田宏杰 王傳留 孫榮軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化★

煤礦井下大直徑回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)鉆孔成孔工藝研究

田宏杰 王傳留 孫榮軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

為了減少聯(lián)絡(luò)巷數(shù)量和節(jié)約成本，需要施工回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)用大直徑鉆孔，分析了?600 mm多級(jí)正擴(kuò)鉆進(jìn)工藝和?800 mm牙輪組合鉆頭多級(jí)回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝的施工方法和存在的問題，研究了大直徑鉆孔成孔工藝方法回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝，并研制了?800 mm拆裝式硬質(zhì)合金鉆頭。實(shí)際應(yīng)用表明，采用多級(jí)回拉擴(kuò)孔施工工藝，并在擴(kuò)孔鉆頭前端配備扶正器，可以有效地解決鉆孔偏斜、排渣困難、鉆進(jìn)效率低等問題，效果明顯優(yōu)于聯(lián)巷鋪管工藝，并具有成本低和周期短的優(yōu)點(diǎn)。

回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò) 大直徑鉆孔 回拉擴(kuò)孔 拆裝式鉆頭

在煤礦瓦斯綜合治理中，采用鉆孔抽采瓦斯是防治煤與瓦斯突出、降低瓦斯涌出量及減少回采工作面風(fēng)流瓦斯超限次數(shù)的有效措施。神華神東煤炭集團(tuán)公司保德煤礦作為高瓦斯礦井，近年來在瓦斯治理方面取得很多成功經(jīng)驗(yàn)，其中為了解決回采工作面上隅角瓦斯超限問題，提出了采空區(qū)聯(lián)巷埋管與高位鉆孔立體抽采模式，有效地解決了回采工作面瓦斯超限的問題。然而，現(xiàn)有的采空區(qū)聯(lián)巷埋管工藝首先需要對(duì)兩個(gè)回風(fēng)巷進(jìn)行貫通聯(lián)絡(luò)巷施工，然后在聯(lián)絡(luò)巷頂部埋設(shè)抽放管路，最后對(duì)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行密閉墻封堵。這種施工方法主要存在的問題為：一是聯(lián)絡(luò)巷采用掘進(jìn)法施工，成本高且周期長(zhǎng)；二是管路鋪設(shè)要靠密封墻封堵，密封效果不理想。因此，為了解決上述問題，擬采用?800 mm直徑的近水平鉆孔替代現(xiàn)有聯(lián)絡(luò)巷。

1 ?600 mm多級(jí)正擴(kuò)鉆進(jìn)工藝

1.1 多級(jí)正擴(kuò)工藝介紹及施工方法

1.1.1 ?215 mm先導(dǎo)孔鉆孔施工

施工鉆機(jī)采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY6000L鉆機(jī)，主要參數(shù)為：最大扭矩為6000 N·m，轉(zhuǎn)速為50～190 r/min，最大給進(jìn)/起拔力為180 kN，給進(jìn)行程為1000 mm，鉆桿為?89 mm外平鉆桿，鉆頭為塔式結(jié)構(gòu)組合鉆頭。其中先導(dǎo)鉆頭為?133 mm的鋼體式PDC四翼內(nèi)凹鉆頭，擴(kuò)孔部分為?215 mm的五翼合金刮刀鉆頭，兩鉆頭之間通過絲扣連接并電焊。先導(dǎo)孔施工采用塔式鉆頭一次成孔，鉆孔仰角為5°，深度約為15 m，鉆進(jìn)過程中利用靜壓水輔助排渣，實(shí)際鉆進(jìn)證明，?215 mm先導(dǎo)孔鉆孔軌跡與預(yù)定位置基本重合，滿足設(shè)計(jì)要求。?215 mm組合鉆頭如圖1所示。

圖1 ?215 mm組合鉆頭

1.1.2 ?450 mm二級(jí)擴(kuò)孔施工

先導(dǎo)孔施工完成后，撤回先導(dǎo)鉆頭，換上?450/200 mm硬質(zhì)合金二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭，鉆頭尾部連接?400 mm插接式螺旋鉆桿，主動(dòng)鉆桿采用?89 mm外平鉆桿進(jìn)行二級(jí)擴(kuò)孔施工，整個(gè)鉆進(jìn)過程排渣順暢，基本滿足預(yù)期目標(biāo)，但成孔后期鉆機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。?450 mm合金擴(kuò)孔鉆頭如圖2所示。

1.1.3 ?600 mm三級(jí)擴(kuò)孔施工

三級(jí)擴(kuò)孔施工采用?600 mm硬質(zhì)合金擴(kuò)孔鉆頭，導(dǎo)向鉆頭連接?450 mm合金鉆頭，鉆桿與二級(jí)擴(kuò)孔相同。施工過程中發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)不平穩(wěn)，鉆機(jī)抖動(dòng)嚴(yán)重，并且排渣因難，鉆孔完成后，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)余渣較多，需進(jìn)行二次清渣工序，實(shí)際成孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡有明顯偏差。?600 mm合金擴(kuò)孔鉆頭如圖3所示。

圖2 ?450 mm合金擴(kuò)孔鉆頭

圖3 ?600 mm合金擴(kuò)孔鉆頭

1.2 存在的問題及原因分析

1.2.1 鉆孔偏斜嚴(yán)重

鉆孔完成后，清除余渣，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜嚴(yán)重，甚至在孔內(nèi)出現(xiàn)臺(tái)階，此外鉆孔軌跡出現(xiàn)下斜，經(jīng)測(cè)量?600 mm鉆孔軸線與?215 mm先導(dǎo)孔軸線落差約為1 m，主要原因是鉆頭和螺旋鉆桿較重，出現(xiàn)下切現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔軌跡偏斜。另一方面，鉆孔直徑較大時(shí)，排粉不暢也是鉆孔軌跡偏斜的重要原因，由于孔斜嚴(yán)重，導(dǎo)致無法完成下套管作業(yè)。多級(jí)正擴(kuò)施工工藝示意圖如圖4所示。

圖4 多級(jí)正擴(kuò)施工工藝示意圖

1.2.2 鉆進(jìn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，為了提高排渣效果采用?400 mm插接式螺旋鉆桿，由于該鉆桿重量大，在上下鉆桿時(shí)，需要3個(gè)人同時(shí)配合，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，從而導(dǎo)致輔助時(shí)間較長(zhǎng)，直接降低了鉆進(jìn)效率。此外，鉆孔偏斜、排渣不暢也是影響鉆進(jìn)效率的重要原因。

2 ?800 mm牙輪組合鉆頭多級(jí)回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝

針對(duì)?600 mm多級(jí)正擴(kuò)施工中存在的問題，進(jìn)行了兩個(gè)方面的改進(jìn)：一是由于大直徑硬質(zhì)合金鉆頭擴(kuò)孔施工時(shí)需要的扭矩較大，鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)抖動(dòng)明顯，并且隨著轉(zhuǎn)速增加，鉆機(jī)扭矩?zé)o法滿足鉆進(jìn)需要，容易造成動(dòng)力頭的損壞，為此改用牙輪組合鉆頭，以降低擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)的扭矩；二是采用多級(jí)正擴(kuò)工藝時(shí)，鉆孔偏斜嚴(yán)重且排渣困難，為此將擴(kuò)孔工藝改進(jìn)為回拉擴(kuò)孔工藝，并且在回?cái)U(kuò)鉆頭前端連接扶正器，確保鉆孔軌跡不發(fā)生偏斜。

2.1 牙輪組合鉆頭回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝

?800 mm大直徑回拉擴(kuò)孔施工共分為?215 mm先導(dǎo)孔施工以及?400 mm、?600 mm和?800 mm三級(jí)擴(kuò)孔施工。按照工藝設(shè)計(jì)要求，加工了?400 mm、?600 mm和?800 mm這3種規(guī)格的牙輪組合鉆頭和配套的扶正器，如圖5、圖6、圖7和8所示。

圖5 ?400 mm牙輪鉆頭

圖6 ?600 mm牙輪鉆頭

2.1.1 ?215 mm先導(dǎo)孔鉆孔施工

先導(dǎo)孔施工采用?215 mm塔式組合鉆頭，施工完成后卸掉先導(dǎo)鉆頭，然后沿先導(dǎo)孔將?89 mm外平鉆桿下放至另一個(gè)巷道。

圖7 ?800 mm牙輪鉆頭

圖8 回拉擴(kuò)孔用扶正器

2.1.2 ?400 mm二級(jí)回拉擴(kuò)孔施工

在另一巷道?89 mm外平鉆桿處先連接?203 mm扶正器，扶正器后連接?400 mm牙輪組合鉆頭，進(jìn)行回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)，牙輪回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)剛開始時(shí)，鉆機(jī)抖動(dòng)明顯，并有向前移動(dòng)的趨勢(shì)，用枕木頂住鉆機(jī)前端，同時(shí)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)逐漸趨于平穩(wěn)，但當(dāng)鉆速增大時(shí)鉆機(jī)抖動(dòng)又加重，后又調(diào)低轉(zhuǎn)速至鉆孔完成。?400 mm回拉鉆孔完成后，孔內(nèi)煤渣較多，利用高壓水沖洗鉆孔清除煤渣。多級(jí)回拉擴(kuò)孔施工工藝示意圖如圖9所示。

2.1.3 ?600 mm三級(jí)回拉擴(kuò)孔施工

二級(jí)擴(kuò)孔完成后按照同樣的方法將鉆桿下放至另一巷道，鉆桿前端先連接?370 mm扶正器，扶正器后端連接?600 mm牙輪組合鉆頭。擴(kuò)孔完成后，同樣采用高壓水沖孔清除煤渣。

2.1.4 ?800 mm四級(jí)回拉擴(kuò)孔施工

四級(jí)回拉擴(kuò)孔鉆具組合為?89 mm外平鉆桿+?550 mm扶正器+?800 mm牙輪組合鉆頭，施工工藝方法與二級(jí)和三級(jí)擴(kuò)孔相同。

2.2 牙輪鉆頭回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

采用扶正器+牙輪組合鉆頭進(jìn)行回拉擴(kuò)孔施工的優(yōu)點(diǎn)主要為：一是回拉擴(kuò)孔速度較快，鉆孔保直性較好；二是鉆具組合對(duì)設(shè)備的消耗低，并且在同樣的擴(kuò)孔速度下，回拉工藝方法所需的轉(zhuǎn)速和壓力較低。然而，牙輪鉆頭在實(shí)際使用過程中也有鉆頭質(zhì)量較重等自身難以克服的缺陷，?600 mm牙輪組合鉆頭重量近700 kg，造成鉆頭擰卸困難，需要借助吊鏈方能吊起鉆頭，鉆頭與鉆桿對(duì)正時(shí)，也缺少必要的工具，導(dǎo)致輔助時(shí)間較長(zhǎng)。

3 ?800 mm拆裝式硬質(zhì)合金鉆頭回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝

3.1 拆裝式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

為了解決牙輪鉆頭較重、裝卸困難、輔助時(shí)間較長(zhǎng)、鉆頭加工成本較高等問題，研制了一種可拆裝式硬質(zhì)合金回拉擴(kuò)孔鉆頭，該鉆頭設(shè)計(jì)了單獨(dú)的模塊式切削翼片，翼片前端焊接硬質(zhì)合金切削齒，翼片和鉆頭體之間通過螺栓連接。鉆頭體中心桿采用?89 mm外平鉆桿，連接板設(shè)計(jì)為階梯式四翼結(jié)構(gòu)，連接板外側(cè)設(shè)計(jì)支撐環(huán)，對(duì)鉆頭起扶正作用并提高整個(gè)鉆頭的強(qiáng)度，連接板和支撐環(huán)上加工減重孔，中心鉆桿、連接板、支撐環(huán)之間通過電焊連接，從而形成鉆頭體。拆裝式硬質(zhì)合金回拉擴(kuò)孔鉆頭的主要優(yōu)點(diǎn)為：一是鉆頭質(zhì)量輕、裝卸方便(?600 mm回拉鉆頭的總重量為85 kg，相比同規(guī)格牙輪組合鉆頭減輕了615 kg)；二是模塊化的切削翼片減少了鉆頭使用過程中不必要的浪費(fèi)，大大提高了使用壽命。由于該鉆頭翼片和鉆頭間通過螺栓連接，在使用過程中某位置翼片損壞時(shí)，即可將該翼片卸下更換新的翼片，不需要更換整個(gè)鉆頭。按照施工工藝要求設(shè)計(jì)加工了?400 mm、?600 mm和?800 mm這3種拆裝式硬質(zhì)合金回拉擴(kuò)孔鉆頭。拆裝式硬質(zhì)合金鉆頭回拉擴(kuò)孔鉆頭如圖10所示。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

拆裝式硬質(zhì)合金回拉擴(kuò)孔鉆頭在神華神東煤炭集團(tuán)公司保德煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，拆裝式硬質(zhì)合金回拉擴(kuò)孔鉆頭的施工方法與牙輪組合鉆頭相同，鉆頭前端連接配套扶正器，先導(dǎo)鉆頭仍然采用?215 mm組合式硬質(zhì)合金鉆頭。整個(gè)擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程較為平穩(wěn)，鉆機(jī)壓力較小，擴(kuò)孔速度較快，三級(jí)擴(kuò)孔共用時(shí)2.5 h完成，其中?400 mm擴(kuò)孔用時(shí)35 min，?600 mm擴(kuò)孔總共用時(shí)50 min，?800 mm擴(kuò)孔時(shí)由于孔徑較大，鉆機(jī)吃力大略有輕微抖動(dòng)，用時(shí)70 min完成。鉆孔完成后經(jīng)測(cè)量鉆孔軌跡偏斜小于150 mm，每級(jí)擴(kuò)孔后，采用高壓水清除孔內(nèi)殘余煤渣。

圖10 拆裝式硬質(zhì)合金鉆頭回拉擴(kuò)孔鉆頭

4 結(jié)語(yǔ)

研制了一套拆裝式大直徑鉆頭+扶正器+外平鉆桿的鉆具組合，采用回拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝施工煤礦井下大直徑聯(lián)絡(luò)鉆孔，成功解決了鉆孔偏斜問題，鉆進(jìn)效率提高30%以上，為煤礦井下施工超大直徑鉆孔提供了一種新思路。

采用扶正器+大直徑拆裝式硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行回拉擴(kuò)孔施工不但具有擴(kuò)孔速度較快、鉆孔保直性較好等優(yōu)點(diǎn)，而且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，施工效率相比牙輪鉆頭得到明顯提升，可以滿足順槽聯(lián)絡(luò)巷大直徑鉆孔施工要求。研制的拆裝式大直徑擴(kuò)孔鉆頭創(chuàng)新了鉆頭結(jié)構(gòu)和刀翼連接方式，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，明顯減輕了鉆頭重量，并實(shí)現(xiàn)了鉆頭體的重復(fù)利用。通過對(duì)損壞的切削刀翼進(jìn)行及時(shí)更換，鉆頭使用壽命提高10倍以上。

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Researchonpore-formingtechnologyoflarge-diameterconnectingdrillholeinreturnairwayinundergroundcoalmine

Tian Hongjie, Wang Chuanliu, Sun Rongjun

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

In order to reduce the quantity and cost of connecting gate, large-diameter connecting drill hole for return airway was necessary, the author analyzed the construction method and open questions of multistage positive expanding drilling technology with diameter of 600 mm and multistage back reaming drilling technology with cone combined drill of 800 mm in diameter, and developed a detachable carbide drill with diameter of 800 mm. The practical application showed that multistage back reaming drilling technology with centering guide in the front of reamer bit could solve effectively the problems of borehole deflection, difficult slagging and low drilling efficiency, the effects were much better than connecting pipelaying technology, and the technology also had low cost and short cycle.

return airway connecting, larger-diameter drilling, back reaming, detachable bit

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目 (2017JQ5070)

田宏杰，王傳留，孫榮軍. 煤礦井下大直徑回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)鉆孔成孔工藝研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(10)：72-75，114.

Tian Hongjie, Wang Chuanliu, Sun Rongjun.Research on pore-forming technology of large-diameter connecting drill hole in return airway in underground coal mine.[J].China Coal，2017，43(10)：72-75，114.

TD231.61

A

田宏杰(1987-)，男，甘肅慶陽(yáng)人，助理研究員，碩士研究生，現(xiàn)任職于中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，主要從事鉆探機(jī)具的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))