煤矿用全液压坑道定向钻机选配经验

2020-07-23 21:44:29 yysm 264

随着我国综合开采技术的发展和采煤速度的提高,从煤矿安全高效开采的角度来看,井下煤层地质构造勘探的影响变得愈发明显,但现阶段的煤矿井下构造探查技术发展相对滞后,常用的物探手段如地质雷达、三维地震勘探及电法勘探等的探测效果受干扰因素较多,对于需要精确探测的断层来说其精度并不高,而传统的钻探方法如打直孔探查的工作量大、成本高、探查距离短、精度低、存在盲区、钻孔轨迹偏斜较大且无法精确测量,不能明确指示构造的发育情况,已无法满足矿井常规需求,严重影响煤矿的安全生产及发展。

基于以上问题,我国煤矿近年来也在不断的引进、移植国外的先进技术,相关企业也在加快配装备的研发速度,水平定向钻进技术便在此阶段内逐渐应用于我国煤矿井下探查工作中,且效果显著。其具有钻孔轨迹随钻测控、精度高、一次性探查距离远、可开分支等优点,能大幅减少工作量,节约成本,提高探查效率,在煤矿井下地质勘探中发挥巨大作用,缓解煤矿发展的被动局面。

定向钻进技术是利用弯外管孔底螺杆马达等将钻头带动起来进行回转,利用有限随钻测量技术来实现对孔底信息的传输,并通过孔口监视器实时监测钻孔轨迹,并及时调节螺杆马达工具面向角,以调节使钻孔倾角发生改变,实现对钻孔轨迹的变化的有效控制,最终保证准确的将钻孔轨迹钻入到靶点中。

其用于断层探测时,通过所采集的钻孔轨迹数据可以计算出地层构造的三维坐标,并可以在已探明构造点钻孔的相应区域设计多个分支孔,同理计算出其三维坐标。最后,对获得的多组三维坐标点数据统计汇总建模,就可以勾勒出所探查的地质构造的实际空间分布情况。

定向钻进装备的选配

近水平定向钻进技术的应用效果受机具设备性能及钻探技术水平限制,许多煤矿因机具设备选型不当、技术力量薄弱等,致使性能达不到钻探工艺要求,主要表现在钻机电机功率小、输出扭矩小,达不到要求的钻孔深度;钻机转速不合适,达不到钻头切割岩石所需要的线速度;钻机功能不完善,如打向下倾斜孔或垂直向下钻孔时,没有打捞钻杆和排渣的设备等;所选的钻杆强度、重量、级配不合理,造成钻杆与钻孔摩擦能耗大,无法钻至工艺要求的钻进深度或在钻进时发生孔内事故;未根据岩石性质选择合理的直径、种类的钻头,造成钻孔进尺慢;所用泥浆泵泵压、泵速等达不到对应螺杆马达和设计孔深的需求,造成螺杆马达运转不畅、钻孔冲洗液量小、排渣能力不够,引发钻时减慢或钻屑卡钻等,因而有必要针对机具装备的选配展开研究。

(1)选配原则

钻机类型的选取至关重要,目前煤矿井下使用的钻机主要有全液压钻机,半机械半液压钻机,电动钻机和气动钻机等。电动钻机和气动钻机由于功能简单,能力有限,在施工孔身结构较复杂钻孔时基本不予考虑,因此主要在全液压钻机和半机械半液压钻机之中选择。半机械半液压钻机由于配备的液压泵排量较小,配套手动夹持器夹紧力有限,在施工复杂较长距离钻孔时夹紧力不足,易发生钻杆从孔中滑落等事故,因此最终决定选取液压钻机进行施工。在选型时主要考虑以下问题:

①实际钻进深度及机身倾角调整范围;

②额定转速范围及回转力矩;

③起拔、给进能力;

④液压系统的功能及油泵个数;

⑤运输及工作状态尺寸、行走速度、可拆卸程度、智能化程度;

⑥操作台仪表盘钻进参数表个数。

(2)主要功能参数选择与分析

①主轴通孔直径

钻机的主轴通孔的直径是根据所匹配的钻杆柱的最大直径来确定的。钻杆的直径和结构直接影响动力头和进给装置的尺寸和旋转,以增强钻具所需的功率。钻孔机支撑钻杆,以确保传动扭矩和拉力能力,必须确保有足够的强度和符合工艺要求的冲击韧性,不应在正常钻进过程中出现钻杆折断或扭曲的现象。该项目配备了直径为 73(75)mm的钻杆,钻杆为结构为中心通栏式,钻探施工中,考虑到也可能使用到直径大于 75mm的钻杆,例如 89mm 钻杆,因此,综合考虑,通孔直径设计为 95mm。

②钻机的功率设计与选择

确定钻机的功率是选择动力机的依据,而且还要计算传输的大小和强度的基础进行验证。由于许多因素的影响,首先按估计值计算根据目前用于 1000 m 瓦斯抽采钻孔的定向钻机(功率为 75kw)取得的实钻数据,及水害防治和地质异常体探查定向孔孔深一般在 600m 以下的钻进需要。确定钻机正常工作情况下所需的最大功率为 75kw,根据电机标准进行选配,选用了 YBK2-280M-4 型防爆电机,可以满足本工程的使用。

③液压系统的工作压力设计

为了在最大程度上提高钻机的可靠性和液压驱动的工作效率,并且想要减少液压元件的体积,减轻钻探设备的重量,应尽可能选择优质,高压,小型液压元件。 鉴于以上方面的综合考量,根据液压传动与液压系统的设计方法与理论,主要液压部件采购进口高质量产品,如液压马达串联泵,多通阀,先导控制阀,带有制动功能的液压马达,所有液压元件均为根据 31.5MPa 进行选择。根据高压管路压力和液压系统优化胶管直径的工作流量来设计液压系统压力,第一泵系统设计的常规工作压力为 25MPa,第二泵组和第三泵组的工作压力设计选择为 21MPa。

④主轴回转速度

钻机主轴转速是根据钻进工艺确定的。螺杆马达定向钻进需要的转速较小,主要用于螺杆马达工具面的调整,而回转钻进对转速要求较高,就常情况而言,钻头高速回转,快速对地层进行切削与破碎,钻孔效率高。但在煤矿定向钻孔中钻杆柱和孔壁摩擦严重的情况下,回转速度过高,钻杆柱的磨损更快。虽然较高的回转速度可以有效地提升钻进碎岩成孔效率,但容易造成钻杆过度磨损而引发孔内事故,因此过高的回转速度是不合适的。根据近年来在矿井下钻孔积累的经验来看,200 r / min 的回转速度可以满足各种钻井过程所需的最大速度。计算和调整液压元件参数后,主轴输出回转速度最终确定为为 50〜190r / min,现场试验可以证明,该回转速度区间选择的较为合理。

⑤主轴最大扭矩

钻机除了驱动旋转钻头与钻具之外,还经常作为拧卸机构,用于加减钻杆。为了使钻机的回转器具有满足工作需要的较大回转扭矩,选择液压马达后,适当调整马达的传动比,使钻机的回转速度在 5〜50r / min 的范围内输出的回转扭矩恒定,相应的 扭矩值为 6000Nm。根据施工中使用的不同的钻孔方法设置了限压阀,定向钻进施工时回转力矩不超过 3000Nm,以防止损坏内部带有电缆的钻杆柱。

⑥给进进程

履带钻机的尺寸取决于两个方面的因素,一个是履带车体尺寸的长度,为了使履带式钻机可以自由适应较小转弯半径的需要,应尽量缩短其长度。二是钻孔速度,如果钻机具有比较大的给进行程,则可以可减少加减钻杆的频次,缩短施工过程中的非钻进时间,从而提高整体钻井效率。给进形成的大小也与给进机构的类型以及给进、提升能力的大小有关。全液压动力头式钻机的给进机构同时也可以作为升降机构,所以也考虑到钻机在需要提升钻头的时候,深孔钻机的形成需要比较长,这是为了减少钻井时间。但是若行程太大,钻机的灵活性移动性很差,且需要较长的履带,致使钻机的整体重量增加。此外由于水害防治定向孔钻孔倾角较大,给进行程过大将增加钻杆加杆难度。综上所述,钻机的给进形成既不能过大也不能过小,应始终,最终确定为 1000mm,并采用液压联动的方式。

⑦给进与起拔能力

钻机提升与起拔能力应符合正常施工钻孔的需求,同时钻机的起拔能力还要能够满足处理孔内事故的需求。因为在水害防治和地质异常体探查定向孔施工中,钻孔中容易发生卡钻等孔内事故,在处理孔内事故强力起拔钻具时就需要钻机的拉力要比正常情况要大得多。根据钻探施工经验,最终选择给进起拔力为 180kN,通过合理选择型液压油缸和给进装置,可以满足该设计要求。

⑧履带参数

由于钻机本身的能力和履带结构参数的选择,确保了钻机的结构尺寸,重量和稳定性,这是项目的难点之一。因此,使用 P130 型履带,并与中国地质装备总公司合作对履带车体结构进行开发试制。

⑨机身倾角调整范围

由于水害防治定向孔施工目的层位主要为煤层底板或顶板,为尽快进入目的层位施工,钻孔开孔倾角较大,一般为-30~20°,因此机身倾角的调整范围要比瓦斯抽采定向钻机更大,设计机身倾角调整范围为-30°~20°。

(3)选型的确定

孟村煤矿的井下 MC-DF29 断层探测工程中,由于受钻场位置选取限制,致使该钻孔的轨迹较长,即钻具悬重也较大,这便造成此工况下钻机负荷较大,若选型不当,势必造成设备故障率高,施工效率低下,更有甚者会发生安全事故,造成人员伤亡,因此其对配套钻机性能具有特殊要求。

综上,结合所需钻机自身特点、孔身结构、地层条件和井下环境,借鉴其他矿区的成功施工经验,最终选定 ZDY6000LD 型全液压坑道钻机进行施工(图 1),其体积小、重量轻、零部件拆卸方便,便于搬迁和运输、满足全方位钻进要求。对我国煤矿坑道狭窄、运输困难、钻场环境恶劣等有很好的适应性,且在晋城、抚顺、铜川等矿区的井下实际钻进效果显示,其性能及稳定性、价格、售后服务等优于同类进口钻机。该钻机主要技术参数见表。

中心通缆钻杆

图 1 ZDY6000LD 型定向钻机

ZDY6000LD  全液压履带钻机主要参数

钻杆直径 mm 73/89

钻进倾角 ° -30~20

额定扭矩 N·m 6000~1600

起拔能力 kN 180

给进能力 kN 180

电机功率 kW 90

额定电流 A 96.4/55.7

额定电压 V 660/1140

行走速度(m/s) 0~2.5

给进/起拔行程(mm) 1000

最大爬坡能力(°) 20

接地比压 N/mm 2 0.06

外形尺寸 mm 3380×1450×1800

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