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(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著煤礦開采條件的越發(fā)復(fù)雜，松軟破碎煤層在施工時常常由于鉆孔排渣困難、層松軟垮塌等問題導(dǎo)致埋鉆、卡鉆等一系列孔內(nèi)事故，影響鉆孔成孔。通過改善鉆具結(jié)構(gòu)、改進(jìn)施工工藝在一定程度上減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高了成孔率，但松軟煤層塌孔的問題制約著瓦斯抽采效果[1]。

目前多數(shù)礦區(qū)依舊采用低轉(zhuǎn)速配合寬葉片螺旋鉆桿的風(fēng)鉆施工工藝施工順層鉆孔，該工藝技術(shù)在一定程度上提高了順層鉆孔的成孔率，但針對極易突出煤層，采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)成孔存在很大的安全隱患，在干鉆過程中，較低轉(zhuǎn)速搭配寬葉片螺旋鉆桿無法順利排出煤粉。高速螺旋鉆進(jìn)工藝[2]解決了排粉不利的問題，利用較高的轉(zhuǎn)速配合高葉片螺旋鉆桿[3]，使螺旋鉆桿與鉆孔之間形成一個 “螺旋運輸機”，將鉆屑可以連續(xù)不斷的運出孔外，解決了排渣不利的問題同時還減少了對孔壁的破壞[4-6]。工藝提高了成孔率，但塌孔問題還是沒能很好的解決。

瓦斯抽采篩管完孔工藝的推廣應(yīng)用解決了由于塌孔導(dǎo)致的篩管不能下入孔底的問題，篩管從鉆桿內(nèi)通孔下入到孔底，該工藝基本實現(xiàn)了“孔到位、管到底”[7-9]。將兩種工藝技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮各自工藝優(yōu)點，利用高速螺旋鉆進(jìn)工藝快速成孔，同時利用篩管完孔工藝下入篩管。基于此，研制了特殊結(jié)構(gòu)的可開閉鉆頭，并應(yīng)用到順層鉆孔施工中。

1 鉆頭設(shè)計

1.1 鉆頭設(shè)計思路

為了滿足高速螺旋鉆進(jìn)的工藝要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速下篩管功能，在現(xiàn)有可開閉鉆頭[10]原理基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新設(shè)計，研發(fā)了新型可開閉式鉆頭。該鉆頭研制的基本原理是：鉆頭由鉆頭基體和能夠?qū)崿F(xiàn)開閉功能的內(nèi)芯組成。鉆頭體中心為大通孔結(jié)構(gòu)，鉆頭出于張開狀態(tài)時確保篩管能夠順利通過鉆頭；內(nèi)芯通過銷軸固定在鉆頭基體上并通過彈簧銷定位，內(nèi)芯可繞銷軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)內(nèi)芯的張開和閉合動作。在正常鉆進(jìn)過程中，內(nèi)芯處于閉合狀態(tài)，鉆頭正常切削鉆進(jìn)，待鉆至設(shè)計孔深后，篩管通過鉆桿輸送到鉆頭位置，通過施加軸向沖擊力將內(nèi)芯頂開，穿過鉆頭，篩管最后留在鉆孔內(nèi)，提出鉆桿鉆頭。由于配合螺旋鉆進(jìn)工藝施工，鉆頭為全封閉鉆頭，無水眼設(shè)計。

1.2 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前煤礦井下螺旋鉆進(jìn)用鉆頭多為合金鉆頭，但在煤層施工過程中遇到矸石等硬地層時，鉆頭主要表現(xiàn)為壽命短。鉆桿內(nèi)快速下篩管工藝配套的四翼可開閉鉆頭在施工煤層也基本能夠滿足工藝需求，但鉆遇硬巖時存在鉆頭變形、鉆進(jìn)效率低的問題。為此，本文設(shè)計了新型結(jié)構(gòu)的可開閉鉆頭，鉆頭主要由空心鉆頭體、密閉式翼片、PDC切削齒等組成，鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型可開閉鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

PDC切削齒通過焊接方式鑲嵌到鉆頭體及密閉式翼片上，密閉式翼片通過銷軸與空心鉆頭體進(jìn)行連接，同時翼片可繞銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)密閉翼片的打開和閉合動作，新型鉆頭打開和閉合狀態(tài)如圖2所示。

圖2 閉合和開啟狀態(tài)示意圖

該新型可開閉鉆頭主要有以下結(jié)構(gòu)特點：

1)全封閉無水眼結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到螺旋鉆進(jìn)的工藝技術(shù)要求，新型可開閉鉆頭設(shè)計為全封閉無水眼結(jié)構(gòu)。在螺旋鉆進(jìn)時，由于無壓風(fēng)或水等沖洗介質(zhì)，全封閉結(jié)構(gòu)的鉆頭使得煤粉無法通過鉆頭進(jìn)入到鉆桿內(nèi)通孔，待螺旋鉆進(jìn)完成施工后，鉆頭密閉式翼片在篩管的沖擊力作用下打開，可以確保鉆桿內(nèi)快速下篩管工藝的順利進(jìn)行。

2)三刀翼非貫通式凹槽結(jié)構(gòu)。目前可開閉鉆頭在加工用于放置中心翼片的凹槽時，通常加工為貫通式結(jié)構(gòu)，方便加工的同時也降低了鉆頭體的整體強度，導(dǎo)致在鉆進(jìn)過程中鉆遇矸石時鉆頭會發(fā)生變形，進(jìn)而無法正常打開。新型結(jié)構(gòu)的鉆頭采用三刀翼費貫通式凹槽結(jié)構(gòu)，用于放置中心翼片的凹槽加工為非貫通式凹槽，凹槽一端與鉆頭刀翼連為一體，提高了鉆頭整體強度；另外三刀翼結(jié)構(gòu)也減少了切削齒數(shù)量，在同等鉆壓條件下，提高了單一PDC切削齒的切削壓力，進(jìn)而提高了鉆進(jìn)效率。

3)內(nèi)心支柱結(jié)構(gòu)。螺旋干鉆施工工藝中沒有了壓風(fēng)或水等沖洗介質(zhì)進(jìn)行輔助排渣，因此在鉆頭設(shè)計時，內(nèi)心處設(shè)計為支柱結(jié)構(gòu)，增大了內(nèi)心處的環(huán)空間隙，便于排渣，防止由于鉆進(jìn)速度過高產(chǎn)生的大量巖粉堆積在鉆頭中心。

2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2.1 地質(zhì)概況

陽煤集團(tuán)寺家莊煤礦15#煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含矸2～3層，塊狀及粉狀，以鏡煤為主，其次為暗煤，屬于光亮型煤，性質(zhì)較松軟。煤層厚度約5.35m，煤層總體為東高西低的單斜構(gòu)造，傾角一般1°～10°，整體傾角約4°。工作面內(nèi)部分區(qū)域有三維地震勘探推斷的斷層、陷落柱。目前測試最大瓦斯含量11.74m3/t，最大瓦斯壓力0.295MPa。頂板為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，團(tuán)塊狀，含植物化石碎片，底板為泥巖，性軟，斷口參差狀，含植物根莖化石，地層柱狀圖如圖3所示。

圖3 15106工作面地層柱狀圖

工作面共揭露2條背斜和2條向斜，15106工作面回風(fēng)巷分別掘進(jìn)至距離切巷460m、660m、1030m附近遇背斜軸部、向斜軸部、背斜軸部，各巷掘進(jìn)過程中不排除出現(xiàn)小的斷裂構(gòu)造及頂板破碎。

2.2 鉆孔設(shè)計

試驗地點位于15106回風(fēng)巷，鉆孔設(shè)計深度120m，雙排孔，鉆孔水平間距3m，垂向間距0.8m，鉆孔數(shù)10個，鉆孔平面布置如圖4所示。

圖4 試驗鉆孔平面布置圖

2.3 試驗用鉆機

現(xiàn)場試驗用鉆機為中煤工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY3000LG履帶式全液壓坑道鉆機。ZDY3000LG型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機是一種特別適于螺旋鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速鉆機。該鉆機具有技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強、搬遷方便、安全可靠等優(yōu)點，是一款適用于螺旋鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速鉆機，鉆機實物照片如圖5所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖5 ZDY3000LG液壓型高轉(zhuǎn)速鉆機

主要參數(shù)性能指標(biāo)鉆機質(zhì)量/kg6700運輸狀態(tài)外形尺寸(長×寬×高)/m4.80×1.25×1.83額定轉(zhuǎn)矩/Nm3000～400額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)60～800額定壓力/MPa23額定流量/(L·min-1)200主軸傾角/(°)-90～+90最大給進(jìn)/起拔力/kN140/190給進(jìn)/起拔行程/mm1800履帶行走速度/(km·h-1)0～2.0最大爬坡能力/(°)15電機額定功率/kW90

2.4 試驗用鉆桿

試驗用鉆桿為中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司鉆探公司鉆探裝備制造中心研發(fā)設(shè)計的Φ100/63.5-28mm插接式大通徑螺旋鉆桿。該螺旋鉆桿主要由鉆桿體和螺旋葉片兩部分組成。鉆桿桿體由聯(lián)接接頭與管體摩擦焊接而成，螺旋葉片焊接在鉆桿體外表面。為提高鉆桿使用過程中的聯(lián)接速度和工人的勞動強度，鉆桿聯(lián)接結(jié)構(gòu)選擇插接式結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)鉆桿內(nèi)快速下篩管工藝技術(shù)，鉆桿聯(lián)接后中心內(nèi)通孔必須暢通，因此鉆桿聯(lián)接銷為非對稱的U型銷結(jié)構(gòu)。鉆桿如圖6所示。

圖6 Φ100/63.5-28mm插接式大通徑螺旋鉆桿

3 施工工藝

現(xiàn)場施工采用干式螺旋鉆進(jìn)和篩管完孔施工技術(shù)相結(jié)合的工藝方案，即采用螺旋鉆機工藝進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔終孔后采用篩管完孔工藝進(jìn)行鉆孔內(nèi)下篩管作業(yè)。

3.1 螺旋鉆進(jìn)施工工藝

高速螺旋鉆進(jìn)工藝是通過鉆機動力頭高速旋轉(zhuǎn)帶動螺旋鉆桿及鉆頭回轉(zhuǎn)的干式鉆進(jìn)施工工藝，煤屑通過螺旋葉片與孔壁之間形成的“螺旋輸送帶”排出孔外，螺旋鉆進(jìn)施工工藝流程如圖7所示。

圖7 高速螺旋鉆進(jìn)工藝流程圖

3.2 篩管完孔工藝流程

篩管完孔工藝是鉆孔終孔后暫不提鉆，篩管通過鉆桿內(nèi)通孔穿過鉆頭下入孔內(nèi)后提鉆的施工工藝，篩管完孔工藝流程如圖8所示。

圖8 篩管完孔施工工藝流程圖

4 應(yīng)用情況

圖9 新型可開閉鉆頭用后實物圖

2016年4—5月，新型鉆頭在陽煤集團(tuán)寺家莊礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場使用鉆頭3只，共計施工鉆孔10個，累計進(jìn)尺1057.5m，巖石段進(jìn)尺200m，單班最大進(jìn)尺達(dá)90m。鉆頭平均壽命為352.5m，其中3個鉆孔因塌孔原因未達(dá)到鉆孔設(shè)計孔深，2個未進(jìn)行孔內(nèi)下篩管工序。鉆孔篩管下入總長度為952.5m，篩管下入率達(dá)99%，基本實現(xiàn)了鉆孔全程下篩管。試驗后鉆頭如圖9所示，詳細(xì)施工數(shù)據(jù)見表2。

5 結(jié) 語

通過現(xiàn)場應(yīng)用表明新型可開閉鉆頭可用于高速螺旋鉆進(jìn)工藝配合篩管完孔工藝的施工，新型鉆頭結(jié)構(gòu)可靠，為松軟煤層的施工及瓦斯抽采提供了有力支撐。由于干鉆施工工藝，切削齒耐熱問題是制約鉆頭使用效果的關(guān)鍵因素，因此后期要重點考慮切削齒的熱穩(wěn)定性能，優(yōu)選熱穩(wěn)定性高的切削齒，同時選用熔點高的焊接材料，保證切削齒的焊接強度，以提高鉆頭的整體壽命。