梁春苗，姚寧平，姚亞峰，曹建明

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著煤礦開采水平的延伸，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，煤礦安全生產(chǎn)對(duì)各類鉆孔的施工裝備和技術(shù)要求不斷提高，不但要求鉆孔施工裝備具有較高的鉆進(jìn)效率，同時(shí)需要對(duì)鉆孔軌跡精確測(cè)量和控制。定向鉆進(jìn)技術(shù)以其鉆進(jìn)效率高、鉆孔深度大、鉆孔軌跡可測(cè)控、一孔多分支、單孔抽采瓦斯?jié)舛雀?、鉆孔瓦斯抽采區(qū)域面積大等優(yōu)點(diǎn)，已成為煤礦井下高效鉆孔施工的主要技術(shù)手段[1-4]。

但是，目前成熟的定向鉆進(jìn)裝備與技術(shù)在云貴等西南地區(qū)推廣應(yīng)用較少。云南、貴州是我國(guó)重要能源基地，是西南大型煤炭能源基地的核心組成部分，該地區(qū)煤層賦存條件復(fù)雜，煤層瓦斯含量高，煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。同時(shí)受西南地區(qū)礦井開采條件限制，巷道普遍狹窄，這給搬運(yùn)和施工都帶來了一定的困難，而現(xiàn)有的定向鉆機(jī)配合提供孔底動(dòng)力的泵車后，因外形尺寸較大、傾角調(diào)節(jié)范圍有限，很難有用武之地。針對(duì)以上問題，經(jīng)過深入現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)研，研制出適合云貴地區(qū)狹窄巷道用兩體定向鉆機(jī)ZDY6000LD（F），并形成了復(fù)雜地質(zhì)條件適用的成熟、可靠的鉆進(jìn)工藝技術(shù)。

1 鉆機(jī)總體方案

結(jié)合目前鉆機(jī)設(shè)計(jì)中的新技術(shù)、新方法，針對(duì)云貴地區(qū)煤礦開采要求鉆機(jī)外形小、搬遷方便等特殊需求，考慮到小曲率定向鉆進(jìn)中鉆機(jī)調(diào)角范圍設(shè)計(jì)較大時(shí)，可大大減少無效鉆孔段長(zhǎng)度，從而提高整體鉆進(jìn)效率，制定了適合狹窄巷道用兩體履帶式定向鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。鉆車和泵車計(jì)獨(dú)立履帶驅(qū)動(dòng)形式，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速搬遷。鉆車是鉆進(jìn)的主要控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，泵車提供回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和定向鉆進(jìn)的動(dòng)力。鉆機(jī)的主要性能參數(shù)如下：①理論孔深：1 000 m；②最大轉(zhuǎn)矩：6 000 N·m；③最高轉(zhuǎn)速：170 r/min；④最大給進(jìn)（/起拔）力：190 kN；⑤主軸傾角：±30°；⑥鉆車/泵車功率：90/18.5 kW；⑦鉆車（泵車）速度：2.0/0.9 km/h；⑧爬坡能力：15°；⑨水泵流量：200 L/min；⑩水泵壓力：9 MPa；?鉆車外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：3 810 mm×1 250 mm×1 900 mm；?泵車外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：2 750 mm×1 100 mm×1 600 mm。

2 鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

1）鉆進(jìn)與定向集成式泵車。將鉆車用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)動(dòng)力和定向用水泵動(dòng)力同時(shí)集成在泵車上的方案，泵車上有油箱、電機(jī)泵組、泥漿泵系統(tǒng)等，不但保證定向鉆進(jìn)動(dòng)力需求，還使得鉆車和泵車外形更加緊湊，鉆車和泵車寬度尺寸僅為1.25 m和1.1 m，更適合狹窄巷道定向鉆進(jìn)，增強(qiáng)了定向鉆的適用范圍。

2）遠(yuǎn)程調(diào)速的雙馬達(dá)大通孔動(dòng)力頭。研制了扭矩大、體積小、效率和性價(jià)比高的雙驅(qū)動(dòng)一級(jí)減速器，采用2個(gè)定量馬達(dá)串并聯(lián)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)單個(gè)或2個(gè)液壓馬達(dá)工作，集定向鉆進(jìn)扭矩限制和鉆機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與一體。同時(shí)動(dòng)力頭通孔直徑設(shè)計(jì)為 φ110 mm，可配套使用 φ73、φ89、φ102 mm 3種規(guī)格鉆具，提高了鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和事故處理能力。

3）多級(jí)缸過壓保護(hù)式調(diào)角裝置。鑒于在有限空間實(shí)現(xiàn)較大角度調(diào)節(jié)的難度，鉆機(jī)調(diào)角采用以雙作用多級(jí)伸縮油缸，兩端缸筒鉸軸固定在車體上并成為支撐點(diǎn)，調(diào)幅時(shí)缸桿推動(dòng)機(jī)身兩端，立柱和斜撐為輔助導(dǎo)向桿和兩端油缸伸縮配合的調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)俯、仰角±30°和水平開孔高度1.1 m的調(diào)節(jié),調(diào)角裝置如圖1。雙作用多級(jí)油缸采用五級(jí)缸逐級(jí)伸出和縮回結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)小空間上較大行程油缸布置，從而得到大的調(diào)角范圍。為了避免在施工中，立柱和斜撐上抱瓦振動(dòng)松動(dòng)，造成油缸的彎曲變形或者傷人事故，在油缸調(diào)角液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)平衡溢流保護(hù)系統(tǒng)，增強(qiáng)了油缸伸縮時(shí)的平穩(wěn)性，也減少了因機(jī)械卡滯造成油缸損壞，提高鉆進(jìn)的安全性。

圖1 調(diào)角裝置

4）耐磨型合金導(dǎo)軌和襯板。鉆機(jī)的給進(jìn)導(dǎo)軌和襯板承受動(dòng)力頭往復(fù)移動(dòng)、扭矩、強(qiáng)力起拔和震動(dòng)。因此，拖板與機(jī)身之間運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌和襯板的磨損。在原ZDY系列鉆機(jī)中使用錳黃銅作為耐磨襯板，但實(shí)際使用因其耐磨性較差而更換頻繁[5]。該鉆機(jī)設(shè)計(jì)中采用合金鋼耐磨導(dǎo)軌和襯板，與以往使用的錳黃銅、自潤(rùn)滑銅合金導(dǎo)軌和襯板相比，合金鋼耐磨導(dǎo)軌和襯板性能有較大提升，在同等工況下的錳黃銅、自潤(rùn)滑銅合金和合金鋼導(dǎo)軌3種材料使用壽命對(duì)比，合金鋼導(dǎo)軌和襯板磨損最小，180 d只磨損了0.2 mm，因此可見，合金導(dǎo)軌和襯板可大大提高其耐磨性，可為用戶節(jié)約后期維護(hù)成本。3種耐磨材料使用壽命對(duì)比如圖2。

圖2 3種耐磨材料使用壽命對(duì)比

5）串并聯(lián)組合缸式機(jī)身。對(duì)于中深孔鉆進(jìn)的定向鉆機(jī)，大的給進(jìn)行程可減少倒桿次數(shù)，提高鉆進(jìn)效率。但行程大會(huì)導(dǎo)致機(jī)身與車體尺寸加長(zhǎng)，不利于布置與運(yùn)輸。通過行程同為1 650 mm，普通油缸、二級(jí)伸縮缸和串并聯(lián)組合缸3種對(duì)比，得出串并聯(lián)式組合缸在安裝距和外形尺寸上更有優(yōu)勢(shì)。綜合以上因素，給進(jìn)行程設(shè)計(jì)為1 650 mm，對(duì)于有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，3 m的中心通纜鉆桿倒桿2次可完成快速起、下鉆，對(duì)于無線測(cè)量系統(tǒng)，1.5 m鉆桿可進(jìn)行中間加桿，節(jié)省拆卸送水器的輔助時(shí)間，提高鉆進(jìn)總效率[6]。

6）閉合式組合過濾液壓凈化系統(tǒng)。采用閉合凈化油液系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免煤礦井下污染源的引入，將油箱設(shè)計(jì)為封閉式結(jié)構(gòu)，從本質(zhì)安全角度降低了油液污染幾率，并在泵的吸油、高壓出油和回油方面進(jìn)行二次油液凈化，大大提高液壓系統(tǒng)的抗污染能力，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性[7]。鑒于給油箱加油時(shí)也會(huì)帶入污染，加油時(shí)設(shè)計(jì)有加油泵，利用煤礦井下的風(fēng)壓作為加油泵動(dòng)力，再通過回油濾油器上的單向閥，即可為油箱補(bǔ)油。

3 西南復(fù)雜地層中應(yīng)用

3.1 地層條件

施工地點(diǎn)位于貴州黔西能源青龍煤礦，隸屬畢節(jié)地區(qū)，斜井開拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，礦方主要開采 16#煤層，16#煤層厚度為 0.81～9.64 m，平均可采厚度為 2.88 m，其煤層傾向?yàn)?2°～14°。該煤層堅(jiān)固性系數(shù)f僅為0.3左右，煤層松軟破碎嚴(yán)重，膠結(jié)性差，煤層頂板巖性情況見表1。

表1 煤層頂板巖性情況

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

使用ZDY6000LD（F）型窄體定向鉆機(jī)在青龍礦11615工作面頂板大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔施工。頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔是指在煤層頂板裂隙帶內(nèi)布置定向長(zhǎng)鉆孔，旨在治理工作面上隅角瓦斯及采空區(qū)瓦斯。確定11615工作面高位孔終孔位于煤層頂板20～30 m處瓦斯抽采效果較好，且須覆蓋到工作面1/3的范圍，單孔設(shè)計(jì)主孔深度600 m，孔徑133 mm。鉆孔在平面上平行于回風(fēng)巷（軌道巷），1#、2#、3#、4#孔分別位于距離回風(fēng)巷 10、20、30、40 m 位置；鉆孔在垂直面沿走向延伸，軌跡平行于煤層頂板上20 m左右。鉆孔存在穿越復(fù)雜地層的過程，而在復(fù)雜地層中定向鉆進(jìn)比在穩(wěn)定地層中定向鉆進(jìn)困難的多，其關(guān)鍵在于如何有效排渣和防止塌孔[8]。

11615工作面的4個(gè)大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔中3個(gè)鉆孔孔深達(dá)到600 m以上，最深孔深618 m。4個(gè)高位定向鉆孔單孔瓦斯抽采濃度最高達(dá)到45.2%，最大流量達(dá)到 2.29 m3/min，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抽采，效果良好。

3.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

1）復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)穩(wěn)定給進(jìn)速度，加強(qiáng)沖孔，保證鉆孔干凈，控制起拔壓力和回轉(zhuǎn)壓力。鉆孔軌跡在剖面上盡量保證平直趨勢(shì)，以利于鉆渣排出[9]。

2）鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免或減少地質(zhì)破碎帶布孔，若無法避開，應(yīng)該大角度穿越破碎帶或者減少鉆孔長(zhǎng)度分段施工，同時(shí)，泥漿泵采用低壓、小排量快速通過方式，必要時(shí)要采用滑動(dòng)鉆進(jìn)，可減少對(duì)孔壁的擾動(dòng)，有利于鉆孔施工[10-11]。

4 結(jié)語

1）利用將鉆進(jìn)與定向動(dòng)力集成在泵車上方法，完成了狹窄巷道用兩體定向鉆機(jī)的設(shè)計(jì)。該鉆機(jī)鉆車、泵車獨(dú)立行走，外形尺寸小，鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，傾角調(diào)整靈活方便、范圍大，解決了云貴地區(qū)狹窄巷道定向鉆進(jìn)的問題。

2）開發(fā)的雙馬達(dá)大通孔動(dòng)力頭具有外形小巧，操作方便的特點(diǎn)；合金導(dǎo)軌提高了鉆機(jī)耐磨性，組合缸式給進(jìn)裝置減少了鉆機(jī)外形尺寸，閉合式組合過濾液壓系統(tǒng)凈化設(shè)計(jì)，提高了液壓系統(tǒng)中的安全性、清潔度和可靠性。

3）在貴州青龍礦復(fù)雜地層中進(jìn)行了頂板高位孔鉆進(jìn)施工，結(jié)果表明：鉆機(jī)可滿足西南地區(qū)狹窄巷道需要，具有鉆進(jìn)效率高，鉆孔工藝適應(yīng)性強(qiáng)和施工可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。