底抽巷全倾角钻孔钻机及钻进技术_邬迪.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 底抽巷全倾角钻孔钻机及钻进技术 邬迪， 赵江鹏， 徐鹏博 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 ７１００７７） 摘要为了提高底抽巷穿层孔施工效率， 研制了 ＺＤＹ３６００ＬＱ 型履带钻机； 针对硬岩地层， 开发 了液动潜孔锤配 ＰＤＣ 钻头的新型高效钻进钻具组合和多动力冲击回转钻进技术。通过试验验 证 新型钻机满足底抽巷工况条件下快速移动与稳固、 开孔全倾角调节等高效施工要求， 新型钻 具和钻进技术使硬岩孔段钻进效率提高了 ３９．３％～７８．９％， 达到了预期研究目标。 关键词底抽巷； 履带钻机； 液动潜孔锤； 钻具组合； 全倾角 中图分类号ＴＤ４１文献标志码B文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５－0107-04 Full Dip Drill and Drilling Technology in Bottom Suction Roadway WU Di, ZHAO Jiangpeng, XU Pengbo （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract To improve the construction efficiency of bottom suction roadway through layer hole, the ZDY3600LQ type crawler drill was developed, meanwhile, the hard rock drilling tool assembly with hydraulic DTH hammer and PDC bit was developed. Test results showed that the drilling rig could meet the requirement of high efficiency construction under the condition of bottom suction roadway and the drilling efficiency of hard rock increased by 39.3-78.9. Key words bottom suction roadway; crawler drilling rig; hydraulic DTH hammer; drilling tool assembly; all dip angle 碎软煤层瓦斯含量大、 压力高， 煤层硬度低、 透 气性差[1]， 瓦斯综合治理难度大。在碎软煤层中施工 顺层钻孔时易出现喷孔、塌孔、卡钻等孔内复杂情 况， 成孔困难[2]。仅仅依靠顺层钻孔预抽煤层瓦斯， 往往不能满足巷道条带和回采工作面瓦斯区域治理 需求。因此，顺层钻孔结合底抽巷穿层钻孔是目前 常采用的一种有效的瓦斯综合治理方式。 由于缺乏专用钻机及配套钻进技术，目前施工 底抽巷穿层钻孔时， 仍存在以下不足 1 ） 每组全倾角穿层钻孔由 59 个钻孔组成， 为 达到均匀覆盖待掘煤巷影响区，每个钻孔需要调节 不同倾角开孔参数。现有钻机在同一组穿层钻孔之 间调整倾角参数时， 需要重新移动、 稳固、 调整钻机 开孔倾角， 调角操作复杂， 影响综合钻进效率。 2） 底抽巷空间狭小， 钻机运输不便。现有钻机 虽然设置了倾角快速调整装置，但其只可在一个平 面内旋转，钻进主机与履带车体垂直，导致钻机宽 度超限， 影响钻机运输搬迁。 3） 钻机操纵台固定在钻机侧后方， 在进行大倾 角钻孔施工时，司钻人员视线受阻，不利于观察钻 机和钻场情况， 存在安全隐患。 基于此研制了底抽巷全倾角 ZDY3600LQ 型履 带钻机。 1全倾角钻机 1.1钻机结构 根据底抽巷条件和全倾角穿层钻孔钻进工艺要 求， 综合考虑钻孔倾角、 钻孔深度、 钻进效率等各参 数， 制定了 ZDY3600LQ 型履带钻机基本参数和整机 结构[3]。钻机外形图如图 1。新型钻机既能快速调整 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.021 邬迪， 赵江鹏， 徐鹏博．底抽巷全倾角钻孔钻机及钻进技术 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５） 107-110. WU Di, ZHAO Jiangpeng, XU Pengbo. Full Dip Drill and Drilling Technology in Bottom Suction Roadway ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 107-110. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804204） 移动扫码阅读 107 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 开孔倾角，又缩小了运输尺寸，还可清晰观察钻孔 施工情况，具有搬迁运输方便、全倾角钻孔施工效 率高、 钻进安全可靠等显著优点。 钻机基本参数包括 额定转矩 3 600～800 N m， 额度转速 70～260 r/min， 主轴倾角 0～180， 最大给 进/起拔力为 102 kN，额定功率 55 kW，整机质量 8 000 kg， 钻机尺寸 （长宽高） 3.2 m1.25 m2 m。 钻机整机结构采用整体履带式布局方式, 钻机 移动依靠履带底盘驱动， 钻机主机、 操纵台、 泵站、 稳固装置等动力、执行、操控和辅助装置布置于履 带车体平台上[4]。钻机主机通过主机机架固定在履 带车体平台上，为了适应底抽巷尺寸、降低钻机高 度， 设计了集钻机倾角调整、 水平开孔高度调整、 施 工/运输主机位置调整、 钻机稳固等功能于一体的钻 机主机机架, 主机机架结构如图 2。 钻机主机可利用主机机架中的回转平台、副回 转装置和主回转装置等机构使主机在平行和垂直于 履带车体的 2 个平面内旋转并定位。钻机搬迁运输 时， 主机与履带车体平行， 并置于左右主立柱之间， 降低高度尺寸； 钻机施工时， 通过主回转装置驱动， 主机旋转 90后与履带车体垂直，通过副回转装置 驱动，主机可在同一平面进行 0～180范围内倾角 的自动调节， 钻机工作状态如图 3。 钻机操纵台悬挂 于履带车体前方，施工时可从履带车体上取下并放 置于便于观察孔口的位置，提高了钻机操作的安全 性和可靠性。 钻机液压系统采用双开式泵恒压控制方式。为 了使钻机适应全倾角穿层钻孔的高效、可靠和安全 施工， 钻机动力头、 夹持器、 卡盘等关键部件采用单 独的方向控制回路，避免了联动回路中各部件因响 应速度不同造成钻具下滑的安全事故[5]。针对全倾 角穿层钻孔施工，防止给进缸浮动时造成动力头下 滑， 在钻机液压系统中设计集成了拧/卸扣功能和动 力头回转功能的集成回路。当操作拧/卸扣控制阀 时， 先导控制油首先通过梭阀推动二位阀， 使给进油 缸两腔联通，实现动力头回转时给进油缸和动力头 浮动， 有效保护钻杆丝扣[6-7]； 当正常钻进或停钻时， 操作回转控制阀， 给进油缸两腔断开、 浮动切断， 可 防止因重力造成的动力头下滑事故。 1.2钻机工作流程 在底抽巷内进行运输、 调角和钻进等工序时， 钻 机各装置功能如下 1） 钻机井下运输。通过行走操纵台控制钻机行 图1钻机外形图 Fig.1Drilling rig 图2主机机架结构 Fig.2Frame structure 图3钻机工作状态 Fig.3Drilling rig working position 108 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 走至底抽巷待开孔位置。 2） 钻进状态调整。先利用稳固操纵台将稳固装 置伸出，稳固钻机；然后利用调角操纵台控制主立 柱中的回转平台旋转 90，使主机与履带车体平台 垂直。将钻机操纵台从履带车体平台上取下，放置 在便于观察孔口的地方，连接操纵台与主机之间的 高压油管。 3） 单个钻孔施工。利用稳固操纵台旋转副回转 装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转， 使主机的倾角与钻孔开孔倾角一致并定位主机； 前 顶油缸伸出并稳固支撑在底抽巷上；利用钻进操纵 台控制主机上的钻进机构进行钻孔施工。 4） 全倾角钻孔施工。单个钻孔施工完成后， 收 回前顶油缸，利用调角操纵台旋转副回转装置， 带 动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的 倾角与下一个钻孔的开孔倾角一致并定位主机； 前 顶油缸伸出并稳固支撑在底抽巷上；利用钻进操纵 台控制主机上的钻进机构进行钻孔施工，直至完成 同一截面钻孔群的施工。 2钻进工艺研究及应用 以晋煤集团赵庄矿硬岩穿层钻孔施工为研究对 象。 目前赵庄矿主采 3煤层， 由于煤层瓦斯含量高、 煤层碎软、透气性差，采用顺层钻孔解决采掘工作 面瓦斯存在钻孔深度浅、易塌孔，导致钻孔抽采覆 盖范围小、 有效抽采时间短、 抽采效果差等问题[8]， 影响掘进和回采进度， 给生产带来不利影响。因此， 赵庄矿在 1307、 1308 工作面尝试采用底抽巷穿层钻 孔抽采煤巷条带和回采区域瓦斯。在实际生产中瓦 斯问题有所缓解，掘进速度也相应提高。但是在底 抽巷穿层钻孔布孔设计及钻孔施工过程中仍存在一 些问题亟待解决，主要包括穿层钻孔需要在煤层 和岩层中钻进，煤层和岩层对成孔工艺和设备的要 求不同， 当在煤层钻进时， 受瓦斯、 煤体松软、 破碎 影响，钻孔施工过程中容易出现瓦斯异常涌出和塌 孔等现象， 造成钻进速度慢、 成孔困难； 在岩层钻进 时， 岩层硬度大， 钻进速度慢， 设备损耗大， 对钻孔 的实际轨迹无法控制，容易发生漂移，最终影响煤 巷掩护效果。因此需对钻孔施工工艺进行研究， 形 成一套简单、 易行、 安全、 合理的底抽巷穿层钻孔施 工工艺和技术， 提高综合钻进效率。 设计的试验钻孔位于二盘区西翼北回风巷， 岩 层为 3煤层底板，以粉砂岩为主，中间有 1 层 800 mm 的 K6 灰岩。在试验过程中， K6 灰岩硬度较高， 影响了综合钻进效率。由于回转钻进技术在硬岩地 层中钻进效率偏低，因此采用 准89 mm1 m 液动潜 孔锤配 准113 mm 三翼胎体式 PDC 钻头、 准113 mm 三翼钢体式 PDC 钻头、 准113 mm 四翼 PDC 钻头、 73 mm800 mm 外平钻杆的新型钻具组合，采用泵压 1.0～3.0 MPa, 泵量 120～190 L/min, 通过冲击回转多 动力钻进技术提高硬岩地层中钻进效率[9-11]。 综合地层钻进效率对比见表 1。从表 1 中可以 看出， 四翼 PDC 钻头平均钻进效率为 23.12 m/h， 最 高可达 48 m/h； 三翼钢体式弧角 PDC 钻头平均钻进 效率为 1.48 m/h，最高可达 96 m/h；三翼胎体式 PDC 钻头平均钻进效率为 24.26 m/h，最高可达 45 m/h。当加接液动潜孔锤后， 四翼 PDC 钻头从 23.12 m/h 提高至 26.08 m/h，平均钻进效率有所提高， 然 而， 三翼钢体式 PDC 钻头从 31.48 m/h 降低至 27.89 m/h， 平均钻进效率反而有所降低。 这是由于该层 K6 灰岩体较薄， 加液动潜孔锤后钻机转速降低， 钻具的 更换也占用了辅助时间， 影响了综合钻进效率。 为了研究纯硬岩地层条件下钻进效率和钻具级 配关系，将各类钻具组合在 K6 灰岩孔段中的钻进 效率进行对比分析, 纯硬岩地层钻进效率对比见表 2。当加接液动潜孔锤后， 四翼 PDC 钻头从 11.9 m/h 提高至 21.3 m/h， 平均钻进效率提高了 78.9； 三翼 钢体式弧角 PDC 钻头从 12.8 m/h 提高至 22.4 m/h， 平均钻进效率提高了 75.0；三翼胎体式弧角 PDC 钻头从 11.7 m/h 提高至 16.3 m/h，平均钻进效率提 高了 39.3。 钻具组合平均钻进效率/ （m h-1）是否加接潜孔锤 三翼钢体式 PDC 钻头 31.48否 27.89是 三翼胎体式 PDC 钻头 24.26否 21.35是 四翼 PDC 钻头 23.12否 26.08是 表1综合地层钻进效率对比 Table 1Drilling efficiency comparison 表2纯硬岩地层钻进效率对比 Table 2Drilling efficiency comparison 钻具组合平均钻进效率/ （m h-1）是否加接潜孔锤 三翼钢体式 PDC 钻头 12.8否 22.4是 三翼钢体式 PDC 钻头 12.8否 22.4是 三翼钢体式 PDC 钻头 12.8否 22.4是 109 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 根据试验验证， 在硬岩地层中， 冲击回转多动力 钻进比传统回转钻进综合钻进效率高，液动潜孔锤 配 PDC 钻头的钻具组合方式具有一定的先进性和 创新性；但在松软破碎或硬岩岩体较薄的地层中， 冲击加回转的钻进方式综合钻进效率提高不明显。 3结语 研制了底抽巷全倾角 ZDY3600LQ 型履带钻机。 通过研究和试验证明，底抽巷全倾角钻孔钻机具有 井下机动性强、倾角调节范围大、调节全自动等优 势， 适用于底抽巷的快速移动、 钻机稳固、 全倾角钻 孔高效施工等； 在复杂、 坚硬地层施工穿层钻孔时， 液动潜孔锤配 PDC 钻头的冲击回转多动力钻进技 术在钻进效率上提高明显。 参考文献 ［１］ 张群， 葛春贵， 李伟， 等．碎软低渗煤层顶板水平井分 段压裂煤层气高效抽采模式 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１８， ４３ （１） １５０－１５９． ［２］ 方俊， 李泉新， 许超， 等．松软突出煤层瓦斯抽采钻孔 施工技术及发展趋势 ［Ｊ］ ．煤炭科学技术， ２０１８， ４６ （５ ） １３０－１３７． ［３］ 邬迪， 张锐， 王松， 等．ＺＤＹ３６００ＬＱ 型全倾角钻机研制 ［Ｊ］ ．金属矿山， ２０１７ （１２） ９９－１０２． ［４］ 孙保山．ＺＤＹ６０００ＬＤ （Ｂ）履带式全液压坑道钻机 ［Ｊ］ ． 煤田地质与勘探， ２０１４， ４２ （４） １０３－１０５． ［５］ 张建明， 刘庆修， 田宏亮， 等．煤矿井下千米定向钻机 液压控制特性分析 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１２， ３７ （Ｓ２） ３４１． ［６］ 李栋．ＺＤＹ３５００Ｔ 型煤矿用中深孔探放水钻机的研制 ［Ｊ］ ．煤田地质与勘探， ２０１７， ４５ （３） １５１－１５５． ［７］ 李栋．煤矿用探放水钻机及其关键技术 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０１７， ４８ （７） １１９－１２２． ［８］ 高宏． 赵庄矿高抽巷层位布置及瓦斯抽放效果分析 ［Ｊ］ ．煤炭工程， ２０１８， ５０ （３） ８－１１． ［９］ 杨冬冬， 王四一．多工艺冲击回转钻进技术在硬岩钻 进中的应用 ［Ｊ］ ．煤矿机械， ２０１８， ３９ （１） １１２－１１４． ［１０］ 汤积仁， 卢义玉， 葛兆龙， 等．磨料射流联合机械齿提 高硬岩钻进效率研究 ［Ｊ］ ．采矿与安全工程学报， ２０１３， ３０ （４） ６２１－６２７． ［１１］ 王四一， 赵江鹏， 赵建国．扭力冲击器在煤矿井下硬 岩钻进中的应用研究 ［Ｊ］ ．煤矿机械， ２０１８， ３９ （１０） １３９－１４１． 作者简介 邬迪 （１９８０） ， 陕西西安人， 研究员， 硕 士， ２００８ 年毕业于煤炭科学研究总院，从事煤矿用钻机类 产品的研究、 设计和技术推广工作。 （收稿日期 ２０１９－０９－０６； 责任编辑 李力欣） 110 ChaoXing