頂板高位大直徑水平長鉆孔配套鉆具研制

董萌萌，田東莊，朱 寧

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

頂板高位大直徑水平長鉆孔配套鉆具研制

董萌萌，田東莊，朱 寧

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

針對(duì)煤礦井下頂板高位大直徑水平定向長鉆孔施工中常規(guī)鉆桿出現(xiàn)粘扣、彎曲、斷裂等問題，分析了鉆桿柱的工作狀態(tài)，建立了頂板高位大直徑長鉆孔鉆桿柱受力模型和有限元分析模型，明確了鉆桿失效的主要原因，通過優(yōu)化螺紋牙型和接頭連接形式，研制了?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿，解決了定向鉆孔擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿斷裂、粘扣等問題，滿足了頂板高位大直徑定向長鉆孔的施工要求。

瓦斯抽采;定向鉆進(jìn);高韌性高強(qiáng)度鉆桿;螺紋結(jié)構(gòu);有限元分析

0 引言

由于我國的煤層滲透性比較差，鉆孔的瓦斯抽采量和鉆孔直徑關(guān)系密切，在20世紀(jì)90年代中期以后，提出“以孔代巷”即用大直徑鉆孔代替高抽巷的抽采瓦斯技術(shù)。該技術(shù)在我國陽泉、沈陽、鐵法、淮南等礦區(qū)都進(jìn)行過試驗(yàn)，且取得了很好的效果。但是，在頂板高位大直徑水平長鉆孔應(yīng)用中，由于以前定向鉆孔控制技術(shù)還不完善，施工時(shí)一般都需要在煤層頂板一定高度布置專門的施工鉆場，使施工成本較高、周期較長，該技術(shù)的推廣受到一定的限制［1－2］。

近年來，隨著煤礦坑道近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)可在開采煤層巷道中，直接向頂板打定向鉆孔，使鉆孔在到達(dá)一定高度后再向水平方向鉆進(jìn)，通過鉆孔軌跡控制使鉆孔在設(shè)計(jì)層位延伸，解決了“以孔代巷”工藝的技術(shù)瓶頸［3－4］。但在施工頂板高位大直徑水平定向長鉆孔時(shí)，由于鉆進(jìn)給進(jìn)壓力大，鉆孔軌跡不光滑，且鉆桿與鉆孔環(huán)空較大，鉆具屈曲現(xiàn)象嚴(yán)重，易發(fā)生鉆桿粘扣、彎曲、斷裂等問題。為此，急需研制?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿，滿足頂板高位大直徑水平定向長鉆孔施工要求，確保施工安全。

1 鉆桿工作狀態(tài)及失效原因分析

1.1 工作狀態(tài)

在鉆進(jìn)過程中，鉆機(jī)需通過鉆桿柱給孔底鉆頭傳遞回轉(zhuǎn)動(dòng)力和扭矩，同時(shí)傳遞縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和軸向鉆壓［5］。鉆桿在鉆孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及受力方式復(fù)雜，鉆桿圍繞自身彎曲曲線旋轉(zhuǎn)，并與孔壁接觸，受到交變彎曲應(yīng)力作用;鉆桿圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)并沿孔壁滑動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生不均勻的單向磨損;鉆桿圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)，沿孔壁反向滾動(dòng)，此時(shí)受交變彎曲應(yīng)力作用;鉆桿作無規(guī)則旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，此時(shí)處于最不穩(wěn)定狀態(tài)，造成鉆桿強(qiáng)烈振動(dòng)。

1.2 失效原因分析

在頂板高位大直徑長鉆孔施工中，鉆桿發(fā)生彎曲、斷裂、粘扣等失效的主要原因有以下幾點(diǎn)。

(1)鉆桿與鉆孔環(huán)空間隙大，超出鉆桿允許彎曲強(qiáng)度。煤礦井下施工頂板高位大直徑鉆孔成孔直徑要求153 mm，先導(dǎo)定向鉆孔直徑133 mm，根據(jù)煤礦井下水平定向鉆進(jìn)作業(yè)規(guī)程要求［2］，先導(dǎo)孔施工選用?73 mm單彎螺桿馬達(dá)配套?73 mm鉆桿，鉆孔方位彎曲強(qiáng)度≤2°/6 m，傾角彎曲強(qiáng)度≤3°/6 m，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)普遍采用?73 mm外平鉆桿，孔徑為153 mm時(shí)環(huán)空間隙較大，在鉆孔軌跡強(qiáng)造斜段平均造斜強(qiáng)度達(dá)到(1°～1.3°)/m，超過鉆桿最大允許彎曲強(qiáng)度，鉆桿極易發(fā)生彎曲。

(2)鉆桿螺紋接頭螺紋預(yù)緊力不足。煤礦井下巷道狹窄，坑道鉆機(jī)和配套鉆具尺寸規(guī)格較小，無法使用液壓大鉗等輔助設(shè)備，鉆桿螺紋預(yù)緊力小，抗彎能力弱，易造成螺紋失效。

(3)接頭尺寸小，螺紋承載能力較弱。普通外平鉆桿接頭結(jié)構(gòu)尺寸較小，且鉆桿一般采用三角螺紋，牙底圓弧半徑小，在復(fù)雜交變載荷作用下，存在應(yīng)力集中，螺紋承載能力弱，易引起早期疲勞斷裂。

一般鉆桿本體比螺紋接頭的剛性要大，所以應(yīng)力集中大都發(fā)生在鉆桿螺紋接頭上，因此大部分螺紋接頭的斷裂均發(fā)生在接頭的內(nèi)外螺紋上。最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)螺紋接頭和外螺紋接頭的最后一道螺紋附近，同時(shí)螺紋起著切口的作用，所以斷裂也從內(nèi)外螺紋接頭的最后一道螺紋根部發(fā)生。

因此，頂板高位大直徑長鉆孔配套鉆桿研制的重點(diǎn)是鉆桿接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其必須具備合理的剛度、足夠的韌性和強(qiáng)度，才能防止在復(fù)雜交變應(yīng)力作用下過早失效，確保鉆進(jìn)安全［6－7］。

2 鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆桿結(jié)構(gòu)和螺紋設(shè)計(jì)思路如下。

(1)配套ZDY6000LD型煤礦用坑道定向鉆機(jī)，滿足頂板高位大直徑定向鉆孔擴(kuò)孔要求，擴(kuò)孔直徑153 mm，擴(kuò)孔深度500 m以深，鉆桿抗扭能力≥12000 N·m。

(2)鉆桿為外平結(jié)構(gòu)，由公、母接頭和管體三部分通過摩擦焊接方式焊接為一體。

(3)管體韌性高，抗彎能力強(qiáng)，選用?73 mm×7 mm高強(qiáng)度無縫鋼管，保證鉆桿管體性能。

(4)鉆桿接頭采用“雙頂”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與常規(guī)鉆桿接頭相比，“雙頂”結(jié)構(gòu)使公、母接頭連接擰緊后有主副兩個(gè)臺(tái)肩，增加了臺(tái)肩接觸面積，提高了鉆桿螺紋接頭抗扭能力，降低了螺紋牙應(yīng)力集中，增強(qiáng)了鉆桿承載能力和聯(lián)接剛性，起到了過載保護(hù)作用。

圖1 “雙頂”鉆桿接頭結(jié)構(gòu)示意圖

(5)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)V－038R螺紋牙型，將螺紋牙底改為大圓弧過渡，降低牙底應(yīng)力集中現(xiàn)象;增大V－038R螺紋牙型的螺距，提高螺紋抗剪切強(qiáng)度，防止鉆柱彎曲造成螺紋粘扣。

3 鉆桿承載能力分析

3.1 受力分析模型

將大直徑長鉆孔鉆桿彎曲的變節(jié)距空間螺旋簡化為變節(jié)距的平面螺旋，截取鉆孔彎曲程度最大或是近鉆頭處的一截鉆桿柱進(jìn)行分析，假設(shè)鉆孔軌跡是光滑空間曲線，鉆孔與鉆桿平行，鉆桿尺寸、材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)均勻不變，鉆桿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)员３志€性彈性關(guān)系，忽略泥漿等介質(zhì)對(duì)鉆柱的動(dòng)態(tài)影響，將其看成兩端鉸接的壓桿，如圖2所示。

圖2 軸向及橫向集中荷載聯(lián)合作用下鉆柱受力及變形示意圖

為了便于計(jì)算，將鉆桿彎曲變形情況簡化成兩端鉸接壓桿在集中力Q作用下的彎曲模型，壓桿長度為3 m;鉆桿柱彎曲由兩部分疊加而成:(1)由于鉆孔存在彎曲，集中力Q1使鉆柱產(chǎn)生初始變形; (2)鉆柱外徑與孔壁存在間隙，在軸向力、轉(zhuǎn)矩和離心力等集中力Q2作用下鉆柱偏離鉆孔軸線發(fā)生變形。

3.2 受力分析

鉆桿配套ZDY6000LD型鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩6000 N·m，最大給進(jìn)力180 kN，鉆桿彎曲假設(shè)是由集中力Q1和Q2作用產(chǎn)生的。

3.2.1 集中力Q1

鉆柱初始變形可通過對(duì)鉆孔軌跡曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得，假定鉆桿的變形曲率與鉆孔的曲率相同，可由式(1)計(jì)算出集中力Q1:

式中:l——壓桿長度，m;ymax——鉆桿彎曲撓度，m; E——彈性模量;JZ——鉆桿端面的軸慣性矩，m4。

3.2.2 集中力Q2

當(dāng)集中載荷作用在鉆桿中間時(shí)，左右兩端的轉(zhuǎn)角相等，最大撓度發(fā)生在中點(diǎn)，由公式(1)計(jì)算集中載荷Q2'。但是，由于彎曲半波長度大于壓桿模型長度，還需進(jìn)行模型等效轉(zhuǎn)換，確保鉆桿承受彎曲應(yīng)力不變，則集中力Q2與Q2'等效計(jì)算公式2如下。

式中:lw——彎曲半波長，m;l——壓桿長度，m。

鉆桿柱由于軸向力的作用而將鉆桿彎曲的變節(jié)距空間螺旋，簡化為變節(jié)距的平面螺旋，截取鉆孔彎曲程度最大或近鉆頭處的一截鉆桿柱進(jìn)行分析，長度與鉆桿柱平面螺旋半坡長一致，并將其看成兩端鉸接的壓桿。鉆桿柱彎曲半波長可根據(jù)Capkncob公式計(jì)算:

式中:lw——彎曲半波長，m;ω——鉆桿回轉(zhuǎn)角速度，rad/s;α——鉆孔傾角，rad;q——鉆桿自重，kN/ m;z——在垂直孔中指校核斷面在中性點(diǎn)以下的距離，水平孔不存在中性點(diǎn)，因此即是指校核斷面以深的長度m。

計(jì)算中取z=600 m。鉆進(jìn)過程中，鉆桿為?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿，該鉆桿外徑D=73 mm，內(nèi)徑d=59 mm，壁厚7 mm，鉆桿長度3 m，鉆桿自重為0.117 kN/m，施工鉆孔按近水平孔考慮，取α=0°，n =100 r/min，由公式(3)計(jì)算得，lw=8.7 m。

彎曲的鉆桿在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)鉆桿上的軸向力一定時(shí)，回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力取決于轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)半徑，而當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑在改變時(shí)，離心力所做的功也逐漸增大，直到鉆桿處于平衡狀態(tài)為止。鉆桿彎曲撓度y可按公式(4)計(jì)算。

式中:y——鉆桿回轉(zhuǎn)最大彎曲撓度，mm;D0——鉆孔直徑，mm;D——鉆桿外徑，mm。

在實(shí)際鉆進(jìn)施工中，采用?153 mm擴(kuò)孔鉆頭配套?73 mm鉆桿擴(kuò)孔鉆進(jìn)，即d=73 mm，D0=153 mm，計(jì)算得y=55.3 mm。

因此，鉆桿總的彎曲變形即為Q1和Q2共同作用下的彎曲變形，故集中力Q=Q1+Q2=8 kN。

3.3 鉆桿有限元分析

3.3.1 模型建立及邊界條件施加

根據(jù)鉆桿的受力分析及計(jì)算，確定了鉆桿的極限受力情況，即鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩M=6000 N·m，彎曲橫向集中載荷Q=8 kN。在母接頭非螺紋端的端面施加固定約束，在公接頭非螺紋端的端面上施加6000 N ·m的扭矩，在螺紋連接處施加彎曲橫向集中載荷Q，如圖3所示。

圖3 有限元分析模型邊界約束

3.3.2 鉆桿應(yīng)力分析

接頭應(yīng)力分布情況如圖4所示，應(yīng)力主要集中在鉆桿接頭連接處，最大應(yīng)力為879 MPa，桿體應(yīng)力平均在300 MPa以下。母接頭臺(tái)肩表面接觸應(yīng)力在400～850 MPa之間，大端螺紋牙頂接觸應(yīng)力約為800 MPa，其余螺紋應(yīng)力值在400～850 MPa之間，應(yīng)力分布如圖5所示。

公接頭最大應(yīng)力值位于小端螺紋結(jié)束位置的牙頂處，應(yīng)力值為870 MPa;大端螺紋第一牙根部和第二牙根部應(yīng)力較高，分別為840和850 MPa，有輕微應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖6、圖7所示。

從公接頭螺紋應(yīng)力最大點(diǎn)剖開后，將螺紋6個(gè)有效牙依次編號(hào)，并在每個(gè)接觸螺紋根部選取3個(gè)點(diǎn)，計(jì)算根據(jù)其應(yīng)力值。由表1可知，1齒螺紋根部應(yīng)力在600 MPa左右，螺紋整體應(yīng)力分布較為均勻。

圖4 鉆桿應(yīng)力分布云圖

圖5 母接頭應(yīng)力云圖

圖6 公接頭應(yīng)力分布云圖

圖7 公接頭剖面應(yīng)力分布云圖

4 試驗(yàn)

2014年，在晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦施工頂板高位大直徑定向長鉆孔的過程中，使用2種鉆具組合進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 螺紋牙底應(yīng)力情況 MPa

施工時(shí)采用?73 mm外平鉆桿在1～7號(hào)鉆孔的鉆進(jìn)過程中，鉆桿接頭發(fā)生4次斷裂事故，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。采用?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿，在8～11號(hào)鉆孔過程中均成功鉆至預(yù)定深度終孔。由圖8、圖9可看出，其中8號(hào)鉆孔實(shí)際鉆孔軌跡沿垂直位移最大偏移量36.5 m，水平位移最大偏移量71.91 m，最大彎曲強(qiáng)度可達(dá)3.89°/3 m，試驗(yàn)表明?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿完全可滿足頂板高位大直徑定向長鉆孔施工的要求。

表2 試驗(yàn)對(duì)比情況

圖8 8號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖

圖9 8號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖

5 結(jié)論

(1)研制了適用于煤礦井下頂板高位大直徑定向鉆孔施工用?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿，該鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，完全滿足孔徑153 mm以下鉆孔施工要求。

(2)研制的?73 mm高韌性高強(qiáng)度鉆桿采用“雙頂”接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了螺紋結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)，解決了定向鉆孔擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿斷裂、粘扣及捋扣的問題;實(shí)踐表明，采用該鉆桿進(jìn)行定向擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工時(shí)，先導(dǎo)孔軌跡強(qiáng)造斜段平均造斜強(qiáng)度不宜超過1.5°/m。

(3)該鉆桿的成功研制為煤礦井下頂板高位定向鉆孔擴(kuò)孔施工提供了新裝備，可推廣應(yīng)用于其它工程鉆孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和擴(kuò)孔施工中。

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Development of Drilling Tool for Large Diameter Long Horizontal Borehole at High Position of Roof

/DONG Mengmeng，TIAN Dong-zhuang，ZHU Ning(Xi’an Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corp.，Xi’an Shaanxi 710077，China)

The thread gluing，bending and fracture of conventional drill pipe often occur during large diameter long horizontal directional borehole drilling at the high position of coal mine roof.The analysis is made on the working state of drill string and the stress mode of drill string and finite element analysis mode are established，the main reasons of pipe failure is defined.By optimizing thread tooth type and joint connection form，?73 drill pipe is developed with high toughness and strength，which can overcome drill pipe rupture，thread gluing and some other disadvantages to meet the requirements of large diameter long horizontal directional borehole drilling construction at high position of coal mine roof.

gas drainage;directional drilling;high toughness and high strength drill pipe;screw structure;finite element analysis

P634.4+2

A

1672－7428(2017)03－0048－05

2016－06－21;

2017－01－12

董萌萌，男，漢族，1983年生，助理研究員，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，從事鉆探機(jī)具設(shè)計(jì)開發(fā)及制造工藝研究工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)，dongmengmeng@cctegxian.com。