁基孔施工，近年成功應(yīng)用于煤礦區(qū)地面煤層氣抽采孔和礦山地面救援孔的施工。國外車載鉆機(jī)的主要生產(chǎn)廠商集中在美國和歐洲等地，代表機(jī)型有德國寶峨RB 系列、美國雪姆TXD系列及瑞典阿特拉斯RD 系列車載鉆機(jī)；國內(nèi)代表機(jī)型有中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司(簡稱，西安研究院)ZMK 系列、天合眾邦CMD 系列、石家莊煤機(jī)廠SMJ 系列及江蘇天明TMC 系列車載鉆機(jī)等。這些鉆機(jī)均采用全液壓的驅(qū)動方式，運載方式有整體車載式和拖掛式兩種。

德國寶峨、美國雪姆、西安研究院車載鉆機(jī)均參加過地面鉆孔救援，但仍存在鉆機(jī)能力偏低、工藝適應(yīng)性不足、鉆孔救援成孔效率低等問題。基于此，研制了ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機(jī)，采用主機(jī)、動力泵站、操縱室分體式布局，并配備自動化鉆桿處理系統(tǒng)，滿足600 m 救援鉆孔的快速安全施工。

1 車載鉆機(jī)地面鉆孔救援應(yīng)用案例

車載鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔救援在國內(nèi)外均有成功的案例，其中智利的圣何塞礦難救援和我國山東的平邑礦難救援、湖南源江山礦難救援最具代表性。

1.1 圣何塞礦難救援

2010 年8 月，智利圣何塞銅礦發(fā)生塌方事故，導(dǎo)致33 名礦工被困688 m 深井下。采用雪姆T130XD車載鉆機(jī)施工69 d 后實現(xiàn)巷道貫通，并采用“鳳凰號”救生艙成功將被困礦工營救至地面，如圖1 所示。

圖1 圣何塞救援中的T130XD 鉆機(jī)Fig.1 T130XD drilling rig in the SAN Jose rescue

1.2 平邑礦難救援

2015 年12 月，山東省平邑石膏礦發(fā)生坍塌事故，井下作業(yè)29 名礦工被困。井下救援修復(fù)了350 m 巷道，并救出11 人。由于二次災(zāi)害多發(fā)，救援環(huán)境逐漸惡化，不具備井下繼續(xù)救援的條件，改為地面救援[3-5]。采用RB-T90 鉆機(jī)成功施工了大直徑救援井，并采用救援繩索將被困人員成功營救，如圖2 所示。

圖2 平邑救援中的RB-T90 鉆機(jī)Fig.2 RB-T90 drilling rig in Pingyi rescue

1.3 源江山礦難救援

2020 年11 月，湖南源江山煤礦發(fā)生重大透水事故，西安研究院運用自主研制的ZMK5530TZJ60 型車載鉆機(jī)參與救援(圖3)，在26 h 純鉆進(jìn)時間內(nèi)，施工完成了403 m 的救援鉆孔，平均機(jī)械鉆速15.5 m/h，提前24 h 完成救援指揮部下達(dá)的任務(wù)。

圖3 源江山救援中的ZMK5530TZJ60 鉆機(jī)Fig.3 ZMK5530TZJ60 drilling rig in Yuanjiang mountain rescue

1.4 車載鉆機(jī)鉆孔救援應(yīng)用效果分析

綜合分析歷次國內(nèi)外救援案例，救援車載鉆機(jī)的進(jìn)一步研究需重點考慮以下要求[6-8]：

(1)鉆機(jī)能力和施工效率還有待進(jìn)一步提升，整機(jī)應(yīng)在輕量化的基礎(chǔ)上提升能力，滿足我國道路行駛要求。

(2)我國礦井上部地層復(fù)雜且區(qū)域差異較大，鉆機(jī)的工藝適應(yīng)性還要加強(qiáng)。

(3)提高起下鉆效率及自動化程度，縮短輔助工序時間。

(4)鉆機(jī)配套底盤在特殊路面的越野性能不足、機(jī)動性有待提升。

2 車載鉆機(jī)總體方案設(shè)計

生命保障孔施工側(cè)重于快和準(zhǔn)，要求快速、準(zhǔn)確地定向鉆進(jìn)。大直徑救援井的施工側(cè)重于鉆機(jī)能力大和鉆進(jìn)速度快，要求快速形成大直徑井[9-10]。因此，車載鉆機(jī)應(yīng)具備大起拔力、大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和多工藝適應(yīng)性，能夠滿足正循環(huán)、空氣反循環(huán)、氣舉反循環(huán)、孔底局部密封反循環(huán)、泡沫鉆進(jìn)等多類型鉆進(jìn)工藝的要求，具備定向鉆進(jìn)和大直徑空氣潛孔錘鉆進(jìn)功能。為提高鉆機(jī)的機(jī)動性，尺寸和質(zhì)量應(yīng)滿足上路許可，鉆機(jī)采用主機(jī)、動力泵站、操縱室分體式結(jié)構(gòu)；設(shè)計換桿系統(tǒng)、連續(xù)卸口鉗，配合液壓提引裝置減少擰卸扣次數(shù)并提高起下鉆效率。研制了ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機(jī)，如圖4 所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖4 ZMK5550TZJF50/120 救援鉆機(jī)Fig.4 ZMK5550TZJF50/120 rescue power head

表1 ZMK5550TZJF50/120 救援鉆機(jī)Table 1 Parameters of ZMK5550TZJF50/120 rescue drilling rig

3 鉆機(jī)主要部件設(shè)計

車載鉆機(jī)主要由動力頭、給進(jìn)裝置和專用底盤等部件組成。

3.1 動力頭

動力頭也稱頂驅(qū)，負(fù)責(zé)提供鉆桿的轉(zhuǎn)矩并傳遞給進(jìn)力和起拔力，是鉆進(jìn)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由拖板、沖管總成、回轉(zhuǎn)器、旋轉(zhuǎn)頭及其附件組成(圖5)。為解決現(xiàn)有車載鉆機(jī)動力頭轉(zhuǎn)矩較小，不能滿足大直徑救援鉆孔施工對轉(zhuǎn)矩的需求，本鉆機(jī)采用4 個擺線馬達(dá)通過一級減速齒輪箱將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆桿，帶動鉆頭破巖。采用液控式雙速變量馬達(dá)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩具有較大調(diào)節(jié)區(qū)間，滿足不同類型和尺寸鉆頭的施工要求。

圖5 動力頭結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the power head

回轉(zhuǎn)器上部安裝有沖管總成，沖管總成具有常規(guī)通徑和大通徑2 種，可以滿足正循環(huán)和反循環(huán)鉆進(jìn)，適應(yīng)不同的鉆進(jìn)工藝。主軸采用大通孔式結(jié)構(gòu)，主軸連接的上接頭和沖管采用相同的內(nèi)通徑，解決了反循環(huán)鉆進(jìn)由動力頭返渣通道內(nèi)臺階造成的流體紊亂，引起返渣不暢與過度磨損的問題[11-12]。

定向鉆進(jìn)時要求孔底馬達(dá)工作過程中鉆具應(yīng)保持不動。動力頭箱體上設(shè)計了液壓卡鉗，夾緊與主軸連接的剎車盤，使主軸制動，承載孔底馬達(dá)的反轉(zhuǎn)矩。采用主軸制動和回轉(zhuǎn)角度精確調(diào)整的功能來調(diào)整孔底馬達(dá)的方位角，從而實現(xiàn)定向鉆進(jìn)。設(shè)置翹起油缸，可向上翹起70°，與換桿系統(tǒng)配合使用，降低起下鉆作業(yè)的勞動強(qiáng)度。設(shè)計了旋轉(zhuǎn)頭，可實現(xiàn)液壓提引裝置的角度變換。

動力頭具有承載大、負(fù)載變化頻繁、沖擊大的特點。使用ABAQUS 軟件進(jìn)行了有限元分析，依據(jù)動力頭實際工況，在主通孔施加50 000 N·m 的轉(zhuǎn)矩和1 200 kN 的下拉力。首次計算結(jié)果顯示，回轉(zhuǎn)器箱體端面與筋板連接處最大應(yīng)力達(dá)到了613 MPa，超出許用應(yīng)力345 MPa，存在塑性變形隱患。箱體端面連接處將圓柱殼體的軸向受力轉(zhuǎn)變?yōu)榱嘶剞D(zhuǎn)器箱體的端面受力，同時端面剛度較低，造成了回轉(zhuǎn)器端面與殼體連接處應(yīng)力大的問題。因此，在圓柱殼體與齒輪箱之間增設(shè)加強(qiáng)筋，將原來的前后側(cè)筋板由1 處增加為3 處，將左右側(cè)筋板由2 處增加為3 處。優(yōu)化后的模型再次進(jìn)行有限元模擬，重新計算結(jié)果顯示，箱體前端出現(xiàn)最大彈性變形1.04 mm，圓柱殼體與箱體端面連接處的應(yīng)力明顯降低，最大應(yīng)力為240.1 MPa(圖6)，滿足使用需求[13-14]。

圖6 動力頭箱體有限元分析Fig.6 Finited element analysis of the power head

3.2 伸縮桅桿式給進(jìn)裝置

伸縮桅桿式給進(jìn)裝置由天車輪組、給進(jìn)油缸、起拔鋼絲繩、一級和二級給進(jìn)機(jī)身、給進(jìn)鋼絲繩、鋼絲繩張緊輪、調(diào)角浮動托板等部件構(gòu)成[15]。采用鋼絲繩倍速機(jī)構(gòu)，主要由上下2 個滑輪組、給進(jìn)油缸和鋼絲繩組成，從左向右為起拔過程，從右向左為給進(jìn)過程。當(dāng)油缸上腔通油，帶動上下滑輪組向下運動，通過鋼絲繩帶動動力頭上向下運動。采用動滑輪倍速機(jī)構(gòu)，降低了給進(jìn)行程對給進(jìn)機(jī)身長度的要求，同時降低了整個給進(jìn)裝置的重心，給進(jìn)油缸行程為7 m，動力頭行程為14 m，最大起拔力1 200 kN，如圖7 所示。

圖7 給進(jìn)裝置Fig.7 The feeder device

起拔鋼絲繩受力大，常規(guī)設(shè)計的2 根鋼絲繩2 組滑輪的結(jié)構(gòu)造成天車輪直徑大、質(zhì)量大，且給進(jìn)裝置的重心較高，不利于鉆機(jī)起拔能力的提升。本鉆機(jī)設(shè)計了2 根鋼絲繩4 組天車輪的結(jié)構(gòu)，可減小繩徑，延長鋼絲繩使用壽命，并減輕了天車輪質(zhì)量。

鉆機(jī)桅桿為細(xì)長桿件結(jié)構(gòu)，強(qiáng)力起拔時機(jī)身會產(chǎn)生彎曲變形，對機(jī)身剛度的要求很高。以三分之二行程處進(jìn)行有限元分析，施加轉(zhuǎn)矩60 000 N·m，施加起拔力1 500 kN 除去應(yīng)力奇點，平均應(yīng)力小于屈服應(yīng)力345 MPa，最大彈性變形14.608 mm，發(fā)生在缸桿與機(jī)身接觸點，上下遞減，不影響鉆機(jī)性能[16]。給進(jìn)裝置應(yīng)變及應(yīng)力云圖如圖8 所示。

圖8 給進(jìn)裝置應(yīng)變及應(yīng)力Fig.8 The stress and strain nephogram of the feeder device

3.3 專用底盤

高機(jī)動性是車載鉆機(jī)在救援施工中的優(yōu)勢，車輛底盤作為鉆機(jī)的運輸載體其性能優(yōu)劣也對救援效率有一定的影響。底盤首先需滿足運輸和鉆進(jìn)工況時的承載能力，保證有良好的穩(wěn)定性和安全性；考慮長距離轉(zhuǎn)場運輸需求，應(yīng)滿足道路運輸要求；救援作業(yè)路況情況一般較差，有時甚至是臨時開辟的道路，底盤必須有較強(qiáng)的越野能力和良好的通過性；部分礦山會存在連續(xù)轉(zhuǎn)彎下坡路段，要求底盤具有較好的制動能力[17-18]。

本鉆機(jī)配套10×8 重型特種越野底盤，采用前二橋轉(zhuǎn)向，中間車橋隨動，最小轉(zhuǎn)彎半徑35 m，具有較好的通過性及道路適應(yīng)性，如圖9 所示。發(fā)動機(jī)最大功率338 kW，最大轉(zhuǎn)矩2 110 N·m，動力強(qiáng)勁，滿足礦區(qū)越野行駛要求。外廓尺寸及整備質(zhì)量符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》要求，滿足公路行駛。配備有發(fā)動機(jī)制動系統(tǒng)有效解決了長距離下坡道時車輪過熱、輪轂老化過快、剎車性能下降等問題，提高了行駛安全性。

圖9 專用底盤Fig.9 Special chassis

前后支腿在鉆機(jī)達(dá)到救援井施工孔位后伸出，將鉆機(jī)底盤撐起，調(diào)整鉆機(jī)整體的平衡性和鉆機(jī)給進(jìn)裝置的垂直度，確保鉆機(jī)施工過程中的穩(wěn)定性。

4 液壓系統(tǒng)及動力泵站

本鉆機(jī)屬于大型設(shè)備，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能差異大、零散分布，采用液壓傳動的方式。

液壓系統(tǒng)(圖10)為整機(jī)提供動力并進(jìn)行控制。柴油發(fā)動機(jī)通過分動箱帶動8 個液壓泵，其中主回路由4 個液壓泵并聯(lián)，實現(xiàn)動力頭的快速回轉(zhuǎn)、給進(jìn)裝置的快速給進(jìn)起拔；2 個輔助液壓泵并聯(lián)，實現(xiàn)動力頭的慢速回轉(zhuǎn)、給進(jìn)裝置的慢速給進(jìn)起拔、卷揚的提升與下放、給進(jìn)裝置的調(diào)角起降、鉆機(jī)支腿的穩(wěn)固等；2 個輔助泵并聯(lián)用于散熱系統(tǒng)的驅(qū)動與控制[19-21]。

圖10 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理Fig.10 Principle of the drilling rig hydraulic system

為了提高救援鉆機(jī)的可靠性，動力元件采用小排量泵并聯(lián)驅(qū)動供油，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用馬達(dá)、雙油缸并聯(lián)驅(qū)動；為保障操作安全，提高系統(tǒng)冗余度，滿足救援可靠性。關(guān)鍵回路上均設(shè)置了壓力、流量傳感器，可實時監(jiān)測電液控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)；電氣互鎖及液壓互鎖，可有效防止誤操作。

根據(jù)鉆機(jī)的動力頭工況要求回轉(zhuǎn)回路速度剛性好，壓力隨負(fù)載變化，因此，該回路采用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)驅(qū)動。液壓泵只需提供與執(zhí)行元件負(fù)載相匹配的壓力、流量，系統(tǒng)中不再產(chǎn)生過剩壓力和過剩流量，具有顯著的節(jié)能效果。通過液控式負(fù)載敏感閥方便地實現(xiàn)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向和速度的調(diào)節(jié)，并具有很寬的調(diào)速范圍；輸出流量恒定，避免泵容積效率變化對轉(zhuǎn)速的影響，提高了回轉(zhuǎn)回路的剛性。

鉆機(jī)采用分體結(jié)構(gòu)，在動力泵站與主機(jī)車之間的高壓回路設(shè)置有安全閥及泄荷回路，開機(jī)時泄荷回路關(guān)閉，鉆機(jī)正常工作，停機(jī)時泄荷回路自動實現(xiàn)動力站與主機(jī)車之間管路泄荷，從而避免了避免管路拆裝過程中憋壓造成安全事故。動力站上設(shè)置了高壓過濾器，防止油管拆裝過程中的油液污染問題。

5 鉆具自動加卸系統(tǒng)

鉆具自動加卸系統(tǒng)主要用于鉆具的加桿、甩鉆作業(yè)，以及鉆桿與動力頭的快速連接，從而實現(xiàn)安全、高效的起下鉆作業(yè)，由HG2-01 型換桿裝置、液壓提引裝置、自動擰卸裝置組成。

5.1 HG2-01 型換桿裝置

換桿裝置主要用于鉆桿在鉆桿架與井口平臺間的移動，機(jī)身兩側(cè)設(shè)計了2 種不同尺寸的擺桿結(jié)構(gòu)，通過油缸驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)，由擺桿前端掛鉤實現(xiàn)從鉆桿箱或地面取放鉆桿。底座主要負(fù)責(zé)穩(wěn)固及機(jī)身的調(diào)角，液壓馬達(dá)帶動鏈條驅(qū)動滑動小車具備給進(jìn)功能，可將鉆桿沿軸線方向上伸出。調(diào)角油缸可實現(xiàn)機(jī)身角度調(diào)節(jié)。3 部分協(xié)同工作負(fù)責(zé)將鉆桿從地面或鉆桿箱運移到井口平臺，如圖11 所示。

圖11 HG2-01 型換桿裝置Fig.11 HG2-01 type drill pipe changing device

5.2 液壓提引裝置

液壓提引裝置(圖12)主要用于起下鉆中動力頭主軸與鉆桿間的快速連接，采用液壓驅(qū)動，由液壓缸的伸縮帶動連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)左、右活門的打開和關(guān)閉，可換內(nèi)襯用于提升不同規(guī)格的管柱。起下鉆時，以夾緊鉆桿接頭的方式完成與鉆桿的連接，替代常規(guī)動力頭與鉆柱螺紋連接的方式，實現(xiàn)鉆桿與動力頭回轉(zhuǎn)器主軸的自動快速連接，提高起下鉆效率。

圖12 液壓提引裝置Fig.12 Hydraulic lifting device

5.3 自動擰卸裝置

自動擰卸裝置由旋扣鉗、沖扣鉗和大滑車總成組成，具有手動、自動雙控功能，負(fù)責(zé)鉆具自動化擰卸，卸扣轉(zhuǎn)矩和夾緊力可調(diào)，可實現(xiàn)一鍵擰卸扣作業(yè)。

底座采用平行導(dǎo)軌設(shè)置，實現(xiàn)卸扣鉗總成和頂部旋扣鉗前后平移。沖扣鉗和背鉗后部分別設(shè)有夾緊油缸，油缸杠桿設(shè)計為增力式結(jié)構(gòu)，通過“V”形牙板實現(xiàn)對鉆具接頭的夾緊。鉗體對中方式滑軌式結(jié)構(gòu)，鉗體通過滑車可以對中鉆具。夾緊鉗、背鉗之間設(shè)有半圓形導(dǎo)軌，夾緊鉗可相對背鉗可轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鉆桿、鉆鋌接頭的上、卸扣工作。油缸驅(qū)動沖扣鉗旋轉(zhuǎn)完成鉆具接頭上扣和沖扣作業(yè)。旋扣鉗通過油缸驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)夾緊鉆具接頭、4 個液壓旋扣馬達(dá)驅(qū)動摩擦輪實現(xiàn)快速旋扣動作，如圖13 所示。自動擰卸裝置設(shè)計參數(shù)見表2。

圖13 自動擰卸裝置Fig.13 Automatic screw unloading device

表2 自動擰卸裝置設(shè)計參數(shù)Table 2 Automatic unscrew device design parameters

6 車載鉆機(jī)性能檢測

為驗證鉆機(jī)的能力和部件機(jī)械強(qiáng)度剛性，采用靜載性能檢測回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和起拔力。將檢測用鉆桿連接到車載鉆機(jī)動力頭處，另一端連接鉆桿接頭，使其法蘭端朝下，使檢測用鉆桿與檢測平臺預(yù)埋鉆桿盡可能同軸，以減少檢測時的數(shù)據(jù)誤差。

將拉力傳感器的下端連接到預(yù)埋鉆桿的法蘭盤上，拉力傳感器的上端連接提升力檢測用工裝，檢測用鉆桿下端的法蘭連接另一個提升力檢測用工裝，鉆機(jī)動力頭下行，使2 個提升力檢測用工裝距離1 m 左右，將鋼絲繩穿過兩個提升力檢測用工裝的圓環(huán)，用繩扣鎖緊。拉力傳感器和提升力檢測用工裝連接完成后，將拉力傳感器儀表與傳感器連接。傳感器通電后，鉆機(jī)停止回轉(zhuǎn)動作，調(diào)節(jié)提升調(diào)速控制手柄，由低到高逐漸加載，在系統(tǒng)壓力達(dá)到額定壓力34 MPa 時，顯示儀表顯示車載鉆機(jī)最大提升力為1 205 kN。測量過程中，系統(tǒng)無異常泄漏，給進(jìn)系統(tǒng)鋼絲繩不打扭，無異響和不正常的打滑現(xiàn)象。提升力檢測如圖14 所示。轉(zhuǎn)矩傳感器上端與檢測用鉆桿下端的法蘭連接，在檢測平臺預(yù)埋鉆桿的上端法蘭處安裝萬向聯(lián)軸器(萬向聯(lián)軸器兩端法蘭的連接尺寸和轉(zhuǎn)矩傳感器以及鉆桿接頭相同)，鉆機(jī)動力頭下行，使轉(zhuǎn)矩傳感器的另一端和萬向聯(lián)軸器的一端連接。轉(zhuǎn)矩傳感器和工裝連接完成后，將轉(zhuǎn)矩傳感器儀表與傳感器連接。傳感器通電后，鉆機(jī)停止給進(jìn)起拔動作，動力頭在低速檔的狀態(tài)下，調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)調(diào)速控制手柄，由低到高逐漸加載，在系統(tǒng)壓力達(dá)到額定壓力34 MPa 時，顯示儀表顯示車載鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為51 350 N·m，超過設(shè)計要求。測試過程中，系統(tǒng)無異常泄漏，齒輪箱無異響，工作正常。鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩檢測如圖15 所示。

圖14 提升力檢測Fig.14 Lifting force detection

圖15 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩檢測Fig.15 Rotary torque detection

7 工業(yè)性試驗

地面救援車載鉆機(jī)及配套裝備研制完成后，車載鉆機(jī)通過自主行走，配套裝配采用托運的方式發(fā)送至國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)梅花井礦，開展大直徑救援井示范工程施工，同時進(jìn)行工業(yè)性試驗。

7.1 示范工程現(xiàn)場地層情況

地面救援工程試驗井位布置于副立井工業(yè)廣場，位于+697 m 水平車場上方，地層為大傾角、造斜能力強(qiáng)不易控制井斜，巖層偏軟、含水，該地區(qū)的鉆孔施工常因出現(xiàn)涌水、漏失、縮徑、坍塌等造成鉆孔事故。其中，梅花井礦有4 個含水層，對本次示范工程影響較大的是侏羅系直羅組，每小時達(dá)涌水量50 m3，地層情況見表3。

表3 示范工程現(xiàn)場地層Table 3 Stratum of demonstration project site

7.2 施工工藝流程

依據(jù)示范工程要求，本次施工采用多種工藝相結(jié)合的方式：

(1)覆蓋層(表層段)采用全套管鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆進(jìn)施工，采用聲波測距法進(jìn)行角度與井底位移偏差測量。

(2)先導(dǎo)孔采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，采用高精度MWD 測量探管，加密測量，提高定向鉆進(jìn)軌跡控制進(jìn)度與測量精度，確保二開中完靶心距不高于1.5 m。

(3)二開主要采用集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工，密封方式為井底軟密封方式；地層出水較大，潛孔錘難以工作時，采用PDC 鉆頭多級擴(kuò)孔工藝進(jìn)行施工。

(4)三開采用?580 mm 單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工。

7.3 井身結(jié)構(gòu)

(1)一開：?1 200 mm 全套管鉆進(jìn)(或旋挖鉆進(jìn))至穩(wěn)定基巖層以下5 m，井深約40 m，下入?920 mm 鋼套管，常規(guī)水泥固井。

(2)二開：?830 mm 鉆進(jìn)至二開中完井深(井深629 m)，下入?630 mm 鋼套管，內(nèi)插法固井。

(3)三開：?580 mm 單體式潛孔錘鉆進(jìn)至完鉆井深(+697 m 水平)，安全透巷后，完成現(xiàn)場試驗，下入?508 mm 的石油套管，利用下入擠入方法實現(xiàn)固井。

井身結(jié)構(gòu)如圖16 所示。

圖16 大直徑救援井井身結(jié)構(gòu)Fig.16 Large diameter rescue well shaft structure

7.4 工業(yè)性試驗效果

工業(yè)性試驗現(xiàn)場如圖17 所示，試驗完井直徑830 mm、深度624.1 m，平均機(jī)械鉆速3.1 m/h，透巷井深654.1 m。施工過程中克服了施工條件惡劣、地層情況復(fù)雜等困難，使用了全套管鉆進(jìn)工藝、泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝、定向鉆進(jìn)工藝、集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝、PDC 鉆頭多級擴(kuò)孔工藝、單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝等多種鉆進(jìn)工藝，同時配套使用了?127、?177.8、?165、?346.07、?203、?580、?830 mm 等多種直徑的鉆桿、鉆鋌、鉆頭、潛孔錘等鉆具。在驗證性能檢測結(jié)果的前提下，對ZMK5550TZJF50/120 型車載鉆機(jī)、鉆具自動加卸系統(tǒng)形成的成套裝備可靠性、適用范圍、多工藝適應(yīng)性、施工效率進(jìn)行了全面檢驗。

圖17 工業(yè)性試驗現(xiàn)場Fig.17 Industrial test site

ZMK5550TZJF50/120 型車載鉆機(jī)方面，回轉(zhuǎn)裝置解決了現(xiàn)有鉆機(jī)箱體進(jìn)漿等難題，提高了結(jié)構(gòu)件的使用壽命，大主軸通孔、大調(diào)速范圍提高了鉆機(jī)的工藝適應(yīng)性；給進(jìn)裝置關(guān)鍵零部件可靠性高，具備磨損補償調(diào)節(jié)、鉆壓實時監(jiān)測、孔深實時測量和起拔鋼絲繩防扭轉(zhuǎn)張緊功能，可指導(dǎo)司鉆操作鉆機(jī)；電液雙控液壓系統(tǒng)使鉆機(jī)表現(xiàn)出了良好的操縱性，多冗余設(shè)計有效避免了誤操作對鉆機(jī)安全運行的影響，提高了鉆孔施工效率；動力系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)可對發(fā)動機(jī)危險工況進(jìn)行預(yù)判保護(hù)、緊急關(guān)斷及安全停車，保障設(shè)備和人員安全。

鉆具自動加卸系統(tǒng)方面，對換桿裝置、液壓提引裝置、自動擰卸裝置的工藝匹配性進(jìn)行了驗證，平均起下鉆效率小于3 min/根。結(jié)果表明車載鉆機(jī)鉆具自動加卸系統(tǒng)在實驗過程中安全、高效、可靠。可實現(xiàn)鉆桿在鉆井平臺和鉆桿排放架之間的高效移動以及鉆桿與動力頭之間的快速連接。實現(xiàn)起下鉆作業(yè)由人力參與向人工控制的轉(zhuǎn)變，提高起下鉆效率、減輕工人勞動強(qiáng)度、提高安全操作水平。

8 結(jié) 論

a.ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機(jī)采用分體式布局，解決了鉆進(jìn)能力提升與整機(jī)質(zhì)量尺寸間的矛盾，滿足道路運輸要求，能充分發(fā)揮鉆機(jī)的高機(jī)動性；鉆機(jī)最大提升力1 200 kN、最大轉(zhuǎn)矩50 000 N·m，具備施工大直徑鉆孔和處理事故能力。

b.研制了滿足多鉆進(jìn)工藝的大能力動力頭，調(diào)速范圍廣，配備可快速拆換式?jīng)_管，可滿足小直徑生命保障孔和大直徑救援井2 種救援通道的施工需要；給進(jìn)裝置采用兩根鋼絲繩4 組天車輪結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了天車架的受力條件，減小了鋼絲繩繩徑，大幅度提高了鋼絲繩使用壽命。

c.鉆具自動加卸系統(tǒng)可實現(xiàn)鉆桿在鉆井平臺和鉆桿排放架之間的高效移動以及鉆桿與動力頭之間的快速連接。實現(xiàn)了起下鉆作業(yè)由人工向機(jī)械化的轉(zhuǎn)變，提高了起下鉆效率、減輕了工人勞動強(qiáng)度、提高了安全操作水平。

d.地面救援車載鉆機(jī)在寧夏梅花井礦完成了直徑830 mm、深度624.1 m 救援井的施工，平均機(jī)械鉆速3.1 m/h，透巷井深654.1 m，具備600 m 深度范圍內(nèi)的鉆孔救援能力，為我國大直徑救援井施工提供了裝備保障。同時還可拓展應(yīng)用于礦山電纜井、通風(fēng)井、輸料井、排水孔、瓦斯強(qiáng)排井等的施工，具備較好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。