瓦斯抽采钻孔螺旋式水力机械扩孔装置及其应用

徐 超，孙浩石，秦亮亮，闫志铭，郭超飞，杨 港

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

0 引 言

在中国深部煤层开采过程中，大多煤层具有地应力高、瓦斯压力大、透气性低、煤层顶板压力情况复杂、煤与瓦斯突出灾害频发等特征，严重威胁着煤矿的安全高效生产[1-4]，这决定了本领域采用煤层卸压增透、瓦斯预抽为今后主要防突措施的发展趋势[5]。

其中煤层增透是高瓦斯矿井瓦斯预抽的关键步骤[6]，而煤层增透一般通过改造煤岩体物理结构特征创造瓦斯导流通道以便后续抽采瓦斯，从而消除目标煤层范围内突出危险性来达到预防煤与瓦斯突出事故的目的。国内外对于增加煤层透气性的常用方法有高压水射流卸压增透技术[7-9]、水力冲孔卸压技术[10-12]、水力压裂强化增透技术[13-17]、清洁液压裂技术[18]以及爆破增透技术[19-21]等。近年来，愈加成熟的钻扩一体化技术[22]因地质条件适应性较强等优势广泛应用于井下煤层增透作业，其原理为通过钻机和扩孔等相关设备在目标煤层钻进形成孔洞，改变孔洞周围煤体的原始应力分布创造裂隙通道，以此提高煤层瓦斯透气性。扩孔成套设备中的扩孔装置或者钻扩一体钻头作为切割煤体的主要部件，其扩孔效果质量直接决定煤层增透效果的优劣。目前对于钻具设备方面，前人研制了扩孔直径216 mm型反向回拉式扩孔器[23]、弧形连接方式扩孔钻头[24]、新型PDC定向扩孔钻头[25]，但钻头扩孔类设计存在着钻头端扩孔易引起钻头旋动中心过于前置，导致偏离钻进路线随之卡钻等问题。现阶段为避免钻头处扩孔引起的诸多难点，行业内设计了可伸展出机械刀臂的水力机械扩孔装置[26-28]以增加钻进稳定性和扩孔效果，如施工锚杆可变径钻孔钻头、自动变径扩孔钻具、高压水射流钻扩一体化装备等，都有效提高了煤层透气性。但上述涉及的扩孔装置或者扩孔钻头的刀臂结构多为矩形结构，其一般在施工初始阶段会发生扩刀不成功或者效率低下等情况，对于松软低透高突煤层，其多为可钻性差的软煤或者破碎煤体。因直角式刀臂扩孔装置本身初期具有出水压力小、刀臂启动阻力大以及钻进输出扭矩小等困难，遇阻经常会出现直角式刀臂开启不畅、装置憋停、抱钻及卡刀情况，导致退钻清洗装置和处理钻孔等非有效工作时间延长，而且频繁的循环通井徒增了无效施工时间，耗时费力延缓施工进度，最终影响扩孔成孔效率。

为解决以上问题，本文主要从刀臂结构、动力驱动装置和高低压水切换装置对现有装置进行改进，设计了一种拥有全新切削煤体形式的瓦斯抽采钻孔螺旋式水力机械扩孔装置，优化了井下钻扩孔工艺流程，并在阳煤集团平舒煤矿15211工作面进行试用，以检验装置的使用效果。

1 螺旋式水力机械扩孔装置结构

1.1 装置改进结构

煤矿井下水力机械扩孔装置通常搭载于扩孔成套设备进行作业，扩孔成套设备包括履带式液压钻机、高压清水泵站、大流量泥浆泵站、密封连接钻杆、下向孔施工复合钻头、供水设施、高压旋转接头、钻孔三防装置、煤水气分离器、高低压水射流转换装置以及水力机械扩孔装置，扩孔成套设备如图1所示。其中，位于钻头后的扩孔装置是整个施工过程中扩大孔径的核心部件，用作钻头钻进孔洞以及后续扩孔作业，而扩孔装置内部延展出的刀臂更承担着切削煤体的关键作用，所以刀臂设计的合理与否直接决定着扩孔效果的优劣程度。

图1 矿用履带式钻进高压旋转钻扩一体成套设备

传统扩孔装置的刀臂结构多为直角式(图2)，其优势为方便收纳于扩孔装置中和扩孔直径大等，动力传递方面多为齿轮配合内部滑套传输动力给外部刀臂，但是也随之暴露诸多缺陷：如扩刀初期煤层情况复杂使得刀臂无法正常开启、向外排渣阻力大形成渣煤滞留孔洞妨碍设备运行等。

图2 直角式刀臂扩孔装置及其直角式刀臂

本文的螺旋式水力机械扩孔装置则在上述装置基础上全方位改进了扩孔刀臂的结构、水压动力输出方式以及装置内水压转换装置，即研发设计了螺旋式刀臂、动力驱动装置和高低压水切换装置3个主要部件。各装置分配于钻头腔体、刀臂腔体、水阀腔体3个空间腔体中，3个腔体之间的分界线分别为出水端限位体和进水端限位体，装置具体剖面结构如图3所示。

1-钻直连接头；2-阀槽；3-阀槽进水口；4-高压水管路；5-一号弹簧；6-水阀腔体；7-阀芯底座,701,阀芯;8-阀芯底座进水口;9-低压水进水口;10-进水端限位体;11-螺旋式刀臂;12-刀臂齿轮体;13-滑套导轨;14-活塞滑套,1401,活塞滑套斜齿;15-刀臂齿轮体,1501,刀臂齿轮体斜齿;16-刀臂腔体;17-二号弹簧;18-出水端限位体;19-刀臂腔体出水口;20-水流旁侧支路;21-低压水管路;22-钻头腔体;23-钻头连接处

其中，水阀腔体中内置高低压冷却水切换装置，其所含零件包括水阀腔体里的阀芯底座、阀芯及以下端的可活动阀槽，阀芯底座进水口可将水通入到低压水进水口，阀芯上设置有一号弹簧，一号弹簧两端固定于阀芯底座进水端与阀槽出水端，阀槽出水端中心设置有阀槽进水口。低压水供给时，低压水进入螺旋式水力机械扩孔装置的钻杆连接头，作用到阀槽底座，因水压未达到预设扩孔水压(即满足扩刀的高水压)，只满足钻孔排渣需要，未能克服一号弹簧的极限最大反作用力，使得阀槽运动受限并持续封堵高压水管路。低压水继续流经阀槽进水口进入水阀腔体，再经阀芯底座的阀芯底座进水口流至低压水进水口，低压水沿低压水管路直接越过刀臂腔体和钻头腔体输送至钻头端钻杆，供给钻进所需冷却水向孔外排渣和冷却复合钻头。高压水供给时(水压可完全克服一号弹簧作用力)，高压水由钻杆连接头处涌入装置进水端，并作用于阀槽底座，此时一号弹簧极限最大反作用力不足以抵抗高压水流水压，阀槽被迫挤压运动至阀芯底座，同时阀芯封堵阀槽进水口，阻隔低压水管路的水流供给。由于阀槽挤压向装置出水端运动，使得原本被阀槽外壁封堵的高压水通路进水口打开，高压水流经高压水通路迅速充满整个刀臂腔体，满足开启刀臂的条件。

刀臂腔体是扩孔装置的关键部分，其内置动力驱动装置、螺旋式刀臂装置，通过高压水管路与上文的水阀腔体连通。腔体内部的活塞滑套由二号弹簧连接与出水端限位体进水侧，活塞滑套安装在滑套导轨上沿固定轴向轨迹活动。刀臂腔体体侧安装一对用于扩孔的螺旋式刀臂，刀臂腔体开设刀臂储槽连通腔体内外，螺旋式刀臂处于闭合状态时收纳于刀臂储槽内，整使得个装置形成一个整体便于打钻收钻。螺旋式刀臂根部为加工有斜齿的刀臂齿轮体，两侧刀臂齿轮体依靠斜齿与侧平面同样加工有斜齿的活塞滑套紧密啮合，活塞滑套、二号弹簧、刀臂齿轮体及两部分的加工斜齿组合成为驱动装置。活塞滑套两侧平面在活塞滑套斜齿的啮合下作用于螺旋式刀臂根部刀臂齿轮体的斜齿，给装置供给高压水时，高压水推动活塞滑套进水端面并配合刀臂齿轮体旋转控制螺旋式刀臂的扩张与闭合，同时高压水喷出刀臂储槽作用于刀臂辅助其展开。刀臂闭合状态(a)与刀臂展开状态(b)如图4所示，图5为其内部动力驱动装置因高压水作用于活塞滑套前后状态对比图。

图4 轴向透视

图5 动力驱动装置内部示意图

钻头腔体起到连接前端钻头与提供低压冷却水的作用，出水端限位体上的刀臂腔体出水口通过水流旁侧支路连通钻头腔体与刀臂腔体，钻头腔体和刀臂腔体中心还设有低压水管路，并一直贯穿至水阀腔体的低压水进水口，高低压两种方式均会给钻头端供水排渣及冷却钻头。

1.2 装置改进的优势

本文的螺旋式水力机械扩孔装置的螺旋式刀臂扩展后相较于以往直角式结构，有着更好的切削和排渣效果，详细优势如下所述。

1)螺旋式刀臂在切削方向上并非如直角式刀臂直接沿径向切割煤体，而是刀臂切削斜面沿轴向螺旋式延伸，对周围煤体进行顺螺纹切割，增加了受力面。依据以上开刀过程，钻扩孔前期创造一段排渣导向通道，使得开刀和扩孔阶段效率更高，扩孔过程中也不易被煤渣卡死，如图4装置轴向透视图(b)所示。同时相较于刀臂前端直接受力和磨损的直角式刀臂结构，螺旋式刀臂在通过旋转和转动扩臂时不会集中磨损刀臂根部，转而将所受阻力由内而外沿螺纹分散到刀臂其他部位，实现分压螺旋式钻进排渣扩孔，延长刀臂寿命。另外以俯视视角来看，两侧刀刃受力以环状围绕在中轴外圈，可以保持受力平衡，避免产生不必要的震动而导致钻进时偏离预定路线。

2)装置钻扩孔形成的单个孔洞在煤层中扰动后破坏原煤体应力稳定性，煤体向孔洞方向产生膨胀变形，并以孔洞为圆心在煤体中发育形成裂隙区域。裂隙创造的瓦斯运移通道，促进瓦斯外排至孔洞随回流水转移至高低抽巷，达到卸压和增加煤体透气性的目的。

3)本装置驱动装置的动力输出方式也做了重新分配，在高压冷却水单一模式供给水压条件下，将更多的水压分配到活塞滑套和螺旋式刀臂上，增加了扩刀动力，避免了扩孔过程中刀臂无法正常打开以及扩孔过程中压力不足造成卡刀和憋停等情况。

4)高低压冷却水切换装置的水压切换也较容易实现，仅需合理控制配置在巷道内的高低压水射流转换装置和供水设施水流量即可实现钻孔、扩孔过程以及最后退钻的功能转换。

2 钻扩工艺流程

钻扩工艺流程主要包括螺旋式水力机械扩孔装置的安装与调试、低压水供给钻头岩层钻进、高压水供给下刀臂展开、高压水供给下持续扩孔、低压水刀臂收回以及退钻回收钻杆和封孔处理六个步骤。以钻扩孔对煤层进行增透预抽瓦斯为例，钻扩孔工艺流程图如图6所示。

图6 钻扩孔工艺流程

2.1 装置的安装与调试

巷道内运送并组装水力机械扩孔成套设备，包括履带式液压钻机、高压清水泵站、大流量泥浆泵站、密封连接钻杆、下向孔施工复合钻头、供水设施、高压旋转接头、钻孔三防装置、煤水气分离器、高低压水射流转换装置以及初始直径140～160 mm、扩孔直径350～400 mm螺旋式水力机械扩孔装置。按照预定位置和预测深度配置螺旋式水力机械扩孔装置于钻头后二号钻杆处，调整参数和位置以及其他电力辅助设施，组装调试结束后准备普通穿层钻孔工作。

2.2 低压水供给下钻头岩层钻进

钻孔工作开始，由液压钻机带动复合钻头及连接钻杆向煤层位置按规定角度钻进，巷道内的清水泵站向连接钻杆管路中经由高低压水射流转换装置提供低压冷却水，此时高压清水泵站大流量泥浆泵站提供小流量低压水，供给钻进所需冷却水向孔外排渣和冷却复合钻头，钻头按预定角度沿指定路线在岩层中完成初期钻孔过程。

2.3 高压水供给下刀臂展开

过程中通过记录钻杆数量来控制钻头深度，当钻孔施工至煤层顶板位置设计钻孔深度时，高低压水射流转换装置将水压调高至扩孔所需的预设水压，即满足开刀扩孔需要的高压水，同时供水设施提高供水流量。由大流量高压水作用于内部动力驱动装置，同时高压水通过刀臂储槽(连通刀臂腔体内外)喷出装置外持续作用于刀臂，完成辅助扩刀，并切削煤壁进行旋转钻进扩孔。

2.4 高压水供给下持续扩孔

螺旋式刀臂逆时针(钻头端俯视方向观察)扩展至最大延展角度90°后，装置持续保持扩刀状态，达到一边钻孔一边扩孔的目的。钻头处继续提供排渣冷却钻头所需冷却水，钻扩孔过程中周围煤体因机械刀臂旋转切削、高压水冲刷以及围岩应力等联合作用使得煤壁切割挤压破碎为煤渣，与孔内卸压瓦斯随回水外排，最终在原孔基础上形成更大的孔洞，扩大卸压范围。扩孔期间低抽巷底板孔口位置可以观察到排出的石渣变为煤渣，返水逐渐变为浑浊，伴随有粒径不一的煤块返出孔口。钻进过程要合理控制供水量和水压，并掌握好给进速率，适时控制给进量减少返渣，防止返渣过量造成堵孔。

2.5 低压水刀臂收回

待钻头后方的螺旋式水力机械扩孔装置完全穿过煤层进入煤层下部岩层后，控制高低压水射流转换装置使高压水转换为低压水。钻具进入下部岩层，可观察到孔口出水由浑浊偏黑逐渐变为清澈偏白，表明已无煤体排出，装置已钻进至岩层。高低压水射流转换装置将水压调节至初始低水压，清水泵站降低供水量，钻头喷出低压冷却水继续延伸钻进一段距离，期间通过周围岩体挤压以及装置内部的弹性复位运动，将螺旋式刀臂顺时针(钻头端俯视方向观察)收回刀臂储槽，完成收刀阶段。

2.6 退钻回收钻杆及封孔处理

刀臂收入刀槽，此时钻头持续输出低压水返渣，履带式液压钻机反向起钻，缓慢提升钻具，计算好钻具悬挂重量与钻杆数量，避免超载掉钻，待回收所有钻杆后停泵。钻头完全退出后再经过风排处理孔洞内残渣，并及时封孔。在整个钻扩孔施工过程中收集记录钻孔施工初始时刻、钻孔深度、施工总工程量、单孔施工周期、钻孔角度、煤层施工长度、初次见煤时刻及扩孔开始和结束时间等数据。瓦斯粉尘防治方面，严格按照规定设置钻孔三防装置防止瓦斯超限，一旦孔口瓦斯浓度达到1.0%报警装置响起时，应当立即停止所有设备的运行，加强局部通风，使得瓦斯浓度下降到允许浓度后再重启设备继续扩孔工作。

以上六个步骤即为一个孔的整体施工过程，具体钻孔布置方案根据各地质施工条件而定。

3 工程应用

本文选择阳煤集团平舒煤矿15211工作面作为试验工作面，工作面位于15#煤层西采区，该煤层赋存稳定，总厚度2.21 m，倾角2°～10°，平均6°，煤层瓦斯压力2.48 MPa左右，原始瓦斯含量9.26～14.83 m3/t，为高瓦斯突出煤层，煤层坚固性系数为0.5，煤层透气性系数为0.108 3 m2/MPa2·d，属于低透气性煤层。

以15211工作面回风巷为扩孔增透目标，在其上方施工低位抽采巷，巷内设计布置1号和2号两个钻场，每个钻场包括8个钻孔，其中1号钻场使用装备有最大扩孔直径φ400 mm的直角式刀臂扩孔成套设备进行钻扩孔，2号钻场使用装备有最大扩孔直径φ400 mm的螺旋式刀臂扩孔成套设备进行钻扩孔。每个钻场的扩孔煤量按照扩孔段的排煤体积来计算理论扩孔深度，试验期间记录钻杆序号、排出煤量和单孔施工周期以及成孔与否等数据，施工周期除去检修以及设备维护等无关因素，避免对比误差。所设计卸压增透范围为回风巷水平左右各15 m，巷道截面扩孔布置设计方案以及具体层位参数如图7所示。

图7 15211巷道截面扩孔布置设计

依照上述方案进行两组扩孔试验，并及时记录各项试验项目数据，试验项目内容及数据统计见表1。

由表1所统计的试验数据可知：直角式刀臂扩孔装置完成扩孔5个，成孔率为62.5%，扩孔总长度为40.6 m，扩孔平均长度为5.075 m，总施工周期为5.5 d，平均单孔工期为0.687 5 d；螺旋式刀臂扩孔装置完成扩孔6个，成孔率为75%，扩孔总长度为44.9 m，平均扩孔长度为5.612 5 m，总施工周期为4.5 d，平均单孔工期为0.562 5 d。

表1 两类扩孔装置试验数据

两组数据对比可得：螺旋式刀臂扩孔装置相较于直角式刀臂扩孔装置，其成孔率提升12.5%，煤层扩孔总长度增加4.3 m，提升10.59%，平均扩孔长度增加0.537 5 m，总施工周期缩短1 d，平均单孔工期缩短0.125 d。从各组数据对比得出，螺旋式水力机械扩孔装置的应用效果要优于直角式机械扩孔装置，钻进效率也得到明显改善，有效提高了扩孔整体施工效率，节约了扩孔成本。

4 结 论

1)螺旋式水力机械扩孔装置采用了螺旋式刀臂结构，解决了现存技术中刀臂结构不合理、刀臂展开效果不佳的问题，提高了钻孔扩孔效率；采用刀槽喷出高压水配合动力驱动装置的动力输出方式，解决了刀臂开启动力不足的问题，提高了螺旋刀臂的展开效率；高低压冷却水切换装置能够更加高效的控制扩孔过程中水压的变化和各个管路的开闭，配合动力驱动装置解决了水压动力分配不均等问题，提高了水资源的利用率。

2)在扩孔成套设备中，使用一种新型螺旋式水力机械扩孔装置代替原来的直角式扩孔装置进行煤层扩孔，详细完善了钻扩孔工艺流程，即：螺旋式水力机械扩孔装置的安装与调试、低压水供给钻头岩层钻进、高压水供给下刀臂展开、高压水供给下持续扩孔、低压水刀臂收回、退钻回收钻杆及封孔处理六个施工阶段。

3)基于螺旋式水力机械扩孔装置，在阳煤集团平舒煤矿进行钻扩孔工程试验，得到了以下增益：其成孔率提升12.5%，煤层扩孔总长度提升10.59%，总施工周期缩短1 d，节约了经济成本，发挥了显著的经济效益。