千米定向鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉兆宇

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

定向鉆機(jī)的長鉆孔技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)長鉆孔鉆進(jìn)，而且能精準(zhǔn)控制鉆孔的運(yùn)動(dòng)軌跡，使鉆孔在煤層中靈活延伸，在瓦斯抽放、探放水等開采中可以達(dá)到更好的效果。但是在千米定向鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，由于鉆具和孔壁間存在摩擦阻力，定向鉆機(jī)的鉆孔軌跡深度有限，鉆進(jìn)速度難以控制，鉆進(jìn)的開分支效率和成功率大大降低[1]。

1 技術(shù)要求

在鉆進(jìn)1 000 m 以上的煤層時(shí)，主要面臨以下問題：在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)的推進(jìn)力不足；高壓管路的壓力損耗大，使泵的壓力很容易達(dá)到額定壓力；隨鉆測(cè)量信號(hào)傳輸時(shí)困難[2]。針對(duì)上述問題，在鉆機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行研究，通過對(duì)關(guān)鍵組件的選擇，在施工過程中，鉆機(jī)主機(jī)用來完成鉆桿的拆裝、進(jìn)給及鉆孔方位角的控制和調(diào)整，鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 動(dòng)力源組件設(shè)計(jì)

動(dòng)力源組件的基本單元是電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能供給液壓泵，在液壓泵的作用下將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，然后輸送給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在聯(lián)軸器的帶動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)油泵作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從油箱中吸油并最終輸出壓力油。其中，聯(lián)軸器的一端與電機(jī)的平鍵連接，另一端與泵的花鍵連接。三聯(lián)泵中水泵驅(qū)動(dòng)泵為馬達(dá)提供動(dòng)力源，主泵的高壓油為動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，推動(dòng)油缸的進(jìn)油和后退，輔泵的壓力油支撐油缸進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件主要有動(dòng)力頭組件、機(jī)架組件、夾持器組件、支撐油缸組件及履帶車組件[3]，其中，動(dòng)力頭組件中的變速箱采用的是兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)上的手輪改變馬達(dá)排量的大小，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；機(jī)架是承受動(dòng)力頭推進(jìn)或旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的負(fù)載力矩；夾持器是用來夾緊鉆桿，防止鉆桿滑落，并與卡盤配合對(duì)鉆桿進(jìn)行拆裝；支撐油缸是用來固定鉆機(jī)的；履帶車是行走操作手柄，用來驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。

2.3 控制機(jī)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

控制機(jī)構(gòu)組件包括鉆進(jìn)操作和支撐行走操作。鉆進(jìn)操作的操作臺(tái)是通過液控手柄來控制主多路閥，通過多路換向閥將壓力油分配到各個(gè)液壓執(zhí)行元件中，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的各項(xiàng)功能；支撐行走操作的多路閥用來控制油缸的升降，通過操作手柄控制主多路閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶車的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎動(dòng)作的控制。

2.4 水路系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)

水路系統(tǒng)組件是為液壓系統(tǒng)提供冷卻水和螺桿馬達(dá)提供高壓水，外供水在進(jìn)入水路系統(tǒng)后，通過三通管件，一路水經(jīng)Y 型過濾器過濾和減壓閥減壓后進(jìn)入冷卻器，供給液壓油；另一路水進(jìn)入水泵，驅(qū)動(dòng)水泵作活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生高壓水，高壓水驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用來切削煤或巖石。同時(shí)，在水泵上裝有安全閥，起過載保護(hù)作用，在高壓水大于10 MPa 時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行泄壓，保護(hù)水泵，蓄能器吸收高壓水，保護(hù)螺桿馬達(dá)。

2.5 油箱組件設(shè)計(jì)

油箱組件主要是用來存儲(chǔ)、凈化和冷卻液壓油的，油箱的有效容積為300 L，在油箱的側(cè)面安裝一根放油管，方便換油和運(yùn)輸空油箱，在油箱的頂部安裝空氣濾清器，過濾掉在加油過程中液壓油所產(chǎn)生的氣泡和雜質(zhì)，在油箱和濾油器中間安裝吸油過濾器，方便泵進(jìn)行吸油過濾，對(duì)主泵和輔泵出油端，采用高壓過濾器進(jìn)行過濾[4]。

3 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證千米鉆機(jī)的性能，在地面進(jìn)行模擬鉆孔試驗(yàn)。某礦井井田內(nèi)南北走向長度為16.56 km、東西傾向?qū)挾葹? km，井田面積為124.08 km2，礦井的工業(yè)儲(chǔ)量為929.05 Mt，井田呈單一傾斜構(gòu)造，傾角為5°，井田內(nèi)大斷層較少，落差均小于20 m，但井田內(nèi)陷落柱較發(fā)育，會(huì)嚴(yán)重破壞煤層結(jié)構(gòu)。進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，將鉆場(chǎng)選擇在北回風(fēng)巷中，巷道寬度為7 m、高度為4 m，鉆場(chǎng)共設(shè)計(jì)8 個(gè)鉆孔，5 個(gè)分支孔、3 個(gè)主孔的方位角均為60°，其中1 號(hào)鉆孔的傾角為2.5°、2 號(hào)鉆孔的傾角為1.3°、3 號(hào)鉆孔的傾角為3.5°，鉆孔的平面布置圖如圖1 所示。

圖1 鉆孔平面布置示意圖

根據(jù)鉆孔的設(shè)計(jì)軌跡，采用螺桿馬達(dá)對(duì)主鉆孔進(jìn)行施工，采用后退式施工工藝對(duì)分支孔進(jìn)行側(cè)鉆，在施工期間，1 號(hào)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺471 m，2 號(hào)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺1 371 m，3 號(hào)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺1 324 m，各分支孔的具體鉆孔參數(shù)見表2 和表3。

表2 分支孔參數(shù)

表3 主孔參數(shù)

4 結(jié)論

1）根據(jù)千米定向鉆機(jī)的技術(shù)和功能要求，制訂鉆機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，包括設(shè)計(jì)動(dòng)力源組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件、控制機(jī)構(gòu)組件、水路系統(tǒng)組件及油箱組件。

2）對(duì)千米鉆機(jī)的性能進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，1 號(hào)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺471 m，2 號(hào)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺1 371 m，3號(hào)鉆孔累計(jì)進(jìn)尺1 324 m，相比傳統(tǒng)鉆機(jī)，千米定向鉆機(jī)的鉆進(jìn)性能和效率更好。