巖層聯(lián)絡(luò)孔沖剪復(fù)合碎巖原理可行性研究

王傳留

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

“以孔代巷”技術(shù)具有成本低、效率高、周期短的優(yōu)點，在煤礦井下具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但受限于煤礦巷道尺寸，特別是輔巷或高抽巷，只能采用小型鉆機，在巖層施工大直徑聯(lián)絡(luò)鉆孔時，只能采用多級擴孔鉆進的成孔方法，該技術(shù)需要不斷更換鉆頭反復(fù)鉆進，存在施工效率低、周期長等缺點[4-6]。而采用氣動或液動潛孔錘沖擊鉆進，需要解決大功率空壓機防爆問題或配備大流量泥漿泵，不但受巷道條件和安全性限制，且成本高昂[7-13]。因此，本文研究新的碎巖方法和工具，利用現(xiàn)有的鉆探裝備，實現(xiàn)了巖層中大直徑聯(lián)絡(luò)孔優(yōu)快成孔，對煤礦降本增效、安全開采具有重要意義。

1 沖剪復(fù)合碎巖原理

目前，根據(jù)鉆頭類型和地層性質(zhì)不同，碎巖機理分為磨削碎巖、剪切碎巖和沖擊碎巖等[14-15]，不同碎巖機理各有優(yōu)點，比如中硬以上巖層，沖擊碎巖效率較高，而軟-中硬地層，剪切碎巖效率高。通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，研制沖剪復(fù)合鉆頭，包括內(nèi)釬頭、大功率沖擊器和外切PDC 鉆頭三部分(圖1)，外切PDC鉆頭與大功率沖擊器外管相連接，將高壓水-沖擊器-內(nèi)釬頭沖擊碎巖和鉆機-鉆桿柱-外切PDC 鉆頭剪切碎巖創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，實現(xiàn)煤礦井下巖層中大直徑聯(lián)絡(luò)孔高效快速成孔，同時降低鉆探裝備配置，達到“小馬拉大車”的應(yīng)用效果。

圖1 沖剪復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of punching-shearing composite bit

沖剪復(fù)合碎巖工作原理(圖2)：采用巷道內(nèi)高壓水驅(qū)動大功率沖擊器，作用于內(nèi)釬頭上，作為第一動力元，以沖擊功預(yù)裂地層，破壞巖層的整體構(gòu)造應(yīng)力，促進巖石中裂隙擴展并形成一定的體積破碎；同時鉆機帶動鉆桿柱回轉(zhuǎn)，驅(qū)動外切PDC 鉆頭，作為第二動力元，對預(yù)裂后的外側(cè)巖石進行剪切破碎；兩種碎巖方式同時作用，又相互獨立，從而實現(xiàn)煤礦井下巖層大直徑聯(lián)絡(luò)孔的高效成孔。

圖2 沖剪復(fù)合鉆頭碎巖原理Fig.2 The rock breaking mechanism of punching-shearing composite bit

2 沖剪復(fù)合鉆頭研制

2.1 總體方案設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場試驗條件，以?153 mm 沖剪復(fù)合鉆頭為例，進行總體方案設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。?153 mm 沖剪復(fù)合鉆頭主要由?92 mm 內(nèi)釬頭、?90 mm 大功率沖擊器和?153 mm 外切PDC 鉆頭三部分組成，內(nèi)釬頭和外切PDC 鉆頭切削面積之比為1︰1.7。在初始狀態(tài)下，內(nèi)釬頭工作面高出外切PDC鉆頭鼻部，使整個切削面呈凸面型，以保證鉆進時內(nèi)釬頭在沖擊載荷作用下首先破碎和預(yù)裂巖石，破壞巖層的整體構(gòu)造應(yīng)力。

2.2 內(nèi)釬頭設(shè)計

內(nèi)釬頭采用三翼整體式結(jié)構(gòu)，釬頭工作端面由3 個呈120°夾角的扇形區(qū)域組成，扇形區(qū)域的內(nèi)側(cè)設(shè)計3 個斜水眼，外側(cè)中部設(shè)計排屑槽，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。由于沖剪復(fù)合鉆頭切面較大，產(chǎn)生的巖屑較多，為保證巖屑順利排出來，需要合理設(shè)計釬頭水眼與工作端面的面積比。

圖3 內(nèi)釬頭結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of inner bit

釬頭工作端面形狀直接影響沖擊能量的傳遞效率和釬頭強度，為提高破巖效率，釬頭工作端面設(shè)計成雙錐凸面型，如圖4 所示。錐面傾角決定釬頭齒的受力狀態(tài)，參照國內(nèi)外礦山鑿巖用釬頭、潛孔釬頭的設(shè)計經(jīng)驗，將內(nèi)錐面傾角α設(shè)計為15°，外錐面傾角β設(shè)計為45°。由雙錐面及中心圓面組成的凸形工作面，能夠在相對較小的巖層破碎面積中產(chǎn)生較大的沖擊功，獲得較高的機械鉆速。內(nèi)釬頭齒選用PDC 柱齒和硬質(zhì)合金錐齒兩種方案，通過開展現(xiàn)場試驗，評價兩種方案的碎巖特點及磨損特征。

圖4 內(nèi)釬頭工作斷面形狀Fig.4 The shape of working section of inner bit

2.3 大功率沖擊器及連接設(shè)計

采用液動反作用式?jīng)_擊結(jié)構(gòu)，利用靜壓水流的壓力推動活塞沖錘上行，同時壓縮彈簧存儲能量；當(dāng)水流關(guān)閉時，彈簧釋放彈性能推動活塞沖錘加速向下運動，沖擊內(nèi)釬頭做功。其沖擊及連接機構(gòu)如圖5 所示，主要由后接頭、外管、彈簧、轉(zhuǎn)接頭、活塞錘、內(nèi)滑套以及錘體組成。

圖5 沖擊及連接機構(gòu)Fig.5 Impact and connection structure

后接頭一端與沖擊器外管相連，另一端與鉆桿相連。外管不僅要固定內(nèi)部各組件，保證連接可靠，還要為外切PDC 鉆頭提供靜壓和旋轉(zhuǎn)載荷，因此，外管采用高強度合金鋼，壁厚加厚設(shè)計。外切PDC鉆頭與外管通過錐螺紋連接，內(nèi)孔設(shè)計為花鍵型，用于連接內(nèi)釬頭，保證鉆壓及轉(zhuǎn)速能夠施加于內(nèi)釬頭上。

2.4 外切PDC 鉆頭設(shè)計

外切PDC 鉆頭冠部曲線設(shè)計為圓弧–拋物線型結(jié)構(gòu)，鉆頭鼻部到中心的距離和內(nèi)釬頭半徑相等，肩部和外錐采用長拋物線結(jié)構(gòu)，從而有利于增大外側(cè)切削齒的布齒密度，降低單齒切削載荷，減緩切削齒的磨損。圖6 為外切PDC 鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 外切PDC 鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of outer PDC bit

切削角的大小與破巖效果密切相關(guān)，切削角絕對值越大，切削齒的抗沖擊能力和抗研磨能力越強，適用于硬巖鉆進；為利于排屑，避免側(cè)向振動對切削齒的損壞，設(shè)計一定的側(cè)轉(zhuǎn)角[16-17]；為增強外切PDC 鉆頭的保直性和扶正能力，防止沖擊振動或地層不均勻造成鉆孔偏斜，鉆頭刀翼設(shè)計為五翼加長型直刀翼結(jié)構(gòu)。

3 現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗情況

圖7 為研制的?153 mm 沖剪復(fù)合鉆頭，沖擊器采用液動反作用沖擊器，額定工作壓力2～3 MPa，排量150～250 L/min，沖擊功124～156 J，沖擊頻率10～25 Hz；內(nèi)釬頭加工2 只，分別采用PDC 柱齒和硬質(zhì)合金錐齒。

圖7 沖剪復(fù)合鉆頭實物Fig.7 The photo of punching-shearing composite bit

鉆機采用ZDY3200S 分體式鉆機，整機質(zhì)量2 040 kg，外形尺寸2 300 mm×1 100 mm×1 560 mm，額定功率37 kW，額定扭矩3 200 N·m，額定轉(zhuǎn)速220 r/min，最大給進力 112 kN，最大給進速度0.22 m/s，給進起拔行程600 mm。

試驗地點位于陜西省渭南市白水縣林皋鎮(zhèn)，試驗場地在林皋湖西側(cè)約3 km 云臺山，該場地為云臺山廢棄采石場。試驗地層主要以砂巖為主，巖石抗壓強度為40～70 MPa，硬度大、研磨性強、可鉆性差。圖8 為試驗場地照片。

圖8 現(xiàn)場試驗Fig.8 The photo of experiment field

開孔采用?159 mm 刮刀鉆頭，鉆進200 mm；然后更換?153 mm PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭，鉆進進尺12 m；再換用?153 mm 硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭，鉆進至24 m 停鉆，起拔鉆具和鉆頭，觀察鉆頭磨損情況。

3.2 結(jié)果分析

鉆進過程中鉆桿每隔一米用藍色膠帶標(biāo)記，采用不同鉆壓，不同轉(zhuǎn)速對鉆進效率進行記錄(表1)。

表1 鉆進參數(shù)Table 1 Drilling parameters

圖9a 為PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭提鉆后照片，提鉆后外層PDC 鉆頭保持完好，釬頭PDC 柱齒基本無磨損。在泵壓2 MPa，流量230 L/min 情況下，PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭平均機械鉆速8.3 m/h，最大機械鉆速可達10 m/h。鉆壓和轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)對機械鉆速的影響不大，因而，該沖剪復(fù)合鉆頭可應(yīng)用于低鉆壓、低轉(zhuǎn)速鉆進工藝。

通過對排渣進行觀察分析，使用PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭鉆進的巖屑粒徑分為2 類，一種是顆粒狀，另一種是粉末狀(圖9b)。證明沖剪復(fù)合鉆頭碎巖方式包括沖擊器帶動釬頭的沖擊破碎和PDC 鉆頭的剪切破碎。釬頭沖擊地層首先在孔底內(nèi)側(cè)形成微裂紋，進而在PDC 切削齒剪切作用下對釬頭外側(cè)的巖層進行剪切破碎，該過程形成的巖屑以大顆粒狀為主；此外，外切PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)過程會對巖屑進行二次研磨，因而形成細砂狀巖粉。

圖9 PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭提鉆后照片及巖屑照片F(xiàn)ig.9 Photos of used PDC cylindrical toothed punching-shearing composite bit and the cuttings

圖10a 為硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭提鉆后照片，提鉆后外層PDC 鉆頭保持完好，但釬頭的硬質(zhì)合金錐齒有顯著磨損，且主要磨損分布在最外側(cè)6 顆錐齒上，最大磨損達1～1.5 mm。由于最外側(cè)錐齒回轉(zhuǎn)線速度最大，因此，降低回轉(zhuǎn)速度有助于減少硬質(zhì)合金錐齒的磨損程度。在泵壓2 MPa，流量230 L/min，轉(zhuǎn)速80 r/min 情況下，硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭平均機械鉆速6 m/h，最大機械鉆速可達8.6 m/h。同樣，鉆壓在一定范圍內(nèi)對機械鉆速沒有顯著影響。

通過對排渣進行觀察分析，使用硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭鉆進的巖心同樣包含2 種粒徑：釬頭沖擊作用產(chǎn)生的粗大顆粒狀和剪切磨削作用產(chǎn)生的細小粉末狀，如圖10b 所示。由于硬質(zhì)合金耐磨性低于PDC，因此，使用硬質(zhì)合金錐齒鉆進所排出的大粒徑巖粉占比要高于使用PDC 柱齒釬頭鉆進。

圖10 硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭提鉆后照片及巖屑照片F(xiàn)ig.10 Photos of used carbide taper toothed punching-shearing composite bit and the cuttings

綜上，?153 mm 沖剪復(fù)合鉆頭可配合ZDY3200S 分體式鉆機在硬質(zhì)砂巖地層中實現(xiàn)近水平孔的快速鉆進，鉆機轉(zhuǎn)速和鉆壓對機械鉆速影響較小，因而，該沖剪復(fù)合鉆頭可以實現(xiàn)小型鉆機的井下大直徑(?153 mm)一次成孔和快速鉆進。同時PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭的鉆進效率高于硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭，釬頭PDC 柱齒的抵抗磨損能力也優(yōu)于硬質(zhì)合金錐齒。

4 結(jié)論

a.通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，將剪切碎巖和沖擊碎巖創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，研制的沖剪復(fù)合鉆頭能實現(xiàn)“小馬拉大車”的鉆進效果，證明沖剪復(fù)合碎巖原理具有可行性，為煤礦井下巖層大直徑聯(lián)絡(luò)孔優(yōu)快成孔提供了新的研究思路。

b.研制了?153 mm 沖剪復(fù)合鉆頭，并采用小型鉆機在硬巖地層中進行了現(xiàn)場試驗，平均機械鉆速8.3 m/h，最大機械鉆速可達10 m/h，且轉(zhuǎn)速和鉆壓對機械鉆速的影響相對較小。結(jié)果表明，采用沖剪復(fù)合鉆頭能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下小型鉆機的大直徑一次成孔和快速鉆進。

c.由于PDC 柱齒的耐磨性優(yōu)于硬質(zhì)合金錐齒，PDC 柱齒型沖剪復(fù)合鉆頭的鉆進效率高于硬質(zhì)合金錐齒型沖剪復(fù)合鉆頭。

d.本文僅驗證了沖剪復(fù)合碎巖原理的可行性，尚需從理論上對沖剪復(fù)合鉆頭整體結(jié)構(gòu)、碎巖面積匹配及碎巖機理方面進行深入研究，進一步提高沖剪復(fù)合鉆頭的碎巖效率。