液压钻机探放水钻孔密封装置研制与应用.pdf

2 0 1 6 年第 3期 中州煤炭 总第 2 4 3期 液压钻 机探放水钻 孔密 封装置研 制与应用 陈 冰 河南永锦能源有 限公 司 云盖 山煤矿一矿 ， 河南 禹州4 6 1 6 7 0 摘要 针对矿井施工探放水钻 孔时 因故障停 电或 突然打中高压水 区， 无法通过起拔钻杆关 闭钻孔截止 阀封堵 钻孔水 的难题 ， 研制 了液压钻机探 放水钻孔 密封 装置， 实现 了在 不起拔钻 杆的情况下快速封堵钻孔水 。现场 应用证 明， 该装置具有较 高的可靠性 ， 可 以确保探 放水安全施工 。 关键 词 探 放水 ； 钻 孔密封装置 ； 液压密封室 ； 手动液压泵 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 2 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 6 0 3 0 0 8 3 0 2 De v e l o pm e nt a nd Ap pl i c a t i o n o f Bo r e ho l e S e a l i ng De v i c e i n Ex pl o r a t i o n a nd Dr a i na g e o f H y d r a ul i c Dr i l l ho l e Dr i l l i n g Ch e n Bi n g Y u n g a i s h a n No ． 1 Co a l Mi n e ， He n a n Y o n g j i n E n e r g y L i mi t e d C o m p a n y ， Y u z h o u 4 61 6 7 0， Ch i n a Abs t r a c t W h e n t h e p he n o men o n po we r f a i l ur e o r s u dd e n l y h i t t h e h i g h p r e s s u r e wa t e r z o ne a pp e a r i n t h e pr oc e s s o f c o n s t r u c t i ng wa t e r d r a i n a g e b o r e h o l e s ， c l o s i n g s t o p v a l v e w a s u n a b l e t o p l u g g i n g o f d r i l l i n g wa t e r b y p u l l i n g o u t t h e d ri l l p i p e ． Ai mi n g a t t h i s p r o b l e m， b o r e ho l e s e a l i n g de vi c e i n e x p l o r a t i o n a n d d r a i n a g e o f hy d r a u l i c d r i l l h o l e d r i l l i n g wa s d e v e l o pe d i n t he p a p e r ． I t c a n r e a l i z e t h e qu i c k p l u g g i n g o f d r i l l i ng wa t e r i n t he c a s e o f n o t pu l l i n g o u t t he d r i l l p i p e． Th e fie l d a pp l i c a t i o n s h o ws t ha t t he d e v i c e ha s h i g h r e l i a b i l i t y， a nd i t c a n e n s u r e t h e s a f e t y o f t h e c o n s t ru c t i o n． Ke ywor ds wa t e r e x pl o r a t i o n a nd dr a i n a g e； b o r e h o l e s e a l i n g d e v i c e； h y d r a ul i c s e a l c ha mb e r； ma n ua l hy d r a u l i c p ump 水害是煤矿五大 自然灾害之一 ， 为预防煤矿水 害发 生 ， 煤 矿 企 业 严 格 执 行 水 害 防 治 十六 字 方 针 “ 预 测预 报 、 有 疑 必探 、 先 探 后 掘 、 先 治 后 采 ” ⋯ 。豫 东 煤 矿井 下 水文 地质 条 件复 杂 ， 水 害威 胁 较 为严重 ， 故此云盖 山一矿井下探放水和钻孔注浆底板改造加 固工 作量 较 大 。在 正 常 探 放 水 钻进 时 ， 打 钻 产 生 的 浆 渣 有 时 伴 有 涌 水 由渣 水 排 放 口外 排 到钻 场 的 水仓 内， 渣浆 沉淀于水仓底部 定时清理 ， 仓 内的 水 则 由水 泵 抽 排 到 上 一 级 排 水 系 统 中 。 当停 止 钻 进 ， 需要将钻孔临时封闭， 通常是先将钻杆钻头从钻 孔 中 退 出 ， 然 后 将 钻 孔 口安 装 的 截 止 阀 关 闭 即 可 。但 是如 果 在打 钻 过 程 中 ， 钻 场 突 然 因故 障停 电 ， 设 备停 止 运转 ， 钻 杆 滞 留在 钻孔 中 ， 截 止 阀 就 无 法关闭 ， 这时候岩层中的水依 旧不断从钻孔中流出， 而水 泵 因断 电无 法 将 水 仓 中的 水外 排 ， 当钻 孔 出水 量 超 出泵 坑 的容 量 时 ， 水 就会 溢 出水 仓淹 没钻 场 、 巷 收稿 日期 2 0 1 51 1 2 7 作 者简介 陈 冰 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河南永 城人 ， 助理工程 师 ， 2 0 1 0年 毕业 于中国矿业大学 ， 现从事煤矿地质 、 防治水 方面工作。 道 。如果打钻打中高压储 水区， 将会使压力水在短 时间 内顺着 孔 口大 量 涌 出 ， 造 成 淹 头 淹 面甚 至 淹 井 灾 害 的发生 。为解 决 上 述 问题 ， 矿井 技 术 人 员 特 提 出研 制一 套 钻孔 密封装 置 。 1 探 放水钻孔密封装置 的结构原理 该密 封装 置 由液压 密封 室和 手动 液压 泵两 大部 分组成。液压密封腔室由密封室壳体 、 前后压盖 、 端 部 压 环 、 支 承环 、 密封 胶筒 、 密封胶 圈等 组成 图 1 ， 支承环卡装在密封胶筒外表面 ， 可保持 液压胶筒在 液 压 力左 右下 不发 生 扭 曲变 形 ， 密 封 胶筒 套 装 在 密 封 胶 圈上 ， 胶 圈 内腔孔径 为 9 0 m m， 钻 头与 钻杆 可 自 由穿人 。密封室壳体上设置有进液口， 密封室壳体 、 前后压盖和密封胶筒组成一个封 闭的腔室 ， 手动液 压 泵 与液压 密 封室 通过 液压胶 管 连通 。操 作手 动液 压 泵 向密 封腔 室 注液 打 压 时 ， 密 封 胶 筒 和 密封 胶 圈 在 液 压力 的作 用下 便 产 生 径 向收缩 ， 当 室 内压 力 达 到 5 M P a时 ， 密封胶圈内径收缩紧套在钻杆上 ， 便可 将钻孔内的水 可靠封堵。打开手动液压 泵的卸载 阀 ， 解 除 密封腔 室 内 的压 力 ， 密封 胶筒 和密 封胶 圈 即 8 3 2 0 1 6年第 3 期 中州煤炭 总 第 2 4 3期 可恢 复原 状 。 图 1 探放水钻孔密封装置密封室结构 2钻孔密封装置 的性能特征 1 钻 孔 密 封 装 置 结 构 紧 凑 ， 密 封 性 能 可 靠 。 该钻 孔 液压密 封装 置 由手动 液压 泵和液 压 密封室 两 大部 分组 成 ， 并通 过液 压胶管 连装 在一 起 ， 当操作 液 压泵 向密封 室 内充 液 打压 时 ， 在 液 压 力 作 用 下 压 力 达 5 M P a即 可 ， 密 封 胶 筒 和 密 封 胶 圈 产 生 径 向 收缩 变 形 ， 使 密封 胶 圈紧 紧套 压 在钻杆 上 ， 从而 达到 可 靠 的密封 效果 。该 密封装 置 与排渣 疏水 阀连 装在 一 起 ， 轴 向长 度仅 3 5 0 mm， 安装 挪移方 便 。 2 钻孔 密封 装置 操 作 简便 快 捷 ， 可 重 复使 用 。 当 因故 障停 电或 打 钻 打 中高 压 储 水 区 ， 无 法起 拔 钻 杆 时 ， 作 业人 员 只需 快 速 操作 手 动 液 压 泵 向液 压 密 封腔 室充液 打 压 3 0 S ， 腔 内压力 便 可 达到 5 MP a ， 使 密封胶圈紧紧套压在钻杆上 ， 将钻孔 内的水牢牢锁 住 。当故 障排 除恢 复 正 常 钻进 时 ， 只 需 打 开 手 动液 压泵 的卸 载 阀 ， 便可解 除 密封 腔室 的压力 ， 使 密封胶 筒和密封胶圈恢复原状， 为下次密封钻孔做好准备。 3 该 密 封装 置 在 正 常 钻 进 、 接 装 与起 拔 钻 杆 时 ， 钻 杆可 连 同钻头 一起 自由穿 越 密封室 孔道 ， 其操 作方 法步 骤与 未加 装 此 套 密 封装 置 完 全 相 同 ， 员 工 无需 改变 原有 操作 习惯 。 4 钻 孔 密 封装 置 加 工 材 料 易 于 获 取 ， 制作 成 本低 。该钻孔密封装置所用的大部分配件均为液压 钻机 更换 下 的旧件 ， 为保 证密 封效 果 ， 仅 有胶 筒 和密 封 圈采用 新材 料 ， 在保证 使用 效果 前提 下 ， 使 制作 成 本 降至最 低 。 3钻孔密封装置 的安装 首先 用法 兰将 钻孔 密封装 置 与排渣 疏水 阀件 连 装 ， 然手 再将 排渣 疏 水 阀件 与钻 孔 口处 的截 止 阀连 接 即可 钻孔截 止 阀与钻 孔套 管相 连接 。 ．84 ． 4使用操作步骤 1 正 常钻 进 时 的操 作 。正 常钻 进 时 ， 钻 杆 连 同钻 头一起 穿 过钻 孔 密 封 室 的孔 道 ， 经 排 渣 疏 水 阀 件 、 钻孔截 止 阀 、 钻 孔 套 管进 入 钻 孑 L 内打 钻 ， 打 钻 产 生 的浆渣 有 时伴有 岩层 涌 水 便 沿 钻孔 、 排 渣 疏 水 阀外 排至 钻场 水仓 。 当需 要 临时起 拔钻 杆封 闭钻 孔 时 ， 只需操 作 钻机将 钻杆 钻头 拔 出 ， 关 闭钻孔 截止 阀 即可 。 2 当钻场 因故障停电时的操作。当钻场 出现 故 障停 电 ， 钻 机停 止 运 转 ， 水 泵停 止 排 水 时 ， 作 业 人 员 应快 速操作 手 动液 压 泵 向密 封室 内充 液 打 压 ， 当 室 内压 力达 到 5 MP a时 ， 密 封胶 圈与 钻 杆 贴合 紧密 后 ， 再将 排渣 疏水 阀关 闭 ， 此 时钻 孔 内的水 便被 可靠 封 堵 。 当钻 场故 障排 除 ， 恢 复供 电后 ， 应 首先启 动水 泵 恢 复正常 排水 ， 其次 再 打开排 渣疏 水 阀排水 ， 然后 打 开手 动液 压泵 卸载 阀 ， 解 除密 封腔 室 内的压 力 ， 使 密封 胶筒 和密封 胶 圈 逐 渐恢 复 到 原 状 后 ， 最 后再 启 动钻机 正 常钻进 。 3 打钻 打 中高 压水 区时 的操 作 。 当打 钻 打 中 高压 水 区时 ， 作 业人 员应 快速切 断钻 机 电源 ， 停止 钻 进 钻 杆应 处 于夹 紧状 态 ， 并操 作 手 动 液压 泵 向密 封室 内快 速充 液打 压 ， 使 密 封 胶 圈 与钻 杆 贴 合 紧 密 无渗 漏时 ， 再根 据高 压水 区涌水 量 和涌水 压 力大小 ， 通过 调整 排渣 疏水 阀 门的开 度或 其他有 效措 施有 计 划放水。当高压水区水害解除后 ， 如需继续钻进时， 按照 2 步 骤恢 复 ， 如 停 止 钻 进 ， 应 操 作 钻 机 ， 起 拔 钻杆 ， 取 出钻 头 ， 对 钻 孔 进 行 注浆 封 孔 ， 待钻 孔 内的 浆液凝固后 ， 再依 次拆除钻孔密 封装置 、 排渣 疏水 阀 、 钻孔 截止 阀 即可 。 5 应 用 效 果 该钻 孔 密封装 置结 构 紧凑 ， 外形 尺寸 小 ， 便 于携 带安 装 。该 密 封 装 置 自制 作 完 毕 后 ， 即 在 探 防 队 2 6 1 2回风 巷进 行 试 用 ， 使 用 过 程 中 ， 未 出现 因故 障 停 电或 突然 打 中高 压水 区 时 ， 钻 孔 无 法 及 时 封堵 造 成 水淹 钻场 事故 的 发 生 ， 为 探放 水 作 业 提 供 了安 全 保 障 。 投 入产 出 比 制 作 该 套 密 封 装 置 总 费 用 约 为 6 8 0元 。在采用 该 装 置 以前 ， 一 旦 因长 时 间停 电 就 可能会 造成 水淹 钻 场 ， 要 恢 复钻 场 清 除 积 水 最少 需 投 入 费用 1 0 0 0元／ 次 主要为 人工 和机 械 台班 费 ， 按 每套 密封 装 置成功 投用 一 次 下转 第 8 7页 2 0 1 6年第 3期 茹超 军 ， 等 矿 井 电力 监控 系统 升级 优化 与 实践 总第 2 4 3期 授权 ， 操作对 象状态检验 、 显示 和操作结 果 的预显 示 ， 操 作过 程 数 据 和 状 态 反 馈 、 图 形 显 示 和 过 程 记 录 ， 可设 置 操 作 限制条 件 ， 对违 章操 作 自动 报警 。 8 编组操 作及预 案运行功 能。① 编组操作 通过操作控制软件 ， 用户可方便实现分组操作 ， 实现 分 区、 分批远距离停送 电功能。②预案运行 用户可 预先编制预案 ， 系统在监测到执行条件完全具备时 ， 可 按 照事 先设 定 预案 由用 户启 动运 行 。 9 数 据共 享 功能 。监 测界 面和 内容 可通 过 局 域 网采用 C ／ S方式传送到其他用户 ， 系统可通过局 域 网和客 户端 软 件 实 现 网上 数 据 共 享 ， 并 可接 不 同 授 权授 予 不 同界 面和 功能 。 5 应用案例 该 系统改造完成后 ， 实现 了与电力监控系统通 信 ， 达 到高 、 低压 同时监控的 目的。井下 1 9个 变电 所 无人 值 守 自动化 ， 按 照 每个 变 电所每 天 配备 6人 ， 2人 替班 ， 可 减 少变 电所 值 班 人 员 1 0 0余人 ； 且有 效 保 证 了井 下用 电安 全 。 1 某 年 某月 某 日， 岩 巷 掘进 面 出水 ， 造 成 中央 泵 房水 淹 ， 部 分人 员 通 过 测 量 水 量 认 为 泵 房 内水 泵 没有 全部 开启 ； 现 场 水泵 司机 汇报 水泵 全 部开 启 ， 无 法 确 定泵 房水 淹 原 因 。通 过 观察 水泵 运转 电流大 小 及查看电力监 控系统历史 电参数 中三相 电流 曲线 图 ， 证 明井 下 5台水 泵全 部开 启 ， 为分 析原 因提供 了 有力 证据 。 2 某年 某 月某 日， 3 6采 区汇报 工 作 面胶 带机 、 刮板 机 等突 然 断 电 ， 且 开关 电源 指示 灯不 亮 ， 送不 上 电。地面电力监控 中心值班人员接到通知后 ， 通过 查 看 电力监 控 系统报 警信 息 ， 认 定 为过 负 荷 引起 3 6 采区工作面动力低压总馈电跳闸 ， 并进行试送电 ， 送 电后 ， 3 6采 区开关 电源 指示灯 亮 ， 设 备运行 正常 。 整个过程不到 5 ra i n 。如果 由采区值班 电工从井 下 经绞车坡 3 6采区变电所送 电， 然后返 回到工作面送 电 ， 整个 过程 约 3 0 m i n 。 6 结 语 此 次 矿井 电力 监控 系统 的升级 优 化 ， 有 效保 证 了供 电系统 运行 安 全 。但 同 时应 注 意 的 是 ， 电力 监 控 系统 还存 在一 些 问题 需要 进 一 步 改 进 ， 如 电力 监 控系统交换机电源改为多路智能供电设备 ， 电力监 控系统在进行电力监控 的同时 ， 兼具有烟雾等监控 功 能 ， 自动化 无人 变 电所运 行 、 维护 、 检查 、 试验 规 范 标准需进一步研究 、 制订等。 参 考 文献 [ 1 ] 孙继平 ． 煤 矿安 全生产监 控系统 主要性能 与技术指标 [ J ] ． 煤 矿设计 ， 2 0 0 6 1 2 1 6 1 9 ． [ 2 ] 张凯 ， 张 延 ， 吴丽． 煤 矿供 电远 程 监测 监控 系统设 计 与 应用 [ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 1 2 1 0 1 7 1 1 7 2 ． [ 3 ] 王海 波 ， 史有仁 ． 煤矿 电力监控 系统 的研究与应 用[ J ] ． 工矿 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