瓦斯抽采孔離心式機械造穴增透機制及裝備研發

畢 猛 ，董 群 ，周建偉 ，高保彬 ，劉彥偉 ，史 進

（1.山西王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 034000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.山西潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治 046103；4.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000）

應用于煤層瓦斯抽采卸壓過程中的造穴技術是一種瓦斯強化抽采手段，通過各種方法對鉆孔進行二次擴孔形成數個直徑大于300 mm 的洞穴，以此增加煤層暴露面積，達到卸壓增透效果[1]。

目前常用的多種造穴方式主要有水力射流造穴和機械造穴[2-3]。水力造穴作業在順層巷道和底板巷對煤層瓦斯卸壓增透、提高瓦斯抽采治理效果上取得了廣泛的應用[4-6]，但在頂板巷應用效果不佳，其原因在于從頂板巷向下施工進行鉆孔及造穴作業時孔內往往布滿積水的淹沒環境，而水力造穴在淹沒環境下水射流破煤的深度和效果與非淹沒環境相比大打折扣。此外下向鉆孔普遍存在著排渣排水困難，孔內煤渣和積水也極大影響抽采效果。

眾多學者的研究表明[7-13]機械造穴具有造穴半徑可控，作業時間短的優點，并驗證了其應用效果，但上述機械造穴裝置均需要液壓裝置或者轉換高壓水將縱向推力轉換為刀臂開合動力，與水力造穴相同，在進行長鉆孔造穴作業中因鉆孔深度增加以及鉆桿間連接所造成的壓力損失隨之增加，在超過一定深度后造成壓力不足支持刀具打開，難以保證造穴效果，同時對水泵等設備提出更高要求。為此，研發了一種無需外力僅依靠自身進行開合的離心式機械造穴裝置，在保證機械造穴優點的同時還能克服因鉆孔深度加深對造穴設備開合的影響；實現頂板巷造穴技術的普遍應用，大幅縮減成本，減少瓦斯治理工程。

1 裝置結構及原理

1.1 裝置結構

相比于水力造穴，機械造穴由于擴孔刀臂長度固定，因此具有半徑可控的優點，基于當前長鉆孔造穴對水壓要求高，淹沒環境下水力造穴效果不佳的現狀，研制一款離心式機械造穴刀具，只需通過鉆桿帶動自身旋轉產生的離心力實現刀臂的打開，通過調節轉速來改變離心力大小進而控制刀臂打開角度，減少對外加動力的依賴的同時保證良好的造穴效果。機械刀示意圖如圖1。

圖1 離心式機械刀結構Fig.1 Centrifugal mechanical knife structure

離心式機械刀采用雙刀臂結構，由刀體、可旋轉活動的刀臂﹑齒條、回位彈簧、旋轉軸銷、限位塊以及調節裝置等組成。機械刀刀體整體長度50 cm，兩側開槽，內置可繞旋轉軸活動的刀臂；刀臂單臂長度為280 mm，刀臂下端為圓形嚙合齒輪，刀臂切削面設置切削齒；刀體刀槽下部有限制刀臂張開角度的限位塊。機械刀沿中心軸線方向設置有齒條、回位彈簧、調節裝置，齒條中心為貫通孔用以過水，兩側為齒牙與刀臂嚙合齒輪咬合，回位彈簧兩端分別與調節裝置和齒條接觸，調節裝置通過螺紋擰進移動來調節彈簧初始彈力。刀臂展開后造穴直徑60 cm。

1.2 工作原理

離心式機械刀造穴流程如圖2。

圖2 離心式機械刀造穴流程Fig.2 Cavitation process of centrifugal mechanical knife

機械刀兩刀臂的打開由鉆桿旋轉帶動產生的離心力提供動力，閉合由回位彈簧拉動齒條提供動力。進行造穴作業時，通過增加鉆桿轉速，刀具刀臂在離心力的作用下慢慢打開，刀臂外側開始接觸并破碎煤體，此時刀體內部刀臂下方的嚙合齒向刀具內轉動，嚙合齒轉動帶動齒條向鉆進方向運動從而壓縮齒條前的彈簧，隨著轉速的增加，離心力不斷增大，刀臂打開角度也不斷增加，回位彈簧壓縮量增加，造穴刀臂角度慢慢增大至完全張開，同時刀臂在限位塊的作用下兩刀臂張角不再繼續增大，機械刀刀臂在周圍煤體形成1 個近似半球狀空洞，此時操作鉆機向孔底推送，確保刀臂與孔壁接觸切割煤體，鉆機推進，機械刀刀臂切割破碎煤體，最終在煤層中形成1 個圓柱狀孔洞。

機械刀臂切割煤壁完成單個造穴后，調低鉆桿轉速，離心力逐漸減小，齒條在回位彈簧的推動下向后復位，帶動刀臂根部嚙合齒輪轉動，刀臂逐漸閉合收回，完成單穴造穴作業。

刀臂打開時的角度與鉆桿轉速有關，理論上機械刀兩刀臂張開角度90°以上，鉆機推進后刀臂在前方煤層的推動下會向后逐漸完全張開。在實際應用中，為確保刀臂打開效果，通常在孔口進行開合試驗，將兩刀臂打開角度為120°時轉速作為打開轉速。

1.3 造穴卸壓增透機理

造穴卸壓增透機制如圖3。

圖3 造穴卸壓增透機制Fig.3 Cavitation pressure relief and permeability improvement mechanism

通過造穴增透手段對造穴煤體的增透機制與煤體卸荷損傷增透機制相同，在鉆孔成孔過程中，鉆孔周圍煤體應力重新分布，煤體受力破壞的應力變化過程可分為彈性階段、軟化階段和殘余階段3 個階段。造穴作業后，在鉆孔周圍的煤體相應形成彈性區、塑性區和破碎區[14]。

造穴過程相比于常規鉆孔，對煤體的卸荷和損傷破壞使得裂隙更加發育，開度不斷增大，增加了煤與空氣接觸面積，并且損傷使得煤基質不斷減小，煤體滲透性迅速上升，并在孔壁處達到最大，擴大了鉆孔周圍瓦斯流動場的影響范圍，突破了因煤體受切向和徑向應力在鉆孔周圍存在應力集中現象，導致瓦斯滲透受阻產生的“瓶頸效應”，增大了鉆孔抽采影響半徑，從而達到增透效果。

2 裝置力學分析及優化

2.1 離心力

機械刀的打開依賴刀臂在旋轉中產生的離心力，閉合則依賴回位彈簧的彈力，離心力的與彈簧之間相互配合保證刀臂的正常開合。

刀臂形狀可近似按矩形進行簡化，刀臂開合角度范圍為0°～90°，質心位置位于刀臂對角線交點，刀臂長28 cm，質心位置位于刀臂長14 cm 處，在刀臂打開過程中質心運動軌跡隨著刀臂打開角度的變化而變化，質心軌跡為一位于第一象限內半徑為R的圓心圓，其中質心坐標x、y與R之間關系及離心力F計算如下：

式中： θ為刀臂張開角度；R為刀臂質心到旋轉中心距離，R=0.14 m；F為離心力，N；m為刀臂質量，m= 2.376 kg； ω為角速度，；n為機械刀轉速，n=2 00 r/min ；r為半徑，r=0.14 m。

可知當刀臂完全打開至90°時離心力最大，約為146 N。

刀臂齒輪將刀臂受到的離心力在刀臂方向上的分力通過軸銷沿齒輪圓切線方向傳遞，且各處相同，忽略刀臂齒輪與齒條及軸銷間摩擦損失，由力矩公式可知，刀臂旋轉過程中刀臂所受離心力沿刀臂方向上的分力f1與刀臂齒輪位置處所受力f2有如下力矩關系：

式中：l1為齒輪圓到旋轉軸中心的距離，l1= 0.025 m；f1為 刀臂方向上的分力；f2為刀臂齒輪位置處所受力。

由式（5）可知當刀臂打開角度 θ為45°時，F在刀臂垂直方向上合力最大，由此得出此時彈簧受到的最大壓力f2約為1 050 N。

2.2 裝置結構靜力學分析

設計的離心式機械刀作業依靠轉速提供動力，因此根據設計與現場試驗情況，結合文獻[8]中的相關研究，設置旋轉速度為180 r/min 與90 r/min 2 種工況條件進行仿真分析，探究在不同轉速下離心式機械刀造穴破煤過程。

通過Soldworks 軟件建模后導入ABAQUS 仿真軟件對機械刀造穴過程分析，以確定裝置應力集中部位并驗證材料的合理性。刀身材質及參數默認為材料庫中45 結構鋼，刀臂材質擬采用65 Mn 鋼，其設置參數為：①彈性模量：198 600 GPa；②抗拉強度：735 MPa；③屈服強度：430 MPa；④密度：7.85 t/m3；⑤泊松比：0.282。仿真得到的轉速120 r/min 和180 r/min 機械刀破煤過程刀體及煤層應力如圖4。

圖4 轉速 120r/min 和 180 r/min 機械刀破煤過程刀體及煤層應力Fig.4 Mechanical cutter body and coal seam stress during coal breaking at speed of 120 r/min and 180 r/min

由圖4 可知：隨著擴穴刀具和煤接觸，離心式機械刀的刀臂受到煤的沖擊，在沖擊作用下刀臂表面出現應力集中；機械刀刀臂與刀體連接部位所受應力最大，為應力集中區，最大值均約為6 MPa；刀臂受煤體作用力將應力通過限位塊傳遞至刀身，2 種情況下的破煤過程刀具應力最大值相近，可推測不同轉速對刀具結構受力影響較小；而煤層在機械刀刀臂的切削作用下，機械刀轉動將切削力傳遞至前方煤層，當切削力超過煤體強度后，煤體發生損傷產生裂隙隨后崩裂；刀臂末端方向煤層內應力集中延伸范圍較大，甚至超過了刀臂旋轉方向范圍，這說明在機械刀破煤過程中，機械刀刀臂對周圍媒體的損傷卸壓效果顯著。

刀臂在開始切割媒體極短時間內存在應力迅速上升的情況，材質以普通鋼材極有可能在造穴鉆進過程中出現刀具磨損嚴重甚至刀臂及軸銷彎曲發生斷裂的可能，對此應提高刀臂固定點質量，其是注意靠近刀體一端刀臂的質量，防止機械刀在遇到較硬煤體時發生損壞現象。

2.3 優化處理

1）通過計算發現打開時的轉速是離心力及彈簧最小彈力的根本影響因素，在實際應用中可通過預設合理轉速和調節裝置實現彈簧彈力與轉速之間的匹配，確保離心式機械刀在鉆孔打鉆的低轉速下不打開，在造穴預設打開高轉速下正常打開。因此將完全打開時的轉速設置為170～180 r/min，打開最低轉速為90 r/min，造穴時以打開轉速保持2～3 min 待刀臂打開后向前推進再調低轉速以正常打鉆轉速造穴作業，防止馬達長時間高速旋轉，造成鉆桿損傷。通過機械刀開合試驗對絲徑3、4、5 mm 3 種不同彈簧的測試后選擇絲徑5 mm 外徑30 mm 的彈簧，再通過調節螺栓調節合適的彈簧彈力，使得轉速達到設定值后，刀臂能夠完全打開，同時造穴完成后能正常收回。

2）對機械刀整體加厚，刀體及打孔連接部位進行熱處理，提高耐磨性能和抗疲勞性能。刀臂及連接軸銷采用整體韌性和強度更佳的65 Mn 鋼，為進一步加強效果，在刀臂迎煤面鑲嵌yg6 硬質合金齒，減小刀臂磨損的同時高效破煤。除刀臂與刀身連接處外，刀臂與內部齒條的嚙合對刀臂實現正常功能同樣尤為重要，對此部分刀臂齒輪和內部齒條的優化通過參考文獻[15]中的參數設計對其進行了加厚處理，防止彎折斷裂。同時合理分配鉆頭、刀臂位置出水量，從而減少鉆頭煤堵現象，提高鉆進效率。

3 效果檢驗

為檢驗優化后機械刀造穴效果，同時對比離心式機械刀造穴與水力造穴鉆孔抽采效果，在山西某礦N1100 回風巷右幫鉆孔中開展離心式機械刀造穴試驗。分別選擇同一地質條件、同一最大造穴深度、單孔出煤量一致的5 個鉆孔進行對比，即機械造穴孔、水力造穴孔最大造穴深度均為140 m，其中機械造穴孔單穴造穴長度為2 m，造穴間距為5 m；水力造穴孔單穴造穴長度為1 m，造穴間距為8 m。

將離心式機械刀應用至現場初次試驗，使用離心式機械刀造穴時，首先在孔口試驗離心式機械刀刀臂轉化轉速，通過調節裝置使得機械刀刀臂在90 r/min 的轉速下能夠保持閉合狀態，記錄2個刀臂打開角度為120°時鉆桿轉速（180 r/min）。使用離心式機械刀造穴時，清水泵最高壓力為8 MPa。當到達造穴位置時，調整鉆機轉速至標記轉速，然后孔內機械刀刀臂隨著鉆桿離心力打開，利用刀臂切割煤體，同時開啟清水泵，調高壓力至6～8 MPa，用于沖刷孔內煤渣。通過對比機械造穴孔與水力造穴孔施工時間及抽采純量，考察二者的抽采效果及施工時間。N1100 回風巷右幫機械造穴孔和水力造穴孔參數表見表1。

表1 N1100 回風巷右幫機械造穴孔和水力造穴孔參數表Table 1 Parameters table of mechanical cavitation hole and hydraulic cavitation hole on right side of N1100 return air lane

3.1 裝置效果

在機械造穴孔、水力造穴孔成孔后，每個鉆孔安裝單孔流量計，每10 d 觀測1 次瓦斯體積分數和抽采純量，水力造穴孔抽采時間在40～50 d，機械造穴孔抽采時間多為30 d 左右，因此選擇抽采時間均為30 d 時的水力造穴與機械造穴鉆孔進行對比，鉆孔抽采瓦斯體積分數均在40%以上，無串孔、煤墻漏氣等異常情況。水力造穴和機械造穴單穴時間對比如圖5，N1100 回風巷右幫機械造穴孔和水力造穴孔抽采純量見表2。

表2 N1100 回風巷右幫機械造穴孔和水力造穴孔抽采純量Table 2 Mechanical cavitation hole, hydraulic cavitation hole pumping pure volume on right side of N1100 return air lane

圖5 水力造穴和機械造穴單穴時間對比Fig.5 Comparison of single hole time between hydraulic cavitation and mechanical cavitation

以S29 和S30 孔為例，傾角同為-1°，S30 利用水力造穴，共計造穴14 個，單穴出煤量1 t，單孔出煤量14 t，總用時581 min，單穴平均時長41 min，最短時間35 min；S29 利用離心式機械刀造穴，共計造穴23 個，單穴出煤量0.6 t，單孔出煤量13.8 t，總用時413 min，單穴平均時間為17.9 min，最短時間為8 min，部分造穴受巷道水量不足，時間較長，能達到35 min。

S11、S12、S13、S17、S30 水力造穴孔平均累計抽采瓦斯量為4 189.1 m3，平均萬米抽采純量為6.0 m3/（min·萬m），S28、S29、S32 機械造穴孔平均累計抽采瓦斯量為6 460 m3，平均萬米抽采純量為10.0 m3/（min·萬m）。即機械造穴孔比水力造穴孔多抽采瓦斯量為2 270.9 m3，平均萬米抽采純量為水力造穴孔的1.67 倍。

此外，離心式機械刀造穴過程中高壓水僅用于排渣，在驗證離心式機械刀造穴穩定后，隨后在該礦S3101 充填巷嘗試將其搭配麻花鉆桿進行機械造穴排渣，單穴長度1 m，造穴數量3 個，經編織袋稱重，單穴出煤量約0.3 t，造穴排渣效果顯著，全過程實現了干孔作業，形成的造穴孔內不存在積水，同時在更大程度上對煤層進行卸壓增透，提高瓦斯抽采效果。

3.2 問題探討

對比瓦斯抽采效果和作業時間，對于俯孔造穴來說，機械造穴鉆孔抽采效果優于水力造穴鉆孔，分析原因有2 個：

1）機械造穴孔煤穴表面積大于水力造穴孔。機械造穴鉆孔造穴數量為23 個，單穴長度為2 m，直徑為0.6 m，單個煤穴表面積為0.57 m2，煤穴總表面積為13.1 m2；水力造穴鉆孔造穴數量為14 個，單穴長度為1 m，直徑為1.0 m，單個煤穴表面積為0.79 m2，煤穴總表面積為11.1 m2；即機械造穴孔煤穴表面積多于水力造穴孔2 m2，煤穴表面積越大，瓦斯解吸量越大。

2）機械造穴排渣效果優于水力造穴。水力造穴時，高壓水分為2 部分：一部分從水刀噴嘴中呈射流割煤，另一部分從鉆頭前方流出沖刷煤渣；機械造穴利用刀臂切割煤體，高壓水全部用于沖刷煤渣；可以認為機械造穴依靠較多的水流量攜帶孔內煤渣至孔外的效果優于水力造穴，即孔內發生煤渣堵塞的概率低于水力造穴，抽采效果優于水力造穴。

基于以上分析可以看出，與水力造穴相比，優化后的離心式機械刀在進行機械造穴效果上優于水力造穴，具有施工時間短、造穴效果穩定的優點。在機械造穴應用方面，目前常用的機械刀大多依賴高壓水通過高低水壓轉換提供打開動力，而離心式機械刀開合動力由自身轉動提供，受水壓影響小，在進行長鉆孔造穴作業中表現會優于水力造穴及水驅機械刀機械造穴。

4 結 語

1）研發了一種通過鉆桿旋轉帶動產生的離心力作為開合動力的離心式機械造穴裝備，無需高壓水或液壓驅動，減少了高壓設備投入量。

2）對離心式機械刀內部結構及刀臂進行優化，驗證了具有結構簡單可靠、制作成本低、造穴半徑可控、作業時間短等優點。將其搭配麻花鉆桿和風力排渣等方式能夠實現干式造穴。

3）通過現場試驗與水力造穴相比，單穴作業時間縮短一半，相同鉆孔深度機械造穴孔比水力造穴孔多抽采瓦斯量為2 270.9 m3，平均萬米抽采純量為水力造穴孔的1.67 倍，對瓦斯安全高效抽采具有良好的應用效果。