矿用掘锚一体机探放水钻机的设计

□ 陈克锋

山西焦煤霍州煤电木瓜煤矿 山西吕梁 033100

1 设计背景

井下水害指在作业过程中地下水淹至顶板、底板突入矿井的现象,一旦发生井下水害,不但会造成极大的经济损失,而且会导致严重的人员伤亡事故。因此,煤矿安全规程要求在井下巷道掘进过程中必须提前进行探放水作业,保证巷道掘进的安全性。目前在井下进行探放水时,通常使用气动架柱式钻机、分体钻机或者ZLJ系列坑道钻机进行钻进,在作业时需要掘锚机进行让位。这些分体式钻机有的钻进能力不足,有的整体结构质量大、调整灵活性差、操作难度大,严重影响了井下探放水的效率,限制了巷道掘进效率的进一步提升。

针对上述问题,结合国内外学者的研究经验,设计了一种矿用掘锚一体机探放水钻机,在掘锚机的机体上拆除通风的除尘风机,将探放水钻机安装在除尘风机的位置,可灵活、方便地进行更换。同时结合井下实际情况,提出矿用掘锚一体机探放水钻机工艺流程及卡钻处理流程,提高掘锚机的钻进安全性。实际应用表明,矿用掘锚一体机探放水钻机能够很好地适应井下狭窄的巷道作业环境,可以有效提升探放水效率和安全性。

2 矿用掘锚一体机探放水钻机设计

2.1 布局

根据煤矿井下有掘必探的要求,为了解决现有巷道掘进、锚固、支护、探放水效率低的不足,对掘锚机进行改造,增加探放水钻机。以掘锚机为机体,通过液压泵站和电控系统实现对探放水钻机的调控,实现在巷道内的自动探放水作业,减少钻孔准备时间,提升探放水作业效率。探放水钻机布局如图1所示。

图1 探放水钻机布局

布局包括探放水钻机、液压泵站及电控系统。探放水钻机安装于掘锚机机体上原先安装除尘风机的位置,不占用掘锚机额外的机体结构,因此不影响掘锚机在井下的作业。

掘锚机在达到掘进深度后,开始转为钻探状态,利用推移油缸将钻进模块顶出至探放水钻机为止。然后利用回转驱动机构对探放水钻机的水平角进行调整,满足指定倾角的钻进需求。在钻进的过程中辅以俯仰角调整,避免在钻进过程中探放水钻机和掘锚机机体干涉。

2.2 结构

探放水钻机结构如图2所示。

图2 探放水钻机结构

探放水钻机包括框架、连接平台、垂直旋转回转驱动、水平回转驱动、支撑立柱回转驱动、液压夹持器等结构。连接平台用于将探放水钻机机体固定至掘锚机上。垂直旋转回转驱动用于控制探放水钻机的旋转角度,满足不同钻进倾角的需求。动力头在推进油缸的作用下控制钻头的钻进。支撑立柱用于对探放水钻机进行支撑,确保探放水钻机在进行探放水孔钻进时的稳定性和精确性。

2.3 安装

探放水钻机在工作状态时需要从掘锚机上伸出,在非工作状态下需要收起,而且在进行钻进时需要支护,在钻进时还需保证不能和机架干涉,因此对探放水钻机的安装要求极高。

在综合分析后,确定了探放水钻机安装连接方案,如图3所示。

图3 探放水钻机安装连接方案

探放水钻机的安装充分利用了原有除尘风机的连接孔,无需增加额外的连接孔,方便进行更换和维护,提高了探放水钻机的应用灵活性。

3 控制

3.1 钻进流程

矿用掘锚一体机井下施工通常配备直径75 mm的复合内凹钻头,所用钻杆的直径为50 mm,钻杆组合长度可达1 000 m。在钻进过程中,液压控制系统的冷却器使用井下静压水冲洗冷却。为了避免静压水压力过大导致冷却器损坏,在管道中间位置安装截止阀,用于管道系统的保护。为了提升钻进效率,优化后的矿用掘锚一体机采用中间加杆、后侧卸杆的加卸方式,在钻进时无需反复拆卸,提高了换杆效率。

为了保证钻进施工的可靠性,结合矿用掘锚一体机运行方式,开发了探放水钻机钻进工艺流程。探放水钻机行驶至钻进位置后,进行探放水钻机稳固,待接通冲洗液后开始进行钻进。整个钻进工艺流程如图4所示。

图4 探放水钻机钻进工艺流程

3.2 卡钻处理

井下地质结构较为复杂,在钻进过程中可能会出现卡钻情况。根据分析,卡钻的主要原因包括两种,一种是排渣受阻导致,另一种是井下地层突变或者存在裂隙导致。出现卡钻以后,轻者会影响钻进效率,重者会导致钻头断裂,引发钻进安全事故。结合施工经验,制定了掘锚一体机钻进时的井下卡钻处理流程,如图5所示。

图5 井下卡钻处理流程

在钻进过程中,卡钻检测系统会对探放水钻机的钻进压力进行监控。当钻进压力大于系统预设的钻进阈值时,系统判断出现了卡钻。此时先关闭推进油缸,停止动力头旋转,避免卡钻程度加剧。之后控制钻头返钻退出,每次退后距离为200 mm。再控制钻头正转进给,继续进行作业。若还存在压力升高的问题,则进一步退钻,直至正常进给。

4 应用

4.1 应用情况

某矿井下1号煤层的埋深为440～520 m,平均煤层厚度为7.12 m。该煤层上侧为中粒砂岩,平均厚度为4.1 m,下侧为泥岩和细粒砂岩的混合结构层,平均厚度为0.88 m。井下运输巷的断面宽度为5 300 mm,高度为3 600 mm。为了保证井下掘进安全,设置了1号～4号共四个探放水孔,钻孔深度为100 m,掘进进尺为69 m。掘进作业面钻孔布置如图6所示。

图6 作业面钻孔布置

钻孔参数见表1。

表1 钻孔参数

4.2 应用效果

利用矿用掘锚一体机探放水钻机钻孔,在钻进过程中采用井下静压水方式进行介质冲洗,单臂只需要2.2 h就能完成一个100 mm钻孔的施工,包括调整时间四个钻孔只需4.5 h即可完成,相较于采用分体式钻进方案,钻进时间缩短了60.4%。在钻进过程中矿用掘锚一体机探放水钻机移动灵活,调整速度快,从而提升了巷道井下的掘进效率和安全性。

5 结束语

在原有掘锚机基础上提出了结构优化方案,将探放水钻机集成至掘锚机上,实现了掘锚、钻孔一体化作业。探放水钻机布局主要包括探放水钻机、液压泵站及电控系统,探放水钻机位于掘锚机机体上原先安装除尘风机的位置,应用灵活。

矿用掘锚一体机采用中间加杆、后侧卸杆的加卸方式,在钻进时无需反复拆卸,可提高换杆效率。

实际应用表明,矿用掘锚一体机探放水钻机较传统分体式钻机钻进时间缩短60.4%,能够显著提升井下探放水作业的效率和安全性。