王慶華　王彥民　申軍波　趙素敏

【摘要】煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費結構中占70%左右，我國富煤、貧油、少氣的資源特點，決定了煤炭在一次能源中的重要地位。因國內(nèi)各大煤業(yè)集團和若干地方性煤礦企業(yè)所處的地質(zhì)構造不同，并且伴隨開采深度不斷增加，造成了井下事故頻發(fā)。事故主要集中在瓦斯突出、瓦斯爆炸、沖擊低壓，以及透水事故。解決這一問題的主要技術方法是靠鉆機打孔，瓦斯排放孔、卸壓孔、探水孔等。但是國內(nèi)井下現(xiàn)有鉆機體積大、重量大、打孔淺。諸多缺陷不能有效解決以上問題，急需打孔深、易于搬運的新型安全鉆機。本文介紹了礦用深孔氣動鉆機的工藝研究與應用。

【關鍵詞】大功率 氣源動力 深孔鉆進 大直徑鉆孔

1 引言

我國煤礦瓦斯爆炸頻發(fā)，死亡人數(shù)眾多，瓦斯事故是煤礦生產(chǎn)的最大威脅。在采煤之前先采出煤氣層，有利于從根本上防止煤礦瓦斯事故。目前，我國煤礦使用的探水探瓦斯、排水排瓦斯鉆機大都使用電機作為動力源，配備電源、電纜、綜保裝置等系列供電系統(tǒng)，可能會導致接地、短路、拉弧等機電事故，從而影響電動防突鉆機的正常使用，影響正常生產(chǎn)。另外，使用電動防突鉆機，由于供電電纜在工作面掘進頭反復拖動，可能造成線嘴活動、電纜破口等失爆現(xiàn)象，對于高瓦斯礦井來說，無形中在安全方面埋下了重大隱患。由于手持式電動鉆機重量在30-35kg，不便手持操作，而系列深孔安全鉆機重量在500-1000kg之間，移動更加不方便，生產(chǎn)效率低，煤礦用坑道鉆車雖解決了移動問題，但仍然使用電力為動力源，存在一定安全隱患。

本研究用氣動鉆機代替電動鉆機，可大大減輕重量、減小體積，使用中可降低工人的勞動強度，提高鉆孔效率，為煤礦安全提供有力的裝備保障，產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益。

2.目前我國煤礦井下瓦斯鉆機存在的主要問題

（1）是高瓦斯礦區(qū)抽采，鉆孔鉆不進去、瓦斯抽不出來，松軟突出煤層抽采鉆孔施工難以解決。松軟突出煤層一般是煤層松軟、滲透性極差，但瓦斯含量卻特高。在這種煤層中鉆進，容易產(chǎn)生垮孔、卡鉆、噴孔等現(xiàn)象。我國在松軟突出煤層雖然有鉆孔深度超過150m 甚至達到240m 的記錄，但大部分的鉆孔深度都在100m 以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我國松軟煤層（硬度系數(shù)f≤1）在所采煤層中所占比例較大，因此，松軟突出煤層的鉆進成孔問題一直是個亟待解決的難題。目前，在煤礦井下鉆探施工時，大部分都用水作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)，由于煤層松軟，高壓水流對孔壁的沖刷和浸泡導致孔壁坍塌、掉塊，嚴重時導致鉆桿卡死，孔底水壓升高，形成憋泵現(xiàn)象。用壓縮空氣作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)有利于保持孔壁穩(wěn)定和瓦斯的釋放，可有效減少瓦斯突出的可能。

（2）是高瓦斯礦超前抽采鉆孔施工長度不足，抽采時間短。目前，國內(nèi)普遍采用的回轉(zhuǎn)鉆進工藝，鉆孔軌跡的控制主要靠改變孔底穩(wěn)定組合鉆具和調(diào)整工藝參數(shù)的方法來實現(xiàn)。對于構造簡單、穩(wěn)定的地層來講，如果鉆孔軌跡設計合理，操作方法得當，基本能夠滿足鉆孔的方向性要求。但對于復雜地層，特別是深孔鉆進，鉆孔軌跡的方向就很難控制。這是制約我國坑道鉆探技術進一步發(fā)展的關鍵性難題。

（3）是施工防突鉆突出現(xiàn)象嚴重，危險性大，易造成事故。目前，施工防突超前鉆孔是局部防突的重要技術措施之一。然而，施工防突鉆突出現(xiàn)象嚴重，危險性大，直接威脅工作面作業(yè)人員安全。例如，松藻礦務局在工作面打超前排放鉆孔時即發(fā)生了突出強度近700t 的突出，現(xiàn)場的鉆孔施工人員全部殉職?；茨系V區(qū)幾年前也有工作面作業(yè)人員在場的情況下發(fā)生的突出，導致了人員傷亡。

國外的安全鉆機以及國內(nèi)現(xiàn)有進口產(chǎn)品，主要為德國進口的哈澤瑪格公司的P75以及P120氣動鉆機，該鉆機雖然功率大，但是體積大，重量大，價格高，所需配件也完全依賴進口，維修成本高。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的大功率開孔鉆機主要以液壓為動力，液壓鉆機雖然功率大，但是需要有液壓泵站為動力，泵站需用電機驅(qū)動，安全性差。并且液壓油過熱容易引起火災。所以從國內(nèi)發(fā)展趨勢來看，未來發(fā)展方向為以壓縮空氣為主要動力源、重量輕、能自行移動的鉆機。

3.研究主要內(nèi)容

根據(jù)煤礦瓦斯綜合治理的需要和我國的技術實力，我國煤礦井下瓦斯鉆機的技術發(fā)展趨勢將會朝著三個主要方向發(fā)展。第一是研制開發(fā)滿足大口徑、長鉆孔、定向水平孔需要的鉆進關鍵技術與高端鉆機裝備。其中研發(fā)研制的關鍵技術是長壽命孔底馬達和性能可靠的隨鉆測量系統(tǒng)等。為解決煤礦井下鉆機頻繁搬遷問題，需研制具有自行能力的履帶式鉆機，以提高工作效率。第二是研制開發(fā)適宜松軟突出煤層的瓦斯抽采關鍵技術及其鉆機裝備，突破松軟突出煤層的瓦斯抽采難關。第三是研制開發(fā)安全、可靠、有效的遠距離防突關鍵技術及其性能優(yōu)良的防突遠程控制鉆機裝備。為了實現(xiàn)上述研究的總體目標，需要開展如下研究工作：

（1）實驗室和理論研究分析氣源流量和壓力對氣動馬達功率的影響規(guī)律，確定氣動馬達合理的工況條件，為鉆機選擇或研制合適的氣動動力提供理論基礎。

（2）通過理論分析鉆機性能指標，通過計算機模擬等技術手段，設計合理的馬達功率和尺寸。

（3）根據(jù)對馬達工作過程中所受力學狀況，及其散熱情況選擇合適的馬達外殼材質(zhì)，并進行設計加工馬達殼體。

（4）合理設計鉆機總體結構，并進行力學分析和鉆機過程模擬，選擇合理的推進方式。

（5）根據(jù)設計試制樣機，并進行現(xiàn)場試驗；

（6）根據(jù)現(xiàn)場試驗測試情況，進一步完善鉆機整體結構及各項性能指標，并再次現(xiàn)場驗證，直至達到預期研發(fā)目標，最終確定鉆機最終方案。

4.工藝流程

本研究通過實驗室和理論研究分析現(xiàn)有煤礦井下用鉆機的破巖機理及深孔鉆進控制機理，探索合適的鉆機氣動馬達參數(shù)，及井下鉆機需要適應的主要工況條件等參數(shù)，開發(fā)基于氣動動力源的大功率深孔鉆進技術，研制開發(fā)大功率、高轉(zhuǎn)速、體積輕便，推進方式合理氣動鉆車，有效改變現(xiàn)有井下鉆機裝備工作條件受限的現(xiàn)狀，提高鉆機裝備水平，為煤礦安全提供裝備保障。

5.鉆機結構及技術指標

（1）鉆機結構

煤礦用氣動深孔鉆機是一種以壓縮空氣為動力，配有履帶式行走結構的輕型深孔鉆車。它主要由主機、立柱、托架、氣動操縱臺、本體架總成、液壓操縱臺、泵站、履帶總成、操作平臺、油箱組件等部分組成。具有操作簡單方便，作業(yè)安全等優(yōu)點。

（2）技術指標

本研究完成后，可以解決巖石中中小孔徑的打鉆深度，換上煤鉆配置后則適合鉆探煤層。鉆機可全方位鉆孔，其短窄設計方便快速運輸和調(diào)整，達到的技術指標如表1所示：

6.應用領域

此鉆車是以壓縮空氣為動力，配有履帶式行走機構的輕型氣動深孔鉆車。廣泛用于煤礦煤層探排水、注水、及探排瓦斯孔和卸壓孔等鉆孔施工?？膳涮爪?9、Φ76、Φ89高效螺旋鉆桿和Φ42地質(zhì)鉆桿使用。

參考文獻：

[1]王春來，吳愛祥，劉曉輝.深井開采技術[M].冶金工業(yè)出版

社，2011.05

[2]吳衛(wèi)榮.氣動技術[M].徐州：中國輕工業(yè)出版社，2005.08

[3]宋建峰，李偉亮.架柱式大功率氣動鉆機.石家莊中煤裝備

制造有限公司

注：科研項目（河北省科技支撐計劃項目，項目編號：14211907D）

作者簡介：王慶華（1977.10～），男，河北石家莊人，石家莊天地煤礦機械有限公司總經(jīng)理，研究方向：煤礦機械。