一种可调节钻孔角度的瓦斯抽采钻机的设计分析

豆尧尧

（山西晋城无烟煤矿业集团有限公司寺河煤矿， 山西 晋城 048205）

引言

钻机在瓦斯抽采过程中是其最常使用的机械设备，其完成管路的安装及瓦斯的抽采。在实际生产的过程中，根据瓦斯的产生部位来对各个区域实施瓦斯的抽放钻孔，例如本煤层顺层、采空区高位裂隙带等。因此，瓦斯抽放钻孔的角度、深度及布置形式等是对抽放效果造成影响的核心因素。但是，在现存钻机的使用中依旧存在较多的问题。因此，寺河煤矿的钻探队通过相关研究，对已有的钻机进行改良，研发出了一种钻孔角度可调整的钻机，并将其应用于W33091 巷的回风顺槽中[1]。

1 W33091 巷回风顺槽概述

该顺槽的掘进煤层为山西组下方的3 号煤层，其厚度大约为6.32 m，其中包含了0～2 层泥岩及炭质泥岩的夹矸，通常为1 层，与底板保持0.8 m 的一层十分稳定。3 号煤层的煤体大约有3.35～9.65 m 的厚度，其倾角的平均值为1°～30°。顶板主要包含了粉砂岩、泥岩等，其局部大多为砂岩。底板主要包含了砂质及黑色的泥岩等，该煤层具有较强的稳定性。

根据W33083 巷与相邻近作业所检测到的瓦斯含量，抽采部预测该顺槽在抽采之前的瓦斯量为1 012 m3/t，其中，超过一半的瓦斯来自于上煤层的裂隙带中。为了确保巷道正常掘进，实施瓦斯预抽，主攻两排，一排对作业面前部瓦斯进行预抽，另一排对顶部裂隙带中煤层瓦斯进行预抽。但是根据抽采的实际效果可知，瓦斯抽采率低于21%。通过实施分析可知，其关键原因在于上方煤层在采用传统钻机进行钻孔时，其角度很难得到适当的调节，上端裂隙带无法取得较好的钻孔质量[2]。

2 钻孔角度可调节的瓦斯抽采钻机的结构及原理

2.1 结构

该钻机的结构如图1 所示。

图1 钻孔角度可调节的瓦斯抽采钻机结构示意图

1）电机的安装部位为底座，其功率为37 kW，供电电压为1 140 V，电机借助轴承与齿轮轴建立连接，同时与液压泵形成连接。

2）螺纹杆的数量为两个，均安装于底座之上，螺纹杆的底部与齿轮箱形成连接，采取固定转动齿轮来与齿轮箱内部的传动齿轮相互咬合，利用传动齿轮的运转来驱动螺纹杆，两个齿轮箱内部的传动齿轮将同步运转[3]。

3）支撑柱的两端主要与螺纹杆建立连接，其上方可以对支撑平台进行固定，并且在该平台上分别设置了液压伸缩杆及支撑架，当螺纹杆发生转动的时候，支撑杆将会受到其影响而发生移动，其高度保持在1.03 m 左右。

4）支撑架与升降台之间的连接主要是借助转轴来实现，液压伸缩杆与升降平台之间创建起相应的连接。升降台上部配置钻进器与旋转器，钻进器可以在该平台的上滑道移动，从而驱动钻孔发生一系列操作。

2.2 工作原理

1）在对作业面进行钻孔的时候，应将钻机设置到设定位置，并借助地锚来固定设备及底板，对钻机进行详细的检查，明确零件的完好性，判断液压缸中剩余的液压油，并为设备提供充足的电力。

2）在准备工作结束之后，触动电机的开关，并将其转为齿轮转动的模式，在电机开始转动之后，可以借助轴承来带动齿轮的运转，传动齿轮带动固定转动齿轮的运转，同时螺纹杆将会发生同步运转。

3）螺纹杆在启动之后，支撑柱将会受其影响而产生移动，此时螺纹杆顺时针、逆时针旋转分别使支撑柱上升及下降，当支撑平台处于事先设定的高度之后，电极开关将会转变为液压模式，而此时液压固定柱将会因液压油的影响而持续上升，在其与支撑平台相接触之后，应当将液压柱进行固定，以确保支撑平台取得较好的固定效果。

4）在实施水平钻孔的时候，将支撑平台移动至事先设定好的位置之后再进行施工；在实施倾角钻孔的时候，还需要运用液压系统来驱动液压伸缩杆，因受到拉伸的影响，升降平台将会在转轴的影响下逐渐在另一方升起，当达到设定好的倾角时应将其立即固定。

5）在进行钻进时，首先要启动旋转器的正向开关，在其运转之后，需要借助轴承来带动钻进器，在其运行之后将会在升降平台上部的滑道前移，以带动钻进器实施钻孔操作，之后再启动反向开关，钻进器将会逐渐向后移动，从而确保钻杆及时拔出。

3 钻孔角度可调节的瓦斯抽采钻机优缺点

3.1 优点

3.1.1 结构及操作流程简单

该装置具有十分简单的结构，体积小，操作及移动较为简单，而且运行性能较好，故障率低，这就极大节省了维修费用。

3.1.2 应用性较强

该装置可以利用电气及液压两个系统来对钻孔在水平及倾斜方向上的角度进行有效调整，并改良传统装置中存在的不足，例如改进无法对角度及高度进行有效调节、灵敏度较低等，因其自动化水平较高，所以不需要较多的劳动力。

3.1.3 实用性较高

该装置可以适用于各个条件下的作业面，而且所适用的领域较广，例如瓦斯的抽采等，其具备较高的实用性。

3.2 缺点

液压系统会产生十分严重的油污染，需及时更换；齿轮时常会发生磨损问题，需及时更换；在处理深孔的时候，钻进器会承担较大的负荷，每间隔2 h就必须停止运行并予以维护。

4 实际应用效果

2019 年4 月，寺河煤矿抽采队通过运用钻孔角度可调整的钻机来对W33091 巷的回风顺槽进行钻孔操作，在经过一定时间的施工之后，总共有64 个钻孔，其中顶板裂隙带倾角的钻孔共有32 个。通过对抽采工作的实际效果进行分析可以发现，钻孔在各个方面的达标率实现了97%，而瓦斯的抽采率也增加到52.3%，提升了抽采效率。

5 结语

通过对该装置所取得的效果进行分析可以发现，传统钻机存在的缺陷得到了极大改良，提高了抽放钻孔的运行质量及施工进度，促使开采煤层中的瓦斯取得了较好的抽采率，运用效果较好。