寺河礦ZDY6000L型鉆機(jī)定向鉆進(jìn)技術(shù)

曹 銳

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河礦）

近年來隨著開采強(qiáng)度、規(guī)模的不斷擴(kuò)大和礦井開采深度的不斷增加，安全高效地治理瓦斯成為全國各高瓦斯礦井的首要任務(wù)［1］。以寺河礦為例，該礦瓦斯賦存和涌出量大，瓦斯地質(zhì)條件十分復(fù)雜。寺河礦的瓦斯治理工程技術(shù)人員利用定向鉆機(jī)的鉆桿通訊功能、電腦實(shí)時(shí)顯示鉆進(jìn)軌跡功能、孔底鉆進(jìn)馬達(dá)修正鉆進(jìn)軌跡方向功能，實(shí)現(xiàn)了抽放鉆孔對(duì)預(yù)抽煤層的全方位、全煤厚立體式覆蓋。這種抽放模式既消除了抽放盲區(qū)，提高了煤體瓦斯抽放效果，降低了煤體瓦斯含量，同時(shí)又可以依據(jù)鉆進(jìn)過程中的返渣、瓦斯涌出、返水量來對(duì)煤層中的構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)分析、對(duì)瓦斯異常區(qū)域進(jìn)行圈定、對(duì)煤層進(jìn)行探放水［2］。

然而，寺河礦在定向鉆機(jī)使用中，仍存在一些問題亟待解決，如寺河煤礦早期購買的進(jìn)口定向鉆進(jìn)裝備已陳舊，使用過程中故障頻發(fā)，影響生產(chǎn)效率的同時(shí)鉆機(jī)維護(hù)成本也明顯增加。寺河礦為了滿足生產(chǎn)需要，急需利用礦上現(xiàn)有的國產(chǎn)非定向鉆機(jī)進(jìn)行定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的研究和開發(fā)，從而滿足400 m以上區(qū)域遞進(jìn)式本煤層瓦斯抽采鉆孔的施工，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與裝備改造升級(jí)，降低瓦斯抽放成本，提高鉆孔施工效率。

1 基礎(chǔ)鉆機(jī)選型

本次定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備開發(fā)是以ZDY6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。ZDY6000L型鉆機(jī)屬于自行式、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩類坑道鉆機(jī)，由履帶車體、主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)4大部分組成，主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)之間用高壓膠管連接，共同安裝在履帶車體之上，便于井下搬遷運(yùn)輸，適于采用復(fù)合片鉆頭施工深度約600 m的大直徑鉆孔，鉆機(jī)實(shí)物如圖1所示。

2 鉆機(jī)定向功能開發(fā)

實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)定向功能的關(guān)鍵在于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置和配套的隨鉆測(cè)量技術(shù)［3］?？椎遵R達(dá)在高壓水的作用下帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定孔底方位角、傾角和彎頭方向，并將測(cè)量參數(shù)顯示在鉆機(jī)自帶的防爆電腦上，通過電腦調(diào)整彎頭方向，使鉆進(jìn)軌跡和設(shè)計(jì)軌跡盡量一致。定向鉆機(jī)各關(guān)鍵系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置選用

鉆機(jī)水泵產(chǎn)生的高壓清水通過中空鉆桿送至孔底馬達(dá)，孔底馬達(dá)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在高壓水的沖擊作用下旋轉(zhuǎn)，再通過前端軸承帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，達(dá)到破煤鉆進(jìn)的效果［4］。螺桿馬達(dá)的彎頭是實(shí)現(xiàn)定向功能的關(guān)鍵部件，它和鉆桿之間有一定的夾角，如圖3所示。由于彎頭的作用，定向鉆孔的軌跡不再是傳統(tǒng)鉆機(jī)形成的略帶拋物的直線軌跡，而成為1條空間曲線，如圖4所示。寺河礦通過考察調(diào)研和性能分析，選用國產(chǎn)1.25°φ73 mm三級(jí)螺桿馬達(dá)，滿足煤層內(nèi)定向鉆進(jìn)需要，如圖5所示。

2.2 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是保證定向鉆孔按照設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵，該系統(tǒng)主要測(cè)量鉆孔的方位角、傾角和螺桿馬達(dá)彎頭方向，測(cè)量數(shù)據(jù)在鉆機(jī)自帶的防爆電腦上通過三角函數(shù)計(jì)算出每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，還能夠繪制出鉆孔軌跡在水平和垂直平面上的投影圖，如圖6所示。并且可以與鉆孔設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)施工偏差來調(diào)整彎頭方向，使鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡最大限度重合［5］。目前國內(nèi)外使用的定向鉆機(jī)無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要利用泥漿脈沖、電磁波、聲波、智能鉆桿、光纖5種方式傳輸孔底馬達(dá)鉆進(jìn)軌跡信號(hào)，其中泥漿脈沖信號(hào)傳輸技術(shù)最為成熟、可靠［6］。因此寺河礦本次鉆機(jī)改造采用泥漿脈沖作為信號(hào)傳輸方式，結(jié)合寺河礦井下鉆孔施工工藝和施工環(huán)境特點(diǎn)，寺河礦聯(lián)合相關(guān)科研院所研制出了相應(yīng)的泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量裝置。

通過泥漿脈沖無線信號(hào)來實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量的原理在螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)時(shí)，將探管連接在螺桿馬達(dá)后面，當(dāng)探管檢測(cè)到泥漿泵停運(yùn)的信號(hào)以后，立即啟動(dòng)測(cè)量短節(jié)，采集鉆孔參數(shù)和螺桿馬達(dá)彎頭方向等數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼［7］；當(dāng)探管檢測(cè)到泥漿泵開啟信號(hào)后，立即將測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動(dòng)短節(jié)，驅(qū)動(dòng)短節(jié)根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)編碼控制電磁閥動(dòng)作使脈沖發(fā)生器改變鉆桿內(nèi)水力通道的面積，限制部分清水流入鉆桿，從而產(chǎn)生泥漿壓力正脈沖信號(hào)并將信號(hào)傳遞至孔口，泥漿泵出水口的壓力變送器能夠檢測(cè)來自孔內(nèi)探管的壓力脈沖信號(hào)，并通過有線方式將脈沖信號(hào)傳遞到防爆計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過軟件按預(yù)先設(shè)定的編碼規(guī)則對(duì)壓力脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼，得出正確的鉆孔軌跡和螺桿馬達(dá)彎頭的狀態(tài)信息，并顯示在防爆計(jì)算機(jī)上（圖6），為施鉆人員提供參考數(shù)據(jù)［8］，泥漿脈沖無線傳輸系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖7所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 寺河礦W23024巷8#橫川鉆場(chǎng)實(shí)驗(yàn)定向鉆機(jī)施工情況

W23024巷8#橫川鉆場(chǎng)完成試驗(yàn)鉆孔3個(gè)，孔深均大于400 m，鉆孔主孔施工軌跡與設(shè)計(jì)軌跡基本重合，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)預(yù)期指標(biāo)要求。鉆孔設(shè)計(jì)平面位置如圖8所示，鉆孔施工詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1，鉆孔施工軌跡平面位置如圖9所示。

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4 結(jié) 論

（1）成功完成鉆機(jī)定向功能開發(fā)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)形成了一套適合無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)的成套鉆探裝備，具有鉆進(jìn)能力大、適用范圍廣和運(yùn)輸安裝方便的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)寺河礦巷道條件施工。

（2）研究選配了螺旋螺桿馬達(dá)等適用于泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的定向鉆進(jìn)機(jī)具，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合分析了其可行性和安全性，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該套鉆進(jìn)裝備可以滿足泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量的鉆進(jìn)要求。

（3）試驗(yàn)鉆孔孔深均大于400 m，滿足寺河煤礦400 m以上區(qū)域遞進(jìn)式本煤層瓦斯抽采鉆孔施工的要求，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的改造升級(jí)。

（4）本次改造后，相較于進(jìn)口定向鉆機(jī)每套設(shè)備可節(jié)約采購成本600萬元，為后續(xù)鉆機(jī)批量改造和配套提供依據(jù)。采用無線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)降低鉆桿采購和維護(hù)成本60%以上，有效解決了寺河礦定向鉆機(jī)數(shù)量不足和運(yùn)行成本偏高的問題，同時(shí)有效提高定向鉆孔在寺河礦井下鉆孔總進(jìn)尺中的比例，對(duì)于提高瓦斯抽效率、實(shí)現(xiàn)安全高效開采具有積極意義。