李 坤，張 杰

（1.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077；2.伍倫貢大學(xué) 土木 礦業(yè)與環(huán)境學(xué)院，澳大利亞 伍倫貢2522）

碎軟煤層在我國高瓦斯礦井中發(fā)育廣泛，由于其在形成過程中遭遇多期次的地質(zhì)構(gòu)造作用，具有松軟、破碎、低滲、應(yīng)力復(fù)雜的特點(diǎn)[1-4]，導(dǎo)致碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工存在孔壁易失穩(wěn)破壞、孔內(nèi)煤粉清潔困難、鉆孔軌跡不能精確控制、完孔方法有限等諸多難題[5-7]。

空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)采用井下防爆空壓機(jī)或制氮機(jī)提供動力，驅(qū)動氣動螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)帶動鉆頭回轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)，因其具有擾動小，有利于孔壁穩(wěn)定和瓦斯解吸的特點(diǎn)，成為解決碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工難題的有效技術(shù)手段，在貴州和淮南等煤礦區(qū)得到了較為廣泛的推廣和應(yīng)用[8-10]。隨著應(yīng)用的不斷深入，施工現(xiàn)場煤塵污染嚴(yán)重、空氣螺桿馬達(dá)使用壽命短、孔內(nèi)高溫不能及時發(fā)現(xiàn)和處置等問題也逐漸暴露出來。為解決這些問題，褚志偉[11]基于負(fù)壓抽吸慣性干式除塵原理, 設(shè)計了一種適用于煤礦井下碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)的負(fù)壓抽吸分級凈化除塵裝置，鉆場降塵效率達(dá)到96%以上；聶超等[12]利用歐拉模型，對壓縮空氣輸送煤粉顆粒形成的氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，對煤粉顆粒的分布和運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究；劉建林等[13]在分析鉆渣運(yùn)移特性的基礎(chǔ)上，開發(fā)了碎軟煤層空氣泡沫復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，同時達(dá)到了降溫潤滑空氣螺桿馬達(dá)，降低孔口返出煤塵目的?，F(xiàn)有技術(shù)尚缺少對施工過程中孔內(nèi)溫度監(jiān)測和應(yīng)急降溫技術(shù)的研究，且多個輔助系統(tǒng)尚不能很好集成，操作復(fù)雜，用戶使用、維護(hù)和學(xué)習(xí)成本較高。為此，開發(fā)了ZCY-2×16L 型碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)用智能多功能除塵車；除塵車集孔口除塵、螺桿馬達(dá)潤滑、壓風(fēng)監(jiān)測、孔內(nèi)溫度預(yù)警、高溫智能處置等多種功能與一體，為碎軟煤層空氣定向鉆孔施工提供了全面的設(shè)備保障。

1 多功能除塵車總體方案

多功能除塵車將空氣定向鉆進(jìn)施工過程中所需要的各輔助系統(tǒng)整合在一起，方便井下移位搬遷；運(yùn)用先進(jìn)的電液控制技術(shù)，實現(xiàn)了行走和各輔助系統(tǒng)的無線遙控控制，并將操作技巧寫入控制程序，降低用戶使用和學(xué)習(xí)成本。

1.1 多功能除塵車的結(jié)構(gòu)組成

ZCY-2×16L 型空氣定向鉆進(jìn)智能多功能除塵車如圖1。

圖1 ZCY-2×16L 型空氣定向鉆進(jìn)智能多功能除塵車Fig.1 ZCY-2×16L intelligent multi-functional dust removal system for air directional drilling

多功能除塵車集成履帶式底盤，能夠通過遙控器控制行走。履帶車體上依次安裝有電機(jī)泵組、泵站油箱、操縱臺、射流除塵裝置、壓風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)、油霧潤滑泵、油霧潤滑系統(tǒng)油箱和控制器。各部件按照功能劃分可以分為孔口除塵系統(tǒng)、空氣螺桿馬達(dá)油霧潤滑系統(tǒng)、孔內(nèi)應(yīng)急降溫系統(tǒng)、壓風(fēng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等多個系統(tǒng)。各系統(tǒng)的開關(guān)和功能切換均可通過遙控器遠(yuǎn)程操作完成。

1.2 電液控制系統(tǒng)組成及工作原理

多功能除塵車電液控制系統(tǒng)組成如圖2。多功能除塵車的電液控制系統(tǒng)主要由本安型遙控器、控制器、電磁比例多路閥、電控球閥、防爆蝶閥、液壓馬達(dá)、履帶車體和集成在孔口集塵裝置上的溫度傳感器等部分組成。

圖2 多功能除塵車電液控制系統(tǒng)組成Fig.2 Electro-hydraulic control system of intelligent multi-functional dust removal system

遙控器用于發(fā)射控制指令，并接收和顯示控制器返回的壓風(fēng)、泵站數(shù)據(jù)和孔口返風(fēng)溫度等；控制器根據(jù)指令，按照預(yù)定程序控制電控球閥、防爆蝶閥和電磁比例多路閥動作，實現(xiàn)對空壓機(jī)壓風(fēng)、井下靜壓風(fēng)、靜壓水的通斷和注油泵啟停的控制，從而控制各輔助系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 孔口除塵技術(shù)

空氣螺桿馬達(dá)以壓風(fēng)為驅(qū)動介質(zhì)，由于氣體的可壓縮性，鉆孔施工時，孔口涌出的氣體壓力逐漸降低，體積不斷膨脹，流速會急劇增加，裹挾著煤巖粉從孔內(nèi)噴出，造成現(xiàn)場空氣污染，并且可燃粉塵達(dá)到一定濃度后，存在爆炸風(fēng)險。因此，作為多功能除塵車的首要功能，解決好孔口集塵和除塵問題，對改善施工作業(yè)環(huán)境，消除粉塵爆炸風(fēng)險意義重大。

煤礦井下常用的除塵方式根據(jù)工作原理的不同可分為干式和濕式2 種。干式除塵器常見的有旋風(fēng)除塵和布袋除塵等方式，因其具有除塵效率高，過濾速度快等優(yōu)勢在掘進(jìn)機(jī)除塵系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，但干式除塵器的體積普遍較大，很少被用于煤礦井下孔口除塵；濕式除塵器使用壓縮空氣作為動力源，引導(dǎo)高速氣流流經(jīng)文氏管，產(chǎn)生負(fù)壓，抽吸孔口污風(fēng)，再利用霧化噴頭噴出水霧與污風(fēng)中的粉塵顆粒碰撞、融合形成大顆粒，大顆粒在慣性力和離心力的作用下與裝置內(nèi)的攔阻器和殼體發(fā)生碰撞，然后匯集成水流流出，從而起到降塵作用，濕式除塵器由于結(jié)構(gòu)相對簡單，體積較小，且不存在耗材，使用和維護(hù)成本較低，比較適合煤礦井下孔口除塵應(yīng)用場景。

2.1.1 孔口除塵系統(tǒng)組成及工作原理

孔口除塵系統(tǒng)的組成如圖3?？卓诔龎m系統(tǒng)主要由孔口集塵裝置、濕式射流除塵器和控制除塵器供風(fēng)、供水開關(guān)的遙控器、控制器、電控球閥等部件組成。

圖3 孔口除塵系統(tǒng)的組成Fig.3 The orifice dust collector system

孔口集塵裝置采用箱式結(jié)構(gòu)，一端設(shè)置有用于連接孔口管的卡箍法蘭，另一端通過密封皮碗實現(xiàn)與鉆桿間的密封；裝置內(nèi)部沿孔內(nèi)反渣運(yùn)動方向上還安裝有多組阻擋墊片，阻擋墊片上端設(shè)置有水霧噴頭，用于對孔內(nèi)返出的大顆粒進(jìn)行初級的阻擋和沉降；裝置底部為出渣孔，出渣孔處安裝有一段排渣管和密封皮帶，用于將大顆粒粉塵引導(dǎo)到地面，同時避免粉塵掉落地面時產(chǎn)生揚(yáng)塵；裝置頂部設(shè)置有出氣孔可通過導(dǎo)風(fēng)管與射流除塵器相連。射流除塵器沿污風(fēng)流動方向分別設(shè)置有1 組水幕和空氣霧化噴頭，用于對收集來的污風(fēng)進(jìn)行再次處理。除塵器末端設(shè)置有瓦斯收集裝置，可與井下負(fù)壓抽放管相連，將凈化后的孔內(nèi)返風(fēng)收集到負(fù)壓抽放管內(nèi)，防止施工現(xiàn)場瓦斯超限。

由于射流除塵器是采用井下靜壓風(fēng)作為動力源，產(chǎn)生負(fù)壓抽吸孔口污風(fēng)，再利用水幕降塵的方式實現(xiàn)污風(fēng)的凈化。所以在使用時必須嚴(yán)格按照“先開水，再開風(fēng)”，“先關(guān)風(fēng)，再關(guān)水”的操作要求。在啟動除塵器時，必須先打開供水，再打開供風(fēng)；關(guān)閉除塵器是又需要先關(guān)閉供風(fēng)，再關(guān)閉供水，否則污風(fēng)中的煤巖粉有可能會進(jìn)入噴頭內(nèi)部，造成噴頭堵塞。為避免故障發(fā)生，多功能除塵車采用兩組電控球閥分別控制除塵系統(tǒng)的供風(fēng)和供水，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)開啟和關(guān)閉的一鍵控制，避免了因操作不當(dāng)造成裝置故障的可能性。

2.1.2 除塵器關(guān)鍵參數(shù)

空氣定向鉆孔施工時，配套的防爆空壓機(jī)額定排氣量通常在17～21 m3/min 之間。為滿足使用要求，多功能除塵車的除塵系統(tǒng)采用2 套額定處理風(fēng)量為16 m3/min 的濕式射流除塵器作為除塵單元。除塵系統(tǒng)基本參數(shù)如下：額定處理風(fēng)量：①32 m3/min；②呼吸性粉塵除塵效率：90%；③總粉塵除塵效率：97%；④適應(yīng)水壓：≥0.2 MPa；⑤供氣壓力：≥0.2 MPa。

2.2 空氣螺桿馬達(dá)油霧潤滑技術(shù)

由于采用壓風(fēng)作為驅(qū)動介質(zhì)，無法實現(xiàn)空氣螺桿馬達(dá)的高效降溫和潤滑，影響其使用壽命。在鉆孔施工的過程中，多采用加裝鉆桿時人工向鉆桿內(nèi)加注潤滑油，借助壓縮空氣將部分油液吹至螺桿馬達(dá)的方法，實現(xiàn)螺桿馬達(dá)的潤滑。由于加注進(jìn)去的潤滑油為液體，大部分會附著在鉆桿內(nèi)壁，導(dǎo)致潤滑油輸送距離短，定向長鉆孔施工時很難到達(dá)螺桿馬達(dá)處，造成了油液的浪費(fèi)，且潤滑效果不佳。

多功能除塵車采用空氣霧化的方式，將潤滑介質(zhì)轉(zhuǎn)變成油霧形態(tài)，增大潤滑介質(zhì)的輸送距離，并可實現(xiàn)鉆進(jìn)過程中空氣螺桿馬達(dá)的持續(xù)潤滑。螺桿馬達(dá)潤滑系統(tǒng)組成如圖4。油霧潤滑系統(tǒng)主要包括潤滑劑油箱、注油泵、注油泵驅(qū)動馬達(dá)、空氣霧化噴頭和由遙控器、控制器、電磁比例多路閥和泵站組成的控制系統(tǒng)。

圖4 螺桿馬達(dá)潤滑系統(tǒng)組成Fig.4 Screw motor lubrication system

油霧潤滑泵工作時，泵站輸出的高壓油驅(qū)動注油泵從油箱內(nèi)抽取潤滑介質(zhì)加壓后將其輸送至壓風(fēng)管路。壓風(fēng)管路上沿壓風(fēng)流動方向安裝有空氣霧化噴頭，潤滑介質(zhì)進(jìn)入霧化噴頭后會在壓風(fēng)管路內(nèi)形成噴射狀油霧。當(dāng)空壓機(jī)壓力超過0.5 MPa 時，油霧顆粒直徑在7 μm 左右，能夠很好地懸浮在空氣中，隨壓風(fēng)進(jìn)入螺桿馬達(dá)，實現(xiàn)了螺桿馬達(dá)的持續(xù)潤滑和潤滑介質(zhì)的長距離輸送。

2.3 風(fēng)溫監(jiān)測與孔內(nèi)應(yīng)急降溫技術(shù)

定向鉆孔施工過程中，鉆頭切削煤巖會產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時被帶走將有可能產(chǎn)生鉆孔內(nèi)的局部高溫，甚至發(fā)生孔內(nèi)火災(zāi)?？諝舛ㄏ蜚@進(jìn)施工中多采用壓縮空氣或者壓縮氮?dú)庾鳛閯恿υ础５獨(dú)庖蚱浔旧聿痪哂兄夹?，可有效防止孔?nèi)火災(zāi)的發(fā)生，但是氮?dú)馐且环N無色無味的氣體，在有限空間施工作業(yè)時，一旦發(fā)生通風(fēng)不暢，氮?dú)饩奂?，有可能造成現(xiàn)場施工人員窒息事故的發(fā)生。壓縮空氣使用起來相對安全，但是由于空氣中的氧氣具有助燃性，需要著重預(yù)防孔內(nèi)火災(zāi)。多功能除塵車集成了孔口進(jìn)風(fēng)、返風(fēng)溫度監(jiān)測和應(yīng)急孔內(nèi)降溫功能，解除了壓縮空氣作為驅(qū)動介質(zhì)時，孔內(nèi)的火災(zāi)威脅。

孔內(nèi)應(yīng)急降溫系統(tǒng)組成如圖5。多功能除塵車的孔內(nèi)應(yīng)急降溫系統(tǒng)主要由溫度傳感器、旋渦式流量計、本安型遙控器、控制器、電控球閥、壓風(fēng)管路和防爆蝶閥等部件組成。

圖5 孔內(nèi)應(yīng)急降溫系統(tǒng)組成Fig.5 In-hole emergency cooling system

溫度傳感器安裝在孔口集塵裝置的上端，時刻監(jiān)控孔內(nèi)反風(fēng)溫度，并與旋渦式流量計反饋回來的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行比較，一旦發(fā)生返風(fēng)溫度異常升高，電控球閥會在控制器的控制下自動的向壓風(fēng)管路內(nèi)注入少量的水，用于孔內(nèi)降溫。如果返風(fēng)溫度超過一定范圍，并且多次啟動降溫程序均無法控制孔內(nèi)溫度時，遙控器面板上便會發(fā)出孔內(nèi)溫度異常提醒。當(dāng)操縱人員接到異常提醒，并人工查驗孔內(nèi)反風(fēng)、反渣情況確認(rèn)孔內(nèi)高溫后，便可通過遙控器一鍵觸發(fā)孔內(nèi)應(yīng)急降溫系統(tǒng)。此時控制器會控制防爆蝶閥關(guān)閉空壓機(jī)壓分入口，同時關(guān)閉油霧潤滑系統(tǒng)，打開管路上的電控球閥，將井下靜壓水通過鉆桿內(nèi)孔輸送到孔內(nèi)，對高溫煤巖體進(jìn)行降溫處理。該系統(tǒng)做到了進(jìn)風(fēng)和反風(fēng)溫度的實時監(jiān)測，能夠在孔內(nèi)高溫時自動做出處理，杜絕了孔內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生，保障了空氣定向鉆進(jìn)施工安全。

2.4 壓風(fēng)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

空氣定向鉆進(jìn)施工過程中，輸入壓縮氣體的壓力和流量是反映孔內(nèi)施工情況和螺桿鉆具工作狀況的最直接指標(biāo)。施工人員需要及時準(zhǔn)確的查看這些數(shù)據(jù)，用于判斷孔內(nèi)情況，并做出及時處置。壓風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖6。多功能除塵車集成了壓風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)管路、旋渦式流量計、出風(fēng)管路、本安型遙控器、隔爆兼本安型控制器等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對進(jìn)風(fēng)壓力、流量、溫度的實時監(jiān)測，相應(yīng)數(shù)值可以顯示在遙控器的面板上，方便施工人員查看。當(dāng)檢測結(jié)果異常時，也可在遙控器面板上顯示提醒，方便施工人員故障判斷。

圖6 壓風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)組成Fig.6 Pressure air monitoring system

3 現(xiàn)場應(yīng)用

ZCY-2×16L 型空氣定向鉆進(jìn)輔助系統(tǒng)配套ZDY6000LDK 型遙控定向鉆機(jī)、無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、φ73 mm 整體式大通孔螺旋鉆桿、空氣螺桿馬達(dá)、定向鉆頭和可開閉式導(dǎo)向鉆頭等，在淮南某礦開展應(yīng)用，進(jìn)行軟煤空氣螺桿馬達(dá)定向鉆孔施工，以驗證成套裝備技術(shù)性能。

試驗地點(diǎn)位于17102（3）軌道巷，目標(biāo)煤層為13-1 煤，煤厚3.4 ～6.5 m，均厚4.2 m，以塊狀為主、粉粒及粉末狀次之，塊狀煤內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層硬度系數(shù)為0.3～0.5，原始煤體瓦斯含量為4.3～8.4 m3/t。試驗鉆場位于17102（3）軌道巷切眼向里約650 m，設(shè)計鉆孔25 個，設(shè)計孔深220 m。

以其中12 個鉆孔的數(shù)據(jù)作為研究對象，累計進(jìn)尺2 680 m，其中9 個鉆孔深度大于220 m。施工過程中使用多功能除塵車提供孔口除塵、螺桿馬達(dá)潤滑服務(wù)，同時監(jiān)控空壓機(jī)流量、壓力和孔口進(jìn)風(fēng)、返風(fēng)溫度。

1）孔口除塵系統(tǒng)工作情況。采用CCZ-1000 礦用本安型直讀式粉塵儀在空氣定向鉆孔施工過程中時，分別測定除塵系統(tǒng)開啟前和除塵系統(tǒng)工作0.5 h后，作業(yè)現(xiàn)場鉆車司機(jī)處的全塵及呼吸性粉塵濃度，取4 組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，空氣定向鉆進(jìn)施工過程中，智能輔助系統(tǒng)降塵效果十分明顯，除塵系統(tǒng)開啟后全塵及呼吸性粉塵的平均質(zhì)量濃度分別降至130.5 mg/m3和23.1 mg/m3，降塵效率分別達(dá)到89.7%和95.8%。

2）應(yīng)急降溫系統(tǒng)工作情況。根據(jù)控制器記錄數(shù)據(jù)可知，鉆孔施工過程中未發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)火災(zāi)，在5#孔施工過程中，曾出現(xiàn)過1 次孔口返風(fēng)溫度異常升高情況，系統(tǒng)按照預(yù)定程序自動采取注水降溫措施，有效解決了孔內(nèi)高溫問題。5#孔施工過程中孔口進(jìn)風(fēng)和返風(fēng)溫度變化情況如圖7。

圖7 孔口進(jìn)風(fēng)和返風(fēng)的溫度變化情況Fig.7 Temperature of inlet air and return air at orifice

3）其他系統(tǒng)工作情況。施工過程中，油霧潤滑系統(tǒng)工作正常，能夠按照設(shè)定流量自動的向管路內(nèi)加注潤滑介質(zhì)。流量監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控并直觀顯示壓風(fēng)流量、壓力和溫度參數(shù)。壓風(fēng)流量、壓力和溫度異常時，遙控器顯示屏?xí)@示異常提醒。鉆孔施工過程中，未發(fā)生空氣螺桿馬達(dá)損壞情況。在螺桿馬達(dá)維護(hù)時，可以看到馬達(dá)內(nèi)壁均勻附著有潤滑介質(zhì)。

4 結(jié) 語

1）研制的空氣定向鉆進(jìn)用多功能除塵車具有孔口除塵、螺桿馬達(dá)潤滑、孔內(nèi)應(yīng)急降溫和壓風(fēng)監(jiān)測等功能，能夠為空氣定向鉆孔施工提供全方位的裝備與技術(shù)保障。

2）多功能除塵車集成了先進(jìn)的電液控制系統(tǒng)，將原本復(fù)雜的工藝流程和使用技巧固定在了程序里，實現(xiàn)了各輔助系統(tǒng)的一鍵開關(guān)和功能切換，提高各系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低了用戶學(xué)習(xí)成本。

3）孔口除塵系統(tǒng)集成了額定處理能力32 m3/min的射流除塵器，除塵效率89.7%，能夠很好地改善現(xiàn)場施工環(huán)境。空氣螺桿馬達(dá)油霧潤滑系統(tǒng)實現(xiàn)了潤滑介質(zhì)的長距離輸送和螺桿馬達(dá)的持續(xù)潤滑，保障了馬達(dá)使用壽命?？變?nèi)應(yīng)急降溫系統(tǒng)實現(xiàn)了孔口進(jìn)風(fēng)和孔內(nèi)返風(fēng)溫度的實時監(jiān)測，能夠自動判斷孔內(nèi)溫度異常，并自主做出降溫措施，降低了孔內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的可能性。

4）空氣定向鉆進(jìn)智能多功能除塵車的成功研制，解決了空氣定向鉆進(jìn)施工中的關(guān)鍵問題，為碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)和“一孔兩消”瓦斯治理模式的推廣與應(yīng)用奠定堅實的裝備基礎(chǔ)。