新型多功能钻机平台研制及在水力压裂施工中的运用

苏 波，马 冰，冯彦军

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

我国学者针对水力压裂在我国煤矿弱化煤岩体方面进行了大量有益研究［1－5］，该技术已经在晋城矿区开始推广应用，需要在工作面及工作面巷道施工多种角度的钻孔，但目前尚无专用的压裂钻孔施工钻机，钻孔的施工速度较慢，作业效率低，难以按设计要求完成钻孔施工。目前，国内钻机的种类较多，普遍存在体积大、重量大、移动困难、稳钻时间长、施工效率较低等缺点。

目前国内煤矿使用的钻机主要有机械传动式岩石钻机，如TXU系列钻机 (图1)，液压钻机有ZY，MK，MYZ系列钻机［6］。TXU系列钻机的特点是操作方便、360°打孔、性能可靠、结构简单，缺点是移动不方便和稳定钻机难度大;MYZ钻机的特点是回转速度低，适应的岩石硬度低;MYZ－150型钻机的钻进深度为150m，全机重量达到了1200kg，适应的岩石硬度系数小于7。ZY钻机是由煤科总院重庆分院研究开发的 (图2)，主要应用于井下施工瓦斯钻孔、探放水钻孔和煤层注水孔等，整机较重，输出力矩较小。MK系列全液压坑道钻机是由煤科总院西安分院开发的 (见图3)，特点是主机、泵站、操纵台用高压胶管连接，可解体移动，提高工作效率。缺点是体积较大，无法实现360°打孔。

履带式液压钻机主要把液压钻机放置在履带台车上，方便钻机的移动。由于井下巷道空间有限，往往需要小型的履带台车带动液压钻机进行移动。这种钻机功率较大，钻进速度快，但设备笨重、体积较大、对巷道适应性低，钻机无法在指定地点迅速定位，无法沿巷道走向和断面方向快速转换。

图1 TXU系列钻机

图2 ZY系列钻机

图3 MK全液压坑道钻机

有学者针对煤矿钻孔高低位开口要求，设计出煤矿用钻机机架升降调斜机构，采用二级升降油缸实施机架的升降，一次性调斜模式［7］。孙建［8］采用一套液压系统实现了钻机便捷移动，大幅节省移钻时间并降低人员劳动强度。但上述装置是针对特定条件或特殊目的而研究开发的，并不满足水力压裂钻孔施工。但为高效多功能可移动钻机平台的研发提供了有益基础。

综上所述，TXU系列钻机具有操作方便、360°打孔、性能可靠、结构简单等优点。本文是在结合TXU系列钻机诸多特点的基础上，设计一种高效多功能可移动钻机平台，通过该平台实现TXU系列钻机的快速移动和稳定，提高打钻效率，推动水力压裂技术在煤矿中的发展应用。

2 钻机平台及特点

高效多功能可移动钻机平台，见图4。

钻机平台的性能参数如下:

(1)尺寸 (长 ×宽 ×高)3.4m×1.7m×3.3m，离地高度0.42m。

(2)油缸的筒内径60mm，活塞杆外径50mm，最大伸长量400mm，额定承重5t。

图4 高效多功能可移动钻机平台

(3)泵站额定压力15MPa，额定流量35L/min，额定转速1450r/min，电机功率7.5kw。

(4)开关型号为QBZ－60。

高效多功能可移动钻机平台采取的技术方案:钻机放置到机架上，利用牵引装置拉至指定位置，开启泵站，利用手动操作阀分别升起压顶油缸及压底油缸，将此平台牢牢固定住，其后安装滑轨，钻机可在滑轨上自由移动，钻机移到指定位置后利用操作阀降下2个压底油缸，再用螺栓将其与滑轨固定后，方可开始打钻。

该钻机平台具有以下几个特点:

(1)采用无轨胶轮车的行走方式，便于钻机的整体移动，且通过方向控制装置，保证钻机准确到达指定位置。

(2)该平台实现了油缸液压系统与钻机动力系统的结合。

(3)通过调节3组油缸来实现稳定钻机的目的。

(4)与传统钻机相比，该钻机平台机动性强，实现了稳钻、移钻的机械化，有利于提升工作效率，降低工人劳动强度，提高钻孔作业的安全性和可靠性。

3 应用实例

何家塔煤矿采用倾斜长臂后退式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面直接顶为细砂岩和中砂岩，厚度约为0.8～14m，中等稳定，随工作面回采可及时垮落，基本为随采即垮。基本顶为粉、细砂岩中厚层状，厚度约大于40m，比较稳定，初次垮落需采取强制措施。采用爆破的方式容易造成工作面CO积聚，污染井下空气，同时安全性不高，成本较高。

基于以上情况，采用水力压裂技术对50104工作面切眼顶板进行弱化处理，制定出钻孔布置方案。水力压裂钻孔布置见图5。

图5 水力压裂钻孔布置

采用研发的钻机平台进行钻孔施工，完成钻孔的轴线近似为一条直线。并且施工速度大幅提升，移钻和稳钻时间大幅减少，工人劳动强度大幅降低。

按设计要求需打25m，37m 2种深度钻孔。何家塔煤矿分别采用铁架子钻机平台及高效多功能可移动钻机平台。采用普通架子做钻机底座的，移钻机定位时间大概在1.5h左右，稳钻机时间大概在1h左右，打25m钻孔，打钻时间约为5.5h，即打1个25m孔，累计耗时8h。打一个37m孔，累计耗时10h。采用高效多功能可移动钻机平台，移钻机定位时间大约为0.5h，稳钻机时间大概为0.5h，即打1个25m孔，累计耗时6.5h。打1个37m孔，累计耗时8.5h。在移钻定位用时方面，高效多功能可移动钻机平台省时约33%，在稳钻机用时方面，高效多功能可移动钻机平台省时约50%。

通过何家塔煤矿现场运用来看，高效多功能可移动钻机平台节省大量移钻机、稳钻机时间，是一种适合井下打钻的安全、高效的设计，提高钻孔效率，保证煤矿的效益，得到了煤矿现场的认可。

4 结论

为满足水力压裂钻孔高效安全施工的需要，研制了一套新型可移动钻机平台，该平台实现了快速移动及稳定钻机的目的，实现了钻孔精确定位，通过滑轨来实现钻机在巷道断面内可施工所有位置的钻孔，避免了频繁移动钻机的工序。此平台也可运用于煤巷底板锚索钻孔的施工，将水压致裂孔施工速度提高约20%，钻机移动及定位时间缩小约30%，满足快速施工钻孔的需要。

［1］黄炳香，程庆春，刘长友，等.煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架 ［J］.采矿与安全工程学报，2011，28(2):167－173.

［2］闫少宏，宁 宇，康立军，等.用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究［J］.煤炭学报，2000，25(1):32－35.

［3］孙守山，宁 宇，葛 钧.波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术［J］.煤炭科学技术，1999(2):55－56.

［4］Fan J，Dou L M，He H，et al.Directional hydraulic fracturing to control hard－roof rockburst in coal mines［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(2):177－181.

［5］冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验［J］.岩石力学与工程学报，2012(6):1148－1155.

［6］孙金海.工作面放顶钻机研究［J］.煤矿机械，2005(6):86－87.

［7］李淑健，段勋兴.煤矿用钻机机架自动升降调斜机构研究［J］.煤炭与化工，2014(6):51－53.

［8］孙 建.钻机便捷移动装置的研制 ［J］.煤矿机械，2012(5):172－173.