徐 超，孫浩石，秦亮亮，閆志銘，郭超飛，楊 港

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引 言

在中國(guó)深部煤層開(kāi)采過(guò)程中，大多煤層具有地應(yīng)力高、瓦斯壓力大、透氣性低、煤層頂板壓力情況復(fù)雜、煤與瓦斯突出災(zāi)害頻發(fā)等特征，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-4]，這決定了本領(lǐng)域采用煤層卸壓增透、瓦斯預(yù)抽為今后主要防突措施的發(fā)展趨勢(shì)[5]。

其中煤層增透是高瓦斯礦井瓦斯預(yù)抽的關(guān)鍵步驟[6]，而煤層增透一般通過(guò)改造煤巖體物理結(jié)構(gòu)特征創(chuàng)造瓦斯導(dǎo)流通道以便后續(xù)抽采瓦斯，從而消除目標(biāo)煤層范圍內(nèi)突出危險(xiǎn)性來(lái)達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出事故的目的。國(guó)內(nèi)外對(duì)于增加煤層透氣性的常用方法有高壓水射流卸壓增透技術(shù)[7-9]、水力沖孔卸壓技術(shù)[10-12]、水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)[13-17]、清潔液壓裂技術(shù)[18]以及爆破增透技術(shù)[19-21]等。近年來(lái)，愈加成熟的鉆擴(kuò)一體化技術(shù)[22]因地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于井下煤層增透作業(yè)，其原理為通過(guò)鉆機(jī)和擴(kuò)孔等相關(guān)設(shè)備在目標(biāo)煤層鉆進(jìn)形成孔洞，改變孔洞周?chē)后w的原始應(yīng)力分布創(chuàng)造裂隙通道，以此提高煤層瓦斯透氣性。擴(kuò)孔成套設(shè)備中的擴(kuò)孔裝置或者鉆擴(kuò)一體鉆頭作為切割煤體的主要部件，其擴(kuò)孔效果質(zhì)量直接決定煤層增透效果的優(yōu)劣。目前對(duì)于鉆具設(shè)備方面，前人研制了擴(kuò)孔直徑216 mm型反向回拉式擴(kuò)孔器[23]、弧形連接方式擴(kuò)孔鉆頭[24]、新型PDC定向擴(kuò)孔鉆頭[25]，但鉆頭擴(kuò)孔類(lèi)設(shè)計(jì)存在著鉆頭端擴(kuò)孔易引起鉆頭旋動(dòng)中心過(guò)于前置，導(dǎo)致偏離鉆進(jìn)路線(xiàn)隨之卡鉆等問(wèn)題?，F(xiàn)階段為避免鉆頭處擴(kuò)孔引起的諸多難點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)了可伸展出機(jī)械刀臂的水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置[26-28]以增加鉆進(jìn)穩(wěn)定性和擴(kuò)孔效果，如施工錨桿可變徑鉆孔鉆頭、自動(dòng)變徑擴(kuò)孔鉆具、高壓水射流鉆擴(kuò)一體化裝備等，都有效提高了煤層透氣性。但上述涉及的擴(kuò)孔裝置或者擴(kuò)孔鉆頭的刀臂結(jié)構(gòu)多為矩形結(jié)構(gòu)，其一般在施工初始階段會(huì)發(fā)生擴(kuò)刀不成功或者效率低下等情況，對(duì)于松軟低透高突煤層，其多為可鉆性差的軟煤或者破碎煤體。因直角式刀臂擴(kuò)孔裝置本身初期具有出水壓力小、刀臂啟動(dòng)阻力大以及鉆進(jìn)輸出扭矩小等困難，遇阻經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)直角式刀臂開(kāi)啟不暢、裝置憋停、抱鉆及卡刀情況，導(dǎo)致退鉆清洗裝置和處理鉆孔等非有效工作時(shí)間延長(zhǎng)，而且頻繁的循環(huán)通井徒增了無(wú)效施工時(shí)間，耗時(shí)費(fèi)力延緩施工進(jìn)度，最終影響擴(kuò)孔成孔效率。

為解決以上問(wèn)題，本文主要從刀臂結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和高低壓水切換裝置對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種擁有全新切削煤體形式的瓦斯抽采鉆孔螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置，優(yōu)化了井下鉆擴(kuò)孔工藝流程，并在陽(yáng)煤集團(tuán)平舒煤礦15211工作面進(jìn)行試用，以檢驗(yàn)裝置的使用效果。

1 螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置結(jié)構(gòu)

1.1 裝置改進(jìn)結(jié)構(gòu)

煤礦井下水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置通常搭載于擴(kuò)孔成套設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，擴(kuò)孔成套設(shè)備包括履帶式液壓鉆機(jī)、高壓清水泵站、大流量泥漿泵站、密封連接鉆桿、下向孔施工復(fù)合鉆頭、供水設(shè)施、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、鉆孔三防裝置、煤水氣分離器、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置以及水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置，擴(kuò)孔成套設(shè)備如圖1所示。其中，位于鉆頭后的擴(kuò)孔裝置是整個(gè)施工過(guò)程中擴(kuò)大孔徑的核心部件，用作鉆頭鉆進(jìn)孔洞以及后續(xù)擴(kuò)孔作業(yè)，而擴(kuò)孔裝置內(nèi)部延展出的刀臂更承擔(dān)著切削煤體的關(guān)鍵作用，所以刀臂設(shè)計(jì)的合理與否直接決定著擴(kuò)孔效果的優(yōu)劣程度。

圖1 礦用履帶式鉆進(jìn)高壓旋轉(zhuǎn)鉆擴(kuò)一體成套設(shè)備

傳統(tǒng)擴(kuò)孔裝置的刀臂結(jié)構(gòu)多為直角式(圖2)，其優(yōu)勢(shì)為方便收納于擴(kuò)孔裝置中和擴(kuò)孔直徑大等，動(dòng)力傳遞方面多為齒輪配合內(nèi)部滑套傳輸動(dòng)力給外部刀臂，但是也隨之暴露諸多缺陷：如擴(kuò)刀初期煤層情況復(fù)雜使得刀臂無(wú)法正常開(kāi)啟、向外排渣阻力大形成渣煤滯留孔洞妨礙設(shè)備運(yùn)行等。

圖2 直角式刀臂擴(kuò)孔裝置及其直角式刀臂

本文的螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置則在上述裝置基礎(chǔ)上全方位改進(jìn)了擴(kuò)孔刀臂的結(jié)構(gòu)、水壓動(dòng)力輸出方式以及裝置內(nèi)水壓轉(zhuǎn)換裝置，即研發(fā)設(shè)計(jì)了螺旋式刀臂、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和高低壓水切換裝置3個(gè)主要部件。各裝置分配于鉆頭腔體、刀臂腔體、水閥腔體3個(gè)空間腔體中，3個(gè)腔體之間的分界線(xiàn)分別為出水端限位體和進(jìn)水端限位體，裝置具體剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-鉆直連接頭；2-閥槽；3-閥槽進(jìn)水口；4-高壓水管路；5-一號(hào)彈簧；6-水閥腔體；7-閥芯底座,701,閥芯;8-閥芯底座進(jìn)水口;9-低壓水進(jìn)水口;10-進(jìn)水端限位體;11-螺旋式刀臂;12-刀臂齒輪體;13-滑套導(dǎo)軌;14-活塞滑套,1401,活塞滑套斜齒;15-刀臂齒輪體,1501,刀臂齒輪體斜齒;16-刀臂腔體;17-二號(hào)彈簧;18-出水端限位體;19-刀臂腔體出水口;20-水流旁側(cè)支路;21-低壓水管路;22-鉆頭腔體;23-鉆頭連接處

其中，水閥腔體中內(nèi)置高低壓冷卻水切換裝置，其所含零件包括水閥腔體里的閥芯底座、閥芯及以下端的可活動(dòng)閥槽，閥芯底座進(jìn)水口可將水通入到低壓水進(jìn)水口，閥芯上設(shè)置有一號(hào)彈簧，一號(hào)彈簧兩端固定于閥芯底座進(jìn)水端與閥槽出水端，閥槽出水端中心設(shè)置有閥槽進(jìn)水口。低壓水供給時(shí)，低壓水進(jìn)入螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置的鉆桿連接頭，作用到閥槽底座，因水壓未達(dá)到預(yù)設(shè)擴(kuò)孔水壓(即滿(mǎn)足擴(kuò)刀的高水壓)，只滿(mǎn)足鉆孔排渣需要，未能克服一號(hào)彈簧的極限最大反作用力，使得閥槽運(yùn)動(dòng)受限并持續(xù)封堵高壓水管路。低壓水繼續(xù)流經(jīng)閥槽進(jìn)水口進(jìn)入水閥腔體，再經(jīng)閥芯底座的閥芯底座進(jìn)水口流至低壓水進(jìn)水口，低壓水沿低壓水管路直接越過(guò)刀臂腔體和鉆頭腔體輸送至鉆頭端鉆桿，供給鉆進(jìn)所需冷卻水向孔外排渣和冷卻復(fù)合鉆頭。高壓水供給時(shí)(水壓可完全克服一號(hào)彈簧作用力)，高壓水由鉆桿連接頭處涌入裝置進(jìn)水端，并作用于閥槽底座，此時(shí)一號(hào)彈簧極限最大反作用力不足以抵抗高壓水流水壓，閥槽被迫擠壓運(yùn)動(dòng)至閥芯底座，同時(shí)閥芯封堵閥槽進(jìn)水口，阻隔低壓水管路的水流供給。由于閥槽擠壓向裝置出水端運(yùn)動(dòng)，使得原本被閥槽外壁封堵的高壓水通路進(jìn)水口打開(kāi)，高壓水流經(jīng)高壓水通路迅速充滿(mǎn)整個(gè)刀臂腔體，滿(mǎn)足開(kāi)啟刀臂的條件。

刀臂腔體是擴(kuò)孔裝置的關(guān)鍵部分，其內(nèi)置動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、螺旋式刀臂裝置，通過(guò)高壓水管路與上文的水閥腔體連通。腔體內(nèi)部的活塞滑套由二號(hào)彈簧連接與出水端限位體進(jìn)水側(cè)，活塞滑套安裝在滑套導(dǎo)軌上沿固定軸向軌跡活動(dòng)。刀臂腔體體側(cè)安裝一對(duì)用于擴(kuò)孔的螺旋式刀臂，刀臂腔體開(kāi)設(shè)刀臂儲(chǔ)槽連通腔體內(nèi)外，螺旋式刀臂處于閉合狀態(tài)時(shí)收納于刀臂儲(chǔ)槽內(nèi)，整使得個(gè)裝置形成一個(gè)整體便于打鉆收鉆。螺旋式刀臂根部為加工有斜齒的刀臂齒輪體，兩側(cè)刀臂齒輪體依靠斜齒與側(cè)平面同樣加工有斜齒的活塞滑套緊密?chē)Ш希钊?、二?hào)彈簧、刀臂齒輪體及兩部分的加工斜齒組合成為驅(qū)動(dòng)裝置?；钊變蓚?cè)平面在活塞滑套斜齒的嚙合下作用于螺旋式刀臂根部刀臂齒輪體的斜齒，給裝置供給高壓水時(shí)，高壓水推動(dòng)活塞滑套進(jìn)水端面并配合刀臂齒輪體旋轉(zhuǎn)控制螺旋式刀臂的擴(kuò)張與閉合，同時(shí)高壓水噴出刀臂儲(chǔ)槽作用于刀臂輔助其展開(kāi)。刀臂閉合狀態(tài)(a)與刀臂展開(kāi)狀態(tài)(b)如圖4所示，圖5為其內(nèi)部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置因高壓水作用于活塞滑套前后狀態(tài)對(duì)比圖。

圖4 軸向透視

圖5 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部示意圖

鉆頭腔體起到連接前端鉆頭與提供低壓冷卻水的作用，出水端限位體上的刀臂腔體出水口通過(guò)水流旁側(cè)支路連通鉆頭腔體與刀臂腔體，鉆頭腔體和刀臂腔體中心還設(shè)有低壓水管路，并一直貫穿至水閥腔體的低壓水進(jìn)水口，高低壓兩種方式均會(huì)給鉆頭端供水排渣及冷卻鉆頭。

1.2 裝置改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)

本文的螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置的螺旋式刀臂擴(kuò)展后相較于以往直角式結(jié)構(gòu)，有著更好的切削和排渣效果，詳細(xì)優(yōu)勢(shì)如下所述。

1)螺旋式刀臂在切削方向上并非如直角式刀臂直接沿徑向切割煤體，而是刀臂切削斜面沿軸向螺旋式延伸，對(duì)周?chē)后w進(jìn)行順螺紋切割，增加了受力面。依據(jù)以上開(kāi)刀過(guò)程，鉆擴(kuò)孔前期創(chuàng)造一段排渣導(dǎo)向通道，使得開(kāi)刀和擴(kuò)孔階段效率更高，擴(kuò)孔過(guò)程中也不易被煤渣卡死，如圖4裝置軸向透視圖(b)所示。同時(shí)相較于刀臂前端直接受力和磨損的直角式刀臂結(jié)構(gòu)，螺旋式刀臂在通過(guò)旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)臂時(shí)不會(huì)集中磨損刀臂根部，轉(zhuǎn)而將所受阻力由內(nèi)而外沿螺紋分散到刀臂其他部位，實(shí)現(xiàn)分壓螺旋式鉆進(jìn)排渣擴(kuò)孔，延長(zhǎng)刀臂壽命。另外以俯視視角來(lái)看，兩側(cè)刀刃受力以環(huán)狀圍繞在中軸外圈，可以保持受力平衡，避免產(chǎn)生不必要的震動(dòng)而導(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)偏離預(yù)定路線(xiàn)。

2)裝置鉆擴(kuò)孔形成的單個(gè)孔洞在煤層中擾動(dòng)后破壞原煤體應(yīng)力穩(wěn)定性，煤體向孔洞方向產(chǎn)生膨脹變形，并以孔洞為圓心在煤體中發(fā)育形成裂隙區(qū)域。裂隙創(chuàng)造的瓦斯運(yùn)移通道，促進(jìn)瓦斯外排至孔洞隨回流水轉(zhuǎn)移至高低抽巷，達(dá)到卸壓和增加煤體透氣性的目的。

3)本裝置驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力輸出方式也做了重新分配，在高壓冷卻水單一模式供給水壓條件下，將更多的水壓分配到活塞滑套和螺旋式刀臂上，增加了擴(kuò)刀動(dòng)力，避免了擴(kuò)孔過(guò)程中刀臂無(wú)法正常打開(kāi)以及擴(kuò)孔過(guò)程中壓力不足造成卡刀和憋停等情況。

4)高低壓冷卻水切換裝置的水壓切換也較容易實(shí)現(xiàn)，僅需合理控制配置在巷道內(nèi)的高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置和供水設(shè)施水流量即可實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔過(guò)程以及最后退鉆的功能轉(zhuǎn)換。

2 鉆擴(kuò)工藝流程

鉆擴(kuò)工藝流程主要包括螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置的安裝與調(diào)試、低壓水供給鉆頭巖層鉆進(jìn)、高壓水供給下刀臂展開(kāi)、高壓水供給下持續(xù)擴(kuò)孔、低壓水刀臂收回以及退鉆回收鉆桿和封孔處理六個(gè)步驟。以鉆擴(kuò)孔對(duì)煤層進(jìn)行增透預(yù)抽瓦斯為例，鉆擴(kuò)孔工藝流程圖如圖6所示。

圖6 鉆擴(kuò)孔工藝流程

2.1 裝置的安裝與調(diào)試

巷道內(nèi)運(yùn)送并組裝水力機(jī)械擴(kuò)孔成套設(shè)備，包括履帶式液壓鉆機(jī)、高壓清水泵站、大流量泥漿泵站、密封連接鉆桿、下向孔施工復(fù)合鉆頭、供水設(shè)施、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、鉆孔三防裝置、煤水氣分離器、高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置以及初始直徑140～160 mm、擴(kuò)孔直徑350～400 mm螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置。按照預(yù)定位置和預(yù)測(cè)深度配置螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置于鉆頭后二號(hào)鉆桿處，調(diào)整參數(shù)和位置以及其他電力輔助設(shè)施，組裝調(diào)試結(jié)束后準(zhǔn)備普通穿層鉆孔工作。

2.2 低壓水供給下鉆頭巖層鉆進(jìn)

鉆孔工作開(kāi)始，由液壓鉆機(jī)帶動(dòng)復(fù)合鉆頭及連接鉆桿向煤層位置按規(guī)定角度鉆進(jìn)，巷道內(nèi)的清水泵站向連接鉆桿管路中經(jīng)由高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置提供低壓冷卻水，此時(shí)高壓清水泵站大流量泥漿泵站提供小流量低壓水，供給鉆進(jìn)所需冷卻水向孔外排渣和冷卻復(fù)合鉆頭，鉆頭按預(yù)定角度沿指定路線(xiàn)在巖層中完成初期鉆孔過(guò)程。

2.3 高壓水供給下刀臂展開(kāi)

過(guò)程中通過(guò)記錄鉆桿數(shù)量來(lái)控制鉆頭深度，當(dāng)鉆孔施工至煤層頂板位置設(shè)計(jì)鉆孔深度時(shí)，高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置將水壓調(diào)高至擴(kuò)孔所需的預(yù)設(shè)水壓，即滿(mǎn)足開(kāi)刀擴(kuò)孔需要的高壓水，同時(shí)供水設(shè)施提高供水流量。由大流量高壓水作用于內(nèi)部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)高壓水通過(guò)刀臂儲(chǔ)槽(連通刀臂腔體內(nèi)外)噴出裝置外持續(xù)作用于刀臂，完成輔助擴(kuò)刀，并切削煤壁進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔。

2.4 高壓水供給下持續(xù)擴(kuò)孔

螺旋式刀臂逆時(shí)針(鉆頭端俯視方向觀察)擴(kuò)展至最大延展角度90°后，裝置持續(xù)保持?jǐn)U刀狀態(tài)，達(dá)到一邊鉆孔一邊擴(kuò)孔的目的。鉆頭處繼續(xù)提供排渣冷卻鉆頭所需冷卻水，鉆擴(kuò)孔過(guò)程中周?chē)后w因機(jī)械刀臂旋轉(zhuǎn)切削、高壓水沖刷以及圍巖應(yīng)力等聯(lián)合作用使得煤壁切割擠壓破碎為煤渣，與孔內(nèi)卸壓瓦斯隨回水外排，最終在原孔基礎(chǔ)上形成更大的孔洞，擴(kuò)大卸壓范圍。擴(kuò)孔期間低抽巷底板孔口位置可以觀察到排出的石渣變?yōu)槊涸?，返水逐漸變?yōu)闇啙幔殡S有粒徑不一的煤塊返出孔口。鉆進(jìn)過(guò)程要合理控制供水量和水壓，并掌握好給進(jìn)速率，適時(shí)控制給進(jìn)量減少返渣，防止返渣過(guò)量造成堵孔。

2.5 低壓水刀臂收回

待鉆頭后方的螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置完全穿過(guò)煤層進(jìn)入煤層下部巖層后，控制高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置使高壓水轉(zhuǎn)換為低壓水。鉆具進(jìn)入下部巖層，可觀察到孔口出水由渾濁偏黑逐漸變?yōu)榍宄浩祝砻饕褵o(wú)煤體排出，裝置已鉆進(jìn)至巖層。高低壓水射流轉(zhuǎn)換裝置將水壓調(diào)節(jié)至初始低水壓，清水泵站降低供水量，鉆頭噴出低壓冷卻水繼續(xù)延伸鉆進(jìn)一段距離，期間通過(guò)周?chē)鷰r體擠壓以及裝置內(nèi)部的彈性復(fù)位運(yùn)動(dòng)，將螺旋式刀臂順時(shí)針(鉆頭端俯視方向觀察)收回刀臂儲(chǔ)槽，完成收刀階段。

2.6 退鉆回收鉆桿及封孔處理

刀臂收入刀槽，此時(shí)鉆頭持續(xù)輸出低壓水返渣，履帶式液壓鉆機(jī)反向起鉆，緩慢提升鉆具，計(jì)算好鉆具懸掛重量與鉆桿數(shù)量，避免超載掉鉆，待回收所有鉆桿后停泵。鉆頭完全退出后再經(jīng)過(guò)風(fēng)排處理孔洞內(nèi)殘?jiān)⒓皶r(shí)封孔。在整個(gè)鉆擴(kuò)孔施工過(guò)程中收集記錄鉆孔施工初始時(shí)刻、鉆孔深度、施工總工程量、單孔施工周期、鉆孔角度、煤層施工長(zhǎng)度、初次見(jiàn)煤時(shí)刻及擴(kuò)孔開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間等數(shù)據(jù)。瓦斯粉塵防治方面，嚴(yán)格按照規(guī)定設(shè)置鉆孔三防裝置防止瓦斯超限，一旦孔口瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.0%報(bào)警裝置響起時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止所有設(shè)備的運(yùn)行，加強(qiáng)局部通風(fēng)，使得瓦斯?jié)舛认陆档皆试S濃度后再重啟設(shè)備繼續(xù)擴(kuò)孔工作。

以上六個(gè)步驟即為一個(gè)孔的整體施工過(guò)程，具體鉆孔布置方案根據(jù)各地質(zhì)施工條件而定。

3 工程應(yīng)用

本文選擇陽(yáng)煤集團(tuán)平舒煤礦15211工作面作為試驗(yàn)工作面，工作面位于15#煤層西采區(qū)，該煤層賦存穩(wěn)定，總厚度2.21 m，傾角2°～10°，平均6°，煤層瓦斯壓力2.48 MPa左右，原始瓦斯含量9.26～14.83 m3/t，為高瓦斯突出煤層，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.5，煤層透氣性系數(shù)為0.108 3 m2/MPa2·d，屬于低透氣性煤層。

以15211工作面回風(fēng)巷為擴(kuò)孔增透目標(biāo)，在其上方施工低位抽采巷，巷內(nèi)設(shè)計(jì)布置1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)包括8個(gè)鉆孔，其中1號(hào)鉆場(chǎng)使用裝備有最大擴(kuò)孔直徑φ400 mm的直角式刀臂擴(kuò)孔成套設(shè)備進(jìn)行鉆擴(kuò)孔，2號(hào)鉆場(chǎng)使用裝備有最大擴(kuò)孔直徑φ400 mm的螺旋式刀臂擴(kuò)孔成套設(shè)備進(jìn)行鉆擴(kuò)孔。每個(gè)鉆場(chǎng)的擴(kuò)孔煤量按照擴(kuò)孔段的排煤體積來(lái)計(jì)算理論擴(kuò)孔深度，試驗(yàn)期間記錄鉆桿序號(hào)、排出煤量和單孔施工周期以及成孔與否等數(shù)據(jù)，施工周期除去檢修以及設(shè)備維護(hù)等無(wú)關(guān)因素，避免對(duì)比誤差。所設(shè)計(jì)卸壓增透范圍為回風(fēng)巷水平左右各15 m，巷道截面擴(kuò)孔布置設(shè)計(jì)方案以及具體層位參數(shù)如圖7所示。

圖7 15211巷道截面擴(kuò)孔布置設(shè)計(jì)

依照上述方案進(jìn)行兩組擴(kuò)孔試驗(yàn)，并及時(shí)記錄各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由表1所統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：直角式刀臂擴(kuò)孔裝置完成擴(kuò)孔5個(gè)，成孔率為62.5%，擴(kuò)孔總長(zhǎng)度為40.6 m，擴(kuò)孔平均長(zhǎng)度為5.075 m，總施工周期為5.5 d，平均單孔工期為0.687 5 d；螺旋式刀臂擴(kuò)孔裝置完成擴(kuò)孔6個(gè)，成孔率為75%，擴(kuò)孔總長(zhǎng)度為44.9 m，平均擴(kuò)孔長(zhǎng)度為5.612 5 m，總施工周期為4.5 d，平均單孔工期為0.562 5 d。

表1 兩類(lèi)擴(kuò)孔裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩組數(shù)據(jù)對(duì)比可得：螺旋式刀臂擴(kuò)孔裝置相較于直角式刀臂擴(kuò)孔裝置，其成孔率提升12.5%，煤層擴(kuò)孔總長(zhǎng)度增加4.3 m，提升10.59%，平均擴(kuò)孔長(zhǎng)度增加0.537 5 m，總施工周期縮短1 d，平均單孔工期縮短0.125 d。從各組數(shù)據(jù)對(duì)比得出，螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置的應(yīng)用效果要優(yōu)于直角式機(jī)械擴(kuò)孔裝置，鉆進(jìn)效率也得到明顯改善，有效提高了擴(kuò)孔整體施工效率，節(jié)約了擴(kuò)孔成本。

4 結(jié) 論

1)螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置采用了螺旋式刀臂結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)存技術(shù)中刀臂結(jié)構(gòu)不合理、刀臂展開(kāi)效果不佳的問(wèn)題，提高了鉆孔擴(kuò)孔效率；采用刀槽噴出高壓水配合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力輸出方式，解決了刀臂開(kāi)啟動(dòng)力不足的問(wèn)題，提高了螺旋刀臂的展開(kāi)效率；高低壓冷卻水切換裝置能夠更加高效的控制擴(kuò)孔過(guò)程中水壓的變化和各個(gè)管路的開(kāi)閉，配合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置解決了水壓動(dòng)力分配不均等問(wèn)題，提高了水資源的利用率。

2)在擴(kuò)孔成套設(shè)備中，使用一種新型螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置代替原來(lái)的直角式擴(kuò)孔裝置進(jìn)行煤層擴(kuò)孔，詳細(xì)完善了鉆擴(kuò)孔工藝流程，即：螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置的安裝與調(diào)試、低壓水供給鉆頭巖層鉆進(jìn)、高壓水供給下刀臂展開(kāi)、高壓水供給下持續(xù)擴(kuò)孔、低壓水刀臂收回、退鉆回收鉆桿及封孔處理六個(gè)施工階段。

3)基于螺旋式水力機(jī)械擴(kuò)孔裝置，在陽(yáng)煤集團(tuán)平舒煤礦進(jìn)行鉆擴(kuò)孔工程試驗(yàn)，得到了以下增益：其成孔率提升12.5%，煤層擴(kuò)孔總長(zhǎng)度提升10.59%，總施工周期縮短1 d，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。