礦用卡夾式打撈鉆頭及打撈工藝流程的分析

馬明城

（潞安集團(tuán)漳村煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046031）

1 常見(jiàn)打撈技術(shù)缺陷

目前，礦井生產(chǎn)中所產(chǎn)生的斷鉆和卡埋鉆問(wèn)題，其最常見(jiàn)的處理辦法就是套銑打撈和絲錐造扣兩種。

1）絲錐造口打撈方法。主要對(duì)孔中鉆桿發(fā)生的斷落事故進(jìn)行處理。其流程為：將孔中的非斷落鉆桿進(jìn)行退出，之后再使用鉆桿將絲錐傳送到斷落處，適當(dāng)降低旋轉(zhuǎn)及給進(jìn)的速度，在鉆桿斷落部位來(lái)實(shí)施套桿及造口。這種方法的造扣流程較為復(fù)雜，常常需要進(jìn)行多次套桿造扣，極易導(dǎo)致絲錐出現(xiàn)滑絲或者報(bào)廢，尤其是地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜的孔，其打撈難度較大，并且人員操作強(qiáng)度較大。

2）套銑打撈技術(shù)。主要用來(lái)對(duì)鉆桿斷落及卡埋鉆等事故進(jìn)行處理。打撈鉆桿需要借助孔內(nèi)的鉆桿導(dǎo)向來(lái)將鉆頭撈出，并傳送到螺桿鉆的彎頭部位，利用鉆頭的內(nèi)壁變徑臺(tái)階來(lái)卡住螺桿鉆的凸起部位，借助螺桿鉆自身所具有的作用力來(lái)?yè)瞥鰯嗦湓诳變?nèi)的鉆具。這項(xiàng)技術(shù)主要適用于上行孔、近水平孔等，并且在打撈的過(guò)程中需要對(duì)鉆具凸起進(jìn)行多次套撈才可以完全卡住，但是對(duì)于一些下行孔、深孔等，以往的鉆頭無(wú)法依靠臺(tái)階構(gòu)造來(lái)卡住螺桿鉆具，尤其是地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜的深孔，其成功率較低[1]。

2 卡夾式打撈鉆頭的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

絲錐和套銑兩種打撈方法都存在一定的缺點(diǎn)，因此必須對(duì)原有的打撈模式及相應(yīng)的工具進(jìn)行改善，為此，設(shè)計(jì)出了卡夾式打撈鉆頭，分別為擠壓（見(jiàn)圖1）和套銑（見(jiàn)圖2）兩種。

圖1 擠壓卡夾式打撈鉆頭結(jié)構(gòu)

圖2 套銑卡夾式打撈鉆頭結(jié)構(gòu)

卡夾式打撈鉆頭的構(gòu)成部位主要有彈簧座、擋銷(xiāo)、鉆頭體等。三片夾持卡瓦的表面設(shè)置了相應(yīng)的咬桿鋸齒，它們主要分布于鉆頭體的T型槽之內(nèi)，并沿著其方向而進(jìn)行自由滑動(dòng)，其滑動(dòng)產(chǎn)生的距離則經(jīng)過(guò)連接頭的內(nèi)部臺(tái)階及鉆頭體上方的擋銷(xiāo)所控制，最終到達(dá)的部位為連接頭內(nèi)部的臺(tái)階上，夾持卡瓦呈現(xiàn)出張開(kāi)的狀態(tài)，滑向擋銷(xiāo)則呈現(xiàn)出夾持的狀態(tài)。彈簧在經(jīng)過(guò)彈簧座之后向夾持卡瓦同時(shí)施加了一定的推力，使其處于常閉夾持狀態(tài)。T型槽所保持的方向應(yīng)當(dāng)與鉆頭體的軸線保持較小的夾角，在進(jìn)入鉆桿之后，卡瓦、鉆桿等就成為了一種斜契自鎖裝置，確保孔內(nèi)的斷落桿保持一個(gè)牢固的夾持狀態(tài)。鉆頭體端部所配置的車(chē)輛存在一個(gè)導(dǎo)向斜面，在將斷落套桿成功套住之后，該鉆桿將會(huì)沿著斜面逐漸滑到卡瓦部位，并經(jīng)過(guò)卡瓦端部的相關(guān)切面而對(duì)卡瓦產(chǎn)生擠壓，對(duì)彈簧起到壓縮作用，促使卡瓦保持張開(kāi)狀態(tài)，斷落鉆桿在進(jìn)入到鉆頭之后，通過(guò)后拉或者停止操作就可以鎖住鉆桿。刀片在經(jīng)過(guò)銀釬焊的作用之后而固定于相應(yīng)的刀槽之內(nèi)，其主要用來(lái)清除孔內(nèi)存在的障礙，促使打撈鉆頭可以順利進(jìn)入到鉆具的斷落部位。

兩種打撈方法的關(guān)鍵區(qū)別在于連接接頭的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。套銑卡夾式所配置的連接頭，其內(nèi)孔的直徑必須要大于需要打撈的鉆桿直徑，保證其可以正常通過(guò)鉆頭的內(nèi)壁；而擠壓卡夾式所配置的連接頭，其內(nèi)孔設(shè)置有擠壓卡槽，與斷落鉆桿相互交錯(cuò)而被卡住，可以向斷落鉆桿傳遞相應(yīng)的扭矩。

兩種鉆頭所具備的相同特點(diǎn)如下：

1）與鉆桿形成接觸的卡瓦表面車(chē)配置了單向鋸齒，在將打撈鉆頭向后拉時(shí)，卡瓦的銳齒將會(huì)在斷落鉆桿部位產(chǎn)生一種咬痕，以提高鉆桿及卡瓦之間的摩擦系數(shù)，卡瓦表面需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的硬化處理，其硬度保持為HRC55-60；

2）打撈鉆頭保持較大的夾持直徑，可以將一些變形較為嚴(yán)重的斷落鉆桿進(jìn)行套??；

3）彈簧可以利用彈簧座來(lái)將一定的力施加給卡瓦，促使卡瓦保持同步的夾持操作；

4）彈簧座上端配置一定的保護(hù)段，不會(huì)對(duì)鉆桿產(chǎn)生較大的干擾；

5）T型槽部位相接觸的表面呈現(xiàn)較高的光潔度，且摩擦系數(shù)相對(duì)較?。?/p>

6）打撈鉆頭的前端部位設(shè)計(jì)為喇叭口狀，套桿較為光滑及順暢；

7）打撈鉆頭的端部配置了切削刀片，它可以有效清除掉孔內(nèi)的障礙，保證孔內(nèi)的暢通；

8）打撈鉆頭在作用于鉆桿的時(shí)候可以產(chǎn)生一種單向斜契自鎖，將鉆桿進(jìn)行牢固夾持；

9）鉆頭有著十分精巧的結(jié)構(gòu)，且制造技術(shù)較為簡(jiǎn)單，成本較低。

3 卡夾式打撈工藝

3.1 套銑卡夾式打撈工藝

在形成了卡埋鉆事故之后，最常見(jiàn)的處理技術(shù)就是“強(qiáng)力回轉(zhuǎn)及起下鉆”或者使用套銑技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，但是對(duì)于定向軌跡的施工階段所產(chǎn)生的斷落桿事故，其大多采取套銑技術(shù)來(lái)?yè)瞥鲢@頭，一般需要深入到鉆具的尾端，并且打撈的難度較大，成功率較低。而采取以卡瓦夾持形式為基礎(chǔ)的套銑技術(shù)，有效改善了卡勞難度較大的問(wèn)題，該技術(shù)還可以將定向鉆孔出現(xiàn)的鉆桿斷落問(wèn)題加以解決，圖3所示為孔內(nèi)鉆具采取的套銑技術(shù)。

套銑卡夾式打撈工藝處理過(guò)程為：

1）采取管鉗來(lái)將孔口部位的一根鉆桿卸掉，將鉆機(jī)上方的夾持器及卡盤(pán)進(jìn)行更換。

2）配置打撈鉆桿，采取套銑方式來(lái)將鉆頭撈出，并連接水辮，控制鉆機(jī)來(lái)確保打撈鉆桿可以將孔內(nèi)的鉆桿進(jìn)行套牢，并將鉆頭沿著孔內(nèi)的鉆桿傳輸?shù)姐@桿斷落部位，然后停鉆，將給進(jìn)及回轉(zhuǎn)的速度適當(dāng)降低，促使斷落套桿取出，在送入的時(shí)候同時(shí)也進(jìn)行了掃孔及銑孔等操作，可將孔內(nèi)障礙進(jìn)行有效清除。

3）將打撈鉆桿后拉，在彈簧力及拉力的影響之下將鉆桿鎖住。

4）將卡盤(pán)及卡瓦進(jìn)行及時(shí)更換，將斷落桿向外的可退鉆桿進(jìn)行退出。

5）將卡瓦進(jìn)行更換，通過(guò)打撈鉆桿將斷落桿拉出。6）將卡夾式鉆頭取出，實(shí)現(xiàn)打撈操作。

圖3 孔內(nèi)鉆具套銑打撈示意圖

3.2 擠壓卡夾式打撈工藝

在產(chǎn)生了斷落桿事故之后，與卡埋鉆事故相對(duì)比，卡夾式所采取的打撈技術(shù)存在一定的不同，在打撈鉆頭的時(shí)候擠壓卡夾式技術(shù)所采用的打撈鉆頭會(huì)隨著鉆頭與鉆桿內(nèi)壁中的臺(tái)階形成擠壓，其主要運(yùn)用于一般鉆孔施工階段所產(chǎn)生的斷落桿事故。普通鉆孔存在簡(jiǎn)單的軌跡，就如同一條直線，并且孔的深度較淺，在產(chǎn)生斷落桿事故的時(shí)候，最常采取的方法就是一般鉆桿結(jié)合絲錐，其不具備較高的成功率，而卡夾式則采取了常規(guī)的方法，利用卡夾式鉆頭來(lái)代替絲錐。圖4所示為孔內(nèi)鉆具擠壓打撈的圖示。

圖4 孔內(nèi)鉆具擠壓打撈示意圖

擠壓卡夾式工藝處理過(guò)程為：

1）將操作鉆桿從孔內(nèi)退出，就可以將施工鉆桿退出。

2）采用施工鉆桿來(lái)輸送打撈鉆頭，使其處于斷落部位。

3）適當(dāng)降低給進(jìn)及回轉(zhuǎn)的速度，促使打撈鉆頭可以將斷落桿的端部套住，斷落鉆桿可利用3片卡瓦夾住，斷落鉆桿的端部與鉆頭的內(nèi)壁臺(tái)階相互交錯(cuò)，形成擠壓。

4）將鉆桿進(jìn)行緩慢拉出，此時(shí)，由3片卡瓦來(lái)提供相應(yīng)的夾持軸向力，回轉(zhuǎn)扭矩則是利用斷落桿端部與鉆頭內(nèi)壁臺(tái)階之間形成的擠壓力所形成的。

5）將斷落桿拉出，并取下打撈鉆頭，實(shí)現(xiàn)打撈。

4 卡夾式打撈鉆頭卡緊鉆頭的條件計(jì)算及分析

卡夾式打撈鉆頭是否可以成功套住斷落桿，并將其撈出，其關(guān)鍵在于卡瓦夾持單元是否可以在退桿時(shí)產(chǎn)生自鎖。鉆頭體與鉆桿相互連接，其夾持的流程為：在將斷落桿的端頭套住之后，并持續(xù)向內(nèi)推，在端部的反向擠壓之下，3片卡瓦所配置的彈簧將會(huì)張開(kāi)，斷落桿端面的部分桿體將會(huì)轉(zhuǎn)入到卡瓦的咬合部位；此時(shí)，推桿停止，在彈簧力的影響之下卡瓦將會(huì)夾住鉆桿，并與鉆頭體組成一種自鎖機(jī)構(gòu)。

卡夾式打撈鉆頭處于夾持的狀態(tài)之下，其受力狀況見(jiàn)圖5，圖中：F1表示卡瓦與鉆頭相互接觸面之間的摩擦力，F(xiàn)2表示卡瓦與鉆桿之間所形成的摩擦力，F(xiàn)3表示退桿過(guò)程中向鉆頭施加的拉力，N1表示T型槽接觸面部位鉆頭體向卡瓦所施加的正壓力，N2表示鉆桿施加給卡瓦的正壓力，借助摩擦關(guān)系來(lái)對(duì)卡瓦產(chǎn)生作用，使其套住鉆桿。

打撈鉆頭將鉆桿進(jìn)行夾緊的基本條件：在向后拉打撈鉆頭的時(shí)候是否可以與鉆桿契緊而形成自鎖。若自鎖具備較強(qiáng)的效果，其夾持也會(huì)越可靠，即：

式中：f1和f2分別表示卡瓦與鉆頭體、鉆桿之間形成的摩擦系數(shù)；α為卡瓦與鉆頭體接觸斜面與鉆桿軸線之間的夾角。

當(dāng)卡瓦保持夾持狀態(tài)時(shí)，其所具有的平衡條件有:

圖5中所示N3為彈簧向卡瓦所施加的彈簧力，其主要作為在鉆頭卡瓦在閉合時(shí)的預(yù)緊力，因此并不會(huì)對(duì)自鎖的條件產(chǎn)生影響，可以忽略。因此，由式（1）和式（2）得摩擦系數(shù)關(guān)系式為：

根據(jù)式子（3）可計(jì)算出α=4°、8°時(shí)的摩擦系數(shù)，并繪制出兩者之間的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖6）。

由圖6可知，若摩擦系數(shù)f1=0.05，則當(dāng)α分別為4°和8°時(shí)，f2分別為0.12和0.19，因此，當(dāng)摩擦系數(shù)f2的數(shù)值較小時(shí)，其α就會(huì)越小，在產(chǎn)生自鎖的時(shí)候，卡瓦與鉆桿之間產(chǎn)生接觸時(shí)的摩擦系數(shù)f2也會(huì)越小，即T型槽部位的接觸面傾角、摩擦系數(shù)及卡瓦與鉆桿間的合摩擦系數(shù)在達(dá)到某個(gè)要求的時(shí)候，其卡瓦的時(shí)候才可以產(chǎn)生自鎖。

對(duì)上述因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)T型槽的接觸面保持6°、摩擦系數(shù)為0.1的時(shí)候，卡瓦咬合鉆桿在進(jìn)行接觸摩擦?xí)r，其系數(shù)為0.2，在此前提之下所生產(chǎn)出的打撈鉆頭可以實(shí)現(xiàn)自鎖要求，同時(shí)也不會(huì)增加成本[2]。

圖5 卡瓦夾持鉆桿時(shí)受力分析

圖6 摩擦系數(shù)關(guān)系函數(shù)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

1）卡夾式打撈鉆頭在設(shè)計(jì)時(shí)采取了3瓣式夾持，其構(gòu)造較為簡(jiǎn)單。在對(duì)鉆桿進(jìn)行夾持的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種斜契自鎖狀態(tài)，具備較強(qiáng)的牢固性；鉆頭具備較好的導(dǎo)向性，在打撈時(shí)可保持順暢；并且所夾持的鉆桿有著較大的直徑范圍。

2）與套銑與絲錐兩種形式相比，卡夾式技術(shù)在操作時(shí)極大降低了難度，且減輕了操作人員的工作強(qiáng)度。

3）當(dāng)卡夾式打撈鉆頭的T型槽在其接觸表面呈現(xiàn)出的傾角為6°，摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，該鉆頭在夾持的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)自鎖操作，其所需成本也不會(huì)提升。