探放水鉆機開孔扶正器研制及應用

劉向前

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

2019 年8 月，山西省應急管理廳印發(fā)《山西省煤礦防治水“三專兩探一撤”規(guī)定》的通知后，山西省內的煤礦防治水工作必須堅持“預測預報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則；同時要求煤礦企業(yè)嚴格遵守防治水“三專兩探一撤”規(guī)定，指煤礦需按要求配備防治水專業(yè)技術人員、建立專門的探放水隊伍、配齊專用的探放水設備，采用物探、鉆探等方法進行探放水，且在遇到重大險情時必須立即停產撤人等工作的統稱。山西天地王坡煤業(yè)有限公司嚴格按照“有掘必探、先探后掘”的煤礦防治水原則進行探放水，掘進前在工作面迎頭做好探放水工作，提前排除了掘進和受影響范圍內的水害威脅，保障安全生產。

通過長時間的探放水鉆孔施工，王坡煤業(yè)發(fā)現在實際施工過程中，對掘進工作面迎頭進行探放水時，考慮工作面留有余煤和安全距離，探水鉆機前端夾持器不能緊貼煤壁，在開孔過程中鉆桿擺動較大，特別是與工作面成扇形布置的兩幫鉆孔，很難切入煤壁，不僅施工效率低而且鉆孔軌跡跑偏，給安全生產帶來了極大的隱患。

為了解決上述問題，優(yōu)化煤礦井下探放水鉆機施工作業(yè)流程，減少作業(yè)人數，降低勞動強度，提高施工效率，已經成為王坡煤業(yè)探放水作業(yè)安全高效施工亟待解決的難題。通過分析作業(yè)現場情況及實際工作需要，研制出了一種輔助探水鉆機開孔固定裝置，該設備是鉆孔施工過程中用來精確控制鉆孔開孔參數、安全高效開孔的一種裝置。

2 工作面情況

此次設備研制與試驗在王坡煤業(yè)3303 運輸順槽智能綜掘工作面進行。3303 運輸順槽智能綜掘工作面位于王坡煤礦井下三采區(qū)北翼，根據《防治水分區(qū)管理論證報告》，該區(qū)域屬可采區(qū)。工作面水文地質條件較簡單，正常涌水量0.5 m3/h，最大涌水量1 m3/h，涌水來源主要為3 號煤層上覆砂巖、粉砂巖等裂隙水，此含水層主要以靜水量為主，在掘進時，該裂隙水將通過錨桿、錨索孔、煤巖裂隙滲入巷道。依據《山西天地王坡煤業(yè)有限公司礦井水文地質類型報告》，奧灰水水頭標高為+528—+530 m，而3303 運輸順槽底板等高線均在+528 m 以下，為帶壓區(qū)域，3 號煤層與奧灰水存在有90 m 左右隔水煤巖段，通過計算該巷帶壓區(qū)域突水系數小于0.02 MPa/m，突水危險系數小，四周無采空區(qū)，地表無水體。

3 探水鉆機設備參數

天地王坡3303 運輸順槽智能綜掘工作面探水隊現采用探水鉆機主要為ZYJ-800/200 型架柱式液壓回轉鉆機，生產廠家為山東祥德機電有限公司，適用于各種復雜條件及巖層巷道下的放頂鉆孔、放水孔、電纜孔、瓦斯排放孔、地質資料孔等范圍，回轉裝置連接的滑架可在臺滑上移動，油缸推進行程為1 300 mm，具有廣泛適用性。鉆機具有結構合理、技術先進、工藝適應性強、操作安全可靠、解體性好、搬運維修方便等特點。

如圖1 所示，ZYJ-800/200 型架柱式液壓回轉鉆機采用分組式布局，合理新穎的解體性結構設計，全機由主機、操作臺和泵站3 部分組成，各部分之間用高壓膠管連接，宜于方便地移機和穩(wěn)固，減輕了工人勞動強度。ZYJ-800/200 架柱式液壓回轉鉆機基本參數如下：

圖1 探水鉆機構造Fig.1 Structure of water drilling rig

4 探水鉆機開孔扶正器技術原理

王坡煤業(yè)在探放水鉆孔施工過程中發(fā)現，受工作面有余煤的影響及為與工作面迎頭保持一定安全距離等因素考慮，鉆機前端不能緊貼煤壁（一般留有1～1.5 m 距離），造成開孔時鉆桿和鉆頭擺動較大，鉆頭無法快速切入煤壁（特別是兩幫鉆孔斜切入煤壁需要浪費更長時間），嚴重跑偏，導致無法按相關設計要求快速、準確開孔，必須由人工采取措施在前端控制鉆桿和鉆頭擺動，既存在安全隱患還費時費力，且不能保證鉆孔參數（方位及傾角）按照設計要求一次性開孔成功。結合王坡煤業(yè)現場實際情況和工作需求，研發(fā)了一種焊接固定在探水鉆機機架兩側的鉆桿固定裝置，即探水鉆機開孔扶正器。

探水鉆機開孔扶正器原理是在探水鉆機前端加裝一個下部為梯形和上部為圓環(huán)的組合固定裝置，施工探水鉆孔時鉆桿穿過固定裝置上部圓環(huán)中心，使鉆桿旋轉擺動受固定裝置限制，限制鉆桿在轉動過程中旋轉運動所帶來的擺動幅度，從而使鉆桿可以更快、更精準的切入煤壁，提高施工效率。探水鉆機開孔扶正器如圖2 所示。

圖2 探水鉆機開孔扶正器Fig.2 Opening centralizer of water exploration drilling rig

同時，綜合探水鉆機結構、現場施工情況以及施工過程中遇到的問題，在不影響鉆機各項性能的基礎上，只是在探水鉆機機架兩側焊接固定管套用于安裝可伸縮的扶正器，扶正器可根據現場施工要求進行伸縮調節(jié)，使扶正器盡可能的貼近煤壁，保證開孔精度；在空間較小的巷道中也可縮短扶正器的伸縮長度，使鉆機可以更好的施工鉆孔，提高了扶正器的適用范圍。探水鉆機開孔扶正器安裝設計如圖3 所示。

圖3 探水鉆機開孔扶正器安裝示意Fig.3 Installation of drilling centralizer of water drilling rig

5 應用效果

5.1 加快施工鉆孔開孔速度

王坡煤業(yè)3303 運輸順槽智能綜掘工作面在安裝使用探水鉆機開孔扶正器前，施工探水鉆孔前需使用風鎬人工破煤（巖）體做切入孔，所耗費時間累計至少需要1 h；使用探水鉆機開孔扶正器后無需人工風鎬破煤（巖）體做切入孔，提高探放水鉆孔有效施工時間，每次探放水作業(yè)2 個班次施工時間共計16 h，可節(jié)省1 h，效率提升6.25%。

5.2 施工鉆孔角度精準定位

在安裝使用探水鉆機開孔扶正器前，施工探水鉆孔需要有專人在煤壁前方使用輔助工具輔助鉆桿平穩(wěn)運轉，由于是人工輔助鉆桿運轉，不僅輔助定位精度不佳，而且容易對人造成傷害；在安裝使用探水鉆機開孔扶正器后，由扶正器代替人工輔助鉆桿運轉，既解決了人工輔助鉆孔切入定位不精確可能造成的誤差，而且也避免鉆桿掉落砸傷輔助人員的安全隱患。

5.3 施工探水鉆孔軌跡精度

在安裝使用探水鉆機開孔扶正器后，探水鉆機軌跡偏移程度降低，鉆孔軌跡精度提高約5%，降低了探水鉆孔的偏移范圍，使探水鉆孔軌跡更接近探放水設計。

6 結語

探水鉆機開孔扶正器可以有效控制鉆桿的擺動幅度，減小鉆桿的擺動，使鉆頭快速切入煤體，提高鉆孔精度。經過王坡煤業(yè)3303 運輸順槽智能綜掘工作面現場實驗和實際工作使用，所獲得的結果和反饋基本符合預期效果，驗證了該設備的可靠性和安全性。探水鉆機開孔扶正器可以廣泛地應用于井下探放水鉆機和跨皮帶施工瓦斯抽放鉆機，能有效減少人員勞動強度，提高鉆孔施工效率，同時避免了人工扶持鉆桿可能造成的安全隱患，提高了鉆孔施工的安全性，應用效果顯著。