ZDY4000L 履带式钻机大坡度巷道钻孔施工实践

张茂宇 姜 超 宋正国

（河南能源化工集团永煤公司新桥煤矿，河南 永城 476600）

ZDY4000L 履带式全液压坑道钻机具有扭矩大、挪移方便、能实现多种钻孔角度和钻孔高度调节的优点[1-2]，可有效提高深孔煤层注水钻孔施工效率[3-4]。由于煤矿井下地质条件比较复杂，巷道坡度变化较大时大大限制了ZDY4000L 履带式全液压坑道钻机的使用，降低了钻孔施工效率，影响了工作面回采速度。

1 工程概况

新桥煤矿瓦斯等级为低瓦斯矿井，所采二2 煤层煤尘具有爆炸性，自燃倾向性等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层，可注性鉴定结果为可不注水煤层。2301 工作面走向长度平均为1711 m，倾斜长度305.6 m，标高为-562.0～ -776.2 m。煤厚0～5.2 m，平均3.3 m，局部煤层有夹矸；煤层倾角6°～39°，平均19°，较稳定；工作面可采储量233.7 万t。工作面采用全负压下行通风，工作面通风路线为“两进一回”，即上顺槽、中顺槽进风，下顺槽回风。

为降低工作面回采期间的产尘量，采用顺槽深孔煤层注水工艺，综合考虑煤层裂隙发育情况、工作面倾向长度、注水效果，设计钻孔间距6 m，孔深为60～100 m。选用ZDY4000L 履带式全液压坑道钻机，配备Φ73 mm 三棱钻杆、Φ92 mm 合金钻头、Φ144 mm 或Φ159 mm 合金钻头。

2施工分析

根据现场实际情况，顺槽走向坡度整体较平缓，局部坡度最大19°，超过了钻机最大16°的爬坡能力，且由于钻机冷却水、净化水幕容易造成巷道底板积水，导致钻机行走、打钻期间存在下滑风险，大大降低了钻孔施工效率。

2.1 钻机相关参数

外形尺寸：3600 mm×950 mm×2000 mm；机重：4500 kg；额定转矩：4000 Nm；主轴倾角：-90°～ +90°；方位角：-90°～ +90º；额定给进/起拔力：123 kN；行走速度：0～2.0 km/h；最大爬坡能力：16°；接地比压：0.12 MPa。

2.2 钻机受力分析

针对钻机行走和钻进2 种情况分别进行受力分析。图1 为钻机简化模型。

图1 钻机简化模型

（1）钻机行走。钻机受力有行走牵引力、重力、摩擦力，保持钻机不下滑的条件：

上坡行走时：G·cosα·μ+G·sinα≤F；

下坡行走时：G·sinα+F≤G·cosα·μ。

式中：G为钻机所受重力，kN；α为巷道坡度，（°）；μ为钻机与巷道底板摩擦系数；F为牵引力，kN。

（2）钻机钻进。钻机受力有重力、摩擦力、支撑压力和钻杆前进、旋转产生的下滑力，保持钻机不下滑的条件：

（G·cosα+P）·μ≥G·sinα+S

式中：G为钻机所受重力，kN；α为巷道坡度，（°）；μ为钻机与巷道底板摩擦系数；P为支撑压力，kN；S为钻杆前进、旋转产生的下滑力，kN。

3 施工方法

3.1 挪钻机

（1）挪钻机前，旋转调角装置使主机与钻机行走方向一致，并将动力头位于机身最上端，使钻机重心尽量上移。

（2）在钻机前方巷道底板铺设矸块（底板为岩石时垫煤粉，以增加钻机与底板的摩擦系数）形成人工假底，减小巷道坡度，待钻孔施工结束后恢复巷道底板。

（3）巷道底板存在积水时，及时施工临时水泵坑，利用风泵将水排出；或者施工横向水沟，将积水引入永久水沟。

3.2 稳钻机

（1）钻机开至打钻地点以后，使用倒链拉住钻机车体上的起吊点，并在巷道两帮专用锚杆上固定牢靠。

（2）调整好车体位置后，操作调节手把，将下面四个支撑油缸杆伸出至地面使履带离地。操作上稳固油缸调节手把使上稳固油缸顶到巷道顶板，稳固好车体。

（3）使用自制的戗柱组件一端顶在钻机调角装置的连接盘组件上，另一端顶到巷道底板，确保钻机不会下滑。

3.3 操作钻机

（1）钻进期间，钻机司机必须集中注意力，防止误操作，而且操作时不可猛地操作调节手把，防止钻机产生剧烈颤动。

（2）预防孔内事故。在地质破碎带施工钻孔时，应缓慢钻进，使孔壁尽量保持光滑，一旦出现卡钻预兆，应立即后退钻杆并反复钻进，直至卡钻现象消失。因故停止打钻30 min 以上或交接班停钻时，要将钻杆退出5 m 以上，以防埋钻。

4 针对性安全措施

ZDY4000L 履带式全液压坑道钻机在大坡度巷道中施工钻孔时，严格执行“危险预知、安全站位、安全确认、流程作业”四位一体标准化作业流程[5]，确保施工安全。

（1）操作台始终位于钻机上方侧，以便钻机司机观察钻机状况和应急处置；钻进期间，接、卸钻杆人员必须站在钻机上方。

（2）挪钻机和钻进期间，在打钻地点上、下两侧分别设置警戒，上方警戒距钻机不少于5 m，下方警戒距钻机不少于10 m。人员通行前必须发出请求信号，钻机司机停机进行安全确认后人员方可通行。

（3）跟班队干现场进行专盯，确保安全措施落实到位。

（4）2 台及以上钻机同时施工时，钻机之间距离保持不少于50 m。

5 结语

通过采取上述施工方法和安全措施，安全实现了ZDY4000L 履带式全液压坑道钻机在大坡度巷道中施工深孔煤层注水钻孔，有效保证工作面每个圆班4.8 m 的回采速度。