鄔 迪，趙江鵬，徐鵬博

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

碎軟煤層瓦斯含量大、壓力高，煤層硬度低、透氣性差[1]，瓦斯綜合治理難度大。在碎軟煤層中施工順層鉆孔時易出現(xiàn)噴孔、塌孔、卡鉆等孔內(nèi)復(fù)雜情況，成孔困難[2]。僅僅依靠順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，往往不能滿足巷道條帶和回采工作面瓦斯區(qū)域治理需求。因此，順層鉆孔結(jié)合底抽巷穿層鉆孔是目前常采用的一種有效的瓦斯綜合治理方式。

由于缺乏專用鉆機及配套鉆進技術(shù)，目前施工底抽巷穿層鉆孔時，仍存在以下不足：

1）每組全傾角穿層鉆孔由5～9 個鉆孔組成，為達到均勻覆蓋待掘煤巷影響區(qū)，每個鉆孔需要調(diào)節(jié)不同傾角開孔參數(shù)?，F(xiàn)有鉆機在同一組穿層鉆孔之間調(diào)整傾角參數(shù)時，需要重新移動、穩(wěn)固、調(diào)整鉆機開孔傾角，調(diào)角操作復(fù)雜，影響綜合鉆進效率。

2）底抽巷空間狹小，鉆機運輸不便?，F(xiàn)有鉆機雖然設(shè)置了傾角快速調(diào)整裝置，但其只可在一個平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，鉆進主機與履帶車體垂直，導(dǎo)致鉆機寬度超限，影響鉆機運輸搬遷。

3）鉆機操縱臺固定在鉆機側(cè)后方，在進行大傾角鉆孔施工時，司鉆人員視線受阻，不利于觀察鉆機和鉆場情況，存在安全隱患。

基于此研制了底抽巷全傾角ZDY3600LQ 型履帶鉆機。

1 全傾角鉆機

1.1 鉆機結(jié)構(gòu)

根據(jù)底抽巷條件和全傾角穿層鉆孔鉆進工藝要求，綜合考慮鉆孔傾角、鉆孔深度、鉆進效率等各參數(shù)，制定了ZDY3600LQ 型履帶鉆機基本參數(shù)和整機結(jié)構(gòu)[3]。鉆機外形圖如圖1。新型鉆機既能快速調(diào)整開孔傾角，又縮小了運輸尺寸，還可清晰觀察鉆孔施工情況，具有搬遷運輸方便、全傾角鉆孔施工效率高、鉆進安全可靠等顯著優(yōu)點。

圖1 鉆機外形圖Fig.1 Drilling rig

鉆機基本參數(shù)包括：額定轉(zhuǎn)矩3 600～800 N·m，額度轉(zhuǎn)速70～260 r/min，主軸傾角0°～180°，最大給進/起拔力為102 kN，額定功率55 kW，整機質(zhì)量8 000 kg，鉆機尺寸（長×寬×高）3.2 m×1.25 m×2 m。

鉆機整機結(jié)構(gòu)采用整體履帶式布局方式, 鉆機移動依靠履帶底盤驅(qū)動，鉆機主機、操縱臺、泵站、穩(wěn)固裝置等動力、執(zhí)行、操控和輔助裝置布置于履帶車體平臺上[4]。鉆機主機通過主機機架固定在履帶車體平臺上，為了適應(yīng)底抽巷尺寸、降低鉆機高度，設(shè)計了集鉆機傾角調(diào)整、水平開孔高度調(diào)整、施工/運輸主機位置調(diào)整、鉆機穩(wěn)固等功能于一體的鉆機主機機架, 主機機架結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 主機機架結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure

鉆機主機可利用主機機架中的回轉(zhuǎn)平臺、副回轉(zhuǎn)裝置和主回轉(zhuǎn)裝置等機構(gòu)使主機在平行和垂直于履帶車體的2 個平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)并定位。鉆機搬遷運輸時，主機與履帶車體平行，并置于左右主立柱之間，降低高度尺寸；鉆機施工時，通過主回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動，主機旋轉(zhuǎn)90°后與履帶車體垂直，通過副回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動，主機可在同一平面進行0°～180°范圍內(nèi)傾角的自動調(diào)節(jié)，鉆機工作狀態(tài)如圖3。鉆機操縱臺懸掛于履帶車體前方，施工時可從履帶車體上取下并放置于便于觀察孔口的位置，提高了鉆機操作的安全性和可靠性。

圖3 鉆機工作狀態(tài)Fig.3 Drilling rig working position

鉆機液壓系統(tǒng)采用雙開式泵恒壓控制方式。為了使鉆機適應(yīng)全傾角穿層鉆孔的高效、可靠和安全施工，鉆機動力頭、夾持器、卡盤等關(guān)鍵部件采用單獨的方向控制回路，避免了聯(lián)動回路中各部件因響應(yīng)速度不同造成鉆具下滑的安全事故[5]。針對全傾角穿層鉆孔施工，防止給進缸浮動時造成動力頭下滑，在鉆機液壓系統(tǒng)中設(shè)計集成了擰/卸扣功能和動力頭回轉(zhuǎn)功能的集成回路。當操作擰/卸扣控制閥時，先導(dǎo)控制油首先通過梭閥推動二位閥，使給進油缸兩腔聯(lián)通，實現(xiàn)動力頭回轉(zhuǎn)時給進油缸和動力頭浮動，有效保護鉆桿絲扣[6-7]；當正常鉆進或停鉆時，操作回轉(zhuǎn)控制閥，給進油缸兩腔斷開、浮動切斷，可防止因重力造成的動力頭下滑事故。

1.2 鉆機工作流程

在底抽巷內(nèi)進行運輸、調(diào)角和鉆進等工序時，鉆機各裝置功能如下：

1）鉆機井下運輸。通過行走操縱臺控制鉆機行走至底抽巷待開孔位置。

2）鉆進狀態(tài)調(diào)整。先利用穩(wěn)固操縱臺將穩(wěn)固裝置伸出，穩(wěn)固鉆機；然后利用調(diào)角操縱臺控制主立柱中的回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)90°，使主機與履帶車體平臺垂直。將鉆機操縱臺從履帶車體平臺上取下，放置在便于觀察孔口的地方，連接操縱臺與主機之間的高壓油管。

3）單個鉆孔施工。利用穩(wěn)固操縱臺旋轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)裝置，帶動主機在與履帶車體垂直的平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，使主機的傾角與鉆孔開孔傾角一致并定位主機；前頂油缸伸出并穩(wěn)固支撐在底抽巷上；利用鉆進操縱臺控制主機上的鉆進機構(gòu)進行鉆孔施工。

4）全傾角鉆孔施工。單個鉆孔施工完成后，收回前頂油缸，利用調(diào)角操縱臺旋轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)裝置，帶動主機在與履帶車體垂直的平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，使主機的傾角與下一個鉆孔的開孔傾角一致并定位主機；前頂油缸伸出并穩(wěn)固支撐在底抽巷上；利用鉆進操縱臺控制主機上的鉆進機構(gòu)進行鉆孔施工，直至完成同一截面鉆孔群的施工。

2 鉆進工藝研究及應(yīng)用

以晉煤集團趙莊礦硬巖穿層鉆孔施工為研究對象。目前趙莊礦主采3#煤層，由于煤層瓦斯含量高、煤層碎軟、透氣性差，采用順層鉆孔解決采掘工作面瓦斯存在鉆孔深度淺、易塌孔，導(dǎo)致鉆孔抽采覆蓋范圍小、有效抽采時間短、抽采效果差等問題[8]，影響掘進和回采進度，給生產(chǎn)帶來不利影響。因此，趙莊礦在1307、1308 工作面嘗試采用底抽巷穿層鉆孔抽采煤巷條帶和回采區(qū)域瓦斯。在實際生產(chǎn)中瓦斯問題有所緩解，掘進速度也相應(yīng)提高。但是在底抽巷穿層鉆孔布孔設(shè)計及鉆孔施工過程中仍存在一些問題亟待解決，主要包括：穿層鉆孔需要在煤層和巖層中鉆進，煤層和巖層對成孔工藝和設(shè)備的要求不同，當在煤層鉆進時，受瓦斯、煤體松軟、破碎影響，鉆孔施工過程中容易出現(xiàn)瓦斯異常涌出和塌孔等現(xiàn)象，造成鉆進速度慢、成孔困難；在巖層鉆進時，巖層硬度大，鉆進速度慢，設(shè)備損耗大，對鉆孔的實際軌跡無法控制，容易發(fā)生漂移，最終影響煤巷掩護效果。因此需對鉆孔施工工藝進行研究，形成一套簡單、易行、安全、合理的底抽巷穿層鉆孔施工工藝和技術(shù)，提高綜合鉆進效率。

設(shè)計的試驗鉆孔位于二盤區(qū)西翼北回風(fēng)巷，巖層為3#煤層底板，以粉砂巖為主，中間有1 層800 mm 的K6 灰?guī)r。在試驗過程中，K6 灰?guī)r硬度較高，影響了綜合鉆進效率。由于回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)在硬巖地層中鉆進效率偏低，因此采用φ89 mm×1 m 液動潛孔錘配φ113 mm 三翼胎體式PDC 鉆頭、φ113 mm三翼鋼體式PDC 鉆頭、φ113 mm 四翼PDC 鉆頭、73 mm×800 mm 外平鉆桿的新型鉆具組合，采用泵壓1.0～3.0 MPa, 泵量120～190 L/min, 通過沖擊回轉(zhuǎn)多動力鉆進技術(shù)提高硬巖地層中鉆進效率[9-11]。

綜合地層鉆進效率對比見表1。從表1 中可以看出，四翼PDC 鉆頭平均鉆進效率為23.12 m/h，最高可達48 m/h；三翼鋼體式弧角PDC 鉆頭平均鉆進效率為1.48 m/h，最高可達96 m/h；三翼胎體式PDC 鉆頭平均鉆進效率為24.26 m/h，最高可達45 m/h。當加接液動潛孔錘后，四翼PDC 鉆頭從23.12 m/h 提高至26.08 m/h，平均鉆進效率有所提高，然而，三翼鋼體式PDC 鉆頭從31.48 m/h 降低至27.89 m/h，平均鉆進效率反而有所降低。這是由于該層K6灰?guī)r體較薄，加液動潛孔錘后鉆機轉(zhuǎn)速降低，鉆具的更換也占用了輔助時間，影響了綜合鉆進效率。

表1 綜合地層鉆進效率對比Table 1 Drilling efficiency comparison

為了研究純硬巖地層條件下鉆進效率和鉆具級配關(guān)系，將各類鉆具組合在K6 灰?guī)r孔段中的鉆進效率進行對比分析, 純硬巖地層鉆進效率對比見表2。當加接液動潛孔錘后，四翼PDC 鉆頭從11.9 m/h提高至21.3 m/h，平均鉆進效率提高了78.9%；三翼鋼體式弧角PDC 鉆頭從12.8 m/h 提高至22.4 m/h，平均鉆進效率提高了75.0%；三翼胎體式弧角PDC鉆頭從11.7 m/h 提高至16.3 m/h，平均鉆進效率提高了39.3%。

表2 純硬巖地層鉆進效率對比Table 2 Drilling efficiency comparison

根據(jù)試驗驗證，在硬巖地層中，沖擊回轉(zhuǎn)多動力鉆進比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進綜合鉆進效率高，液動潛孔錘配PDC 鉆頭的鉆具組合方式具有一定的先進性和創(chuàng)新性；但在松軟破碎或硬巖巖體較薄的地層中，沖擊加回轉(zhuǎn)的鉆進方式綜合鉆進效率提高不明顯。

3 結(jié) 語

研制了底抽巷全傾角ZDY3600LQ 型履帶鉆機。通過研究和試驗證明，底抽巷全傾角鉆孔鉆機具有井下機動性強、傾角調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)全自動等優(yōu)勢，適用于底抽巷的快速移動、鉆機穩(wěn)固、全傾角鉆孔高效施工等；在復(fù)雜、堅硬地層施工穿層鉆孔時，液動潛孔錘配PDC 鉆頭的沖擊回轉(zhuǎn)多動力鉆進技術(shù)在鉆進效率上提高明顯。