底抽巷全倾角钻孔钻机及钻进技术

邬 迪，赵江鹏，徐鹏博

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

碎软煤层瓦斯含量大、压力高，煤层硬度低、透气性差[1]，瓦斯综合治理难度大。在碎软煤层中施工顺层钻孔时易出现喷孔、塌孔、卡钻等孔内复杂情况，成孔困难[2]。仅仅依靠顺层钻孔预抽煤层瓦斯，往往不能满足巷道条带和回采工作面瓦斯区域治理需求。因此，顺层钻孔结合底抽巷穿层钻孔是目前常采用的一种有效的瓦斯综合治理方式。

由于缺乏专用钻机及配套钻进技术，目前施工底抽巷穿层钻孔时，仍存在以下不足：

1）每组全倾角穿层钻孔由5～9 个钻孔组成，为达到均匀覆盖待掘煤巷影响区，每个钻孔需要调节不同倾角开孔参数。现有钻机在同一组穿层钻孔之间调整倾角参数时，需要重新移动、稳固、调整钻机开孔倾角，调角操作复杂，影响综合钻进效率。

2）底抽巷空间狭小，钻机运输不便。现有钻机虽然设置了倾角快速调整装置，但其只可在一个平面内旋转，钻进主机与履带车体垂直，导致钻机宽度超限，影响钻机运输搬迁。

3）钻机操纵台固定在钻机侧后方，在进行大倾角钻孔施工时，司钻人员视线受阻，不利于观察钻机和钻场情况，存在安全隐患。

基于此研制了底抽巷全倾角ZDY3600LQ 型履带钻机。

1 全倾角钻机

1.1 钻机结构

根据底抽巷条件和全倾角穿层钻孔钻进工艺要求，综合考虑钻孔倾角、钻孔深度、钻进效率等各参数，制定了ZDY3600LQ 型履带钻机基本参数和整机结构[3]。钻机外形图如图1。新型钻机既能快速调整开孔倾角，又缩小了运输尺寸，还可清晰观察钻孔施工情况，具有搬迁运输方便、全倾角钻孔施工效率高、钻进安全可靠等显著优点。

图1 钻机外形图Fig.1 Drilling rig

钻机基本参数包括：额定转矩3 600～800 N·m，额度转速70～260 r/min，主轴倾角0°～180°，最大给进/起拔力为102 kN，额定功率55 kW，整机质量8 000 kg，钻机尺寸（长×宽×高）3.2 m×1.25 m×2 m。

钻机整机结构采用整体履带式布局方式, 钻机移动依靠履带底盘驱动，钻机主机、操纵台、泵站、稳固装置等动力、执行、操控和辅助装置布置于履带车体平台上[4]。钻机主机通过主机机架固定在履带车体平台上，为了适应底抽巷尺寸、降低钻机高度，设计了集钻机倾角调整、水平开孔高度调整、施工/运输主机位置调整、钻机稳固等功能于一体的钻机主机机架, 主机机架结构如图2。

图2 主机机架结构Fig.2 Frame structure

钻机主机可利用主机机架中的回转平台、副回转装置和主回转装置等机构使主机在平行和垂直于履带车体的2 个平面内旋转并定位。钻机搬迁运输时，主机与履带车体平行，并置于左右主立柱之间，降低高度尺寸；钻机施工时，通过主回转装置驱动，主机旋转90°后与履带车体垂直，通过副回转装置驱动，主机可在同一平面进行0°～180°范围内倾角的自动调节，钻机工作状态如图3。钻机操纵台悬挂于履带车体前方，施工时可从履带车体上取下并放置于便于观察孔口的位置，提高了钻机操作的安全性和可靠性。

图3 钻机工作状态Fig.3 Drilling rig working position

钻机液压系统采用双开式泵恒压控制方式。为了使钻机适应全倾角穿层钻孔的高效、可靠和安全施工，钻机动力头、夹持器、卡盘等关键部件采用单独的方向控制回路，避免了联动回路中各部件因响应速度不同造成钻具下滑的安全事故[5]。针对全倾角穿层钻孔施工，防止给进缸浮动时造成动力头下滑，在钻机液压系统中设计集成了拧/卸扣功能和动力头回转功能的集成回路。当操作拧/卸扣控制阀时，先导控制油首先通过梭阀推动二位阀，使给进油缸两腔联通，实现动力头回转时给进油缸和动力头浮动，有效保护钻杆丝扣[6-7]；当正常钻进或停钻时，操作回转控制阀，给进油缸两腔断开、浮动切断，可防止因重力造成的动力头下滑事故。

1.2 钻机工作流程

在底抽巷内进行运输、调角和钻进等工序时，钻机各装置功能如下：

1）钻机井下运输。通过行走操纵台控制钻机行走至底抽巷待开孔位置。

2）钻进状态调整。先利用稳固操纵台将稳固装置伸出，稳固钻机；然后利用调角操纵台控制主立柱中的回转平台旋转90°，使主机与履带车体平台垂直。将钻机操纵台从履带车体平台上取下，放置在便于观察孔口的地方，连接操纵台与主机之间的高压油管。

3）单个钻孔施工。利用稳固操纵台旋转副回转装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的倾角与钻孔开孔倾角一致并定位主机；前顶油缸伸出并稳固支撑在底抽巷上；利用钻进操纵台控制主机上的钻进机构进行钻孔施工。

4）全倾角钻孔施工。单个钻孔施工完成后，收回前顶油缸，利用调角操纵台旋转副回转装置，带动主机在与履带车体垂直的平面内回转，使主机的倾角与下一个钻孔的开孔倾角一致并定位主机；前顶油缸伸出并稳固支撑在底抽巷上；利用钻进操纵台控制主机上的钻进机构进行钻孔施工，直至完成同一截面钻孔群的施工。

2 钻进工艺研究及应用

以晋煤集团赵庄矿硬岩穿层钻孔施工为研究对象。目前赵庄矿主采3#煤层，由于煤层瓦斯含量高、煤层碎软、透气性差，采用顺层钻孔解决采掘工作面瓦斯存在钻孔深度浅、易塌孔，导致钻孔抽采覆盖范围小、有效抽采时间短、抽采效果差等问题[8]，影响掘进和回采进度，给生产带来不利影响。因此，赵庄矿在1307、1308 工作面尝试采用底抽巷穿层钻孔抽采煤巷条带和回采区域瓦斯。在实际生产中瓦斯问题有所缓解，掘进速度也相应提高。但是在底抽巷穿层钻孔布孔设计及钻孔施工过程中仍存在一些问题亟待解决，主要包括：穿层钻孔需要在煤层和岩层中钻进，煤层和岩层对成孔工艺和设备的要求不同，当在煤层钻进时，受瓦斯、煤体松软、破碎影响，钻孔施工过程中容易出现瓦斯异常涌出和塌孔等现象，造成钻进速度慢、成孔困难；在岩层钻进时，岩层硬度大，钻进速度慢，设备损耗大，对钻孔的实际轨迹无法控制，容易发生漂移，最终影响煤巷掩护效果。因此需对钻孔施工工艺进行研究，形成一套简单、易行、安全、合理的底抽巷穿层钻孔施工工艺和技术，提高综合钻进效率。

设计的试验钻孔位于二盘区西翼北回风巷，岩层为3#煤层底板，以粉砂岩为主，中间有1 层800 mm 的K6 灰岩。在试验过程中，K6 灰岩硬度较高，影响了综合钻进效率。由于回转钻进技术在硬岩地层中钻进效率偏低，因此采用φ89 mm×1 m 液动潜孔锤配φ113 mm 三翼胎体式PDC 钻头、φ113 mm三翼钢体式PDC 钻头、φ113 mm 四翼PDC 钻头、73 mm×800 mm 外平钻杆的新型钻具组合，采用泵压1.0～3.0 MPa, 泵量120～190 L/min, 通过冲击回转多动力钻进技术提高硬岩地层中钻进效率[9-11]。

综合地层钻进效率对比见表1。从表1 中可以看出，四翼PDC 钻头平均钻进效率为23.12 m/h，最高可达48 m/h；三翼钢体式弧角PDC 钻头平均钻进效率为1.48 m/h，最高可达96 m/h；三翼胎体式PDC 钻头平均钻进效率为24.26 m/h，最高可达45 m/h。当加接液动潜孔锤后，四翼PDC 钻头从23.12 m/h 提高至26.08 m/h，平均钻进效率有所提高，然而，三翼钢体式PDC 钻头从31.48 m/h 降低至27.89 m/h，平均钻进效率反而有所降低。这是由于该层K6灰岩体较薄，加液动潜孔锤后钻机转速降低，钻具的更换也占用了辅助时间，影响了综合钻进效率。

表1 综合地层钻进效率对比Table 1 Drilling efficiency comparison

为了研究纯硬岩地层条件下钻进效率和钻具级配关系，将各类钻具组合在K6 灰岩孔段中的钻进效率进行对比分析, 纯硬岩地层钻进效率对比见表2。当加接液动潜孔锤后，四翼PDC 钻头从11.9 m/h提高至21.3 m/h，平均钻进效率提高了78.9%；三翼钢体式弧角PDC 钻头从12.8 m/h 提高至22.4 m/h，平均钻进效率提高了75.0%；三翼胎体式弧角PDC钻头从11.7 m/h 提高至16.3 m/h，平均钻进效率提高了39.3%。

表2 纯硬岩地层钻进效率对比Table 2 Drilling efficiency comparison

根据试验验证，在硬岩地层中，冲击回转多动力钻进比传统回转钻进综合钻进效率高，液动潜孔锤配PDC 钻头的钻具组合方式具有一定的先进性和创新性；但在松软破碎或硬岩岩体较薄的地层中，冲击加回转的钻进方式综合钻进效率提高不明显。

3 结 语

研制了底抽巷全倾角ZDY3600LQ 型履带钻机。通过研究和试验证明，底抽巷全倾角钻孔钻机具有井下机动性强、倾角调节范围大、调节全自动等优势，适用于底抽巷的快速移动、钻机稳固、全倾角钻孔高效施工等；在复杂、坚硬地层施工穿层钻孔时，液动潜孔锤配PDC 钻头的冲击回转多动力钻进技术在钻进效率上提高明显。