矿用深孔气动钻机的工艺研究与应用

王庆华　王彦民　申军波　赵素敏

【摘要】煤炭工业是我国国民经济的基础产业，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中占70%左右，我国富煤、贫油、少气的资源特点，决定了煤炭在一次能源中的重要地位。因国内各大煤业集团和若干地方性煤矿企业所处的地质构造不同，并且伴随开采深度不断增加，造成了井下事故频发。事故主要集中在瓦斯突出、瓦斯爆炸、冲击低压，以及透水事故。解决这一问题的主要技术方法是靠钻机打孔，瓦斯排放孔、卸压孔、探水孔等。但是国内井下现有钻机体积大、重量大、打孔浅。诸多缺陷不能有效解决以上问题，急需打孔深、易于搬运的新型安全钻机。本文介绍了矿用深孔气动钻机的工艺研究与应用。

【关键词】大功率 气源动力 深孔钻进 大直径钻孔

1 引言

我国煤矿瓦斯爆炸频发，死亡人数众多，瓦斯事故是煤矿生产的最大威胁。在采煤之前先采出煤气层，有利于从根本上防止煤矿瓦斯事故。目前，我国煤矿使用的探水探瓦斯、排水排瓦斯钻机大都使用电机作为动力源，配备电源、电缆、综保装置等系列供电系统，可能会导致接地、短路、拉弧等机电事故，从而影响电动防突钻机的正常使用，影响正常生产。另外，使用电动防突钻机，由于供电电缆在工作面掘进头反复拖动，可能造成线嘴活动、电缆破口等失爆现象，对于高瓦斯矿井来说，无形中在安全方面埋下了重大隐患。由于手持式电动钻机重量在30-35kg，不便手持操作，而系列深孔安全钻机重量在500-1000kg之间，移动更加不方便，生产效率低，煤矿用坑道钻车虽解决了移动问题，但仍然使用电力为动力源，存在一定安全隐患。

本研究用气动钻机代替电动钻机，可大大减轻重量、减小体积，使用中可降低工人的劳动强度，提高钻孔效率，为煤矿安全提供有力的装备保障，产生巨大的社会经济效益。

2.目前我国煤矿井下瓦斯钻机存在的主要问题

（1）是高瓦斯矿区抽采，钻孔钻不进去、瓦斯抽不出来，松软突出煤层抽采钻孔施工难以解决。松软突出煤层一般是煤层松软、渗透性极差，但瓦斯含量却特高。在这种煤层中钻进，容易产生垮孔、卡钻、喷孔等现象。我国在松软突出煤层虽然有钻孔深度超过150m 甚至达到240m 的记录，但大部分的钻孔深度都在100m 以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我国松软煤层（硬度系数f≤1）在所采煤层中所占比例较大，因此，松软突出煤层的钻进成孔问题一直是个亟待解决的难题。目前，在煤矿井下钻探施工时，大部分都用水作为钻孔循环介质，由于煤层松软，高压水流对孔壁的冲刷和浸泡导致孔壁坍塌、掉块，严重时导致钻杆卡死，孔底水压升高，形成憋泵现象。用压缩空气作为钻孔循环介质有利于保持孔壁稳定和瓦斯的释放，可有效减少瓦斯突出的可能。

（2）是高瓦斯矿超前抽采钻孔施工长度不足，抽采时间短。目前，国内普遍采用的回转钻进工艺，钻孔轨迹的控制主要靠改变孔底稳定组合钻具和调整工艺参数的方法来实现。对于构造简单、稳定的地层来讲，如果钻孔轨迹设计合理，操作方法得当，基本能够满足钻孔的方向性要求。但对于复杂地层，特别是深孔钻进，钻孔轨迹的方向就很难控制。这是制约我国坑道钻探技术进一步发展的关键性难题。

（3）是施工防突钻突出现象严重，危险性大，易造成事故。目前，施工防突超前钻孔是局部防突的重要技术措施之一。然而，施工防突钻突出现象严重，危险性大，直接威胁工作面作业人员安全。例如，松藻矿务局在工作面打超前排放钻孔时即发生了突出强度近700t 的突出，现场的钻孔施工人员全部殉职。淮南矿区几年前也有工作面作业人员在场的情况下发生的突出，导致了人员伤亡。

国外的安全钻机以及国内现有进口产品，主要为德国进口的哈泽玛格公司的P75以及P120气动钻机，该钻机虽然功率大，但是体积大，重量大，价格高，所需配件也完全依赖进口，维修成本高。国内企业生产的大功率开孔钻机主要以液压为动力，液压钻机虽然功率大，但是需要有液压泵站为动力，泵站需用电机驱动，安全性差。并且液压油过热容易引起火灾。所以从国内发展趋势来看，未来发展方向为以压缩空气为主要动力源、重量轻、能自行移动的钻机。

3.研究主要内容

根据煤矿瓦斯综合治理的需要和我国的技术实力，我国煤矿井下瓦斯钻机的技术发展趋势将会朝着三个主要方向发展。第一是研制开发满足大口径、长钻孔、定向水平孔需要的钻进关键技术与高端钻机装备。其中研发研制的关键技术是长寿命孔底马达和性能可靠的随钻测量系统等。为解决煤矿井下钻机频繁搬迁问题，需研制具有自行能力的履带式钻机，以提高工作效率。第二是研制开发适宜松软突出煤层的瓦斯抽采关键技术及其钻机装备，突破松软突出煤层的瓦斯抽采难关。第三是研制开发安全、可靠、有效的远距离防突关键技术及其性能优良的防突远程控制钻机装备。为了实现上述研究的总体目标，需要开展如下研究工作：

（1）实验室和理论研究分析气源流量和压力对气动马达功率的影响规律，确定气动马达合理的工况条件，为钻机选择或研制合适的气动动力提供理论基础。

（2）通过理论分析钻机性能指标，通过计算机模拟等技术手段，设计合理的马达功率和尺寸。

（3）根据对马达工作过程中所受力学状况，及其散热情况选择合适的马达外壳材质，并进行设计加工马达壳体。

（4）合理设计钻机总体结构，并进行力学分析和钻机过程模拟，选择合理的推进方式。

（5）根据设计试制样机，并进行现场试验；

（6）根据现场试验测试情况，进一步完善钻机整体结构及各项性能指标，并再次现场验证，直至达到预期研发目标，最终确定钻机最终方案。

4.工艺流程

本研究通过实验室和理论研究分析现有煤矿井下用钻机的破岩机理及深孔钻进控制机理，探索合适的钻机气动马达参数，及井下钻机需要适应的主要工况条件等参数，开发基于气动动力源的大功率深孔钻进技术，研制开发大功率、高转速、体积轻便，推进方式合理气动钻车，有效改变现有井下钻机装备工作条件受限的现状，提高钻机装备水平，为煤矿安全提供装备保障。

5.钻机结构及技术指标

（1）钻机结构

煤矿用气动深孔钻机是一种以压缩空气为动力，配有履带式行走结构的轻型深孔钻车。它主要由主机、立柱、托架、气动操纵台、本体架总成、液压操纵台、泵站、履带总成、操作平台、油箱组件等部分组成。具有操作简单方便，作业安全等优点。

（2）技术指标

本研究完成后，可以解决岩石中中小孔径的打钻深度，换上煤钻配置后则适合钻探煤层。钻机可全方位钻孔，其短窄设计方便快速运输和调整，达到的技术指标如表1所示：

6.应用领域

此钻车是以压缩空气为动力，配有履带式行走机构的轻型气动深孔钻车。广泛用于煤矿煤层探排水、注水、及探排瓦斯孔和卸压孔等钻孔施工。可配套Φ69、Φ76、Φ89高效螺旋钻杆和Φ42地质钻杆使用。

参考文献：

[1]王春来，吴爱祥，刘晓辉.深井开采技术[M].冶金工业出版

社，2011.05

[2]吴卫荣.气动技术[M].徐州：中国轻工业出版社，2005.08

[3]宋建峰，李伟亮.架柱式大功率气动钻机.石家庄中煤装备

制造有限公司

注：科研项目（河北省科技支撑计划项目，项目编号：14211907D）

作者简介：王庆华（1977.10～），男，河北石家庄人，石家庄天地煤矿机械有限公司总经理，研究方向：煤矿机械。