一種多頭凹槽螺旋鉆桿的研制

唐大勇 梅安平 雷萬年 孫 岱

(1.中煤科工集團重慶研究院；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室)

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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雷萬年1，2孫 岱1，2

(1.中煤科工集團重慶研究院；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室)

以多頭凹槽螺旋鉆桿為研究對象，詳細介紹了鉆桿的研制過程，分析了多頭凹槽螺旋鉆桿的排渣機理，簡述了鉆桿的強度計算與校核。通過現(xiàn)場工業(yè)試驗，改進凹槽螺旋鉆桿的凹槽結構與接頭的加工工藝，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 排渣機理 鉆進工藝 工業(yè)試驗 結構設計

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，松軟煤層瓦斯抽放鉆孔的鉆進一直是礦井瓦斯治理的難題。應用光鉆桿在松軟突出煤層中鉆孔施工時，由于僅靠冷卻水或壓風排渣，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50 m，且鉆孔孔徑在75 mm以下；應用普通螺旋鉆桿施工時，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，抽放孔周圍應力急劇增大，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難題，中煤科工集團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的多頭凹槽螺旋鉆桿，利用高風壓螺旋鉆進技術，配合高轉速全液壓鉆機，有效解決了松軟煤層瓦斯抽放孔的施工問題。

1 多頭凹槽螺旋鉆桿的排渣機理與結構設計

1.1 凹槽螺旋鉆桿的排渣機理

凹槽螺旋鉆桿是在光鉆桿上加工一條連續(xù)的螺旋槽，同時具有光鉆桿和螺旋鉆桿的特點，鉆機卡盤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。

在鉆孔過程中，鉆頭破碎的煤屑在排渣介質的作用下，不斷往孔外運移，但有部分不斷沉淀在孔的底部，當煤層較軟時，垮孔嚴重，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，無法將孔內沉淀煤屑攪起來，無法排渣，鉆孔深度將受到嚴重影響；應用普通螺旋鉆桿施工時，由于煤層松軟，孔內垮孔嚴重，煤屑量較大，煤屑對螺旋葉片產生較大的摩擦力，也容易出現(xiàn)抱鉆、掉鉆等孔內事故，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，產生抱鉆的幾率較小，另外，鉆桿凹槽能將孔內沉淀煤屑從孔的底部攪動起來，在風壓的配合下，煤屑受到向上、向孔外的力，推動煤屑不斷向孔外移動，直到排出孔外，達到鉆孔排渣的目的(見圖1)。

圖1 鉆桿排渣機理分析

1.2 凹槽螺旋鉆桿螺旋槽的結構設計

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，將鉆桿凹槽分別設計成平底、凸底和凹底3種結構(圖2)，利用Solidworks的Flow Simulation流體插件，分別對3種螺旋槽結構進行EFD分析。在進行模擬工況分析時，假設3種結構鉆桿在同等條件下工作，即排渣風量、風壓、鉆頭(孔徑)及鉆桿轉速相等，考察螺旋槽內空氣上返流速的平穩(wěn)性。如果螺旋槽內速度最大值與最小值間的差距越小，說明速度越穩(wěn)定，鉆桿排渣越順暢；反之，如果螺旋槽內的空氣上返流速差距越大，在其內部越易形成渦流，煤屑容易在螺旋槽內發(fā)生阻塞，如果遇到煤層垮孔，將會增加抱鉆及掉鉆的幾率。經Solidworks軟件模擬分析，只有平底螺旋槽結構的空氣流動速度較為均勻，排渣效果較好。

圖2 凹槽螺旋鉆桿螺旋槽的結構設計與分析(單位：mm)

1.3 凹槽螺旋鉆桿的強度計算

在進行松軟煤層施工時，由于鉆桿負荷較大，需選取性能較好的材質作為鉆桿接頭，經多次試驗，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，同時將接頭調質到HRC30～35，提高接頭的抗疲勞能力。

1.3.1 接頭強度計算[1-2]

42CrMoA調質后，其力學性能指標為：[σ]b=943～1 079 MPa，[τ]s=0.57[σ]b=537.5～615.0 MPa，鉆孔施工過程中，鉆桿的危險剖面位于外接頭螺紋大端第一牙，其最小抗扭強度為：

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

根據(jù)設計鉆桿尺寸，計算得外接頭的靜抗扭強度：T=11 741.7～13 205.8 N·m。

1.3.2 鋼管強度計算

經以上分析，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，而鉆機最大扭矩為4 000N·m，具有近3倍安全系數(shù)，達到設計要求。

1.4 螺旋槽參數(shù)設計[3]

由于煤層松軟，容易垮孔，將鉆桿設計成三頭螺旋槽結構，以提高鉆桿攪渣的頻率與排渣效率?？紤]到鉆桿的強度與鉆桿加工工藝性，設計螺旋槽寬度25mm，深4.5mm。為有效攪拌孔下部煤屑，應盡可能地加大螺旋槽的升角與導程，設計鉆桿導程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全液壓鉆機上進行現(xiàn)場工業(yè)試驗。東林煤礦地質條件復雜，煤層松軟(煤層堅固性系數(shù)f=0.3～0.8)，鉆孔傾角-25°～35°，鉆孔設計深100m，為提高鉆頭的冷卻效果，并達到降塵的目的，在供風系統(tǒng)中配備風水聯(lián)動裝置，即在施工過程中加大風量，配合少量水，在壓風的作用下，水呈霧狀噴射至孔底，達到冷卻與降塵的目的。試驗共進行了30d，完成20個孔，鉆孔深度80～120m，成孔率達到80%。試驗中發(fā)現(xiàn)凹槽螺旋鉆桿存在以下問題：①鉆桿螺旋槽根部必須設置圓弧R，以減小應力集中；②鉆桿螺紋不耐磨，容易出現(xiàn)黏扣現(xiàn)象；③風壓過小，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題，對多頭凹槽螺旋鉆桿的結構及鉆孔施工工藝進行了優(yōu)化：①將螺旋槽結構更改為球面底，徹底解決應力集中問題(圖3)；②對鉆桿接頭進行高頻處理，以提高接頭的硬度與耐磨性能；③試驗中空壓機風壓1.25MPa，風量17.2m2/min(井下目前應用最大的空壓機)，同時配備了孔口除塵裝置，以降低粉塵對操作人員的傷害。

圖3 球面圓弧

2015年11月，按改進后的結構試制了300根凹槽螺旋鉆桿，同時對鉆桿接頭螺紋進行了高頻處理，在南桐礦繼續(xù)進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，試驗進行了35d，共完成27個成孔，最深孔達145m，成孔率90%，沒有出現(xiàn)鋼管斷裂和接頭磨損的情況。試驗說明，改進后的多頭凹槽螺旋鉆桿與鉆進工藝是成

功的。

3 結 論

(1)增加凹槽根部過渡圓弧半徑，是減小甚至消除應力集中、提高鉆桿強度的關鍵。

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

(3)風壓與風量是鉆桿排渣的關鍵。鉆桿前期試驗時采用的是礦井風壓為0.6～0.8MPa，風量不足10m2/min，在施工過程中多次出現(xiàn)抱鉆、卡鉆情況，煤屑排出較少；增加中風壓空壓機后，風壓達1.25MPa，風量17.2m3/min，單根鉆桿的排渣量達1～2t，鉆孔過程中偶爾會出現(xiàn)抱鉆的現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)掉鉆事故。

[1] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學[M].武漢：中國地質大學出版社，2010.

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

[3] 李建平，張永忠，杜長龍.螺旋鉆采煤機鉆桿的結構參數(shù)優(yōu)化設計[J].煤炭科學技術，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。