礦用大直徑鉆孔連桿式回拉擴孔鉆頭研發(fā)及應(yīng)用

米隴峰，王傳留，高曉亮，范運林，馬少明

(中煤科工集團 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

增大鉆孔直徑可以增大施工后形成的卸壓范圍[1]、增大孔內(nèi)暴露面積，從而提高瓦斯的抽采效率，也可減少鉆進工程量[2]。鉆孔抽放瓦斯一直是治理煤與瓦斯突出最常用的有效手段[3-5]，已在淮南礦業(yè)集團和晉煤集團等開始進行推廣應(yīng)用[6-7]。但受井下條件限制，一次完成大直徑鉆孔施工存在困難，目前普遍采用多級擴孔的施工方法，即完成小直徑先導(dǎo)孔施工后，提出鉆桿鉆頭，然后換成擴孔鉆頭和螺旋鉆桿，進行擴孔作業(yè)[8-11]。但是這種施工方法存在輔助鉆進時間長，排渣困難，成孔效率低，且易發(fā)生鉆孔偏斜，保直性差，影響后續(xù)下管作業(yè)等缺點，特別是當(dāng)鉆孔直徑較大時，孔內(nèi)煤渣多，且不易排出，不但影響擴孔軌跡，而且容易造成孔內(nèi)事故。

為了解決大直徑鉆孔施工存在的上述問題，開發(fā)了回拉擴孔鉆進工藝，研制了一套拆裝式大直徑鉆頭+扶正器+外平鉆桿的組合鉆具，進行回拉擴孔鉆進工藝施工[12]，該裝備及工藝不但具有擴孔速度快和鉆孔保直性好等優(yōu)點，而且大大降低了工人的勞動強度，施工效率相比牙輪鉆頭得到了明顯提升，滿足順槽聯(lián)絡(luò)巷大直徑鉆孔施工要求，取得了良好的應(yīng)用效果。但是，該方法需要在目的巷道通過人工更換大直徑鉆頭和扶正器進行回拉擴孔，因而僅適用于兩巷道聯(lián)通鉆孔施工，對于普通非聯(lián)絡(luò)巷等不能適用。

針對非兩巷道貫通大直徑鉆孔成孔存在的需要多次提鉆，施工效率低，鉆孔軌跡難以控制的問題，筆者設(shè)計了可開閉的?300/153 mm連桿式回拉擴孔鉆頭，通過調(diào)節(jié)泥漿泵流量的方法，使得鉆頭處于關(guān)閉或者打開狀態(tài)：即在正常鉆進中能保持閉合，不影響正常鉆進，在鉆進至設(shè)計孔深時，通過增加泥漿泵流量方式，推動鉆頭內(nèi)活塞運動從而帶動切削刀翼旋轉(zhuǎn)張開，在回轉(zhuǎn)的同時向后提拉鉆具，實現(xiàn)回拉擴孔。

1 回拉擴孔鉆頭結(jié)構(gòu)及原理

?300/153 mm連桿式回拉擴孔鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，回拉擴孔鉆頭主要由鉆頭鋼體、切削刀翼、活塞、連桿、復(fù)位彈簧、上接頭、下接頭和銷釘?shù)攘悴考?gòu)成。上接頭上端通過螺紋與鉆桿相連，下端與鉆頭鋼體連接，鉆頭鋼體內(nèi)部有活塞活動腔，活塞下安裝有復(fù)位彈簧，保證切削刀翼能夠在鉆井液壓力變小后保持閉合狀態(tài)，同時也保證出現(xiàn)卡鉆等事故后自動收回?；钊撞亢?個連桿通過銷釘相鉸接，可相對活塞自由轉(zhuǎn)動，連桿的另一端與切削刀翼相連接，可將活塞的軸向運動轉(zhuǎn)換為切削刀翼的旋轉(zhuǎn)運動。切削刀翼和鉆頭鋼體之間通過銷釘相連接，鋼體下端和下接頭相連接，下接頭可通過螺紋連接先導(dǎo)孔鉆頭。

1—上接頭；2—鉆頭鋼體；3—復(fù)位彈簧；4—活塞；5—銷釘；6—連桿；7—切削刀翼；8—下接頭圖1 回拉擴孔鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of back reamer

正常鉆進時，由于水壓較小，鉆井液作用于活塞的推力不足以克服彈簧的預(yù)緊力，活塞不能沿軸向移動，2個刀翼均保持閉合狀態(tài)，可進行先導(dǎo)鉆孔施工。當(dāng)完成鉆孔鉆進作業(yè)需要進行回拉擴孔時，增大泥漿泵的流量，鉆井液作用于活塞的推力大于彈簧的預(yù)緊力從而推動活塞沿軸向向前移動，切削刀翼逐漸張開。至切削刀翼與孔壁接觸時，開始進行造穴，當(dāng)切削刀翼和鋼體成90°夾角時，為切削刀翼張開到最大位置，可以進行回拉擴孔作業(yè)。當(dāng)擴孔作業(yè)完成時，關(guān)閉泥漿泵，活塞在復(fù)位彈簧的作用下沿著軸向退回，切削刀翼亦縮回至鋼體內(nèi)，對提鉆作業(yè)不產(chǎn)生影響。

鉆進過程中，切削刀翼的打開和閉合狀態(tài)切換是否靈敏可靠，關(guān)系到回拉擴孔鉆頭的設(shè)計和應(yīng)用能否成功。當(dāng)切削刀翼張開小于45°時，切削刀翼張開主要靠水壓推動活塞，當(dāng)切削刀翼張開角度大于45°時，水壓產(chǎn)生的推力還沒有達到平衡狀態(tài)，切削刀翼繼續(xù)張開，直到張開到90°。若出現(xiàn)水壓力不夠的情況，鉆機施加一定的拉力，切削刀翼可以輕松打開，保證了回拉擴孔時，切削刀翼能順利張開。

2 開閉機構(gòu)力學(xué)分析

?300/153 mm回拉擴孔鉆頭開閉機構(gòu)可簡化為曲柄滑塊機構(gòu)，如圖2所示。其中，圖2a和圖2b分別為刀翼閉合和張開位置時的機構(gòu)。當(dāng)滑塊處于最遠位置時，要求曲柄與滑塊運動軸線平行；當(dāng)滑塊處于最近位置時，要求曲柄垂直于滑塊運動軸線。翼片張開過程中避免了曲柄和連桿共線，故不會出現(xiàn)死點位置[13]。

圖2 極限位置時機構(gòu)示意Fig.2 Structure sketch of mechanism at extreme position

切削刀翼處于一般位置的狀態(tài)如圖3所示，其中：α為切削刀翼張角；β為連桿張角；L為連桿長度；e為偏心距；b為曲柄長度；h為連桿鉸支點與刀翼鉸支點之間的軸向距離；M為活塞對刀翼的推動力矩。

圖3 一般位置時機構(gòu)示意Fig.3 Schematic sketch of mechanism in general position

忽略連桿與滑塊、連桿與刀翼、刀翼與鉸支座之間的摩擦力矩以及滑塊與側(cè)壁之間的摩擦阻力。以活塞作為受力分析對象，如圖4所示，根據(jù)平衡原理可知：

F=2FLcosβ

(1)

式中：F為活塞所受推力；FL為連桿對活塞作用力。

圖4 活塞受力情況Fig.4 Force condition of piston

活塞對刀翼的推動力矩為

M=FLbsin (α+β)=FLlf

(2)

定義lf為活塞的推力傳遞到曲柄而對刀翼的等效力臂，由式(1)、式(2)得

lf=[b(sinα+cosαtanβ)]/2

(3)

由連桿與鉸支座位置的幾何位置關(guān)系，可得

Lsinβ=bsinα+e

(4)

聯(lián)立式(1)—式(4)得

(5)

因此，在活塞推力一定的情況下，刀翼所受力矩M(α,b,L,e)與切削刀翼張角α、曲柄長度b、連桿長度L和偏心距e等因素有關(guān)。

3 最佳傳力性能張開機構(gòu)尺寸的確定

3.1 偏心距及活塞行程的確定

由式(5)可知，為保證較好的傳力性能，應(yīng)該選取較大的偏心距e。實際中，鋼體的直徑為132 mm，正常鉆進成孔的尺寸為153 mm，考慮到鉸支座與鉆頭鋼體的強度，實際取e=40 mm。

活塞行程影響翼片張開靈敏程度：活塞的行程過大，會導(dǎo)致切削刀翼張開過于緩慢，影響張開效果；活塞行程過小，則切削刀翼張開過于靈敏，對復(fù)位彈簧的要求較高。慮到鉆頭軸向尺寸及翼片空間限制，確定的活塞行程為65 mm。

3.2 最佳傳力性能連桿及曲柄長度的確定

回拉擴孔鉆頭張開機構(gòu)應(yīng)保證切削刀翼張角α在0°～45°時具備足夠的張開力矩[14]?？紤]到α和β的實際意義，切削刀翼從閉合到張開的過程中α和β都是單調(diào)增加的。從切削刀翼初始閉合(α=0)到張開至與切削刀翼與連桿垂直(α+β=90°)位置，對于任意1組固定的偏心距e、連桿長度L和曲柄長度b的組合，由式(2)可得出M(α)為增函數(shù)，即切削刀翼張開的過程中所受的推動力矩是逐漸增加的。在此過程中，最小推動力矩出現(xiàn)在切削刀翼將要張開的初始位置(α=0)。此時，切削刀翼所受推動力矩M0為

M0=Feφ(b,L)

(6)

活塞的行程S可表示為

(7)

連桿長度L與曲柄長度b的數(shù)值關(guān)系可通過隱函數(shù)(7)來獲得。由式(7)可得

(8)

當(dāng)活塞行程S=65 mm時，連桿長度L與曲柄長度b的關(guān)系如圖5所示。

圖5 連桿長度L與曲柄長度b的關(guān)系Fig.5 Relationship between connecting rod lengthL and crank length b

在式(8)條件下，函數(shù)φ(b,L)與曲柄長度b的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，b=26 mm時，φ(b,L)取得極大值。根據(jù)式(7)可算出L=72 mm，由此得到連桿和曲柄長度組合使得刀翼具有初始最大推動力矩。

圖6 曲柄長度與φ(b,L)關(guān)系Fig.6 Relationship between connecting rod length and φ(b,L)

由上述方法確定的活塞行程以及連桿和曲柄長度組合，刀翼受到的等效力臂隨切削刀翼張角的變化趨勢如圖7所示。可看出，切削刀翼在張開過程中，受到的推動力矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。推動力矩最小值出現(xiàn)在刀翼的初始位置(張角為0°)，最大值出現(xiàn)在張角為56°位置處。

圖7 切削刀翼張角與等效力臂關(guān)系Fig.7 Relationship between blade tension angle and equivalent force arm of cutting tool

4 復(fù)位彈簧選型設(shè)計

復(fù)位彈簧的設(shè)計選型主要為控制初始預(yù)緊力和最大壓緊力。初始預(yù)緊力至少應(yīng)大于正常鉆進時水流對活塞的推力；最大壓緊力不宜過大或過?。哼^大會使刀翼張開阻力過大，過小則會影響刀翼的快速復(fù)位。受回拉擴孔鉆頭空間結(jié)構(gòu)限制，所確定的上接頭內(nèi)孔直徑為56 mm，活塞中心孔的直徑為25 mm，鋼體鉆孔的直徑為16 mm，切削刀翼未張開活塞臺肩與殼體活塞臺肩的距離為100 mm。

4.1 水流對活塞的推力分析

正常鉆進時，水壓產(chǎn)生的壓力差不足以克服彈簧的預(yù)緊力，切削刀翼處于閉合狀態(tài)，此時活塞未沿軸向移動，設(shè)計的水通過擴孔鉆頭的路線為上接頭—活塞—鋼體鉆孔—下接頭如圖8所示。對上述的水路圖經(jīng)簡化后如圖9所示，水通過活塞孔最終流出，可認為是自由水射流模型[15-16]。水流對活塞的作用力包括水流對活塞的臺肩的沖擊力FR1和水流從兩側(cè)流出時對活塞的沖擊力FR2，水流對活塞的推力為

FT=FR1+FR2

(9)

圖8 正常鉆進時水路Fig.8 Waterways for normal drilling

圖9 正常鉆進時流體力學(xué)示意Fig.9 Fluid mechanics sketch for normal drilling

入水口流量為Q，忽略水勢能變化和水頭損失，分別取截面1-1、2-2之間和截面2-2、3-3之間控制體，伯努利方程為[17-20]

(10)

(11)

式中：p1、p2、p3分別為截面1-1、2-2、3-3處的壓強；v1、v2、v3分別為截面1-1，2-2和3-3處流體的流速；ρ為流體密度。

連續(xù)性方程為

(12)

式中：d1、d2和d3分別為截面1-1、2-2、3-3的直徑。

截面3-3為自由流出，故p3=0。由式(11)、(12)可得

(13)

將截面1-1水流流向取為X方向，截面1-1、2-2 之間控制體的動量方程為

(14)

將截面2-2水流流向取為X方向，截面2-2、3-3之間控制體的動量方程為

(15)

現(xiàn)場試驗所用的泥漿泵量控制由泥漿泵檔位確定，由2個檔位控制鉆頭的開合，即2檔(149 L/min)時，鉆頭保持閉合，既能滿足正常鉆進時所需水量，又不能將鉆頭切削刀翼張開。當(dāng)泵量達到3檔及以上時(泵量194～300 L/min)時，鉆頭切削刀翼張開進行回拉擴孔鉆進。因此，可根據(jù)泥漿泵的臨界流量計算水流對活塞的推力范圍，以此作為依據(jù)進行復(fù)位彈簧選型設(shè)計。取正常鉆進時泥漿泵的流量為160 L/min，迫使切削刀翼張開的泥漿泵的最大流量為300 L/min，根據(jù)式(10)—式(15)可算出，正常鉆進時水流對活塞的推力為38 N、泥漿泵達到最大流量時水流對活塞的推力為137 N。

4.2 復(fù)位彈簧設(shè)計計算

彈簧在一般載荷條件下工作，可選用第三類彈簧，所使用的材料為50CrVA，其許用剪切應(yīng)力[τ]和切變模量G分別為750 MPa和80 000 MPa。

受回拉擴孔鉆頭空間結(jié)構(gòu)尺寸限制，所確定的彈簧中徑D為60 mm，彈簧最大壓縮量l2為40 mm，初步選取彈簧鋼絲直徑d為4 mm。根據(jù)泥漿泵達到最大流量時水流對活塞的推力計算結(jié)果，取初始彈簧壓縮的彈力為38 N、最大壓縮時彈簧所受的壓力為120 N。

1)曲度系數(shù)K和鋼絲直徑d計算公式分別為

(16)

(17)

式中：C為彈簧指數(shù)；F″為最大壓縮時彈簧的彈力。

2)彈簧剛度kF為

(18)

式中：F′為彈簧初始壓縮時的彈力；l1為彈簧初始壓縮時的高度；l2為彈簧最大壓縮時的高度。

3)彈簧圈數(shù)n為

(19)

4)彈簧總?cè)?shù)n0為

n0=n+2

(20)

5)彈簧節(jié)距p′為

(21)

其中，δ為彈簧鋼絲間距。

6)彈簧自由長度l0為

l0=nδ+(n0-0.5)d

(22)

7)彈簧的螺旋升角αl和展開總長L0分別為

(23)

(24)

取旋繞比C=6，最大變形時相鄰兩彈簧鋼絲間距δ=10，由式(24)及相關(guān)校驗公式計算并經(jīng)標準化得出彈簧的工作原理如圖10所示。

圖10 復(fù)位彈簧工作原理Fig.10 Working principle of reset spring

相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下: 彈簧有效圈數(shù)n=9，螺旋升角αl為5.61°，展開長度L0為2 083.4 mm；彈簧端部形式為YJ型，兩端并緊，每端面磨平3/4圈；熱處理后硬度45-50HRC。

5 現(xiàn)場試驗及效果分析

按照上述要求設(shè)計制造的?300/153 mm連桿式回拉擴孔鉆頭如圖11所示，該鉆頭在神華保德煤礦81309工作面進行了試用。試驗工作面屬8號煤層，位于山西組底部S3砂巖之上，煤層厚度在2.15～10.50 m，平均厚度7.36 m；純煤層厚度3.19～8.84 m，平均6.01 m；為中厚-特厚煤層，以厚煤層為主。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含夾矸0～8層，一般3～4層，夾矸總厚度0.3～2.6 m，平均厚度1.06 m。81309工作面鉆孔布置如圖12所示。

圖11 加工完成的回拉擴孔鉆頭Fig.11 Finished back reamer bit

圖12 81309工作面鉆孔布置Fig.12 Borehole layout of 81309 working face

試驗鉆具組合為：采用?98 mmPDC鉆頭+0.5 m×?73 mm扶正器+?73 mm摩擦焊鉆桿的鉆具組合開先導(dǎo)孔，再采用?153 mmPDC鉆頭+1.5 m×?151 mm扶正器+?73 mm摩擦焊鉆桿的鉆具。

工藝試驗按照以下操作規(guī)程：①在回拉擴孔鉆頭前連接?153 mm內(nèi)凹鉆頭，并針對現(xiàn)場水壓流量情況在孔口試驗鉆頭開合情況，確定開啟時流量；②進行正向鉆孔施工，施工一定深度后緩慢旋轉(zhuǎn)鉆頭，并增大水流量，待扭矩增大及返渣量增大后，提升鉆具，進行回拉擴孔鉆進；③完成?300 mm回拉擴孔成孔。

試驗共施工鉆孔4個，累計進尺336 m，其中5-13號鉆孔回拉擴孔施工16 m，5-15號鉆孔回拉擴孔施工20 m，5-14號鉆孔回拉擴孔施工150 m，5-16號鉆孔回拉擴孔施工150 m。鉆進過程中切削刀翼開合靈活，鉆頭鉆進穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)正常鉆進保持?153 mm鉆孔鉆井，回拉擴孔時實現(xiàn)?300 mm鉆孔回擴。鉆進336 m后鉆頭連接部件可靠，滿足了回拉擴孔鉆進工藝的要求。

6 結(jié) 論

1)?300/153 mm連桿式回拉擴孔鉆頭張開機構(gòu)采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)，切削刀翼在張開過程中，受到的推動力矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，推動力矩最小值出現(xiàn)在刀翼的初始位置；通過計算優(yōu)選的彈簧既不影響鉆頭切削刀翼的張開過程，也能迫使切削刀翼快速可靠復(fù)位。

2)現(xiàn)場試驗證明，?300/153 mm連桿式回拉擴孔鉆頭能夠?qū)崿F(xiàn)正常鉆進保持?153 mm鉆孔鉆進，回拉擴孔時實現(xiàn)?300 mm鉆孔回擴。鉆進過程中切削刀翼開合靈活，鉆頭鉆進穩(wěn)定，驗證了連桿式回拉擴孔鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及適用于普通非聯(lián)絡(luò)巷大直徑鉆孔成孔施工工藝的可行性。

3)?300/153 mm回拉擴孔工藝能夠?qū)崿F(xiàn)提鉆同時進行擴孔施工，改善了現(xiàn)有多級擴孔起下鉆次數(shù)多、輔助時間長等問題，為煤礦井下大直徑鉆孔施工提供了新的方案。