在突出煤層中施工鉆孔預抽煤體中的瓦斯是降低煤體瓦斯含量、瓦斯壓力的有效措施，對煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，鉆孔周圍煤體的透氣性系數(shù)是影響瓦斯抽放效果的重要因素。我國煤層地質(zhì)條件復雜，煤體的透氣性普遍較低，透氣性系數(shù)為0.004～0.040m2/(MPa2·d)，導致鉆孔抽采影響范圍小、抽采效果差、瓦斯治理周期長，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。近年來，國內(nèi)眾多研究人員圍繞煤礦井下瓦斯抽采鉆孔增透問題開展了大量研究，不僅豐富了瓦斯抽采理論，在工程實踐中也取得了有益效果。大量研究和實踐表明，對煤礦井下瓦斯抽采鉆孔造穴增透可大幅提高瓦斯抽采效果，有助于擴大鉆孔抽采影響范圍，縮短瓦斯治理周期，具有顯著的安全效益和經(jīng)濟效益。

文章來源：《智能礦山》2023年第4期“智能裝備”專欄

作者簡介：王海峰，高級工程師，山東益礦鉆采科技有限公司創(chuàng)始人，現(xiàn)任山東邦弘中創(chuàng)智能裝備有限公司董事長，貴州理工學院礦業(yè)工程學院企業(yè)導師

作者單位：山東益礦鉆采科技有限公司

引用格式：王海峰,王海瑞,劉壘,等.松軟煤層液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2023，4（4）：71-74.

目前，國內(nèi)礦井為了提高瓦斯抽采鉆孔周圍煤體的透氣性，常采用水力化增透、孔內(nèi)高壓機械造穴等技術(shù)來實現(xiàn)煤體卸壓增透。水力化增透如水力割縫、水力沖孔造穴等是種有效的煤層增透技術(shù)，使用高壓水射流沖擊破碎鉆孔周圍煤體，使鉆孔周圍形成空洞，實現(xiàn)煤體卸壓，釋放大量瓦斯。孔內(nèi)高壓機械造穴是利用高壓泵和高壓密封鉆桿向擴孔裝置提供高壓液體驅(qū)動機械擴孔裝置張開來進行造穴。水力化增透和孔內(nèi)高壓機械造穴技術(shù)在提高煤層透氣性方面取得了一定的效果，但使用中也存在諸多問題，主要表現(xiàn)在：①上述2種造穴增透工藝均需通過高壓泵和高壓密封鉆桿向鉆孔內(nèi)輸送高壓流體作為動力，其施工過程全程處于高壓狀態(tài)，作業(yè)危險系數(shù)高，鉆桿接頭密封圈易損壞，頻繁更換影響施工效率，且一旦出現(xiàn)泄漏，孔內(nèi)流體將不能形成高壓，無法實施水力化增透或機械擴孔施工；②需要結(jié)構(gòu)復雜的高低壓轉(zhuǎn)換閥來實現(xiàn)正常鉆進和擴孔2個過程的供液問題，高低壓轉(zhuǎn)換閥主要通過彈簧調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換壓力，容易出現(xiàn)壓力控制不精準、壓力流體流失、可靠性低等問題；③高壓水射流沖孔造穴期間產(chǎn)渣量和瓦斯涌出量不可控，鉆孔局部垮落導致排渣通道堵塞時，鉆孔內(nèi)將積聚大量瓦斯和高壓流體，鉆孔突然疏通時，較易發(fā)生噴孔瓦斯超限事故。因此，針對水力化增透和孔內(nèi)高壓機械造穴技術(shù)存在的問題，需對突出煤層氣抽采鉆孔造穴增透裝備進行創(chuàng)新，研發(fā)性能可靠、施工效率高、造穴過程可控的瓦斯增透機械裝備并進行現(xiàn)場效果檢驗。

01
芯桿頂進式機械擴孔器研制及其結(jié)構(gòu)原理

擴孔器是實現(xiàn)隨鉆擴孔施工的關(guān)鍵，其性能決定了能否順利完成正常鉆進和擴孔。為了克服水力沖孔造穴和孔內(nèi)高壓機械造穴存在的問題，筆者基于齒輪齒條傳動原理，研制了一種芯桿頂進式機械擴孔器，鉆孔內(nèi)采用機械頂進式控制結(jié)構(gòu)，擴孔器僅通過鉆桿中心的活動芯桿傳遞機械推力便可進行擴孔造穴，采用低壓水或壓風進行降溫排渣，避免使用高壓流體造成的風險。芯桿頂進式機械擴孔器模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，芯桿頂進式機械擴孔器實物如圖2所示。

圖1 芯桿頂進式機械擴孔器模型結(jié)構(gòu)

圖2 芯桿頂進式機械擴孔器

芯桿頂進式機械擴孔器主要由后連接頭、復位彈簧、機械芯桿、刀體、前連接頭、鉸接刀翼、鉸接軸等組成，刀體外端設(shè)有外連接頭，與可提供中心軸向推力的造穴鉆桿連接，刀體另一端設(shè)有前連接頭，與鉆頭連接；刀體為中空結(jié)構(gòu)，機械芯桿與刀體同軸安裝且可以在刀體中軸向滑動；機械芯桿中間部設(shè)有齒條結(jié)構(gòu)，機械芯桿的中心設(shè)有軸向供水孔，機械芯桿的中部設(shè)有多個徑向冷卻水道，用于擴孔時對鉸接刀翼降溫；鉸接刀翼的外部設(shè)有多個耐磨切削合金，鉸接刀翼的根部設(shè)有與機械芯桿上齒條嚙合的局部齒輪結(jié)構(gòu)，2個鉸接刀翼通過鉸接軸分別安裝于刀體中部鏤空的長方體刀倉中，并與機械芯桿的齒條配合；機械芯桿前后移動時，通過齒輪傳動結(jié)構(gòu)使對稱的2個鉸接刀翼同步張開或閉合；正常鉆進時，造穴鉆桿對機械芯桿無推力，機械芯桿在刀體內(nèi)部安裝的復位彈簧作用下處于左側(cè)位置，此時，鉸接刀翼處于閉合狀態(tài)，隱藏于刀倉中。機械擴孔器閉合狀態(tài)最大旋轉(zhuǎn)直徑為?108mm，鉸接刀翼張開后最大擴孔直徑可達?500mm。

芯桿頂進式擴孔器前端安裝直徑為?113mmPDC鉆頭，用于正常鉆進時破煤，后端連接有可提供中心軸向推力的造穴鉆桿，鉆孔施工結(jié)束后利用擴孔器對鉆孔進行擴孔造穴或在鉆孔進行中任意目標段進行定點造穴，芯桿頂進式機械擴孔器的具體工作狀態(tài)包括以下2種：

（1）正常鉆進狀態(tài)。造穴鉆桿帶動芯桿頂進式機械擴孔器及鉆頭進行正常打鉆，造穴鉆桿將壓力水流經(jīng)擴孔器的機械芯桿中心供水孔供至鉆頭處，用于排渣降溫，此時鉸接刀翼在復位彈簧作用下處于閉合狀態(tài)。

（2）擴孔狀態(tài)。當達到擴孔位置后，可提供中心軸向推力的造穴鉆桿向芯桿頂進式機械擴孔器的機械芯桿提供中心軸向推力，機械芯桿向前運動，齒條齒輪傳動機構(gòu)使2個鉸接刀翼同步張開，在鉆桿帶動作用下鉸接刀翼旋轉(zhuǎn)破煤擴孔。當造穴完成后，撤銷外部軸向推力，機械芯桿在復位彈簧的作用下復位，鉸接刀翼閉合。

02
配套造穴裝備研發(fā)

芯桿頂進式機械擴孔器前端安裝鉆頭，后端與鉆桿連接，為了實現(xiàn)擴孔器在不退鉆的情況下通過刀體兩側(cè)鉸接刀翼的閉合、張開動作完成鉆孔、擴孔施工，其配套裝備主要有三棱芯桿造穴鉆桿、三棱螺旋芯桿式造穴鉆桿、多棱異型截面芯桿式造穴鉆桿、液力推進器和全方位液壓履帶式機械造穴鉆機。

三棱芯桿造穴鉆桿

安裝于芯桿頂進式機械擴孔器中心的機械芯桿能夠前移和后退是機械擴孔器擴孔施工的關(guān)鍵，為實現(xiàn)此功能，研發(fā)了具有活動芯桿的三棱芯桿造穴鉆桿，三棱芯桿造穴鉆桿可通過芯桿傳遞軸向推力推動擴孔器的機械芯桿前移，卸除外部軸向推力后通過芯桿在復合彈簧作用下復位。三棱芯桿造穴鉆桿的外徑為?73mm，長度為1000mm，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 三棱芯桿造穴鉆桿結(jié)構(gòu)原理

三棱芯桿造穴鉆桿為雙層結(jié)構(gòu)，主要由外桿體、芯桿、復位彈簧和支撐環(huán)等組成，外桿體為三棱狀空心結(jié)構(gòu)，兩端分別設(shè)置公母螺紋接頭，用于多根鉆桿連接；芯桿為外徑?28mm的合金鋼圓桿，芯桿兩端通過支撐環(huán)與外桿體同軸裝配，支撐環(huán)上設(shè)有多個軸向供流孔，壓力流體可經(jīng)過支撐環(huán)的供流孔進行傳輸；芯桿能夠在鉆桿的中心軸向滑動，活動行程≥70mm，多根鉆桿連接后，相鄰鉆桿的芯桿前后相互接觸，活動芯桿在鉆桿尾部受到外部軸向推力作用下，三棱芯桿造穴鉆桿的芯桿相互頂推傳遞推力，芯桿推動擴孔器的機械芯桿向前移動，進而使擴孔器兩側(cè)的鉸接刀翼逐步打開，鉆桿旋轉(zhuǎn)推進過程中完成對鉆孔擴孔造穴。當造穴完成，卸除鉆桿尾部的軸向推力，三棱芯桿造穴鉆桿的活動芯桿在復位彈簧的作用下進行復位，擴孔器的鉸接刀翼閉合。

根據(jù)煤層地質(zhì)條件可選用三棱芯桿式造穴鉆桿或三棱螺旋芯桿式造穴鉆桿或多棱異型截面芯桿式造穴鉆桿等具有中心活動芯桿結(jié)構(gòu)造穴鉆桿，使其鉆進排渣性能更佳。

液力推進器

根據(jù)芯桿頂進式機械擴孔器的結(jié)構(gòu)原理，研制了專用的液力推進器。液力推進器安裝于三棱芯桿造穴鉆桿的尾部，液力推進器不僅具有向鉆頭處供壓力水的功能，還具有液壓芯桿機構(gòu)，用于向造穴鉆桿提供中心軸向推力，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 液力推進器模型

液力推進器主要由進回油接頭、液壓缸、活塞、液壓芯桿和供水口等組成。鉆孔正常鉆進時可通過液力推進器的供水接頭向鉆頭處輸送壓力水進行降溫排渣，當對鉆桿擴孔造穴時，通過向液力推進器的液壓缸內(nèi)供液壓油使活塞向前運動，使液壓芯桿與活塞同步運動，液壓芯桿前移時可向三棱芯桿造穴鉆桿的芯桿提供軸向推力，芯桿之間頂推前移，擴孔器兩側(cè)鉸接刀翼打開；當擴孔施工結(jié)束后，調(diào)整液壓缸的進回油方向，使活塞及液壓芯桿后退復位，三棱芯桿造穴鉆桿的芯桿以及擴孔器的機械芯桿在彈簧的作用下復位，完成該處擴孔造穴施工。液力推進器的液力驅(qū)動機構(gòu)采用液壓油作為動力輸出，可向造穴鉆桿芯桿提供50kN的軸向推力，適用于普氏系數(shù)小于8的煤體進行機械造穴，且該液力推進器結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動可靠，操作簡便，便于在井下狹小空間進行安裝、拆卸。

全方位液壓履帶式機械鉆穴鉆機

研發(fā)了ZDY4200L型煤礦用全方位液壓履帶式機械造穴鉆機，鉆機實物如圖5所示，配合液壓芯桿機械造穴裝置可以實現(xiàn)360°全方位鉆孔、造穴施工。機械造穴鉆機設(shè)置有多個液壓控制閥組，利用控制閥組進行液壓油路、冷卻水、壓力水（壓風）等的控制，并設(shè)有機械造穴專用控制閥路，配合專用液力推進器提供軸向推力，通過造穴鉆桿的芯桿相互頂推實現(xiàn)遠距離高推力輸出，使機械擴孔器在造穴目標位置主動打開，造穴結(jié)束后主動關(guān)閉。機械造穴鉆機可實現(xiàn)正常鉆進和造穴增透的一鍵切換，自動調(diào)節(jié)機械造穴時鉆機的轉(zhuǎn)速和給進速度。通過孔外機械控制造穴過程，可靠性高，大幅提高造穴的成功率。

圖5 全方位液壓履帶式機械鉆穴鉆機

液壓芯桿機械擴孔裝置模擬擴孔試驗如圖6所示，在實驗室利用液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備進行了模擬擴孔試驗，用相似材料模擬煤體，相似材料的堅固性系數(shù)為3.5，煤體為長×寬×高為1200mm×1200mm×1200mm的立方體結(jié)構(gòu)，該試驗擴孔器最大擴孔直徑為?350mm，前端安裝?113mm三翼PDC鉆頭。試驗中垂直煤壁鉆進擴孔，鉆機轉(zhuǎn)速約90r/min，鉆機勻速推進條件下擴孔器用時15min可將模擬煤體中部擴出直徑為?350mm的鉆孔，鉆進過程中排屑順利，擴孔器張開、閉合動作可靠，通過該試驗初步驗證了液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備的工作原理和擴孔效果。

圖6 液壓芯桿機械擴孔裝置模擬擴孔試驗

03
現(xiàn)場試驗及效果

為了檢驗研發(fā)的液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備在煤礦井下復雜環(huán)境中的擴孔造穴效果，在潞安化工集團李村煤礦2301回風巷進行了井下現(xiàn)場試驗，試驗鉆機為ZDY4200L型煤礦用全方位液壓履帶式機械造穴鉆機，芯桿推進式機械擴孔造穴裝置組合依次為：?113mmPDC鉆頭+芯桿頂進式機械擴孔器+多根?73mm三棱芯桿造穴鉆桿+液力推進器。

現(xiàn)場施工試驗鉆孔5個，采用前進式造穴方式，在鉆孔內(nèi)共造穴45處，其中95#鉆孔自24m至110m區(qū)間，共造穴9個，造穴期間使用平均壓力為1.5MPa的靜壓水進行排渣，排渣均勻可控，未出現(xiàn)噴孔瓦斯超限情況，造穴總出煤量9.2m3，平均單穴出渣量約1m3，單穴作業(yè)時間25～30min，順利完成了礦方設(shè)計的造穴目標，整套設(shè)備未出現(xiàn)明顯缺陷和損壞。為了檢驗機械擴孔造穴的增透效果，對機械造穴鉆孔及鄰近的普通鉆孔進行了抽采數(shù)據(jù)測量對比，機械造穴鉆孔相比普通鉆孔單孔初始平均抽采濃度由78.6%增加至87.4%，增幅11.2%；平均初始抽采純量由0.136m3/min增加至0.178m3/min，增幅30.9%，抽放效果大幅提升。

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：①研制的芯桿頂進式機械擴孔器利用機械芯桿驅(qū)動結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造穴效率高、隨鉆造穴等優(yōu)點，利用該設(shè)備可在井下瓦斯抽采鉆孔內(nèi)連續(xù)或分段形成直徑500mm的洞穴，孔內(nèi)造穴過程在低壓水或壓風狀態(tài)下完成，能夠減少煤體擾動，使瓦斯得到緩慢釋放，減少了噴孔瓦斯超限事故，鉆孔造穴增透后有利于提高鉆孔瓦斯抽采效果；②液力推進器和三棱芯桿造穴鉆桿采用孔外液壓驅(qū)動、孔內(nèi)芯桿遠距離機械傳輸軸向推力，可靠性高，推力大，使芯桿頂進式機械擴孔器能夠適應(yīng)不同強度的煤層；③與常規(guī)水力化沖孔造穴和孔內(nèi)高壓機械造穴工藝相比，該液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備無需高壓泵、高壓密封鉆桿等設(shè)備，操作簡單，輔助作業(yè)時間少，能夠滿足快速造穴和低風險作業(yè)要求，為其他礦區(qū)低透氣性煤層擴孔造穴提供了實踐依據(jù)。

通過對試驗所得技術(shù)數(shù)據(jù)進行分析，松軟煤層液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備在滿足造穴施工的同時，通過低壓水或壓風進行孔內(nèi)排渣，防止高壓水對孔壁造成不規(guī)則破壞，減少瓦斯噴孔現(xiàn)象，降低瓦斯游離活躍度。就經(jīng)濟價值而言，研發(fā)的液壓芯桿瓦斯增透機械造穴裝備無需額外增加高壓泵站，可節(jié)省部分施工成本，單孔成孔效率高。孔內(nèi)低壓排渣具有護孔、防塌孔的優(yōu)勢，鉆孔規(guī)整程度高，從而保持瓦斯的長期有效抽采，間接提高了瓦斯抽采工效。

END