狭窄巷道用定向钻机研制及应用

2019-08-05梁春苗姚宁平姚亚峰曹建明

煤矿安全 2019年6期

梁春苗，姚宁平，姚亚峰，曹建明

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

随着煤矿开采水平的延伸，地质条件日趋复杂，煤矿安全生产对各类钻孔的施工装备和技术要求不断提高，不但要求钻孔施工装备具有较高的钻进效率，同时需要对钻孔轨迹精确测量和控制。定向钻进技术以其钻进效率高、钻孔深度大、钻孔轨迹可测控、一孔多分支、单孔抽采瓦斯浓度高、钻孔瓦斯抽采区域面积大等优点，已成为煤矿井下高效钻孔施工的主要技术手段[1-4]。

但是，目前成熟的定向钻进装备与技术在云贵等西南地区推广应用较少。云南、贵州是我国重要能源基地，是西南大型煤炭能源基地的核心组成部分，该地区煤层赋存条件复杂，煤层瓦斯含量高，煤与瓦斯突出灾害严重，安全形势严峻。同时受西南地区矿井开采条件限制，巷道普遍狭窄，这给搬运和施工都带来了一定的困难，而现有的定向钻机配合提供孔底动力的泵车后，因外形尺寸较大、倾角调节范围有限，很难有用武之地。针对以上问题，经过深入现场反复调研，研制出适合云贵地区狭窄巷道用两体定向钻机ZDY6000LD（F），并形成了复杂地质条件适用的成熟、可靠的钻进工艺技术。

1 钻机总体方案

结合目前钻机设计中的新技术、新方法，针对云贵地区煤矿开采要求钻机外形小、搬迁方便等特殊需求，考虑到小曲率定向钻进中钻机调角范围设计较大时，可大大减少无效钻孔段长度，从而提高整体钻进效率，制定了适合狭窄巷道用两体履带式定向钻机的总体设计方案。钻车和泵车计独立履带驱动形式，可以实现现场快速搬迁。钻车是钻进的主要控制和执行机构，泵车提供回转钻进和定向钻进的动力。钻机的主要性能参数如下：①理论孔深：1 000 m；②最大转矩：6 000 N·m；③最高转速：170 r/min；④最大给进（/起拔）力：190 kN；⑤主轴倾角：±30°；⑥钻车/泵车功率：90/18.5 kW；⑦钻车（泵车）速度：2.0/0.9 km/h；⑧爬坡能力：15°；⑨水泵流量：200 L/min；⑩水泵压力：9 MPa；⑪钻车外形尺寸（长×宽×高）：3 810 mm×1 250 mm×1 900 mm；⑫泵车外形尺寸（长×宽×高）：2 750 mm×1 100 mm×1 600 mm。

2 钻机关键技术

1）钻进与定向集成式泵车。将钻车用回转钻进动力和定向用水泵动力同时集成在泵车上的方案，泵车上有油箱、电机泵组、泥浆泵系统等，不但保证定向钻进动力需求，还使得钻车和泵车外形更加紧凑，钻车和泵车宽度尺寸仅为1.25 m和1.1 m，更适合狭窄巷道定向钻进，增强了定向钻的适用范围。

2）远程调速的双马达大通孔动力头。研制了扭矩大、体积小、效率和性价比高的双驱动一级减速器，采用2个定量马达串并联远程调节驱动方式，实现单个或2个液压马达工作，集定向钻进扭矩限制和钻机转速调节与一体。同时动力头通孔直径设计为 φ110 mm，可配套使用 φ73、φ89、φ102 mm 3种规格钻具，提高了钻机钻进能力和事故处理能力。

3）多级缸过压保护式调角装置。鉴于在有限空间实现较大角度调节的难度，钻机调角采用以双作用多级伸缩油缸，两端缸筒铰轴固定在车体上并成为支撑点，调幅时缸杆推动机身两端，立柱和斜撑为辅助导向杆和两端油缸伸缩配合的调节方式来实现俯、仰角±30°和水平开孔高度1.1 m的调节,调角装置如图1。双作用多级油缸采用五级缸逐级伸出和缩回结构，能实现小空间上较大行程油缸布置，从而得到大的调角范围。为了避免在施工中，立柱和斜撑上抱瓦振动松动，造成油缸的弯曲变形或者伤人事故，在油缸调角液压系统中设计平衡溢流保护系统，增强了油缸伸缩时的平稳性，也减少了因机械卡滞造成油缸损坏，提高钻进的安全性。

图1 调角装置

4）耐磨型合金导轨和衬板。钻机的给进导轨和衬板承受动力头往复移动、扭矩、强力起拔和震动。因此，拖板与机身之间运动会导致导轨和衬板的磨损。在原ZDY系列钻机中使用锰黄铜作为耐磨衬板，但实际使用因其耐磨性较差而更换频繁[5]。该钻机设计中采用合金钢耐磨导轨和衬板，与以往使用的锰黄铜、自润滑铜合金导轨和衬板相比，合金钢耐磨导轨和衬板性能有较大提升，在同等工况下的锰黄铜、自润滑铜合金和合金钢导轨3种材料使用寿命对比，合金钢导轨和衬板磨损最小，180 d只磨损了0.2 mm，因此可见，合金导轨和衬板可大大提高其耐磨性，可为用户节约后期维护成本。3种耐磨材料使用寿命对比如图2。

图2 3种耐磨材料使用寿命对比

5）串并联组合缸式机身。对于中深孔钻进的定向钻机，大的给进行程可减少倒杆次数，提高钻进效率。但行程大会导致机身与车体尺寸加长，不利于布置与运输。通过行程同为1 650 mm，普通油缸、二级伸缩缸和串并联组合缸3种对比，得出串并联式组合缸在安装距和外形尺寸上更有优势。综合以上因素，给进行程设计为1 650 mm，对于有线随钻测量系统，3 m的中心通缆钻杆倒杆2次可完成快速起、下钻，对于无线测量系统，1.5 m钻杆可进行中间加杆，节省拆卸送水器的辅助时间，提高钻进总效率[6]。

6）闭合式组合过滤液压净化系统。采用闭合净化油液系统设计，避免煤矿井下污染源的引入，将油箱设计为封闭式结构，从本质安全角度降低了油液污染几率，并在泵的吸油、高压出油和回油方面进行二次油液净化，大大提高液压系统的抗污染能力，提高了液压系统的可靠性[7]。鉴于给油箱加油时也会带入污染，加油时设计有加油泵，利用煤矿井下的风压作为加油泵动力，再通过回油滤油器上的单向阀，即可为油箱补油。

3 西南复杂地层中应用

3.1 地层条件

施工地点位于贵州黔西能源青龙煤矿，隶属毕节地区，斜井开拓，设计生产能力120万t/a，矿方主要开采 16#煤层，16#煤层厚度为 0.81～9.64 m，平均可采厚度为 2.88 m，其煤层倾向为 2°～14°。该煤层坚固性系数f仅为0.3左右，煤层松软破碎严重，胶结性差，煤层顶板岩性情况见表1。

表1 煤层顶板岩性情况

3.2 钻孔设计与施工关键技术

使用ZDY6000LD（F）型窄体定向钻机在青龙矿11615工作面顶板大直径高位定向长钻孔施工。顶板高位定向长钻孔是指在煤层顶板裂隙带内布置定向长钻孔，旨在治理工作面上隅角瓦斯及采空区瓦斯。确定11615工作面高位孔终孔位于煤层顶板20～30 m处瓦斯抽采效果较好，且须覆盖到工作面1/3的范围，单孔设计主孔深度600 m，孔径133 mm。钻孔在平面上平行于回风巷（轨道巷），1#、2#、3#、4#孔分别位于距离回风巷 10、20、30、40 m 位置；钻孔在垂直面沿走向延伸，轨迹平行于煤层顶板上20 m左右。钻孔存在穿越复杂地层的过程，而在复杂地层中定向钻进比在稳定地层中定向钻进困难的多，其关键在于如何有效排渣和防止塌孔[8]。

11615工作面的4个大直径高位定向长钻孔中3个钻孔孔深达到600 m以上，最深孔深618 m。4个高位定向钻孔单孔瓦斯抽采浓度最高达到45.2%，最大流量达到 2.29 m3/min，实现稳定抽采，效果良好。