巖層聯絡孔沖剪復合碎巖原理可行性研究

王傳留

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

“以孔代巷”技術具有成本低、效率高、周期短的優點，在煤礦井下具有廣闊的應用前景[1-3]。但受限于煤礦巷道尺寸，特別是輔巷或高抽巷，只能采用小型鉆機，在巖層施工大直徑聯絡鉆孔時，只能采用多級擴孔鉆進的成孔方法，該技術需要不斷更換鉆頭反復鉆進，存在施工效率低、周期長等缺點[4-6]。而采用氣動或液動潛孔錘沖擊鉆進，需要解決大功率空壓機防爆問題或配備大流量泥漿泵，不但受巷道條件和安全性限制，且成本高昂[7-13]。因此，本文研究新的碎巖方法和工具，利用現有的鉆探裝備，實現了巖層中大直徑聯絡孔優快成孔，對煤礦降本增效、安全開采具有重要意義。

1 沖剪復合碎巖原理

目前，根據鉆頭類型和地層性質不同，碎巖機理分為磨削碎巖、剪切碎巖和沖擊碎巖等[14-15]，不同碎巖機理各有優點，比如中硬以上巖層，沖擊碎巖效率較高，而軟-中硬地層，剪切碎巖效率高。通過結構創新，研制沖剪復合鉆頭，包括內釬頭、大功率沖擊器和外切PDC 鉆頭三部分(圖1)，外切PDC鉆頭與大功率沖擊器外管相連接，將高壓水-沖擊器-內釬頭沖擊碎巖和鉆機-鉆桿柱-外切PDC 鉆頭剪切碎巖創造性地結合在一起，實現煤礦井下巖層中大直徑聯絡孔高效快速成孔，同時降低鉆探裝備配置，達到“小馬拉大車”的應用效果。

圖1 沖剪復合鉆頭結構Fig.1 The structure of punching-shearing composite bit

沖剪復合碎巖工作原理(圖2)：采用巷道內高壓水驅動大功率沖擊器，作用于內釬頭上，作為第一動力元，以沖擊功預裂地層，破壞巖層的整體構造應力，促進巖石中裂隙擴展并形成一定的體積破碎；同時鉆機帶動鉆桿柱回轉，驅動外切PDC 鉆頭，作為第二動力元，對預裂后的外側巖石進行剪切破碎；兩種碎巖方式同時作用，又相互獨立，從而實現煤礦井下巖層大直徑聯絡孔的高效成孔。

圖2 沖剪復合鉆頭碎巖原理Fig.2 The rock breaking mechanism of punching-shearing composite bit

2 沖剪復合鉆頭研制

2.1 總體方案設計

結合現場試驗條件，以?153 mm 沖剪復合鉆頭為例，進行總體方案設計，總體結構如圖1 所示。?153 mm 沖剪復合鉆頭主要由?92 mm 內釬頭、?90 mm 大功率沖擊器和?153 mm 外切PDC 鉆頭三部分組成，內釬頭和外切PDC 鉆頭切削面積之比為1︰1.7。在初始狀態下，內釬頭工作面高出外切PDC鉆頭鼻部，使整個切削面呈凸面型，以保證鉆進時內釬頭在沖擊載荷作用下首先破碎和預裂巖石，破壞巖層的整體構造應力。

2.2 內釬頭設計

內釬頭采用三翼整體式結構，釬頭工作端面由3 個呈120°夾角的扇形區域組成，扇形區域的內側設計3 個斜水眼，外側中部設計排屑槽，其結構如圖3 所示。由于沖剪復合鉆頭切面較大，產生的巖屑較多，為保證巖屑順利排出來，需要合理設計釬頭水眼與工作端面的面積比。

圖3 內釬頭結構Fig.3 The structure of inner bit

釬頭工作端面形狀直接影響沖擊能量的傳遞效率和釬頭強度，為提高破巖效率，釬頭工作端面設計成雙錐凸面型，如圖4 所示。錐面傾角決定釬頭齒的受力狀態，參照國內外礦山鑿巖用釬頭、潛孔釬頭的設計經驗，將內錐面傾角α設計為15°，外錐面傾角β設計為45°。由雙錐面及中心圓面組成的凸形工作面，能夠在相對較小的巖層破碎面積中產生較大的沖擊功，獲得較高的機械鉆速。內釬頭齒選用PDC 柱齒和硬質合金錐齒兩種方案，通過開展現場試驗，評價兩種方案的碎巖特點及磨損特征。

圖4 內釬頭工作斷面形狀Fig.4 The shape of working section of inner bit

2.3 大功率沖擊器及連接設計

采用液動反作用式沖擊結構，利用靜壓水流的壓力推動活塞沖錘上行，同時壓縮彈簧存儲能量；當水流關閉時，彈簧釋放彈性能推動活塞沖錘加速向下運動，沖擊內釬頭做功。其沖擊及連接機構如圖5 所示，主要由后接頭、外管、彈簧、轉接頭、活塞錘、內滑套以及錘體組成。

圖5 沖擊及連接機構Fig.5 Impact and connection structure

后接頭一端與沖擊器外管相連，另一端與鉆桿相連。外管不僅要固定內部各組件，保證連接可靠，還要為外切PDC 鉆頭提供靜壓和旋轉載荷，因此，外管采用高強度合金鋼，壁厚加厚設計。外切PDC鉆頭與外管通過錐螺紋連接，內孔設計為花鍵型，用于連接內釬頭，保證鉆壓及轉速能夠施加于內釬頭上。

2.4 外切PDC 鉆頭設計

外切PDC 鉆頭冠部曲線設計為圓弧–拋物線型結構，鉆頭鼻部到中心的距離和內釬頭半徑相等，肩部和外錐采用長拋物線結構，從而有利于增大外側切削齒的布齒密度，降低單齒切削載荷，減緩切削齒的磨損。圖6 為外切PDC 鉆頭結構示意圖。

圖6 外切PDC 鉆頭結構Fig.6 The structure of outer PDC bit

切削角的大小與破巖效果密切相關，切削角絕對值越大，切削齒的抗沖擊能力和抗研磨能力越強，適用于硬巖鉆進；為利于排屑，避免側向振動對切削齒的損壞，設計一定的側轉角[16-17]；為增強外切PDC 鉆頭的保直性和扶正能力，防止沖擊振動或地層不均勻造成鉆孔偏斜，鉆頭刀翼設計為五翼加長型直刀翼結構。

3 現場試驗及結果分析

3.1 試驗情況

圖7 為研制的?153 mm 沖剪復合鉆頭，沖擊器采用液動反作用沖擊器，額定工作壓力2～3 MPa，排量150～250 L/min，沖擊功124～156 J，沖擊頻率10～25 Hz；內釬頭加工2 只，分別采用PDC 柱齒和硬質合金錐齒。

圖7 沖剪復合鉆頭實物Fig.7 The photo of punching-shearing composite bit

鉆機采用ZDY3200S 分體式鉆機，整機質量2 040 kg，外形尺寸2 300 mm×1 100 mm×1 560 mm，額定功率37 kW，額定扭矩3 200 N·m，額定轉速220 r/min，最大給進力 112 kN，最大給進速度0.22 m/s，給進起拔行程600 mm。

試驗地點位于陜西省渭南市白水縣林皋鎮，試驗場地在林皋湖西側約3 km 云臺山，該場地為云臺山廢棄采石場。試驗地層主要以砂巖為主，巖石抗壓強度為40～70 MPa，硬度大、研磨性強、可鉆性差。圖8 為試驗場地照片。

圖8 現場試驗Fig.8 The photo of experiment field

開孔采用?159 mm 刮刀鉆頭，鉆進200 mm；然后更換?153 mm PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭，鉆進進尺12 m；再換用?153 mm 硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭，鉆進至24 m 停鉆，起拔鉆具和鉆頭，觀察鉆頭磨損情況。

3.2 結果分析

鉆進過程中鉆桿每隔一米用藍色膠帶標記，采用不同鉆壓，不同轉速對鉆進效率進行記錄(表1)。

表1 鉆進參數Table 1 Drilling parameters

圖9a 為PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭提鉆后照片，提鉆后外層PDC 鉆頭保持完好，釬頭PDC 柱齒基本無磨損。在泵壓2 MPa，流量230 L/min 情況下，PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭平均機械鉆速8.3 m/h，最大機械鉆速可達10 m/h。鉆壓和轉速在一定范圍內對機械鉆速的影響不大，因而，該沖剪復合鉆頭可應用于低鉆壓、低轉速鉆進工藝。

通過對排渣進行觀察分析，使用PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭鉆進的巖屑粒徑分為2 類，一種是顆粒狀，另一種是粉末狀(圖9b)。證明沖剪復合鉆頭碎巖方式包括沖擊器帶動釬頭的沖擊破碎和PDC 鉆頭的剪切破碎。釬頭沖擊地層首先在孔底內側形成微裂紋，進而在PDC 切削齒剪切作用下對釬頭外側的巖層進行剪切破碎，該過程形成的巖屑以大顆粒狀為主；此外，外切PDC 鉆頭回轉過程會對巖屑進行二次研磨，因而形成細砂狀巖粉。

圖9 PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭提鉆后照片及巖屑照片Fig.9 Photos of used PDC cylindrical toothed punching-shearing composite bit and the cuttings

圖10a 為硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭提鉆后照片，提鉆后外層PDC 鉆頭保持完好，但釬頭的硬質合金錐齒有顯著磨損，且主要磨損分布在最外側6 顆錐齒上，最大磨損達1～1.5 mm。由于最外側錐齒回轉線速度最大，因此，降低回轉速度有助于減少硬質合金錐齒的磨損程度。在泵壓2 MPa，流量230 L/min，轉速80 r/min 情況下，硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭平均機械鉆速6 m/h，最大機械鉆速可達8.6 m/h。同樣，鉆壓在一定范圍內對機械鉆速沒有顯著影響。

通過對排渣進行觀察分析，使用硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭鉆進的巖心同樣包含2 種粒徑：釬頭沖擊作用產生的粗大顆粒狀和剪切磨削作用產生的細小粉末狀，如圖10b 所示。由于硬質合金耐磨性低于PDC，因此，使用硬質合金錐齒鉆進所排出的大粒徑巖粉占比要高于使用PDC 柱齒釬頭鉆進。

圖10 硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭提鉆后照片及巖屑照片Fig.10 Photos of used carbide taper toothed punching-shearing composite bit and the cuttings

綜上，?153 mm 沖剪復合鉆頭可配合ZDY3200S 分體式鉆機在硬質砂巖地層中實現近水平孔的快速鉆進，鉆機轉速和鉆壓對機械鉆速影響較小，因而，該沖剪復合鉆頭可以實現小型鉆機的井下大直徑(?153 mm)一次成孔和快速鉆進。同時PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭的鉆進效率高于硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭，釬頭PDC 柱齒的抵抗磨損能力也優于硬質合金錐齒。

4 結論

a.通過結構創新，將剪切碎巖和沖擊碎巖創造性地結合在一起，研制的沖剪復合鉆頭能實現“小馬拉大車”的鉆進效果，證明沖剪復合碎巖原理具有可行性，為煤礦井下巖層大直徑聯絡孔優快成孔提供了新的研究思路。

b.研制了?153 mm 沖剪復合鉆頭，并采用小型鉆機在硬巖地層中進行了現場試驗，平均機械鉆速8.3 m/h，最大機械鉆速可達10 m/h，且轉速和鉆壓對機械鉆速的影響相對較小。結果表明，采用沖剪復合鉆頭能夠實現煤礦井下小型鉆機的大直徑一次成孔和快速鉆進。

c.由于PDC 柱齒的耐磨性優于硬質合金錐齒，PDC 柱齒型沖剪復合鉆頭的鉆進效率高于硬質合金錐齒型沖剪復合鉆頭。

d.本文僅驗證了沖剪復合碎巖原理的可行性，尚需從理論上對沖剪復合鉆頭整體結構、碎巖面積匹配及碎巖機理方面進行深入研究，進一步提高沖剪復合鉆頭的碎巖效率。