煤礦井下大直徑回風巷聯絡鉆孔成孔工藝研究

田宏杰 王傳留 孫榮軍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

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煤礦井下大直徑回風巷聯絡鉆孔成孔工藝研究

田宏杰 王傳留 孫榮軍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

為了減少聯絡巷數量和節約成本，需要施工回風巷聯絡用大直徑鉆孔，分析了?600 mm多級正擴鉆進工藝和?800 mm牙輪組合鉆頭多級回拉擴孔鉆進工藝的施工方法和存在的問題，研究了大直徑鉆孔成孔工藝方法回拉擴孔鉆進工藝，并研制了?800 mm拆裝式硬質合金鉆頭。實際應用表明，采用多級回拉擴孔施工工藝，并在擴孔鉆頭前端配備扶正器，可以有效地解決鉆孔偏斜、排渣困難、鉆進效率低等問題，效果明顯優于聯巷鋪管工藝，并具有成本低和周期短的優點。

回風巷聯絡 大直徑鉆孔 回拉擴孔 拆裝式鉆頭

在煤礦瓦斯綜合治理中，采用鉆孔抽采瓦斯是防治煤與瓦斯突出、降低瓦斯涌出量及減少回采工作面風流瓦斯超限次數的有效措施。神華神東煤炭集團公司保德煤礦作為高瓦斯礦井，近年來在瓦斯治理方面取得很多成功經驗，其中為了解決回采工作面上隅角瓦斯超限問題，提出了采空區聯巷埋管與高位鉆孔立體抽采模式，有效地解決了回采工作面瓦斯超限的問題。然而，現有的采空區聯巷埋管工藝首先需要對兩個回風巷進行貫通聯絡巷施工，然后在聯絡巷頂部埋設抽放管路，最后對回風聯絡巷進行密閉墻封堵。這種施工方法主要存在的問題為：一是聯絡巷采用掘進法施工，成本高且周期長；二是管路鋪設要靠密封墻封堵，密封效果不理想。因此，為了解決上述問題，擬采用?800 mm直徑的近水平鉆孔替代現有聯絡巷。

1 ?600 mm多級正擴鉆進工藝

1.1 多級正擴工藝介紹及施工方法

1.1.1 ?215 mm先導孔鉆孔施工

施工鉆機采用中煤科工集團西安研究院有限公司生產的ZDY6000L鉆機，主要參數為：最大扭矩為6000 N·m，轉速為50～190 r/min，最大給進/起拔力為180 kN，給進行程為1000 mm，鉆桿為?89 mm外平鉆桿，鉆頭為塔式結構組合鉆頭。其中先導鉆頭為?133 mm的鋼體式PDC四翼內凹鉆頭，擴孔部分為?215 mm的五翼合金刮刀鉆頭，兩鉆頭之間通過絲扣連接并電焊。先導孔施工采用塔式鉆頭一次成孔，鉆孔仰角為5°，深度約為15 m，鉆進過程中利用靜壓水輔助排渣，實際鉆進證明，?215 mm先導孔鉆孔軌跡與預定位置基本重合，滿足設計要求。?215 mm組合鉆頭如圖1所示。

圖1 ?215 mm組合鉆頭

1.1.2 ?450 mm二級擴孔施工

先導孔施工完成后，撤回先導鉆頭，換上?450/200 mm硬質合金二級擴孔鉆頭，鉆頭尾部連接?400 mm插接式螺旋鉆桿，主動鉆桿采用?89 mm外平鉆桿進行二級擴孔施工，整個鉆進過程排渣順暢，基本滿足預期目標，但成孔后期鉆機出現抖動現象。?450 mm合金擴孔鉆頭如圖2所示。

1.1.3 ?600 mm三級擴孔施工

三級擴孔施工采用?600 mm硬質合金擴孔鉆頭，導向鉆頭連接?450 mm合金鉆頭，鉆桿與二級擴孔相同。施工過程中發現鉆進不平穩，鉆機抖動嚴重，并且排渣因難，鉆孔完成后，發現孔內余渣較多，需進行二次清渣工序，實際成孔軌跡與設計軌跡有明顯偏差。?600 mm合金擴孔鉆頭如圖3所示。

圖2 ?450 mm合金擴孔鉆頭

圖3 ?600 mm合金擴孔鉆頭

1.2 存在的問題及原因分析

1.2.1 鉆孔偏斜嚴重

鉆孔完成后，清除余渣，發現鉆孔偏斜嚴重，甚至在孔內出現臺階，此外鉆孔軌跡出現下斜，經測量?600 mm鉆孔軸線與?215 mm先導孔軸線落差約為1 m，主要原因是鉆頭和螺旋鉆桿較重，出現下切現象，導致鉆孔軌跡偏斜。另一方面，鉆孔直徑較大時，排粉不暢也是鉆孔軌跡偏斜的重要原因，由于孔斜嚴重，導致無法完成下套管作業。多級正擴施工工藝示意圖如圖4所示。

圖4 多級正擴施工工藝示意圖

1.2.2 鉆進效率低，勞動強度大

擴孔鉆進時，為了提高排渣效果采用?400 mm插接式螺旋鉆桿，由于該鉆桿重量大，在上下鉆桿時，需要3個人同時配合，勞動強度較大，從而導致輔助時間較長，直接降低了鉆進效率。此外，鉆孔偏斜、排渣不暢也是影響鉆進效率的重要原因。

2 ?800 mm牙輪組合鉆頭多級回拉擴孔鉆進工藝

針對?600 mm多級正擴施工中存在的問題，進行了兩個方面的改進：一是由于大直徑硬質合金鉆頭擴孔施工時需要的扭矩較大，鉆進過程中鉆機抖動明顯，并且隨著轉速增加，鉆機扭矩無法滿足鉆進需要，容易造成動力頭的損壞，為此改用牙輪組合鉆頭，以降低擴孔鉆進時的扭矩；二是采用多級正擴工藝時，鉆孔偏斜嚴重且排渣困難，為此將擴孔工藝改進為回拉擴孔工藝，并且在回擴鉆頭前端連接扶正器，確保鉆孔軌跡不發生偏斜。

2.1 牙輪組合鉆頭回拉擴孔鉆進工藝

?800 mm大直徑回拉擴孔施工共分為?215 mm先導孔施工以及?400 mm、?600 mm和?800 mm三級擴孔施工。按照工藝設計要求，加工了?400 mm、?600 mm和?800 mm這3種規格的牙輪組合鉆頭和配套的扶正器，如圖5、圖6、圖7和8所示。

圖5 ?400 mm牙輪鉆頭

圖6 ?600 mm牙輪鉆頭

2.1.1 ?215 mm先導孔鉆孔施工

先導孔施工采用?215 mm塔式組合鉆頭，施工完成后卸掉先導鉆頭，然后沿先導孔將?89 mm外平鉆桿下放至另一個巷道。

圖7 ?800 mm牙輪鉆頭

圖8 回拉擴孔用扶正器

2.1.2 ?400 mm二級回拉擴孔施工

在另一巷道?89 mm外平鉆桿處先連接?203 mm扶正器，扶正器后連接?400 mm牙輪組合鉆頭，進行回拉擴孔鉆進，牙輪回拉擴孔鉆進剛開始時，鉆機抖動明顯，并有向前移動的趨勢，用枕木頂住鉆機前端，同時適當降低轉速發現鉆進逐漸趨于平穩，但當鉆速增大時鉆機抖動又加重，后又調低轉速至鉆孔完成。?400 mm回拉鉆孔完成后，孔內煤渣較多，利用高壓水沖洗鉆孔清除煤渣。多級回拉擴孔施工工藝示意圖如圖9所示。

2.1.3 ?600 mm三級回拉擴孔施工

二級擴孔完成后按照同樣的方法將鉆桿下放至另一巷道，鉆桿前端先連接?370 mm扶正器，扶正器后端連接?600 mm牙輪組合鉆頭。擴孔完成后，同樣采用高壓水沖孔清除煤渣。

2.1.4 ?800 mm四級回拉擴孔施工

四級回拉擴孔鉆具組合為?89 mm外平鉆桿+?550 mm扶正器+?800 mm牙輪組合鉆頭，施工工藝方法與二級和三級擴孔相同。

2.2 牙輪鉆頭回拉擴孔鉆進工藝的優缺點

采用扶正器+牙輪組合鉆頭進行回拉擴孔施工的優點主要為：一是回拉擴孔速度較快，鉆孔保直性較好；二是鉆具組合對設備的消耗低，并且在同樣的擴孔速度下，回拉工藝方法所需的轉速和壓力較低。然而，牙輪鉆頭在實際使用過程中也有鉆頭質量較重等自身難以克服的缺陷，?600 mm牙輪組合鉆頭重量近700 kg，造成鉆頭擰卸困難，需要借助吊鏈方能吊起鉆頭，鉆頭與鉆桿對正時，也缺少必要的工具，導致輔助時間較長。

3 ?800 mm拆裝式硬質合金鉆頭回拉擴孔鉆進工藝

3.1 拆裝式硬質合金鉆頭結構設計及特點

為了解決牙輪鉆頭較重、裝卸困難、輔助時間較長、鉆頭加工成本較高等問題，研制了一種可拆裝式硬質合金回拉擴孔鉆頭，該鉆頭設計了單獨的模塊式切削翼片，翼片前端焊接硬質合金切削齒，翼片和鉆頭體之間通過螺栓連接。鉆頭體中心桿采用?89 mm外平鉆桿，連接板設計為階梯式四翼結構，連接板外側設計支撐環，對鉆頭起扶正作用并提高整個鉆頭的強度，連接板和支撐環上加工減重孔，中心鉆桿、連接板、支撐環之間通過電焊連接，從而形成鉆頭體。拆裝式硬質合金回拉擴孔鉆頭的主要優點為：一是鉆頭質量輕、裝卸方便(?600 mm回拉鉆頭的總重量為85 kg，相比同規格牙輪組合鉆頭減輕了615 kg)；二是模塊化的切削翼片減少了鉆頭使用過程中不必要的浪費，大大提高了使用壽命。由于該鉆頭翼片和鉆頭間通過螺栓連接，在使用過程中某位置翼片損壞時，即可將該翼片卸下更換新的翼片，不需要更換整個鉆頭。按照施工工藝要求設計加工了?400 mm、?600 mm和?800 mm這3種拆裝式硬質合金回拉擴孔鉆頭。拆裝式硬質合金鉆頭回拉擴孔鉆頭如圖10所示。

3.2 現場應用

拆裝式硬質合金回拉擴孔鉆頭在神華神東煤炭集團公司保德煤礦進行了現場應用，拆裝式硬質合金回拉擴孔鉆頭的施工方法與牙輪組合鉆頭相同，鉆頭前端連接配套扶正器，先導鉆頭仍然采用?215 mm組合式硬質合金鉆頭。整個擴孔鉆進過程較為平穩，鉆機壓力較小，擴孔速度較快，三級擴孔共用時2.5 h完成，其中?400 mm擴孔用時35 min，?600 mm擴孔總共用時50 min，?800 mm擴孔時由于孔徑較大，鉆機吃力大略有輕微抖動，用時70 min完成。鉆孔完成后經測量鉆孔軌跡偏斜小于150 mm，每級擴孔后，采用高壓水清除孔內殘余煤渣。

圖10 拆裝式硬質合金鉆頭回拉擴孔鉆頭

4 結語

研制了一套拆裝式大直徑鉆頭+扶正器+外平鉆桿的鉆具組合，采用回拉擴孔鉆進工藝施工煤礦井下大直徑聯絡鉆孔，成功解決了鉆孔偏斜問題，鉆進效率提高30%以上，為煤礦井下施工超大直徑鉆孔提供了一種新思路。

采用扶正器+大直徑拆裝式硬質合金鉆頭進行回拉擴孔施工不但具有擴孔速度較快、鉆孔保直性較好等優點，而且大大降低了工人的勞動強度，施工效率相比牙輪鉆頭得到明顯提升，可以滿足順槽聯絡巷大直徑鉆孔施工要求。研制的拆裝式大直徑擴孔鉆頭創新了鉆頭結構和刀翼連接方式，保證結構強度的前提下，明顯減輕了鉆頭重量，并實現了鉆頭體的重復利用。通過對損壞的切削刀翼進行及時更換，鉆頭使用壽命提高10倍以上。

[1] 龔解華.上海非開挖技術推廣應用的現狀和未來[J].探礦工程(巖土鉆鑿工程)，2005(2)

[2] 于寶種.寺家莊礦回采工作面預抽鉆孔抽采半徑考察研究[J].中國煤炭，2017(7)

[3] 王永全，崔秀忠，鞏建雨.整大口徑瓦斯抽放井施工工藝[J].中國煤炭地質，2009(1)

[4] 管志川，陳庭根.鉆井工程理論與技術[M].北京:石油大學出版社，2000

[5] 黃洪春.煤層氣井取煤心技術探討[J].石油鉆采工藝，1998(3)[6] 劉建林.大直徑反循環鉆頭流道結構的設計[J].煤田地質與勘探，2013(1)

[7] 郭曉強，竇林名，徐必根等.鄰近采空區巷道外錯布置防治沖擊地壓技術[J].煤炭科學技術，2014(2)

[8] 陳殿賦，楊曉東，師澤敏等.煤礦井下大直徑水平鉆孔替代瓦斯抽放聯巷新工藝[J].煤礦安全，2015(3)

Researchonpore-formingtechnologyoflarge-diameterconnectingdrillholeinreturnairwayinundergroundcoalmine

Tian Hongjie, Wang Chuanliu, Sun Rongjun

(Xi'an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

In order to reduce the quantity and cost of connecting gate, large-diameter connecting drill hole for return airway was necessary, the author analyzed the construction method and open questions of multistage positive expanding drilling technology with diameter of 600 mm and multistage back reaming drilling technology with cone combined drill of 800 mm in diameter, and developed a detachable carbide drill with diameter of 800 mm. The practical application showed that multistage back reaming drilling technology with centering guide in the front of reamer bit could solve effectively the problems of borehole deflection, difficult slagging and low drilling efficiency, the effects were much better than connecting pipelaying technology, and the technology also had low cost and short cycle.

return airway connecting, larger-diameter drilling, back reaming, detachable bit

陜西省自然科學基礎研究計劃青年項目 (2017JQ5070)

田宏杰，王傳留，孫榮軍. 煤礦井下大直徑回風巷聯絡鉆孔成孔工藝研究[J].中國煤炭，2017，43(10)：72-75，114.

Tian Hongjie, Wang Chuanliu, Sun Rongjun.Research on pore-forming technology of large-diameter connecting drill hole in return airway in underground coal mine.[J].China Coal，2017，43(10)：72-75，114.

TD231.61

A

田宏杰(1987-)，男，甘肅慶陽人，助理研究員，碩士研究生，現任職于中煤科工集團西安研究院有限公司，主要從事鉆探機具的設計與研發。

(責任編輯 路 強)