瓦斯抽采深孔履带钻机的研制与应用

冯 强

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.晋城煤业集团 寺河矿,山西 晋城 048000）

1 研制概况

寺河煤矿是大型矿井，瓦斯赋存和涌出量大，地质条件复杂，目前主采3号煤层，平均厚度6.5 m，掘进工作面巷道为矩形，一般宽5 m、高3.8 m。瓦斯抽采主要采用定向钻机，见图1，钻机采用孔底马达钻进，实现钻孔定向化和“人机对话”的目的。

图1 寺河煤矿瓦斯采用的定向钻机

寺河煤矿掘进工作面局部抽采及消突钻孔主要采用西安院及重庆院生产的钻机，最初该钻机为解体式，主要由主机、泵站、操作台三部件组成，见图2，井下搬运很不方便、工人劳动强度大；该钻机开孔高度0.5～2 m，很难在掘进工作面断面上实现均匀布置钻机，抽采效果不很好。

图2 西安院及重庆院生产的钻机

寺河矿经过改造之后，给钻机装备了履带，将主机、泵站、操作台、泥浆泵全都放置于履带平台上，见图3，实现了钻机行走，节约了搬家时间、减少了工人劳动强度；但是由于主机在履带平台上的位置固定，造成钻孔的局限性大，掘进工作面迎头钻孔时，钻孔呈“倒锥形”，经常造成工作面迎头出现“伞檐”，施工作业不安全；再者，钻机开孔高度、钻孔角度的调整，仍用调整四根立柱的螺丝、费时费力，钻机开孔高度局限在1.5～2.3 m的高度，对工作面1 m以下的软煤、破碎煤无法钻孔，不能很好地解决掘进工作面迎头的瓦斯问题，此钻机只适于综采工作面顺层钻孔的施工。

图3 初步改造后的履带式钻机

2012年，寺河矿与晋城天巨重工合作，采用铲车结构原理，开发研制瓦斯抽采深孔履带钻机，实现掘进工作面迎头均匀布孔的目标，开孔高度0.8～3.5 m高度，大大减小了工人劳动强度、操作方便，效果很好，见图4。

图4 合作研制的瓦斯抽采深孔履带钻机

2 瓦斯抽采深孔履带钻机的创新亮点

1）铲车的升降机构用于钻机上。利用铲车能升降的优势实现了钻机的升降功能，并解决了升降的稳定性及安全性问题。使钻机最低可开孔0.8 m，见图5。该钻机最高开孔高度3.5 m，见图6。

图5 钻机的最低开孔高度简图

图6 钻机的最高开孔高度简图

2）进口摆动油缸新技术用于钻机的方位角度调整，简化了机构设计、增加了钻机的灵活性。通过铲车油缸调整钻孔倾角，通过摆动油缸调整钻孔方位，见图7。

图7 钻机的钻孔倾角及方位的调整简图

3）钻机整机的液压系统采用进口负载敏感+比例控制阀，全液压传动、无级调速，可满足不同的钻进工艺，而且系统具有能耗低、操作快捷准确、工作稳定可靠、发热低等优点。

4）该钻机结合现有的履带式钻机移动方便的特点，解决了井下钻机搬迁难的问题，大大降低了操作者的劳动强度；不需进行太多的拆卸安装，减少了工作面的准备时间，提高了生产效率。

5）钻机配套的泥浆泵采用液压马达直接驱动，实现了泥浆泵的体积小巧、控制简便，泥浆泵整体安装于钻机平台上，便于施工作业的高效快捷。

3 试制结果

1）2012 年，新钻机在寺河煤矿东四盘区43043工作面迎头试验，现场总施工钻孔214个，总进尺25 625.5 m。钻孔成孔孔深≥110 m的钻孔成孔率达80%；成孔孔深≥150 m的钻孔成孔率达53%。浓度为40%以上的钻孔比例为73%。钻机每班的平均施工进尺为124.5 m（其它钻机平均每班施工进尺为76.5 m），试验效果良好。

2）由于钻机具有很高的巷道覆盖率，开孔高度在0.8～3.5 m之间自由控制，实现了掘进工作面迎头钻孔的均匀布置，减少了钻孔之间串孔现象，大大提高了瓦斯抽采效果。通过摆动油缸调整主机，在钻车不动机体的情况下可实现巷道两侧帮孔的施工。大大增加了钻机的适用性。2013年我矿大力推广该钻机，目前井下每班采用钻机达10台，运行效果良好。

3）经济及社会效益分析：施工安全方面，钻机采用自动上下钻杆装置，工人接换钻杆时无需频繁地上下机组、就可方便实现，大大的缩短了打钻时的辅助时间，提高了作业效率，降低了劳动强度，提高了作业安全。采用液压控制的泥浆泵，作业时工人只需扳动操作手柄就可轻松控制泥浆泵开停，方便了操作工作。钻机升降机构使钻机现场作业具有很强的覆盖性，巷道工作面迎头和两帮可实现完全覆盖，有力保证了现场钻孔的成孔效率。使用效益方面，大大降低了密集区域钻孔施工时的“串孔、堵孔”现象，降低了钻孔一轮又一轮补孔，从而减少了人工投入，节约了抽放成本、提高抽放效果；钻孔成孔率、抽采的瓦斯浓度也明显提高，缩短了抽放时间，保证了短期内巷道顺利掘进，有效缓解了寺河煤矿采掘衔接紧张的局面，产生的直接经济效益相当可观。此钻机有很高的推广性。