鉆機用破巖滾刀失效原因分析及應對措施

摘要：通過對不同工況、不同材質滾刀磨損原因分析，提出提高鉆機破巖滾刀壽命的技術措施和建議。

關鍵詞：鉆機；破巖滾刀；技術措施

鉆井法鑿井技術在我國煤礦井筒工程中應用近50年，據不完全統計，已鉆成60多個不同類型的井筒，完成最深的龍固煤礦雙主井，成井深度582.75m，成井直徑分別為5.636m和5.616m。鉆井法鑿井靠滾刀破碎穿過地層、泥漿護壁、壓氣反循環排渣、地面預制井壁、泥漿懸浮下沉井壁和壁后充填完成井筒。其中，地層破碎在鉆井工序中非常重要，對于沖積層曾經采用刮刀或行星式鉆頭安裝刮刀破巖，但是，由于鉆進效率低，已不再采用，主要應用不同類型的滾刀。隨著鉆進深度的增加，鉆進直徑的加大，巖層在整個井筒占的比例加大，滾刀的壽命問題成為影響鉆井速度、效率和成本的關鍵。

1.破巖滾刀失效原因分析

1.1.滾刀的分類

豎井鉆機采用一次超前、分次擴孔的鉆進方式，鉆進直徑：超前孔3～4m，擴孔4～5.7m、5.7～7.5m、7.5～9m。根據鉆頭用途不同，鉆頭體上滾刀可分為三類：①中心刀。中心刀一般為單支點滾刀，也曾采用過三牙輪鉆頭代替，用于破碎鉆孔中心0.5m范圍的巖層，由于鉆井中心點滾刀運動速度為零，所以中心刀不能純滾動布置；②正刀。正刀數量多，用于大體積破碎巖層，雙支撐結構，滾刀破巖刀齒和地層接觸近水平；③邊刀。邊刀用于形成鉆井井筒和地層交界面（丼幫），滾刀刀齒和地層接觸一般在30°，用于保護刀座不被地層磨損。

按照滾刀加工方式不同可分為：鑄齒滾刀、銑齒滾刀和鑲齒滾刀；按滾刀刀體結構不同可分為：盤形滾刀、多刃盤形滾刀；按鑲齒的齒形不同可分為：球齒滾刀、錐齒滾刀、楔齒滾刀和復合形滾刀。

在沖積層或塑性較強的極軟巖層中，一般采用鑄齒滾刀，在齒尖堆焊耐磨材料；在較軟的巖層、磨蝕性較強的巖層中，多采用鑲齒滾刀，隨著巖石硬度和磨蝕性變化，刀齒齒形從楔形→錐形→復合形→球形。

1.2.滾刀失效

在鉆進過程中發現鉆具跳動、蹩鉆、扭矩加大和進尺變慢，可能出現部分滾刀失效或滾刀掉落。滾刀失效原因：

1.2.1.滾刀刀齒磨損量過大，超過原齒高的70%。

1.2.2.滾刀的軸承潤滑油漏失或進泥漿，軸承磨損、卡住，刀軸磨損或斷裂。

1.2.3. 滾刀刀殼破裂、掉塊。

1.2.4.刀齒折斷率達到滾刀總齒數的30%。

1.2.5.鑲齒滾刀刀齒脫落率達到總刀齒數量的30%。

1.3滾刀磨損

1.3.1.正常磨損。滾刀的正常磨損是隨著刀齒和地層接觸逐漸發生的。滾刀刀齒在一定鉆壓作用下壓入地層，并通過鉆頭的旋轉帶動滾刀自轉，通過壓入、剪切或滑移將巖層破碎下來，這個過程也是刀齒磨損的過程。影響刀齒磨損的因素：①地層的物理力學性質，主要是地層的磨蝕性；②刀齒材料本身的抗磨性；③滾刀在鉆頭上布置的合理性；④在鉆進過程中，鉆進參數選擇合理性，如鉆壓過大或過小、鉆頭吸收不合理、泥漿循環量小，形成重復破碎，則造成滾刀的磨損加快。

1.3.2. 非正常磨損。滾刀軸承不轉動，如發生泥包鉆頭、軸承破壞、大塊巖石或異物落孔造成滾刀軸承不能旋轉，滾刀刀齒在地層表面滑移，單面刀齒很快磨損；滾刀除中心刀一般分為AB刀，相對對稱布置，兩把刀聯合破碎巖石，如果其中一把刀失效，另一把刀不能全部破碎所擔負環行圈上的巖石，滾刀刀體發生磨損，進而加速破壞。

2.不同材質滾刀分析

多年來，隨著鉆井法鑿井技術的發展，先后研制并應用過高強度銑齒輪滾刀、鑄造空冷鋼滾刀、鑲嵌硬質合金滾刀、齒面堆焊顆粒硬質合金牙輪滾刀等，下面對這幾種不同材質滾刀予以分析。

2.1.硬質合金齒牙輪滾刀。因為硬質合金較耐磨，所以在滲碳淬火過的20CrMo材質輪體上，采用壓入鏨子形YG15合金，直徑14mm。把這種滾刀安裝在擴孔鉆頭上，在頁巖和砂巖中鉆進，刀齒耐磨性較好，但鉆進速度較慢。這是因為硬質合金齒較短，在一定鉆壓下，合金齒壓入巖層，使輪體與巖層直接接觸，增加阻力，加上擴孔鉆頭不規則晃動，沖擊合金齒，往往會使牙輪大端齒部折斷。

實踐認識到，硬質合金齒牙輪滾刀，適用于中硬以上均質單一巖層，對層次變化較多的巖層不適應。

2.2.高強度鋼牙輪滾刀。采用60Cr4Mo3Ni2WV高強度、高硬度合金工具鋼作牙輪基本體，來提高滾刀的耐磨性。

這種鋼材經過淬火和二次回火，強度雖很高，但沖擊韌性較差，不能適應大直徑鉆進工況。在擴孔大鉆頭上，曾發生18只牙輪全部碎裂，掉入井底，其原因主要是牙輪制作有缺陷，產生應力集中，受沖擊震動而損壞，故牙輪單有高強度不行，還要有足夠的韌性。

2.3.齒面堆焊顆粒硬質合金牙輪滾刀。選用低碳合金鋼20Ni3Mo做基本體，齒面堆焊顆粒硬質合金的楔齒牙輪滾刀。例如，在直徑3m超前孔鉆頭上，安裝6把邊刀，14把正刀，2把中心盤形滾刀，破巖面積為7.07㎡，穿過細砂巖35.175m；砂質泥巖5.61m，鉆進40.785m，平均純鉆進速度0.139m/h，正刀磨損12.5mm；中心刀磨損6.5mm。在直徑5.7m擴孔鉆頭上，布置6把邊刀，16把正刀，破巖面積為18.45㎡，穿過粉細砂巖26.121m；砂質泥巖3.6m，煤7.62m，總共鉆進37.341m，平均純鉆進速度0.123m/h，齒部磨損量不到堆焊層高度的1/2，邊刀磨損9mm，尚能繼續使用。

鉆進結果表明，采用20Ni3Mo鋼作基本體表面堆焊顆粒硬質合金楔齒牙輪滾刀，強度較高、韌性也較好，適用于中硬以下巖層。

3.提高滾刀壽命的技術措施和建議

3.1.改進鉆頭結構。在鉆頭旋轉情況下，沖洗液流既具有向心流向，也具有切線流向，即邊刀處以切線流速為主沖洗工作面，而中心附近改為向心流速為主供反洗排渣，流量大時區域外移，轉數增加時向內移，其低值區正是二次破碎、嚴重磨損滾刀及泥包鉆頭的發源地帶，在布置吸收口時必須加以考慮，否則將嚴重影響滾刀使用壽命。建議：①鉆頭采用全封閉式結構，迫使漿液從刀盤邊緣，以較高的速度進入、橫穿滾刀破巖移動區；②在沖洗量和鉆頭轉數的可能范圍內，盡量集中沖洗，以利排矸，加導流板是其主要手段之一；③在刀盤外圍裝設裙邊式折流板，以提高液流速度和巖渣移動、吸收能力；④在刀盤沿半徑方向設置一橢圓形偏心吸收口，徑向延伸，在不增加泥漿流量的情況下，提高徑向流速，增強清除巖渣的能力，縮短巖渣流向吸收口的距離，旋轉時迅速清理工作面，防止重復破碎；⑤在偏心吸收口后側裝置掃帚式折流板，利用回轉扒集巖渣，流向吸收口。例如，龍固礦主井超前孔鉆頭吸收口為長條狀，0.3～0.6m，呈內窄外寬形；擴孔鉆頭采用底部魚尾形，吸收口處于刀盤底角交匯處，效果較好；⑥采用平底的超前孔鉆頭，使鉆頭體旋轉運行平穩、晃動小；⑦鉆頭體上布置撬板式扶正器，并加大扶正器的組裝間距，減少鉆頭擺動，改善滾刀軸承的受力狀況；⑧在提吊能力允許的條件下，增加鉆頭配重塊的重量，為牙輪滾刀切入巖石提供足夠的比壓，保證鉆井的垂直度。

3.2.改進鉆頭滾刀布置。刀盤上的滾刀排列，采用不等角、不對稱布置，可避免鉆頭體回轉時諧振現象的發生，減少滾刀的沖擊負載，增加新的破碎面，提高破巖容積，這對提高鉆進速度和滾刀壽命都是有利的。

3.3.改進滾刀軸承和密封結構。在滾刀結構中，密封的軸向長度與軸承支承長度的比例通常在3：1以下，使滾刀兩端懸臂部分過大，軸承部分容易形成偏載而失穩，造成密封部分損壞。因此，應該加大支承長度的比值，這樣對支承的磨損情況會大為改善。

目前滾刀損壞的主要原因是密封不好，泥漿滲入刀體內部研磨破壞，所以改進滾刀首要的問題還是恒壓密封，特別是密封環尺寸，密封圈的推力，使之耐壓力達到10MPa，適應800m鉆深的需要。

關于密封的材質問題，采用特別橡膠密封，或1個復曲面、1個端面密封環，加工成具有硬化表面的輪體端部（或鑲套）組成密封，改善密封長度與支承長度的關系，承受更大的荷載。

3.4.建立維修制度。從現在滾刀使用情況看，施工過程不加維護，一直工作到損壞、報廢為止，這是不妥的。應該建立及時維修制度，兩套滾刀交替使用，定時更換，排除故障，清洗軸承，修理齒部，保持齒尖的尖銳性和耐磨性。

4.結語

鉆井法鑿井是井筒特殊施工的主要方法之一。它也是機械化和自動化程度最高的、可靠的豎井施工方法。從國內鉆井法鑿井發展的現狀和趨勢看，盡管其技術和工藝都已基本成熟，但是，仍存在許多問題需要進一步研究改進。

目前，鉆井法鑿井在巖層中的鉆進速度不能令人滿意，致使該法只能鉆沖積層和少部分基巖風化帶，不能鉆全深，究其原因主要是在中硬以上巖層中鉆進，破巖滾刀磨損快、壽命短，鉆井深度受到一定限制。今后，在加大豎井鉆機鉆進能力的同時，應從刀具材質、制造工藝等方面進一步開展提高楔齒牙輪滾刀壽命的專題研究，使鉆井法鑿井在我國煤礦井筒施工中得到更廣泛的應用，實現豎井鉆全深。

作者簡介：李英全，男，（1979-），山東招遠人，工程師，2002年畢業于山東科技大學礦井建設專業，從事鉆井法鑿井科研及反井鉆井施工和研究工作。