礦用深孔氣動鉆機的工藝研究與應用

王慶華+王彥民+申軍波+趙素敏

（1、石家莊天地煤礦機械有限公司，2、石家莊市礦區恒通機械有限公司）

【摘要】煤炭工業是我國國民經濟的基礎產業，煤炭在我國一次能源生產和消費結構中占70%左右，我國富煤、貧油、少氣的資源特點，決定了煤炭在一次能源中的重要地位。因國內各大煤業集團和若干地方性煤礦企業所處的地質構造不同，并且伴隨開采深度不斷增加，造成了井下事故頻發。事故主要集中在瓦斯突出、瓦斯爆炸、沖擊低壓，以及透水事故。解決這一問題的主要技術方法是靠鉆機打孔，瓦斯排放孔、卸壓孔、探水孔等。但是國內井下現有鉆機體積大、重量大、打孔淺。諸多缺陷不能有效解決以上問題，急需打孔深、易于搬運的新型安全鉆機。本文介紹了礦用深孔氣動鉆機的工藝研究與應用。

【關鍵詞】大功率 氣源動力 深孔鉆進 大直徑鉆孔

1 引言

我國煤礦瓦斯爆炸頻發，死亡人數眾多，瓦斯事故是煤礦生產的最大威脅。在采煤之前先采出煤氣層，有利于從根本上防止煤礦瓦斯事故。目前，我國煤礦使用的探水探瓦斯、排水排瓦斯鉆機大都使用電機作為動力源，配備電源、電纜、綜保裝置等系列供電系統，可能會導致接地、短路、拉弧等機電事故，從而影響電動防突鉆機的正常使用，影響正常生產。另外，使用電動防突鉆機，由于供電電纜在工作面掘進頭反復拖動，可能造成線嘴活動、電纜破口等失爆現象，對于高瓦斯礦井來說，無形中在安全方面埋下了重大隱患。由于手持式電動鉆機重量在30-35kg，不便手持操作，而系列深孔安全鉆機重量在500-1000kg之間，移動更加不方便，生產效率低，煤礦用坑道鉆車雖解決了移動問題，但仍然使用電力為動力源，存在一定安全隱患。

本研究用氣動鉆機代替電動鉆機，可大大減輕重量、減小體積，使用中可降低工人的勞動強度，提高鉆孔效率，為煤礦安全提供有力的裝備保障，產生巨大的社會經濟效益。

2.目前我國煤礦井下瓦斯鉆機存在的主要問題

（1）是高瓦斯礦區抽采，鉆孔鉆不進去、瓦斯抽不出來，松軟突出煤層抽采鉆孔施工難以解決。松軟突出煤層一般是煤層松軟、滲透性極差，但瓦斯含量卻特高。在這種煤層中鉆進，容易產生垮孔、卡鉆、噴孔等現象。我國在松軟突出煤層雖然有鉆孔深度超過150m 甚至達到240m 的記錄，但大部分的鉆孔深度都在100m 以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我國松軟煤層（硬度系數f≤1）在所采煤層中所占比例較大，因此，松軟突出煤層的鉆進成孔問題一直是個亟待解決的難題。目前，在煤礦井下鉆探施工時，大部分都用水作為鉆孔循環介質，由于煤層松軟，高壓水流對孔壁的沖刷和浸泡導致孔壁坍塌、掉塊，嚴重時導致鉆桿卡死，孔底水壓升高，形成憋泵現象。用壓縮空氣作為鉆孔循環介質有利于保持孔壁穩定和瓦斯的釋放，可有效減少瓦斯突出的可能。

（2）是高瓦斯礦超前抽采鉆孔施工長度不足，抽采時間短。目前，國內普遍采用的回轉鉆進工藝，鉆孔軌跡的控制主要靠改變孔底穩定組合鉆具和調整工藝參數的方法來實現。對于構造簡單、穩定的地層來講，如果鉆孔軌跡設計合理，操作方法得當，基本能夠滿足鉆孔的方向性要求。但對于復雜地層，特別是深孔鉆進，鉆孔軌跡的方向就很難控制。這是制約我國坑道鉆探技術進一步發展的關鍵性難題。

（3）是施工防突鉆突出現象嚴重，危險性大，易造成事故。目前，施工防突超前鉆孔是局部防突的重要技術措施之一。然而，施工防突鉆突出現象嚴重，危險性大，直接威脅工作面作業人員安全。例如，松藻礦務局在工作面打超前排放鉆孔時即發生了突出強度近700t 的突出，現場的鉆孔施工人員全部殉職。淮南礦區幾年前也有工作面作業人員在場的情況下發生的突出，導致了人員傷亡。

國外的安全鉆機以及國內現有進口產品，主要為德國進口的哈澤瑪格公司的P75以及P120氣動鉆機，該鉆機雖然功率大，但是體積大，重量大，價格高，所需配件也完全依賴進口，維修成本高。國內企業生產的大功率開孔鉆機主要以液壓為動力，液壓鉆機雖然功率大，但是需要有液壓泵站為動力，泵站需用電機驅動，安全性差。并且液壓油過熱容易引起火災。所以從國內發展趨勢來看，未來發展方向為以壓縮空氣為主要動力源、重量輕、能自行移動的鉆機。

3.研究主要內容

根據煤礦瓦斯綜合治理的需要和我國的技術實力，我國煤礦井下瓦斯鉆機的技術發展趨勢將會朝著三個主要方向發展。第一是研制開發滿足大口徑、長鉆孔、定向水平孔需要的鉆進關鍵技術與高端鉆機裝備。其中研發研制的關鍵技術是長壽命孔底馬達和性能可靠的隨鉆測量系統等。為解決煤礦井下鉆機頻繁搬遷問題，需研制具有自行能力的履帶式鉆機，以提高工作效率。第二是研制開發適宜松軟突出煤層的瓦斯抽采關鍵技術及其鉆機裝備，突破松軟突出煤層的瓦斯抽采難關。第三是研制開發安全、可靠、有效的遠距離防突關鍵技術及其性能優良的防突遠程控制鉆機裝備。為了實現上述研究的總體目標，需要開展如下研究工作：

（1）實驗室和理論研究分析氣源流量和壓力對氣動馬達功率的影響規律，確定氣動馬達合理的工況條件，為鉆機選擇或研制合適的氣動動力提供理論基礎。

（2）通過理論分析鉆機性能指標，通過計算機模擬等技術手段，設計合理的馬達功率和尺寸。

（3）根據對馬達工作過程中所受力學狀況，及其散熱情況選擇合適的馬達外殼材質，并進行設計加工馬達殼體。

（4）合理設計鉆機總體結構，并進行力學分析和鉆機過程模擬，選擇合理的推進方式。

（5）根據設計試制樣機，并進行現場試驗；

（6）根據現場試驗測試情況，進一步完善鉆機整體結構及各項性能指標，并再次現場驗證，直至達到預期研發目標，最終確定鉆機最終方案。

4.工藝流程

本研究通過實驗室和理論研究分析現有煤礦井下用鉆機的破巖機理及深孔鉆進控制機理，探索合適的鉆機氣動馬達參數，及井下鉆機需要適應的主要工況條件等參數，開發基于氣動動力源的大功率深孔鉆進技術，研制開發大功率、高轉速、體積輕便，推進方式合理氣動鉆車，有效改變現有井下鉆機裝備工作條件受限的現狀，提高鉆機裝備水平，為煤礦安全提供裝備保障。

5.鉆機結構及技術指標

（1）鉆機結構

煤礦用氣動深孔鉆機是一種以壓縮空氣為動力，配有履帶式行走結構的輕型深孔鉆車。它主要由主機、立柱、托架、氣動操縱臺、本體架總成、液壓操縱臺、泵站、履帶總成、操作平臺、油箱組件等部分組成。具有操作簡單方便，作業安全等優點。其結構如圖1所示：

1、主機 2、立柱 3、托架 4、主機操縱臺 5、本體架總成

6、液壓操縱臺 7、泵站 8、油箱組件 9、履帶總成

圖1 鉆機結構示意圖

（2）技術指標

本研究完成后，可以解決巖石中中小孔徑的打鉆深度，換上煤鉆配置后則適合鉆探煤層。鉆機可全方位鉆孔，其短窄設計方便快速運輸和調整，達到的技術指標如表1所示：

表1 鉆機技術指標

6.應用領域

此鉆車是以壓縮空氣為動力，配有履帶式行走機構的輕型氣動深孔鉆車。廣泛用于煤礦煤層探排水、注水、及探排瓦斯孔和卸壓孔等鉆孔施工。可配套Φ69、Φ76、Φ89高效螺旋鉆桿和Φ42地質鉆桿使用。

參考文獻：[1]王春來，吳愛祥，劉曉輝.深井開采技術[M].冶金工業出版社，2011.05

[2]吳衛榮.氣動技術[M].徐州：中國輕工業出版社，2005.08

[3]宋建峰，李偉亮.架柱式大功率氣動鉆機.石家莊中煤裝備制造有限公司

注：科研項目（河北省科技支撐計劃項目，項目編號：14211907D）

作者簡介：王慶華（1977.10～），男，河北石家莊人，石家莊天地煤礦機械有限公司總經理，研究方向：煤礦機械。