一种新型手持式钻机在煤矿取样中的应用

郭强，刘广治，卢猛

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

在煤炭开采过程中，瓦斯一直是煤炭安全生产上的一道障碍，尤其是在前期开采取样过程中，未知因素较大。因此，研究一种轻便的坑道取样钻机成为矿山开采的当务之急，目前还没有专门用于煤矿现场钻取符合岩石力学实验要求的取样钻机，而传统取样钻机(例如西安煤科院的ZDY系列坑道钻机和Atlas Copco(阿特拉斯·科普柯)公司的Diamec系列钻机)体积、重量大，动力要求高，配套设备多，操作复杂，需要专业司钻操作。常规钻机取样主要存在以下两个问题：①大块岩石在运至室内实验室的运输过程中经受振动，岩石中气体和水分因难以完全密封而导致挥发和散失，从而造成实验结果的准确性受到影响，因此对岩石的完整性要求较高；②岩样的个数取决于大块岩石的大小、岩性和室内取样方法，且不能连续取得任意位置的岩样，取得岩样个数和位置受到限制。

受中国矿业大学的委托作者研发了TGQ-QB-2型手持式防爆钻机，并进行现场取样。现场施工表明，TGQ-QB-2型手持式防爆钻机在煤矿浅部现场进行了完整取样，保证了样品直接符合岩石力学实验要求。该钻机具有操作简单、携带方便、实用性强、能够360°全方位取样、经济成本低等特点。

1 取样点地质情况

该取样工程的柠条塔井田位于陕西省神木县西北部，工业场地距神木县城约36 km，为神府东胜矿区的一部分(神南矿区)，行政区划属神木县麻家塔乡及店塔乡管辖。该煤矿区域地形地貌和地质构造简单，地层岩性单一，区内岩土体可分为三大类六七个岩组，岩体结构多为互层状，岩体质量中等，岩石硬度Hy属于软～中硬，联合力学指标ρm为3.0～6.8，岩石可钻性IV～V级。

2 取样钻机设计

2.1 工艺方法的确定

根据以上岩石特性，根据钻探手册推荐钻进方法为硬质合金钻进、PDC钻进、风动冲击钻进和全面钻进，考虑到岩石样品的原状性要求，排除风动钻进和全面钻进工艺方法，而硬质合金钻进和PDC钻进方法对钻机扭矩的要求比较高，由于钻机为手持式，反扭矩较大，因此危险系数较大，也给予排除。最终我们选择北京探矿工程研究所研制的薄壁金刚石钻头钻进工艺。首先，薄壁金刚石钻进能够降低扭矩，而且金刚石钻进对于原岩的破坏性较小，能够最大限度的保护样品本来属性，保证项目的取样要求。

2.2 取心钻头的设计

金刚石取心钻头分为表镶式和孕镶式两种，该钻机配套的金刚石取心钻头为薄壁钻头，考虑到胎体对钻头的影响，本次选用孕镶式钻头，为了达到金刚石与胎体的有机结合能力，有效释放唇面应力，实现薄壁的排粉和金刚石冷却能力，本次钻头设计采用尖齿型唇面设计，见图1。胎体性能是金刚石钻头的重要技术参数，对于孕镶金刚石钻头尤为重要，因为胎体不仅要牢固包裹金刚石，满足钻进条件下足够的强度，并且具有一定的抗冲击性能，在正常的钻进过程中，钻头胎体的磨损要稍前于金刚石的磨损，使金刚石不断出刃。依据项目工作区地层情况，在胎体工艺上，我们采用了热压铁基预合金粉末技术。随后，我们根据钻进地层条件选用了金刚石的品级并设计了金刚石的浓度，按照一般机械给进的钻进工艺，在一般的软～中硬度地层，宜选用中粒度～混合粒度的金刚石钻头，但是会相应的增加钻进的扭矩，为了保证钻进过程中的人身安全，降低钻进扭矩，本次钻头设计选用细粒金刚石，50%的金刚石浓度。

图1 钻头

2.3 取心钻具的设计

由于采用单管钻进的工艺，按照项目要求，钻进深度低于5 m，所以钻具的设计省略掉了传统的卡簧，采用单独的取心器与钻具相连接的方式，不仅降低了钻进扭矩，而且单独的螺旋式取心器(图2)能够大大增加取心率；为了增加钻具的通用性，螺旋式取心器头可以直接连接在取心钻具上，钻进时可以直接将钻头改换成取心器头，能够大大增加钻进效率。同时，为了避免孔底岩心不断裂导致的取心失败问题，我们此次研制了断心器(图3)配合取心器的使用，最大限度地保证岩心的采取率。

图2 螺旋取心器

图3 断心器

2.4 钻机的结构设计

首先，为应对坑道内可燃气体的危险因素，首先排除了汽油机等动力系统，选取气动马达作为动力源。其次，该矿区内自备空压机，并且气源一般压力在1.5 MPa以内，恰能满足马达对气源的要求，采用气动马达作为动力的另一个原因是成本较低，维修方便，并且全气动控制具有防潮、防爆、防火的功能，由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送，非常适合在坑道内作业。

针对客户的钻探要求，要满足煤层、砂岩等软岩及第四系的取心目标，我们把转速确定在300 r/min配合专用的薄壁金刚石钻头。由于该钻机为手持式，钻探时的反向扭矩全部由人来提供，因此，在保证钻探的情况下，我们将最大扭矩限制在了6.0 N·m，并且在气体输入端安装了开关，最大限度保证工作时的人身安全。钻机的基本参数见表1。

表1 钻机参数表

该钻机主要由动力部分、传动部分、动力输出部分，冷却部分等组成。附属工具包括钻杆、钻具、钻头、断心器及打捞器等。钻机整体结构见图4。钻机转速设定在0～300 r/min，配备不同的钻具及钻头及冲洗液，能满足不同岩层及第四系的取样钻进。

3 现场应用

开展岩石力学实验研究需要大量的样品，为确

图4 钻机结构图

保实验结果的准确性、科学性及可靠性，应尽量使试样保持其原状性。利用我们自主研发的便携式取样钻机和室内样品取心机相互配合对陕煤集团柠条塔煤矿进行全面取样，为室内岩石力学实验提供可靠有效的岩石样品。

本项目地区工程地质具有以下特点：①煤矿地形地貌和地质构造简单，地层岩性单一，区内岩土体可分为三大类六七个岩组，岩体结构多为互层状，岩体质量中等；②可采煤层顶板多属半坚硬、坚硬的层状岩类，全井田按照南北两翼共划分为四个盘区，本次取样地点选择南一盘区S1229工作面。

为室内岩石力学实验提供可靠真实地样品保障，将取样钻机应用于工程现场，钻取不同岩性的样品。目前取样钻机于陕煤集团内柠条塔煤矿进行了原状样品的钻取，共钻取出 200余块标准样品。实验人员分别对所取岩心进行标注岩性和位置，在岩样库进行封存，为后续室内实验准备充足的实验试件，取出的岩样见图5。

图5 取出的岩样

4 结语

现场原位取样关系到整个实验结果的真实性、可靠性和科学性。本次利用自主研发的手持防爆钻机对陕煤集团柠条塔煤矿进行现场原位取样，大大提高岩石样品的完整性、可靠性，保障岩石物理力学实验测试数据的准确性和科学性。现场的取样实践表明，取样钻机得到了成功的应用，说明了其合理性和可行性，为在其他高瓦斯地区的取样工作提供了经验。

参考文献：

[1] 张进. 煤矿钻机小批量生产质量控制[J]. 煤矿机械, 2012, 33(2):264-265.

[2] 陈松林, 王晓林. 手持式气动钻机气马达间隙控制与分析[J]. 矿业安全与环保, 2007, 34(6):52-54.