多級變徑鉆頭與雙螺旋防抱鉆桿的設計與應用*

2020-08-05 05:04:36唐平

機械研究與應用 2020年3期

唐平

(潞安環能股份公司漳村煤礦，山西長治 046032)

0 引言

漳村煤礦目前開采過程中遇見的松軟煤層為碎粒煤性質，多為塊狀、粒狀，厚度一般為0.2～0.5 m，多發育于煤層中部，間或與夾矸相鄰，其發育主要包括有兩種情況：

(1) 沉積作用過程中形成的高含量炭質泥巖(煤中泥質夾矸)，其主要成分是黏土礦物，極易在鉆進過程中遇水膨脹變軟，從而造成塌孔、抱鉆，致使鉆進困難。

(2) 在采動應力作用和鉆孔鉆進過程中產生的應力疊加區域，屬于高應力集中區，若高瓦斯和應力綜合作用，不僅會使煤體被破碎、壓實，而且會進一步形成高塑性變形區，在此區域內鉆進時極易出現塌孔、頂鉆等現象。

查閱相關資料并根據現場施工情況觀察，發現松軟煤層中鉆孔變形的破壞可能出現鉆孔頂鉆、鉆桿被埋、卡鉆、鉆孔底臌、鉆孔孔壁兩幫內擠、鉆孔無法鉆進或成孔后鉆孔被封堵等現象，導致成孔率低，針對這些問題，在改進松軟煤層的快速鉆進工藝時必須滿足以下條件：

(1) 在鉆進過程中要能夠迅速排粉，以防鉆孔變形或者施工過程中產生的煤粉堵塞鉆孔，從而發生抱鉆、卡鉆。

(2) 穩定的鉆孔變形從而防止塌孔抱鉆，主要防止在鉆孔 5～15 m 范圍內造成的孔口變形及塌孔。

(3) 一旦發生塌孔和抱鉆，要能夠及時自救，避免鉆具丟失。

因此根據以上要求，文中通過改進鉆頭和鉆孔，并充分結合松軟煤層施工過程中鉆孔的變形特征，設計了多級變徑鉆頭和防抱雙螺旋鉆桿。

1 多級變徑鉆頭工作原理及應用

多級變徑鉆頭充分利用松軟煤鉆孔鉆進過程中產生的塑性變形區，利用一次鉆進多次切割的方式實現鉆孔的成型及穩孔效果，是一種全新原理的鉆具[1]，如圖 1所示。具體參數如下：

圖1 多級變徑鉆頭設計圖

(1) 第一級鉆頭(最前端鉆頭)，外徑 25 mm，內徑 15 mm，此段三個刀頭與常見鉆頭的刀頭形式一致，通水(風)孔內孔直徑4 mm，外孔直徑6 mm，通水(風)孔傾角向二級鉆頭方向傾斜 5°。

(2) 第二級鉆頭，外徑35 mm，內徑20 mm，此段上三個刀頭整體向右傾斜5°，通水(風)孔內孔直徑4 mm，外孔直徑 6 mm。

(3) 第三段鉆頭，外徑45 mm，此段正向3個刀頭，反向3個刀頭，三個正向刀頭整體向右傾斜10°，正向三個刀頭用于鉆進時切削，尾部三個反向鉆頭用于卡鉆或退鉆時的切削，通水(風)孔內孔直徑4 mm，外孔直徑6 mm，通水(風)孔向鉆桿傾斜 5°。

(4) 每一級鉆頭長10 cm，總長30 cm，三級鉆頭可以是一個整體，總體實現25 mm 向45 mm 直徑的變化；每級鉆頭的 3 個通水(風)孔均布于 3 個鉆頭中間，三級鉆頭的刀具由逐級向右偏移，使得鉆頭旋轉后形成螺旋狀水(風)向，有助于排粉。

多級變徑鉆頭特點是：高壓水(風)可以通過中空的鉆桿送達鉆頭的出水(風) 口，高壓水(風)通過一級、二級、三級鉆頭上孔徑不同的出水(風)口排出，利用高壓水(風)加速煤屑的排出，從而大大減少由于煤屑排出不暢導致煤屑堆積而抱死鉆桿的幾率[2]。

第三級鉆頭的尾部有一組三個反向鉆頭，當有煤屑受擾動掉落較多，鉆桿鉆進阻力增大時，可采取鉆機仍然正向轉動，將鉆桿向外抽取，利用第三級鉆頭尾部的三個反向鉆頭將擾動掉落的煤屑再次切削，然后利用鉆桿的雙螺旋將切割碎的煤屑排除，從而解決鉆桿被抱緊的問題。

2 雙螺旋防抱鉆桿設計

為增加鉆桿的排粉能力，本次設計的鉆桿主要為雙螺旋防抱鉆桿，在圓形鉆桿的基礎上新設計雙螺旋紋，鉆桿直徑與三級變徑直徑一致，即為40 mm；螺旋導程為90 mm，其中外部螺旋為外窄內寬的矩形，內部螺紋為三角形，兩螺紋具有一致的變化曲率，刻槽深度設計5 mm，單根鉆桿長度為1.5 m。雙螺紋的設計一是為了增加松軟煤鉆進過程中的排粉能力[3]，二是內部的三角螺紋具有粉碎煤屑的作用，使鉆桿在高速旋轉過程中能夠快速的排渣，從而達到防止抱緊的作用，螺旋鉆桿的設計圖如圖 2所示，將多級變徑鉆頭和雙螺旋防抱鉆桿相連接后的設計效果圖如圖 3所示，加工實物圖如圖4所示。

圖2 雙螺旋防抱鉆桿示意圖

圖3 松軟煤多級變徑雙螺旋鉆具綜合效果圖

圖4 松軟煤多級變徑雙螺旋鉆具結構圖

3 煤礦2506運巷的應用效果

2506工作面位于漳村煤礦25采區北部，東面及南面為采空區，北面鄰近文王山大斷層，煤體平均厚度 6.48 m，其中含煤矸 0.2 m，由于緊挨采空區，局部區域為高應力集中區，松軟煤較為發育。在進行鉆孔施工過程中，卡鉆現象發生頻繁，鉆機動力損耗大、耗費時間長，鉆孔施工工人勞動強度較大、鉆進效率較低[4]。此次實驗選用風動立柱鉆機配合多級變徑鉆頭和雙螺旋防抱鉆桿分別進行了井下實驗，對鉆進速度，終孔深度及鉆孔內煤粉進行了觀測，結果如表1所列。