探放水钻机开孔扶正器研制及应用

刘向前

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

1 概 况

2019 年8 月，山西省应急管理厅印发《山西省煤矿防治水“三专两探一撤”规定》的通知后，山西省内的煤矿防治水工作必须坚持“预测预报、探掘分离、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则；同时要求煤矿企业严格遵守防治水“三专两探一撤”规定，指煤矿需按要求配备防治水专业技术人员、建立专门的探放水队伍、配齐专用的探放水设备，采用物探、钻探等方法进行探放水，且在遇到重大险情时必须立即停产撤人等工作的统称。山西天地王坡煤业有限公司严格按照“有掘必探、先探后掘”的煤矿防治水原则进行探放水，掘进前在工作面迎头做好探放水工作，提前排除了掘进和受影响范围内的水害威胁，保障安全生产。

通过长时间的探放水钻孔施工，王坡煤业发现在实际施工过程中，对掘进工作面迎头进行探放水时，考虑工作面留有余煤和安全距离，探水钻机前端夹持器不能紧贴煤壁，在开孔过程中钻杆摆动较大，特别是与工作面成扇形布置的两帮钻孔，很难切入煤壁，不仅施工效率低而且钻孔轨迹跑偏，给安全生产带来了极大的隐患。

为了解决上述问题，优化煤矿井下探放水钻机施工作业流程，减少作业人数，降低劳动强度，提高施工效率，已经成为王坡煤业探放水作业安全高效施工亟待解决的难题。通过分析作业现场情况及实际工作需要，研制出了一种辅助探水钻机开孔固定装置，该设备是钻孔施工过程中用来精确控制钻孔开孔参数、安全高效开孔的一种装置。

2 工作面情况

此次设备研制与试验在王坡煤业3303 运输顺槽智能综掘工作面进行。3303 运输顺槽智能综掘工作面位于王坡煤矿井下三采区北翼，根据《防治水分区管理论证报告》，该区域属可采区。工作面水文地质条件较简单，正常涌水量0.5 m3/h，最大涌水量1 m3/h，涌水来源主要为3 号煤层上覆砂岩、粉砂岩等裂隙水，此含水层主要以静水量为主，在掘进时，该裂隙水将通过锚杆、锚索孔、煤岩裂隙渗入巷道。依据《山西天地王坡煤业有限公司矿井水文地质类型报告》，奥灰水水头标高为+528—+530 m，而3303 运输顺槽底板等高线均在+528 m 以下，为带压区域，3 号煤层与奥灰水存在有90 m 左右隔水煤岩段，通过计算该巷带压区域突水系数小于0.02 MPa/m，突水危险系数小，四周无采空区，地表无水体。

3 探水钻机设备参数

天地王坡3303 运输顺槽智能综掘工作面探水队现采用探水钻机主要为ZYJ-800/200 型架柱式液压回转钻机，生产厂家为山东祥德机电有限公司，适用于各种复杂条件及岩层巷道下的放顶钻孔、放水孔、电缆孔、瓦斯排放孔、地质资料孔等范围，回转装置连接的滑架可在台滑上移动，油缸推进行程为1 300 mm，具有广泛适用性。钻机具有结构合理、技术先进、工艺适应性强、操作安全可靠、解体性好、搬运维修方便等特点。

如图1 所示，ZYJ-800/200 型架柱式液压回转钻机采用分组式布局，合理新颖的解体性结构设计，全机由主机、操作台和泵站3 部分组成，各部分之间用高压胶管连接，宜于方便地移机和稳固，减轻了工人劳动强度。ZYJ-800/200 架柱式液压回转钻机基本参数如下：

图1 探水钻机构造Fig.1 Structure of water drilling rig

4 探水钻机开孔扶正器技术原理

王坡煤业在探放水钻孔施工过程中发现，受工作面有余煤的影响及为与工作面迎头保持一定安全距离等因素考虑，钻机前端不能紧贴煤壁（一般留有1～1.5 m 距离），造成开孔时钻杆和钻头摆动较大，钻头无法快速切入煤壁（特别是两帮钻孔斜切入煤壁需要浪费更长时间），严重跑偏，导致无法按相关设计要求快速、准确开孔，必须由人工采取措施在前端控制钻杆和钻头摆动，既存在安全隐患还费时费力，且不能保证钻孔参数（方位及倾角）按照设计要求一次性开孔成功。结合王坡煤业现场实际情况和工作需求，研发了一种焊接固定在探水钻机机架两侧的钻杆固定装置，即探水钻机开孔扶正器。

探水钻机开孔扶正器原理是在探水钻机前端加装一个下部为梯形和上部为圆环的组合固定装置，施工探水钻孔时钻杆穿过固定装置上部圆环中心，使钻杆旋转摆动受固定装置限制，限制钻杆在转动过程中旋转运动所带来的摆动幅度，从而使钻杆可以更快、更精准的切入煤壁，提高施工效率。探水钻机开孔扶正器如图2 所示。

图2 探水钻机开孔扶正器Fig.2 Opening centralizer of water exploration drilling rig

同时，综合探水钻机结构、现场施工情况以及施工过程中遇到的问题，在不影响钻机各项性能的基础上，只是在探水钻机机架两侧焊接固定管套用于安装可伸缩的扶正器，扶正器可根据现场施工要求进行伸缩调节，使扶正器尽可能的贴近煤壁，保证开孔精度；在空间较小的巷道中也可缩短扶正器的伸缩长度，使钻机可以更好的施工钻孔，提高了扶正器的适用范围。探水钻机开孔扶正器安装设计如图3 所示。

图3 探水钻机开孔扶正器安装示意Fig.3 Installation of drilling centralizer of water drilling rig

5 应用效果

5.1 加快施工钻孔开孔速度

王坡煤业3303 运输顺槽智能综掘工作面在安装使用探水钻机开孔扶正器前，施工探水钻孔前需使用风镐人工破煤（岩）体做切入孔，所耗费时间累计至少需要1 h；使用探水钻机开孔扶正器后无需人工风镐破煤（岩）体做切入孔，提高探放水钻孔有效施工时间，每次探放水作业2 个班次施工时间共计16 h，可节省1 h，效率提升6.25%。

5.2 施工钻孔角度精准定位

在安装使用探水钻机开孔扶正器前，施工探水钻孔需要有专人在煤壁前方使用辅助工具辅助钻杆平稳运转，由于是人工辅助钻杆运转，不仅辅助定位精度不佳，而且容易对人造成伤害；在安装使用探水钻机开孔扶正器后，由扶正器代替人工辅助钻杆运转，既解决了人工辅助钻孔切入定位不精确可能造成的误差，而且也避免钻杆掉落砸伤辅助人员的安全隐患。

5.3 施工探水钻孔轨迹精度

在安装使用探水钻机开孔扶正器后，探水钻机轨迹偏移程度降低，钻孔轨迹精度提高约5%，降低了探水钻孔的偏移范围，使探水钻孔轨迹更接近探放水设计。

6 结语

探水钻机开孔扶正器可以有效控制钻杆的摆动幅度，减小钻杆的摆动，使钻头快速切入煤体，提高钻孔精度。经过王坡煤业3303 运输顺槽智能综掘工作面现场实验和实际工作使用，所获得的结果和反馈基本符合预期效果，验证了该设备的可靠性和安全性。探水钻机开孔扶正器可以广泛地应用于井下探放水钻机和跨皮带施工瓦斯抽放钻机，能有效减少人员劳动强度，提高钻孔施工效率，同时避免了人工扶持钻杆可能造成的安全隐患，提高了钻孔施工的安全性，应用效果显著。