唐大勇 梅安平 雷萬(wàn)年 孫 岱

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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·材料·裝備·

一種多頭凹槽螺旋鉆桿的研制

唐大勇1，2梅安平1，2雷萬(wàn)年1，2孫 岱1，2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

以多頭凹槽螺旋鉆桿為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了鉆桿的研制過(guò)程，分析了多頭凹槽螺旋鉆桿的排渣機(jī)理，簡(jiǎn)述了鉆桿的強(qiáng)度計(jì)算與校核。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，改進(jìn)凹槽螺旋鉆桿的凹槽結(jié)構(gòu)與接頭的加工工藝，提高了多頭凹槽螺旋鉆桿工作的可靠性。

多頭凹槽螺旋鉆桿 排渣機(jī)理 鉆進(jìn)工藝 工業(yè)試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于松軟煤層具有瓦斯含量較高、透氣性差和瓦斯易突出等特點(diǎn)，松軟煤層瓦斯抽放鉆孔的鉆進(jìn)一直是礦井瓦斯治理的難題。應(yīng)用光鉆桿在松軟突出煤層中鉆孔施工時(shí)，由于僅靠冷卻水或壓風(fēng)排渣，很難將煤屑從孔底快速排出，故鉆孔深度較淺、成孔率低，一般不超過(guò)50 m，且鉆孔孔徑在75 mm以下；應(yīng)用普通螺旋鉆桿施工時(shí)，螺旋葉片是鉆桿排渣的主要手段，但由于煤層松軟、且瓦斯含量較大，隨著瓦斯抽放孔的施工，抽放孔周?chē)鷳?yīng)力急劇增大，瓦斯孔很快垮塌，出現(xiàn)垮孔、噴孔及抱鉆等現(xiàn)象，嚴(yán)重的造成掉鉆桿事故。為解決松軟突出礦井本煤層瓦斯抽放鉆孔的技術(shù)難題，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司于2015年研制了一種具有光鉆桿和螺旋鉆桿特點(diǎn)的多頭凹槽螺旋鉆桿，利用高風(fēng)壓螺旋鉆進(jìn)技術(shù)，配合高轉(zhuǎn)速全液壓鉆機(jī)，有效解決了松軟煤層瓦斯抽放孔的施工問(wèn)題。

1 多頭凹槽螺旋鉆桿的排渣機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 凹槽螺旋鉆桿的排渣機(jī)理

凹槽螺旋鉆桿是在光鉆桿上加工一條連續(xù)的螺旋槽，同時(shí)具有光鉆桿和螺旋鉆桿的特點(diǎn)，鉆機(jī)卡盤(pán)和夾持器可直接夾持鉆桿外圓，凹槽螺旋鉆桿的螺旋槽深2～5 mm，具有輔助排渣功能。

在鉆孔過(guò)程中，鉆頭破碎的煤屑在排渣介質(zhì)的作用下，不斷往孔外運(yùn)移，但有部分不斷沉淀在孔的底部，當(dāng)煤層較軟時(shí)，垮孔嚴(yán)重，煤屑量較多，其沉淀速度也較快，如果排渣不暢，容易造成抱鉆、掉鉆等孔內(nèi)事故。如果采用光鉆桿施工，由于外圓面是光滑的，不能給沉淀的煤屑向上的力，無(wú)法將孔內(nèi)沉淀煤屑攪起來(lái)，無(wú)法排渣，鉆孔深度將受到嚴(yán)重影響；應(yīng)用普通螺旋鉆桿施工時(shí)，由于煤層松軟，孔內(nèi)垮孔嚴(yán)重，煤屑量較大，煤屑對(duì)螺旋葉片產(chǎn)生較大的摩擦力，也容易出現(xiàn)抱鉆、掉鉆等孔內(nèi)事故，鉆孔深度同樣受到影響；利用凹槽螺旋鉆桿施工，鉆桿螺旋槽淺，鉆桿受到很小的煤屑摩擦力，且鉆頭與鉆桿的排渣空間較大，產(chǎn)生抱鉆的幾率較小，另外，鉆桿凹槽能將孔內(nèi)沉淀煤屑從孔的底部攪動(dòng)起來(lái)，在風(fēng)壓的配合下，煤屑受到向上、向孔外的力，推動(dòng)煤屑不斷向孔外移動(dòng)，直到排出孔外，達(dá)到鉆孔排渣的目的(見(jiàn)圖1)。

圖1 鉆桿排渣機(jī)理分析

1.2 凹槽螺旋鉆桿螺旋槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多頭凹槽螺旋鉆桿采用厚壁鋼管與鉆桿接頭焊接而成，接頭間采用螺紋相互連接，為使鉆桿排渣快

速均勻，將鉆桿凹槽分別設(shè)計(jì)成平底、凸底和凹底3種結(jié)構(gòu)(圖2)，利用Solidworks的Flow Simulation流體插件，分別對(duì)3種螺旋槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行EFD分析。在進(jìn)行模擬工況分析時(shí)，假設(shè)3種結(jié)構(gòu)鉆桿在同等條件下工作，即排渣風(fēng)量、風(fēng)壓、鉆頭(孔徑)及鉆桿轉(zhuǎn)速相等，考察螺旋槽內(nèi)空氣上返流速的平穩(wěn)性。如果螺旋槽內(nèi)速度最大值與最小值間的差距越小，說(shuō)明速度越穩(wěn)定，鉆桿排渣越順暢；反之，如果螺旋槽內(nèi)的空氣上返流速差距越大，在其內(nèi)部越易形成渦流，煤屑容易在螺旋槽內(nèi)發(fā)生阻塞，如果遇到煤層垮孔，將會(huì)增加抱鉆及掉鉆的幾率。經(jīng)Solidworks軟件模擬分析，只有平底螺旋槽結(jié)構(gòu)的空氣流動(dòng)速度較為均勻，排渣效果較好。

圖2 凹槽螺旋鉆桿螺旋槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析(單位：mm)

1.3 凹槽螺旋鉆桿的強(qiáng)度計(jì)算

在進(jìn)行松軟煤層施工時(shí)，由于鉆桿負(fù)荷較大，需選取性能較好的材質(zhì)作為鉆桿接頭，經(jīng)多次試驗(yàn)，確定鉆桿規(guī)格為φ68 mm×800 mm，選擇42CrMoA作為鉆桿接頭，4140H鋼管作為鉆桿桿體，同時(shí)將接頭調(diào)質(zhì)到HRC30～35，提高接頭的抗疲勞能力。

1.3.1 接頭強(qiáng)度計(jì)算[1-2]

42CrMoA調(diào)質(zhì)后，其力學(xué)性能指標(biāo)為：[σ]b=943～1 079 MPa，[τ]s=0.57[σ]b=537.5～615.0 MPa，鉆孔施工過(guò)程中，鉆桿的危險(xiǎn)剖面位于外接頭螺紋大端第一牙，其最小抗扭強(qiáng)度為：

式中,T為接頭危險(xiǎn)剖面的最小靜抗扭強(qiáng)度，MPa；[τ]為接頭材質(zhì)的許用抗剪強(qiáng)度，MPa；W為外螺紋接頭的抗扭截面系數(shù)，mm3。

根據(jù)設(shè)計(jì)鉆桿尺寸，計(jì)算得外接頭的靜抗扭強(qiáng)度：T=11 741.7～13 205.8 N·m。

1.3.2 鋼管強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)以上分析，凹槽螺旋鉆桿受力最薄弱的部位發(fā)生在外接頭螺紋大端第一扣處，鉆桿所能承受的最大靜扭矩為12 000N·m，而鉆機(jī)最大扭矩為4 000N·m，具有近3倍安全系數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.4 螺旋槽參數(shù)設(shè)計(jì)[3]

由于煤層松軟，容易垮孔，將鉆桿設(shè)計(jì)成三頭螺旋槽結(jié)構(gòu)，以提高鉆桿攪渣的頻率與排渣效率。考慮到鉆桿的強(qiáng)度與鉆桿加工工藝性，設(shè)計(jì)螺旋槽寬度25mm，深4.5mm。為有效攪拌孔下部煤屑，應(yīng)盡可能地加大螺旋槽的升角與導(dǎo)程，設(shè)計(jì)鉆桿導(dǎo)程420mm，外徑處的螺旋升角為61.4°。

2 多頭凹槽螺旋鉆桿的研制與鉆進(jìn)工藝

2015年3月，該院成功研制出了首批多頭凹槽螺旋鉆桿300根，2015年9月，該批鉆桿在重慶南桐煤業(yè)有限公司東林煤礦ZYW-3200全液壓鉆機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。東林煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層松軟(煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.3～0.8)，鉆孔傾角-25°～35°，鉆孔設(shè)計(jì)深100m，為提高鉆頭的冷卻效果，并達(dá)到降塵的目的，在供風(fēng)系統(tǒng)中配備風(fēng)水聯(lián)動(dòng)裝置，即在施工過(guò)程中加大風(fēng)量，配合少量水，在壓風(fēng)的作用下，水呈霧狀噴射至孔底，達(dá)到冷卻與降塵的目的。試驗(yàn)共進(jìn)行了30d，完成20個(gè)孔，鉆孔深度80～120m，成孔率達(dá)到80%。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)凹槽螺旋鉆桿存在以下問(wèn)題：①鉆桿螺旋槽根部必須設(shè)置圓弧R，以減小應(yīng)力集中；②鉆桿螺紋不耐磨，容易出現(xiàn)黏扣現(xiàn)象；③風(fēng)壓過(guò)小，鉆桿排渣不暢，容易出現(xiàn)抱鉆、卡鉆事故。

為徹底解決鉆桿的上述問(wèn)題，對(duì)多頭凹槽螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)及鉆孔施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化：①將螺旋槽結(jié)構(gòu)更改為球面底，徹底解決應(yīng)力集中問(wèn)題(圖3)；②對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行高頻處理，以提高接頭的硬度與耐磨性能；③試驗(yàn)中空壓機(jī)風(fēng)壓1.25MPa，風(fēng)量17.2m2/min(井下目前應(yīng)用最大的空壓機(jī))，同時(shí)配備了孔口除塵裝置，以降低粉塵對(duì)操作人員的傷害。

圖3 球面圓弧

2015年11月，按改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)試制了300根凹槽螺旋鉆桿，同時(shí)對(duì)鉆桿接頭螺紋進(jìn)行了高頻處理，在南桐礦繼續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行了35d，共完成27個(gè)成孔，最深孔達(dá)145m，成孔率90%，沒(méi)有出現(xiàn)鋼管斷裂和接頭磨損的情況。試驗(yàn)說(shuō)明，改進(jìn)后的多頭凹槽螺旋鉆桿與鉆進(jìn)工藝是成

功的。

3 結(jié) 論

(1)增加凹槽根部過(guò)渡圓弧半徑，是減小甚至消除應(yīng)力集中、提高鉆桿強(qiáng)度的關(guān)鍵。

(2)提高接頭硬度是增強(qiáng)鉆桿接頭耐磨性能和壽命的主要手段。前期試驗(yàn)時(shí)，由于內(nèi)外接頭硬度相差不大，鉆桿擰緊后，容易出現(xiàn)咬扣現(xiàn)象，對(duì)外螺紋進(jìn)行表面淬火后(高頻)，內(nèi)外螺紋均未出現(xiàn)咬扣現(xiàn)象，磨損正常。

(3)風(fēng)壓與風(fēng)量是鉆桿排渣的關(guān)鍵。鉆桿前期試驗(yàn)時(shí)采用的是礦井風(fēng)壓為0.6～0.8MPa，風(fēng)量不足10m2/min，在施工過(guò)程中多次出現(xiàn)抱鉆、卡鉆情況，煤屑排出較少；增加中風(fēng)壓空壓機(jī)后，風(fēng)壓達(dá)1.25MPa，風(fēng)量17.2m3/min，單根鉆桿的排渣量達(dá)1～2t，鉆孔過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)抱鉆的現(xiàn)象，沒(méi)有出現(xiàn)掉鉆事故。

[1] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2010.

[2] 田東莊，姚寧平.防突螺旋鉆進(jìn)裝備與技術(shù)的研究[J].地質(zhì)裝備，2004(9)：8-9.

[3] 李建平，張永忠，杜長(zhǎng)龍.螺旋鉆采煤機(jī)鉆桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006(8):8-10.

Development of a Multiple Groove Helix Drilling Rod

Tang Dayong1,2Mei Anping1,2Lei Wannian1,2Sun Dai1,2

(1.China Coal Science and Industry Group Chongqing Research Institute; 2.National Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology)

Taking the multiple groove helix drilling rod as the study example,the development process of drilling rod is analyzed in detail,the slagging discharging mechanism of multiple groove helix drilling rod is analyzed,the strength calculate and check method of the multiple groove helix drilling rod is discussed.The groove structure and processing technique of the joint are improved by conducting the site industrial test,the reliability of the drilling rod is improved.

Multiple groove helix drilling rod,Slagging mechanism,Drilling technique,Industrial test,Structure design

2016-07-12)

唐大勇(1976—)，男，碩士，研究員，400039 重慶市九龍坡區(qū)二郎科技新城科城路6號(hào)。