電鍍金剛石刀具在煤礦井下套管切割中的應(yīng)用

張 朋，王傳留，伍 濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 引言

隨著眾多礦區(qū)煤礦開采深度的增加，煤層底板突水治理顯得更加迫切和必要[1]，目前煤礦井下防治突水多采用注漿鉆孔施工進(jìn)行底板加固防水，在注漿鉆孔施工過程中鉆孔下入套管是較為常用的技術(shù)手段[2]。下套管工藝技術(shù)為后期煤礦開采提供了技術(shù)保障，但同時(shí)加固后埋藏在煤層段的套管為后期的采掘工作埋下了一些隱患，后期采煤過程中時(shí)常出現(xiàn)采煤機(jī)刀頭碰撞孔內(nèi)套管的情況，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備會(huì)造成損壞，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)影響采煤速度，降低生產(chǎn)效率，甚至危及巷道工作人員的人身安全。

為研究解決殘留孔內(nèi)套管影響煤層開采施工的問題，提出了對(duì)封孔套管進(jìn)行多段切割的方法，就是將高強(qiáng)度整體套管切割為眾多小段，使問題在采掘過程中更容易剔除。目前，煤礦行業(yè)很少有類似的套管切割工具，因此研制一種高效率定點(diǎn)切割多層套管的切割鉆具十分必要。金剛石由于其高硬度和優(yōu)良的力學(xué)性能，使金剛石工具成為加工各種堅(jiān)硬材料不可缺少的有效工具，目前金剛石工具在地礦碎巖時(shí)發(fā)揮著重要作用，本文將金剛石材料用于煤礦井下切割鉆具的切割刀頭。

2 注漿套管切割鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需具備以下特點(diǎn)：其一，將一段長(zhǎng)套管定點(diǎn)多次切割成為多段小套管，需要對(duì)切割鉆具進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來控制刀頭的開閉合，最終實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)切割，切割完畢后將刀頭回收至鉆具內(nèi)部，下鉆至下一切割點(diǎn)重復(fù)使用；其二，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝條件，注漿加固套管多采用地質(zhì)管材，因此對(duì)刀頭切削磨料設(shè)計(jì)加工需考慮使其具備高效率長(zhǎng)壽命切割鋼材的能力。

2.1 張開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

套管切割鉆具設(shè)計(jì)為伸縮式結(jié)構(gòu)，整套鉆具由鉆具腔體、活塞、銷軸、壓縮彈簧、切割刀頭等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。切割刀頭與活塞之間通過銷軸連接，活塞與腔體中間有壓縮彈簧，活塞在水壓作用下沿鉆具腔體上下活動(dòng)，帶動(dòng)切割刀頭實(shí)現(xiàn)張開與閉合動(dòng)作。壓縮彈簧的優(yōu)選、張開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、切割刀頭形狀及加工是該鉆具的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。根據(jù)水壓及流量變化對(duì)彈簧進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)較大直徑套管的切割，切割刀頭回收在切割鉆具內(nèi)，開始切割時(shí)刀頭能夠順利張開進(jìn)行套管切割，同時(shí)還要在切割時(shí)承受反作用力，因此，切割刀頭及切割鉆具的整體強(qiáng)度需要考慮，套管為金屬材質(zhì)，切割刀頭的材料要重點(diǎn)考慮。

圖1 切割鉆具開閉合結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic Diagram of the opening and closing Structure of a Cutting Tool

2.2 水路設(shè)計(jì)

金屬套管切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此切割刀具的水路設(shè)計(jì)也尤為重要，刀頭及時(shí)冷卻為高效切割套管提供了保障。切割鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沖洗液在鉆孔內(nèi)部循環(huán)，通過對(duì)水路設(shè)計(jì)可以保證沖洗液各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn)。在刀頭張開之前，活塞中心通孔較小，沖洗液在活塞上形成壓力差推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀頭完全張開，同時(shí)少量沖洗液通過活塞中心通孔和連桿通孔進(jìn)入刀頭部位，對(duì)刀頭進(jìn)行冷卻并起排鐵屑的作用。當(dāng)活塞推進(jìn)至卸壓鉆孔處，刀頭至此完全打開，此時(shí)鉆具中內(nèi)腔與卸壓孔連通，大量沖洗液從卸壓孔漏出，活塞受到的水壓力下降，最終活塞處沖洗液壓力保持靜態(tài)平衡可以保持刀頭始終處于張開狀態(tài)，待套管割透后關(guān)閉沖洗液，在壓縮彈簧的作用下將刀頭回收至鉆具體內(nèi)，水路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 切割鉆具水路設(shè)計(jì)Fig.2 Waterway Design of Cutting Tool

2.3 切割鉆具定點(diǎn)切割技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在連續(xù)將地質(zhì)管材切削為多段的過程中需要定點(diǎn)選擇某一小段進(jìn)行切割，這就要求鉆具在套管內(nèi)能實(shí)現(xiàn)刀頭的自由開閉合。目前，切割鉆具多采用沖洗液冷卻，因此切削刀頭張合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為沖洗液的泵量(壓強(qiáng)P)來控制，利用沖洗液在鉆頭內(nèi)活塞處形成的壓力差推動(dòng)彈簧壓縮(k)控制連桿前進(jìn)，從而控制刀翼張合的角度。設(shè)計(jì)當(dāng)沖洗液泵量小時(shí)，鉆具內(nèi)活塞處形成的壓力差較小，不足以抵消內(nèi)置彈簧的預(yù)緊力而使得刀翼閉合，實(shí)現(xiàn)在套管內(nèi)下鉆的過程，當(dāng)?shù)竭_(dá)定點(diǎn)切削位置后，加大沖洗液泵量使活塞截面壓力差大于彈簧預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)刀頭的大角度張開，在回轉(zhuǎn)力的作用下磨削套管直至割透套管。隨后繼續(xù)降低沖洗液泵量，刀頭在彈簧回彈力的作用下收回，刀頭回收入鉆具槽內(nèi)后繼續(xù)下鉆至下一個(gè)切割點(diǎn)。沖洗液泵量控制刀頭張合關(guān)系如下式計(jì)算(刀頭離心力忽略不計(jì))：

刀頭張開條件下，水壓力推動(dòng)活塞及連桿向前運(yùn)動(dòng)的壓強(qiáng)P需滿足條件：

式中:P為水的壓強(qiáng)，Pa

K為彈簧壓縮系數(shù)

S為卸壓孔與活塞的初始距離

R為活塞截面面積

r1為活塞中心水眼半徑

刀頭張開最大角度時(shí)，水壓力推動(dòng)活塞至卸壓孔處壓強(qiáng)P需滿足條件：

式中:r1為活塞中心水眼半徑

r2為卸壓鉆孔半徑

綜上所述，刀頭處于張開工作狀態(tài)，沖洗液壓強(qiáng)P應(yīng)滿足的條件為：

3 切割鉆具切割刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于切割鉆具的刀頭是旋轉(zhuǎn)張開的結(jié)構(gòu)，隨著張開角度的不同對(duì)鋼管的接觸點(diǎn)也在變化，在試驗(yàn)研究過程中，主要研究了直刀頭和弧形刀頭，設(shè)計(jì)思路就是盡量減少與鋼管接觸面積，提高切削效率，同時(shí)縮小工作層的有效工作區(qū)域，提高刀頭的使用壽命，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)弧形刀頭在切割第二層和第三層套管時(shí)比直刀頭切削面積小，具有更高的切削效率，另外，在刀頭安裝入切割鉆具內(nèi)部后，弧形設(shè)計(jì)可以有效減少管材對(duì)刀頭的摩擦阻力，便于刀頭的自由開閉合，最終確定采用弧形刀頭設(shè)計(jì)。

圖3 刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Structure Design of the Blade

4 金剛石刀頭加工工藝

鑒于電鍍金剛石鋸片在切削鋼材、石材等硬脆材料上的優(yōu)秀性能[3-4]，研究采用電鍍工藝制造孕鑲金剛石刀頭，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)孕鑲金剛石刀具性能的提高作了全方位的研究，影響金剛石刀具切削效率和壽命的因素主要有刀具胎體材料性能、金剛石刀具切削機(jī)理、金剛石出刃方式及金剛石粒度等[5]。通過對(duì)金剛石刀具切削機(jī)理及出刃規(guī)律的研究，本文設(shè)計(jì)了刀頭胎體結(jié)構(gòu)形狀，研究設(shè)計(jì)了電鍍刀頭胎體配方、研究了胎體孕鑲不同粒度的金剛石磨料對(duì)切削效率的影響。

4.1 電鍍工藝簡(jiǎn)介

電鍍工藝是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽(yáng)離子在基體金屬表面沉積而形成鍍層的一種表面加工方法。

4.2 電鍍金剛石刀頭胎體配方

電鍍金剛石制品是通過金屬電沉積過程，將一至數(shù)層金剛石磨料牢固地鑲嵌在金屬基體上的一種獨(dú)特制品[6]，電鍍金剛石工具在石材、鋼材、地質(zhì)鉆探等領(lǐng)域中一直具有效率高、壽命長(zhǎng)、磨削精度高的特點(diǎn)。電鍍金剛石工具中，鍍層金屬對(duì)金剛石起著包鑲和支撐工作，它決定著金剛石磨料是否能充分發(fā)揮切削工件的作用，電鍍刀頭中不同鍍層金屬還可以使得金剛石工具滿足多種性能要求[7-9]，金屬鎳是金剛石工具中使用最多的基體金屬材料，他具有較強(qiáng)的包嵌性和粘結(jié)性，同時(shí)鎳能與多種金屬冶金結(jié)合，采用電鍍工藝可根據(jù)胎體硬度等性能要求選用鎳-鈷合金和鎳-鉬合金進(jìn)行調(diào)節(jié)。本次電鍍刀頭胎體選用鎳基胎體，刀頭胎體采用以硫酸鎳NiSO4·6H2O為主鹽制成瓦特鍍鎳液配方，配方及電鍍工藝如表1所示：

表1 瓦特鍍鎳液配方

4.3 金剛石粒度對(duì)刀頭切削性能影響研究

金剛石粒度是決定鉆頭碎巖效率和使用壽命的重要參數(shù)，理論研究表明，當(dāng)鉆頭載荷相同，切入同一巖性的金剛石面積一定，則粗粒金剛石參與切削體積相對(duì)較大，有利于提高切削效率[10]；但同時(shí)粗粒金剛石切入巖石體積越大，金剛石本身便承受更大應(yīng)力，金剛石易破碎而壽命相應(yīng)減少，因此金剛石粒度選擇應(yīng)綜合二者關(guān)系設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)使用多種金剛石粒度混合分別加工2套切割鉆具，其中1#切割鉆具采用25/30目和30/35目金剛石混合，2#切割鉆具采用30/35目和35/40目金剛石混合，加工刀頭形貌如圖4所示：

圖4 電鍍刀頭形貌Fig.4 Morphology of the Electroplating Blade

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試制的2套切割鉆具在河南能化集團(tuán)趙固一礦注漿隊(duì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)使用鉆機(jī)為中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的ZDY3200S分體鉆機(jī)，鉆桿為Φ63.5mm外平鉆桿，使用SGB15-12注漿泵，現(xiàn)場(chǎng)切割套管為三層套管，三層套管外徑分別為Φ108mm、Φ127mm、Φ146mm，套管之間水泥加固，單層套管壁厚約4.5mm?，F(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)參數(shù)為回轉(zhuǎn)壓力2MPa，轉(zhuǎn)速120r/min，現(xiàn)場(chǎng)泵壓2～3MPa。其中1#切割鉆具共計(jì)進(jìn)行了3次切割，累計(jì)割穿6層套管，累計(jì)切割厚度為54mm，平均時(shí)效為11min/層(49mm/h)，鉆具損壞形式為金剛石脫落；2#切割鉆具試驗(yàn)進(jìn)行了1次切割，一次性割穿3層套管，累計(jì)切割厚度為27mm，平均時(shí)效21min/層(25.71mm/h)，詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，圖5為試驗(yàn)后的切割鉆具實(shí)物。

由以上數(shù)據(jù)可知，1#和2#切割鉆具均能一次性割穿多層套管，且切削效率較高，但套管直徑越大，相應(yīng)的切削量亦增大，切割效率呈降低趨勢(shì)。此次試驗(yàn)中，不同金剛石粒度的切割刀頭在切割效率上沒有較大的差別，試驗(yàn)用切割刀頭胎體材料為電鍍鎳，胎體硬度為維氏220HV，整體偏軟，胎體對(duì)金剛石的把持力不足，在刀頭切割套管時(shí)，刀頭的主要磨損形式為黏著磨損，金剛石顆粒出刃過快，導(dǎo)致不同粒度的金剛石顆粒無明顯差異，后期可通過調(diào)節(jié)電鍍鎳-鈷合金或鎳-鉬合金配比來提高胎體硬度，進(jìn)一步優(yōu)化刀頭。

圖5 切割鉆具實(shí)物Fig.5 Picture of the Cutting Tool

表2 切割鉆具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

(1)研制的切割鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在沖洗液泵量控制下能有效進(jìn)行電鍍刀頭的開閉合，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在煤礦井下可實(shí)現(xiàn)套管內(nèi)部多次定點(diǎn)切割，具有一定的推廣價(jià)值。

(2)電鍍金剛石刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材合理，通過電鍍工藝制造的刀頭胎體形貌平整，可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下套管的高效切割。

(3)由于刀頭的異形，實(shí)踐證明采用電鍍工藝制作的合理性，它將優(yōu)于金屬結(jié)合劑等其他方案。

(4)試驗(yàn)用電鍍金剛石刀頭胎體硬度偏低，后期可通過調(diào)節(jié)電鍍鎳-鈷合金或鎳-鉬合金配比來提高胎體硬度，以增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力，進(jìn)一步提高切割鉆具的壽命。