Application of a quick drill pipe connection method in high-power electro-hydraulic drilling rigs
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摘要: 针对大功率电液钻机钻杆取放和钻杆拧卸（统称接钻杆）耗时长、效率低的问题，提出了一种快速接钻杆方法。为了实现快速下钻接钻杆，采用一种机械臂闭环联动和动力头同步上扣方法：接收到下钻接钻杆指令后，机械大臂、机械横梁和动力头同时动作，当钻杆在移动过程中与动力头和主夹持器干涉(碰撞），机械横梁停止动作，动力头继续后退，远离主夹持器，当干涉解除，机械横梁继续移动直至到位后，机械大臂和机械小臂联动，将钻杆自上而下快速放入中部上卸区域，当正转压力达到预设值10 MPa，钻杆丝扣啮合结束。考虑提钻接钻杆为连续循环动作，采用差值位移同步法：通过计算机械抓手径向缩回和机械横梁轴向位移差值，有效解决动力头与钻杆丝扣松开过程中，机械臂抓放钻杆时间过长、干涉等问题。当机械抓手径向升高300 mm时，与机械横梁轴向位移差值越大越安全，在动力头松开前扣完成后，机械臂复位，控制结束。工业性试验结果表明，该快速接钻杆方法的下钻接钻杆、提钻接钻杆用时分别较常规方法节省179，41 s，整体下钻接钻杆、提钻接钻杆成功率分别较常规方法提高22.3%，19.1%。Abstract: In order to solve the problem of long time consumption and low efficiency in the pickup and placement and unscrewing of the drill pipe screw (drill pipe connection) on high-power electro-hydraulic drilling rigs, a quick drill pipe connection method is proposed. To achieve quick drilling and drill pipe connection, a method of closed loop linkage of the manipulator and power head synchronization on the buckle is adopted. After receiving the command for drilling and drill pipe connection, the mechanical arm, mechanical beam, and power head act simultaneously. When the drill pipe interferes (collides) with the power head and main holder during the curve trajectory movement, the mechanical beam stops acting. And the power head continues to retreat away from the main holder. When the interference is removed, after the mechanical beam continues to move until it is in place, the manipulator large arm and small arm are linked to quickly place the drill pipe into the middle loading and unloading area from top to bottom. When the forward rotation pressure reaches the preset value of 10 MPa, the screw engagement of the drill pipe ends. Aiming at the continuous cyclic action of lifting and connecting the drill pipe, the differential displacement synchronization method is adopted. By calculating the difference between the radial retraction of the mechanical grip and the axial displacement of the beam, the problems such as excessive time and interference of the manipulator in grasping and releasing the drill pipe during the loosening process of the power head and drill pipe threads are effectively solved. When the mechanical grip radially rises by 300 mm, the greater the difference in axial displacement from the mechanical beam, the safer it will be. After the power head releases the front buckle, the manipulator resets and control ends. The results of industrial tests show that compared with conventional methods, the average time saved by this quick drill pipe connection method for drilling down and drill pipe connection and lifting and drill pipe connection is 179 s and 41 s respectively, and the success rates of overall drilling down and drill pipe connection and lifting and drill pipe connection have increased by 22.3% and 19.1% respectively.
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0. 引言
为了减少巷道掘进量，缓解采掘接替，提高煤炭采出率，近年来沿空留巷技术在很多煤矿得到广泛应用，并取得了较好的经济效益。但工作面连续回采过程中会形成多个相连采空区，使采空区瓦斯治理更加复杂[1-3]。在实际作业中，对于Y型通风连续回采工作面，沿空留巷设挡矸架控顶挂模，挡矸架置于采空区碎煤网兜和柔模墙之间，除朝工作面开口外，采空区和架尾均被碎煤网兜包裹，另一侧有柔模墙阻隔，呈“抽屉”状。挡矸架内风流不畅，瓦斯不仅容易积聚，还很难稀释吹散，导致超限报警频繁[4-6]。
许多学者针对回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题进行了研究。孙荣军等[7]提出大直径一次成孔技术，以进一步提高高位定向钻孔的一次成孔直径、钻进效率、钻孔深度和钻孔利用时间，提高高位钻孔经济性和瓦斯抽采效果。许石青等[8]对贵州省六盘水市盘江煤矿23125工作面232石门钻场采空区垮落带、断裂带范围进行确认，并以此范围为参考对高位定向钻孔进行优化设计，优化后的垮落带和断裂带位置可以实现长距离定向抽采采空区瓦斯。邹炜[9]对大孔径钻孔合理布置间距进行了研究，通过优化钻孔布置间距解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。年军等[10]探索了以孔代巷合理布孔间距，发现钻孔距离工作面太近或太远均不利于对上隅角瓦斯的控制。罗如强等[11]首次采用超大钻孔大流量低负压抽采采空区瓦斯，现场考察应用效果良好，有效解决了高瓦斯矿井上隅角瓦斯频繁超限和采空区瓦斯治理难题，可在条件适合的煤与瓦斯突出矿井中推广应用。
目前针对回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题的解决方案，抽采能力较为分散，无法实现对采空区的持续抽采，难以保证治理效果。Y型通风连续回采工作面由于采用沿空留巷节省了工作面之间的保护煤柱，随着工作面回采，采空区会扩大、连通，回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题更加严峻。针对Y型通风连续回采工作面采空区瓦斯治理难题，本文以山西兰花集团有限公司东峰煤矿3号煤层二采区为研究背景，提出跨工作面采空区瓦斯抽采技术。在相邻工作面回风巷施工定向长钻孔，对回采工作面采空区进行跨工作面瓦斯抽采，可有效解决工作面瓦斯超限问题，保障工作面顺利回采，为采空区瓦斯抽采方式提供了新思路。
1. 工程背景
东峰煤矿位于山西省高平市，矿井设计生产能力为120 Mt/a，属于高瓦斯矿井。全矿井划分为4个采区，矿井可采煤层共3层，现阶段主采3号煤层，采用综采放顶煤开采方法，采用全部垮落法管理顶板，通风方式为柔模留巷Y型通风。目前3201工作面已完成回采，3202工作面正在回采，由于采用沿空留巷节省了工作面之间保护煤柱，3202工作面采空区与3201工作面采空区仅有柔模墙体，采空区随着工作面回采会扩大、联通。在柔模墙体破坏失去承载能力后，3201工作面采空区顶板有可能进一步垮落，瓦斯被突然挤出而涌入3202回采工作面，造成3202回采工作面瓦斯超限。
东峰煤矿3号煤层二采区沿底板等高线由低往高逐个布置工作面，全部沿空留巷放顶煤回采，沿空留巷连续回采工作面新老采空区瓦斯勾连涌出如图1所示。首采工作面回采结束，下一工作面开始回采后，受到二次采动影响，老采空区与新采空区勾连，形成大采空区。随着采空区范围越来越大，受初次来压和周期来压的采动影响，新老采空区及其顶板断裂带瓦斯在风流及瓦斯运移规律影响下，会瞬间大量涌入工作面及其回风流，造成瓦斯超限报警甚至酿成事故。
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图 1 沿空留巷连续回采工作面新老采空区瓦斯勾连涌出Figure 1. Gas gushing in the new and old goaf in continuous working face of gob-side entry retaining2. 跨工作面定向长钻孔设计
2.1 层位高度选择
3号煤层二采区平均厚度为5.93 m，预计垮落带最大高度为29.65 m。泥岩、砂岩互层顶板的断裂带高度为[12]
$$ {H_{\text{f}}} = \frac{{100M}}{{3.3n + 3.8}} + 5.1 $$ (1) 式中：M为累计采厚，M=5.93 m；n为煤分层数，n=1。
理论分析表明，裂隙带中下部横向、竖向裂隙发育，渗透率增加最为明显，是高位钻孔布置的最佳区域。受到卸压影响，裂隙带越靠近下方渗透率越高[13-15]。因此，钻孔终孔层位可设置在垮落带上部、断裂带下部，即高度为30~50 m，东峰煤矿3号煤层顶板上方30~40 m范围主要为中粒、细粒砂岩，可满足定向长钻孔施工要求。
在3202工作面辅助进风巷开展高位钻孔试验，对5号、6号和7号3个钻场的走向高位钻孔抽采瓦斯浓度进行统计，如图2所示，其中，1号、2号、3号、4号钻孔终孔层位高度分别为35，30 ，25，20 m，向3202工作面内错距离分别为28，20，15，10 m。可看出钻孔距煤层顶板高度为30~35 m时的抽采效果明显优于20~25 m的抽采效果。
2.2 内错距离选择
在水平方向上，采场覆岩采动裂隙发育区域集中在类似“O”型的椭圆断裂带内。由于回风巷风压低，采空区瓦斯向低压端运移，瓦斯相对富集[16-18]。因此，高位抽采钻孔布置在工作面中上部、靠近回风巷的位置抽采效果好。
3202工作面回风侧卸压角为80~90°，3号煤层倾角较小，卸压角为80°，距离3202工作面轨道巷40 m时，卸压线距回风巷为7.1 m，钻孔向3202工作面内错距离过小时，容易导致钻孔通过裂隙与风巷贯通，钻孔无法发挥有效抽采作用。由图2可知，3202工作面1号、2号走向高位钻孔瓦斯抽采浓度相对较高，其内错距离分别为28，20 m。
综上可知，跨工作面定向长钻孔终孔位置在水平方向上距轨道巷20~40 m。
2.3 钻孔密度分析
采空区由于煤体回采会产生空隙空间[16-18]，对于长度为135 m、采放高度为5.93 m的回采工作面，每推进100 m，预计产生采空区空隙空间80 055 m3。假设在采空区遗煤开始瓦斯解吸之前，工作面风流漏风将此空隙空间充满，则100 m范围采空区含空气80 055 m3。
根据3201工作面瓦斯含量实测结果和现场实际抽采情况可知，煤层瓦斯含量为4.7 m3/t，瓦斯抽采率为0.35，则采空区遗煤瓦斯含量为3.1 m3/t。取3号煤层不可解吸瓦斯量为2 m3/t，则采空区遗煤可解吸瓦斯量为1.1 m3/t。取工作面回采率为0.87，煤体密度为1.42 t/m3，则回采方向长度为100 m、工作面长度为135 m、煤层厚度为5.93 m的采空区遗煤为14 778 t，可解吸瓦斯量为16 256 m3。则100 m推进长度的采空区内瓦斯量达16 256 m3。
在3202工作面回采时可能造成柔模墙体破坏、支撑应力改变，诱发顶板大面积垮落。采空区瓦斯抽采的目的是将混合瓦斯气体尽量抽取，在顶板大面积垮落后减少可扇出气体体积[19-21]。3201采空区两侧同时存在支撑体，假设柔模墙体破坏造成空隙空间压缩，取影响范围可达采空区一半，即压缩空间为采空区空隙空间一半，则需抽采瓦斯量为（80 055+16 256）×0.5=48 156 m3。3201工作面高位钻孔抽采量变化如图3所示。
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图 3 3201工作面高位钻孔抽采量变化Figure 3. Change of extraction amount of high borehole in 3201 working face由图3可看出，高位钻孔一般抽采量在10~60 m3/min，即每个钻孔抽采量达2.5~15 m3/min。由于采空区岩体在工作面回采之后有压实趋势，渗透率减小，取钻孔抽采量低值作为跨工作面抽采采空区瓦斯定向长钻孔抽采量，即为2.5 m3/min。由3201工作面高位钻孔抽采浓度变化可知，其高浓度抽采期可持续1个月以上。钻孔有效抽采时间为1个月时，取采空区混合气体抽采率为50%，抽采总量为2.5×60×12×30×2=108 000 m3。则100 m推进长度范围的采空区所需钻孔数量为48 156/108 000≈0.5个，即每个钻孔可抽采范围为200 m。
3. Y型通风上隅角瓦斯治理实践
3.1 跨工作面采空区抽采技术
根据采空区渗流场变化规律和高位钻孔抽采效果分析可知，跨工作面抽采采空区瓦斯的定向长钻孔终孔位置距煤层顶板高度为30~40 m，向3202工作面内错距离为20~40 m。根据煤层标高、地质条件影响及钻孔终孔目标位置，设计定向长钻孔钻进轨迹。根据钻孔密度分析，为在3202工作面回采初期保障采空区瓦斯抽采能力，缩短了钻孔间距，试验钻孔间距分别为50，50，100，100 m，为了提高钻孔利用率，减少施工工程量，采用1个主孔、1个分支孔的布置方式。
由于跨工作面定向长钻孔在不受采动影响的相邻工作面旁边回风巷开口，即使工作面回采之后形成采空区，也无需撤管，可实现持续抽采新老采空区中上部顶板断裂带积聚瓦斯，为Y型通风连续回采工作面瓦斯治理开辟新的通道。持续抽采上部断裂带瓦斯，能有效减少采空区、挡矸架和回风隅角瓦斯浓度，避免挡矸架瓦斯积聚造成超限报警及其他瓦斯事故。Y型通风工作面钻孔抽采布置如图4所示。
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图 4 Y型通风工作面钻孔抽采布置Figure 4. Borehole extraction arrangement of Y-type ventilation working face3.2 跨工作面定向长钻孔抽采效果
在3203工作面回风巷开展跨工作面定向长钻孔的试验，以回风5号钻场为例，钻场内布置2个跨工作面高位钻孔（1号孔、2号孔），每个跨工作面高位钻孔包括1个主孔和1个分支孔，采用低负压管路抽采，抽采负压达28.5 kPa，钻孔布置参数见表1。
表 1 高位抽采钻孔布置参数表Table 1. Layout parameters of high level extraction boreholes孔
号开孔高度/m 孔深/m 方位角/（°） 终孔层位高度/m 钻孔内错距离/m 1 4 639 286 40 35 1−1 4 561 325 38 30 2 4 573 274 35 28 2−1 4 510 354 30 25 每个跨工作面抽采采空区的定向长钻孔施工完成后，每天观测其瓦斯体积分数、流量，得到抽采瓦斯体积分数、抽采纯量随时间变化曲线，如图5所示。
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图 5 抽采瓦斯体积分数和纯量随时间变化曲线Figure 5. Change curve with time of volume fraction and pure volume of extracted gas由图5可看出，1号钻孔瓦斯抽采体积分数达3.9%~16.8%，瓦斯抽采纯量达0.26~2.84 m3/min；2号钻孔瓦斯抽采体积分数达1.8%~19.2%，瓦斯抽采纯量达0.09~2.65 m3/min。
现场对采空区瓦斯抽采后，挡矸架的瓦斯体积分数由0.67%降至0.22%，回风流瓦斯体积分数由0.47%降至0.18%，回采期间3202工作面瓦斯体积分数保持在0.6%以下，符合安全标准，如图6所示。跨工作面采空区瓦斯抽采技术有效降低了挡矸架与回风流的瓦斯浓度，对采空区瓦斯治理有明显的效果。
4. 结论
1） 在东峰煤矿现场进行跨工作面采空区抽采工程试验，当高位定向钻孔距离巷道顶板30~40 m，水平方向距离轨道巷20~40 m时抽采效果理想。
2） 定向长钻孔持续抽采上部断裂带瓦斯，挡矸架瓦斯体积分数由0.67%降至0.22%，回风流瓦斯体积分数由0.47%降至0.18%，3202回采工作面瓦斯体积分数保持在0.6%以下，瓦斯治理效果显著。
3） 跨工作面采空区瓦斯抽采技术能有效减小采空区、挡矸架和回风隅角瓦斯浓度，避免挡矸架瓦斯积聚造成超限报警及其他瓦斯事故。
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图 1 单边固定门式机械臂
1—机械大臂；2—机械横梁；3—机械小臂；4—机械抓手。
Figure 1. Unilateral fixed portal manipulator
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图 2 钻杆上卸位置区域
1—动力头； 2—主夹持器 ；3—松扣油缸； 4—副夹持器。
Figure 2. Drill pipe loading and unloading position area
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图 6 下钻接钻杆运行耗时轨迹
1—机械大臂伸出阶段；2—机械横梁伸出阶段；3—机械大臂缩回阶段；4—机械小臂伸出阶段；5—前扣拧紧阶段；6—后扣拧紧阶段；7—机械大臂、机械横梁复合动作阶段；8—机械大臂、机械小臂复合动作阶段；9—双扣拧紧复合阶段。
Figure 6. Time consumption track of drilling down and drill pipe connection
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图 8 提钻接钻杆运行耗时轨迹
1—后扣卸松阶段；2—前扣卸松阶段；3—机械大臂伸出阶段；4—机械横梁伸出阶段；5—机械大臂缩回阶段；6—机械小臂伸出阶段；7—机械大臂、机械小臂、机械横梁、后扣卸松、前扣卸松复合动作阶段。
Figure 8. Time consumption track of lifting and drill pipe connection
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图 10 不同方法接钻杆耗时统计
Figure 10. Time consumption statistics of drill pipe connection by different methods
表 1 不同方法下钻接钻杆实验结果
Table 1 Test results of drilling and drill pipe connection by use of different methods
指标 机械抓手 机械小臂 机械大臂 机械横梁 前扣 后扣 常规接钻杆
方法用时/s最大值 4 10 13 13 130 67 最小值 2 6 9 11 124 63 平均值 3 8 11 12 127 65 快速接钻杆
方法用时/s最大值 22 30 最小值 16 26 平均值 19 28 常规接钻杆
方法成功率/%单独 96 70 75 65 85 60 整体 75.2 快速接钻杆
方法成功率/%单独 98 97 整体 97.5 
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表 2 不同方法提钻接钻杆试验结果
Table 2 Test result of lifting and drill pipe connection by use of different methods
名称 机械抓手 机械小臂 机械大臂 机械横梁 前扣 后扣 常规接钻杆
方法用时/s最大值 4 10 13 13 25 23 最小值 2 6 9 11 21 19 平均值 3 8 11 12 23 21 快速接钻杆
方法用时/s最大值 40 最小值 34 平均值 37 常规接钻杆
方法成功率/%单独 96 70 75 65 80 80 整体 77.7 快速接钻杆
方法成功率/%整体 96.8
下载: 导出CSV
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