ZDY4000LD型中深孔定向鉆進裝備在成莊礦的應(yīng)用

ZDY4000LD(A)型中深孔定向鉆進裝備在成莊礦的應(yīng)用方鵬【摘要】針對整體布局式定向鉆進裝備在中小型巷道施工定向鉆孔存在的問題，結(jié)合此類礦井煤層氣抽放鉆孔存在鉆孔深度較淺和抽采率較低等難題，提出了采用分體布局形式的ZDY4000LD(A)中深孔定向鉆進裝備進行鉆孔軌跡精確可控的瓦斯抽放鉆孔施工方式.在晉煤集團成莊煤礦進行了現(xiàn)場試驗,2個試驗區(qū)域共完成6個定向瓦斯抽采鉆孔施工，單孔最深孔深450m,分支總數(shù)45個，累計進尺3639m,試驗總進尺14280m.現(xiàn)場試驗驗證了ZDY4000LD(A)中深孔定向鉆進裝備性能可靠，能力適中,工藝適應(yīng)性強，搬遷靈活的特點，對于提高中深孔定向鉆進綜合施工效率具有顯著作用.【期刊名稱】《煤礦安全》【年(卷)，期】2018(049)012【總頁數(shù)】4頁(P147-150)【關(guān)鍵詞】煤層氣抽采;定向鉆進裝備;瓦斯抽采鉆孔;中深鉆孔;鉆孔施工【作者】方鵬【作者單位】中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西西安710077【正文語種】中文【中圖分類】TD41煤礦井下近水平定向鉆孔施工技術(shù)現(xiàn)已逐漸被各礦區(qū)應(yīng)用到瓦斯抽采、探放水以及頂?shù)装遄{等施工。受煤礦地質(zhì)條件和生產(chǎn)規(guī)模限制，多數(shù)礦區(qū)對于本煤層定向鉆孔施工的鉆孔深度一般以300~500m的中深孔為主［1］?，F(xiàn)有國內(nèi)夕卜煤礦定向鉆機采用整體布局形式，普遍存在整機寬度較寬、適用性受限、搬遷移位麻煩、主軸角度調(diào)節(jié)范圍小、泥漿泵性能匹配性差等問題；為了滿足中深孔定向鉆進施工需求，提高定向鉆機工藝和巷道適應(yīng)性，加快定向鉆進技術(shù)與裝備在各類煤礦的推廣應(yīng)用，中國煤科西安研究院以科研項目為依托，成功研制了一款能用于狹窄巷道條件的新型窄體式定向鉆機及泥漿泵車的成套定向鉆進裝備，配套有線隨鉆測量系統(tǒng)，為中深孔定向鉆進施工提供必要的技術(shù)裝備保障［2-3］。為檢驗整機綜合性能和可靠性，在晉煤集團成莊礦進行了現(xiàn)場試驗。1鉆進技術(shù)與裝備組成中深孔定向鉆進裝備主要由定向鉆進鉆機和泥漿泵車組成，成套鉆進技術(shù)裝備還包括隨鉆測量系統(tǒng)、中心通纜式鉆桿、螺桿馬達及鉆頭。鉆機是進行鉆進施工的有效載體，為孔底鉆進提供合理鉆壓和鉆速，通過泥漿泵車輸出的高壓水，經(jīng)過中心通纜式鉆桿進入螺桿馬達，從而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)碎巖(煤)鉆進。鉆進施工過程中，通過隨鉆測量系統(tǒng)測量鉆孔姿態(tài)參數(shù)，繪制實際鉆進軌跡，并與設(shè)計的鉆孔軌跡進行比較，通過調(diào)節(jié)螺桿馬達的工具面實現(xiàn)鉆孔軌跡的實時調(diào)整和精確控制。2鉆進裝備及性能2.1ZDY4000LD(A)定向鉆機ZDY4000LD(A)型中深孔定向鉆進鉆機采用履帶驅(qū)動，集成主機、液壓泵站、操作臺、防爆計算機和流量監(jiān)控器于一體［4］,主要技術(shù)參數(shù)如下：①額定轉(zhuǎn)矩：4000N-m;②額定轉(zhuǎn)速：100~350r/min:③主軸制動轉(zhuǎn)矩：1000N-m;④主軸通孔直徑：110mm；⑤主軸傾角：-30°~30°;⑥最大給進/起拔力：150kN;⑦給進/起拔行程：1750mm:⑧電機額定功率：55kW；⑨整機質(zhì)量：7000kg;⑩夕卜形尺寸(長x寬x高)：3600mmx1300mmx1800mm。該款鉆機具有較強的工藝適應(yīng)性，滿足定向鉆進和回轉(zhuǎn)鉆進等施工需求，可用于煤礦瓦斯抽采鉆孔施工，井下探放水、地質(zhì)構(gòu)造和煤層厚度探測、煤層注水、頂?shù)装遄{等各類高精度定向鉆孔施工，ZDY4000LD（A）定向鉆機外形結(jié)構(gòu)如圖1。圖1ZDY4000LD（A）定向鉆機鉆機采用集成化布局設(shè)計，回轉(zhuǎn)器主軸通孔直徑為中110mm,可以通過多種規(guī)格的鉆具，配合其4000N-m輸出轉(zhuǎn)矩，可滿足中深孔定向鉆進施工需要；鉆機寬m，結(jié)構(gòu)緊湊，適合多數(shù)煤礦搬遷運輸要求；采用1750mm長行程給進裝置，通過鏈條倍速機構(gòu)有效提高提起下鉆速度；操縱臺具備兩級旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場情況合理調(diào)整操作方位，增加了施鉆人員的安全性；采用多級油缸直推式調(diào)角裝置，調(diào)角范圍大且操作方便，縮短了輔助作業(yè)時間，減輕了工人作業(yè)強度；穩(wěn)固油缸采用側(cè)向滑移結(jié)構(gòu)，可有效增大鉆機穩(wěn)固支點間的距離，提高鉆機穩(wěn)定性；鉆機液壓系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感和恒壓變量控制技術(shù)，控制精度高、節(jié)能效果明顯，聯(lián)動功能齊全，操作簡單，維護方便［5-6］。2.2BLY60/9泥漿泵車泥漿泵是定向鉆進系統(tǒng)中的動力驅(qū)動單元，用于輸出具有能量的沖洗液，將外部的機械能不斷的傳遞給孔內(nèi)螺桿鉆具，實現(xiàn)受控定向鉆進，沖洗并帶走孔內(nèi)巖（煤）粉，冷卻、潤滑鉆頭，保護孔壁以確保正常鉆進。BLY260/9泥漿泵車主要參數(shù)如下：①額定流量：260L/min；②額定壓力：9MPa；③電機額定功率：55kW；④整機質(zhì)量：3200kg；⑤夕卜形尺寸（長x寬x高）：2610mmx1300mmx1760mm。BLY260/9泥漿泵車采用履帶驅(qū)動方式，集泥漿泵總成、液壓泵站和電磁起動器等重要部件于一體，BLY260/9泥漿泵車外形結(jié)構(gòu)如圖2。泥漿泵總成是該泵車的核心部件，采用斜軸式液壓馬達驅(qū)動，具備輸出流量和壓力無極調(diào)節(jié)的功能［7-8］,輸出流量可在0~260L/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最高輸出壓力9MPa,完全滿足300~500m中深孔定向鉆進施工需要。泥漿泵車集成設(shè)計瓦斯監(jiān)測與斷電保護功能回路，有效提升了施工現(xiàn)場的安全性。圖2BLY260/9泥漿泵車2.3隨鉆測量系統(tǒng)隨鉆測量系統(tǒng)采用孔口電源供電，由測量探管、防爆計算機、鍵盤組成。在定向鉆孔施工過程中，用于鉆孔傾角、方位、工具面等鉆孔參數(shù)的測量，并通過防爆計算機實時顯示鉆孔參數(shù)和軌跡［9-10］，現(xiàn)場施鉆人員可隨時了解鉆孔施工情況，及時調(diào)整工藝參數(shù)，使鉆孔盡可能的按照設(shè)計的軌跡延伸。2.4螺桿馬達定向鉆進施工時，孔內(nèi)鉆具不旋轉(zhuǎn)，螺桿馬達在高壓沖洗液的驅(qū)動帶動前端鉆頭旋轉(zhuǎn)，達到碎巖的目的。由于鉆桿不在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此在鉆進過程中孔壁對鉆桿的摩擦阻力減小，可以用較少的動力損失實現(xiàn)更大的鉆孔能力。根據(jù)鉆進工藝的需要，選用1.25°和1.5°的螺桿馬達，分別用于穩(wěn)斜鉆進和強制造斜鉆進施工。3現(xiàn)場試驗應(yīng)用鉆進裝備試制完成后，經(jīng)過室內(nèi)性能測試，其空載運行試驗、負(fù)載運行試驗和過載運行試驗均復(fù)合產(chǎn)品技術(shù)要求。為了驗證主要執(zhí)行機構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)的性能和整機的可靠性，在晉城煤業(yè)集團成莊煤礦5314工作面進行了現(xiàn)場實鉆試驗。3.1地層情況試驗區(qū)域所在井田內(nèi)含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組(C3t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)。全組厚度77.52~112.07m，平均厚度91.98m，煤層總厚7.79m,其可采煤層分別為3號、9號和15號煤層。其中9號煤層為本設(shè)計的主采煤層，煤巖特征和機械性能與3號煤相近，礦井的相對瓦斯涌出量為10.0m3/t,絕對瓦斯涌出量為189.7m3/min，屬于高瓦斯型礦井。根據(jù)成莊礦9號煤層測試數(shù)據(jù)和地質(zhì)報告顯示，9號煤層無爆炸危險性。3.2鉆進工藝方案試驗區(qū)域巷道整體地層條件較好，煤層傾角約-5°,煤體較完整，硬度較大。但由于巷道掘進使得地應(yīng)力提前釋放，在靠近巷道100m范圍內(nèi)的煤層，及靠近與頂?shù)装逄幍倪^渡區(qū)煤體松散，在鉆進施工過程中，可能會出現(xiàn)鉆孔坍塌、卡鉆和其他鉆孔事故。地質(zhì)資料顯示，四五巷地應(yīng)力較小，巷道掘進對其周邊煤體影響不大。但是，四五巷煤層局部存在區(qū)域軟煤，并伴有瓦斯突出現(xiàn)象。根據(jù)定向鉆孔的設(shè)計要求，結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)條件，考慮鉆場煤層條件的特殊性，制定的鉆進工藝方案為：一開采用中73mm中心通纜式鉆桿+中153mm鉆頭鉆進9m，下入長度為8m的中125mm孔口管，并注漿固管。二開采用中73mm中心'通纜式鉆桿+單彎螺桿馬達+中96mm鉆頭施工至設(shè)計孔深。3.3鉆孔軌跡設(shè)計鉆孔軌跡設(shè)計的關(guān)鍵在于如何避開孔口100m范圍內(nèi)由于應(yīng)力釋放造成的煤體松散區(qū)。分析鉆場地層資料，巷道迎頭煤層走向向下，傾角約為-5°。設(shè)計開孔傾角為7。~8。，在9m左右就可以進入頂板。下入長度為8m的孔口管并固孔，防止孔口部分坍塌。在煤層頂板中鉆進約100m左右，繞過應(yīng)力釋放區(qū)后再進入本煤層，繼續(xù)鉆進至設(shè)計孔深。1#鉆場試驗情況1#鉆場施工3個煤層定向鉆孔，其中，1-1#鉆孔最深孔深429m，分支總數(shù)50個，累計進尺3591m;1-2#鉆孔最深孔深435m，分支總數(shù)20個，累計進尺1548m;1-3#鉆孔最深孔深450m，分支總數(shù)45個，累計進尺3639m。1-3#鉆孔設(shè)計時參考了1-2#孔實鉆軌跡，開孔傾角為7°,開孔方位向左調(diào)整37°。開孔后，在9m處進入頂板。30m開始向下調(diào)傾角，并在129m處見煤。在煤層中鉆進至201m塌孔嚴(yán)重，退至42m開分支在168m處再次進入煤層，在222m處發(fā)生塌孔。只能重新調(diào)整設(shè)計軌跡，將鉆孔軌跡控制在塌孔區(qū)以下。在111m開分支后，在114m就見到煤，在190m處開始將傾角下調(diào)，繞過210處的不穩(wěn)定區(qū)域。順利鉆進至430m左右，遇到了破碎帶，并伴有瓦斯突出，塌孔嚴(yán)重，多次試圖開分支繼續(xù)鉆進均未成功。鉆進19日后終孔，總計開分支孔45個，主孔深度450m，單孔總進尺3639m，1-3#鉆孔實鉆軌跡圖如圖3。圖31-3#鉆孔實鉆軌跡圖2#鉆場試驗情況2#鉆場施工3個煤層定向鉆孔，其中，2-1#鉆孔最深孔深426m，分支總數(shù)37個，累計進尺2715m；2-2#鉆孔最深孔深381m，分支總數(shù)13個，累計進尺074m；2-3#鉆孔最深孔深411m，分支總數(shù)17個，累計進尺1713m。2-1#鉆孔以7°角開孔后，在20-114m處遇到較硬砰石，鉆孔傾角下調(diào)幅度緩慢，至243m進入預(yù)定煤層，在煤層中繼續(xù)鉆進至267m后塌孔嚴(yán)重。在煤層中開分支鉆進至426m處遇到不穩(wěn)定地層，瓦斯突出嚴(yán)重，多次開分支都無法穿過。為了抽采120-240m煤層之間的瓦斯，需要補孔鉆進，但在該區(qū)域多次開分支鉆進都因為孔內(nèi)排渣不暢使得泥漿泵壓力增大，最終無法繼續(xù)鉆進。鉆進24d后終孔，總計開分支37個，主孔深度426m，單孔總進尺2715m,2-1#鉆孔實鉆軌跡圖如圖4。圖42-1#鉆孔實鉆軌跡圖3.6試驗效果分析1）現(xiàn)場試驗完成定向鉆孔累計進尺14280m，單孔分支數(shù)均大于10個，終孔直徑96mm,鉆孔軌跡與設(shè)計軌跡偏差控制在5%。以內(nèi)；單月鉆孔進度均超過3500m,相比以往定向鉆機，鉆進施工效率提高20%以上。）試驗最深鉆孔450m，采用滑動定向鉆進方式，鉆機最大給進力約10kN,最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩約為2800N-m,鉆機能力有較大富余；泥漿泵車最高壓力7MPa,最大流量220L/min，成套鉆進裝備完全具備300-500m范圍中深孔定向鉆進施工能力。3)現(xiàn)場試驗中，鉆機和泥漿泵車運轉(zhuǎn)性能良好，整機可靠性較高，各項技術(shù)指標(biāo)均達到設(shè)計要求，驗證了該套鉆進裝備在結(jié)構(gòu)設(shè)計和能力儲備上能很好滿足煤礦井下中深孔定向鉆進施工需要。4結(jié)語現(xiàn)場試驗表明：ZDY4000LD(A)中深孔定向鉆進裝備結(jié)構(gòu)緊湊、能力適中、搬遷靈活、性能穩(wěn)定，完全能夠滿足狹窄巷道條件中深定向鉆孔范圍的施工需要；鉆機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，整機關(guān)鍵部件和液壓系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計對于提高綜合鉆進效率具有重要作用；泵車結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，輸出流量與壓力穩(wěn)定，可無極調(diào)節(jié)，為定向鉆進的高效施工提供的關(guān)鍵裝備保障；成套鉆進裝備具有較強的工藝適應(yīng)性，尤其適用于我國煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件，并可在狹窄巷道條件、突出礦井和工作面使用?！鞠嚓P(guān)文獻】[1]石智軍，董書寧，姚寧平，等.煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013,41(3):1-6.[2]方鵬.ZDY4000LD(A)型履帶式全液壓定向鉆機的設(shè)計[J].煤田地質(zhì)與勘探，2014,42(4):93-96.姚克，孫保山，殷新勝，等.ZDY系列履帶定向鉆機的研制及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013,41(3):28-31.方鵬，姚克，邵俊杰，等.履帶式中深孔定向鉆進裝備設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2018,46(4):71-75.方鵬，田宏亮，鄔迪，等.ZDY6000LD(A)型履帶式全液壓定向鉆機及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2011,39(4):74-77.[6]姚克，方鵬，邵俊杰，等.狹窄巷道小定向鉆機及配套泥漿泵車的研制[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016,43