煤礦井下雙級雙速擴孔技術(shù)研究與應用

趙建國，李泉新，劉建林，楊冬冬

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

頂板高位大直徑定向鉆孔是工作面采動影響區(qū)卸壓瓦斯抽采治理的重要手段[1-2]，具有鉆孔軌跡精確可控，鉆孔利用率高，布孔靈活，不需要輔助施工專用高位鉆場，瓦斯抽采濃度高，便于資源化利用等諸多技術(shù)優(yōu)勢[3-5]。頂板高位大直徑定向鉆孔不僅能夠抽采回采過程中采動影響區(qū)域的卸壓瓦斯，有效降低上隅角與回風流中瓦斯?jié)舛?，攔截鄰近層卸壓瓦斯，而且還能抽采回采后期采空區(qū)的瓦斯，提高瓦斯抽采利用率，經(jīng)濟及社會效益顯著。現(xiàn)階段頂板高位定向長鉆孔主要施工方法為：先采用隨鉆測量定向鉆進技術(shù)施工軌跡可控的導向孔，隨后采用大直徑擴孔技術(shù)逐級擴大至目標直徑[6-7]。該施工方法發(fā)展相對成熟，具有施工簡單、鉆具配置靈活以及對鉆機設備能力要求較低等優(yōu)勢，已在國內(nèi)多個礦區(qū)推廣應用。但在長期的應用實踐過程中，該施工方法也逐漸暴露一些問題：首先，基于現(xiàn)有定向鉆具規(guī)格與組合形式的隨鉆測量定向鉆進技術(shù)在硬巖深孔中的鉆進效率提升空間有限，不能完全滿足采動卸壓瓦斯抽采治理對于進一步提高定向鉆孔鉆進成孔效率的需要；其次，隨著終孔直徑的進一步增大，一方面分級擴孔級數(shù)相應增加，綜合擴孔鉆進效率隨之下降[8]，另一方面孔內(nèi)擴孔鉆桿彎曲變形現(xiàn)象加劇，導致過早疲勞損傷，對于擴孔施工造成安全隱患[9]。針對上述問題，開發(fā)了頂板高位大直徑定向鉆孔雙級雙速擴孔技術(shù)。

1 雙級雙速擴孔技術(shù)原理

雙級雙速擴孔技術(shù)是一種充分利用鉆機機械動力和泥漿泵水驅(qū)動力，實現(xiàn)定向鉆孔的單次雙級大直徑增擴的高效擴孔技術(shù)。其擴孔鉆具組合由一級鉆頭、二級鉆頭、直螺桿馬達依次連接組成。具體工作原理(圖1)為：孔口泥漿泵泵送高壓循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動雙級雙速螺桿馬達轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過傳動軸帶動一級鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖，實現(xiàn)一級擴孔；同時，鉆機動力頭通過鉆桿柱、螺桿馬達殼體帶動二級鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖，實現(xiàn)二級擴孔。

圖1 雙級雙速擴孔技術(shù)原理Fig.1 Principle of two-stage and two-speed reaming technology

理論上，一級鉆頭轉(zhuǎn)速為螺桿馬達轉(zhuǎn)速與鉆機轉(zhuǎn)速的疊加。一級鉆頭直徑較小，可在先導定向孔的基礎(chǔ)上將鉆孔直徑增擴一級，同時釋放巖石內(nèi)應力使其破碎強度降低，然后二級大鉆頭跟進破碎臺階體巖石[10]。其技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在[11-12]：①一級鉆頭較二級鉆頭具有更高的轉(zhuǎn)速，有利于提高一級鉆頭的破巖效率，同時降低二級鉆頭的破巖難度，提高二級鉆頭鉆速；②雙級鉆頭轉(zhuǎn)向相反時，有助于降低鉆柱的附加轉(zhuǎn)矩；③一級鉆壓與二級鉆壓的匹配達到最優(yōu)時，更有利于快速鉆進；④轉(zhuǎn)向相同時，若一級鉆頭轉(zhuǎn)速高于二級鉆頭轉(zhuǎn)速，有利于延長鉆頭壽命；⑤適用于多類型鉆頭組合。此外雙級雙速擴孔技術(shù)能夠有效節(jié)約擴孔鉆進級數(shù)，有助于提升擴孔鉆進綜合施工效率，降低作業(yè)強度。

2 擴孔分級原理

雙級雙速擴孔的本質(zhì)是在1個鉆孔內(nèi)同時開展兩級擴孔施工。施工過程中，一級鉆頭與二級鉆頭破巖后會形成2個同心的破碎環(huán)，如圖2所示。其中，Rd為先導孔半徑，R0為終孔半徑，R為兩級破碎環(huán)分界面半徑。如何合理分配一級鉆頭與二級鉆頭碎巖面積，直接決定鉆頭的破巖負載，進而影響雙級雙速工具的整體擴孔效率。

圖2 雙級雙速擴孔破碎環(huán)Fig.2 Broken ring of two-stage and two-speed reaming

在鉆進效率最優(yōu)情況下，一級鉆頭與二級鉆頭的破巖效率應趨于平衡，即二者具有相對應的機械鉆速。此時一級鉆頭與二級鉆頭的破巖負載與驅(qū)動鉆頭破巖的動力輸出匹配，并使二者具有相同的碎巖比功，即一級鉆頭與二級鉆頭破碎單位體積巖石所輸出的能量相等。

假設孔底螺桿馬達與定向鉆機輸出功率P0為定值，一級鉆頭與二級鉆頭形成的破碎環(huán)截面積分別為

(1)

(2)

一級鉆頭與二級鉆頭的碎巖比功分別為

(3)

(4)

式中：P01為孔底螺桿馬達輸出功率，kW；S1為一級鉆頭破碎環(huán)截面積，m2；P02為定向鉆機輸出功率，kW；S2為二級鉆頭破碎環(huán)截面積，m2；v為機械鉆速，m/h。

令P1=P2相等，則有

(5)

將式(1)、式(2)代入式(5)得

(6)

在雙級雙速擴孔施工中，一級鉆頭破巖動力主要來源于雙級雙速螺桿馬達，二級鉆頭破巖動力主要來源于孔口鉆機。依據(jù)等碎巖比功理論，一級鉆頭與二級鉆頭的破巖面積應分別與雙級雙速螺桿馬達以及鉆機的輸出功率相匹配。以ZDY12000LD大功率定向鉆機與?105 mm螺桿馬達為例進行計算，鉆機額定功率為132 kW，按照輸出效率45%計算得到定向鉆機輸出功率P02為59.2 kW，螺桿馬達輸出功率P01為38.9 kW，先導孔半徑Rd為120 mm，擴孔終孔半徑R0為200 mm，由式(6)計算得出一級鉆頭與二級鉆頭切削分界面半徑為78.5 mm，考慮雙級鉆頭重合面及保徑8～15 mm，則一級鉆頭擴孔設計外徑為165～172 mm。

3 雙級雙速螺桿馬達研制

雙級雙速螺桿馬達是實現(xiàn)雙級雙速擴孔技術(shù)的關(guān)鍵。一方面，其輸出轉(zhuǎn)矩應能夠滿足一級鉆頭碎巖動力需要，另一方面，螺桿馬達本體強度能夠滿足二級擴孔鉆進破巖轉(zhuǎn)矩傳遞要求。綜合頂板高位定向鉆孔實際工況，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有螺桿馬達制造工藝，設計了雙級雙速螺桿馬達總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。主要由上接頭、馬達總成、萬向軸總成與傳動軸總成等組成。

1—上接頭；2—馬達總成；3—萬向軸總成；4—主軸總成；5—二級鉆頭；6—一級鉆頭圖3 雙級雙速螺桿馬達結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure sketch of two-stage and two-speed screw motor

3.1 馬達本體設計

馬達本體由定子殼體、萬向軸殼體與主軸殼體連接組成。本體外徑?105 mm，壁厚9 mm，內(nèi)徑?87 mm。本體采用42CrMo材質(zhì)，屈服強度σs≥930 MPa，抗拉強度σb≥1 080 MPa，屬于高強度結(jié)構(gòu)合金鋼。定子殼體、萬向軸殼體與主軸殼體之間采用1∶12的專用螺紋連接，螺紋螺距為5.08 mm，為保證螺紋連接強度，內(nèi)外螺紋厚度加厚3 mm；本體設計上緊轉(zhuǎn)矩為11 000～15 000 N·m，同時螺紋表面涂抹螺紋厭氧膠，卸扣轉(zhuǎn)矩可達15 000～20 000 N·m，達到螺紋防松，增大卸扣轉(zhuǎn)矩的目的。

3.2 馬達總成設計

螺桿馬達本質(zhì)上是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的能量容積式正排量動力轉(zhuǎn)換裝置[13]。馬達總成是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的動力核心，決定了螺桿馬達的性能。馬達總成結(jié)構(gòu)上主要由定子和轉(zhuǎn)子組成[14]。借鑒石油鉆井領(lǐng)域螺桿馬達設計經(jīng)驗，定子設計采用丁晴橡膠，采取熱壓注成形工藝在定子殼體內(nèi)壁形成具有一定幾何參數(shù)的螺旋橡膠襯套。轉(zhuǎn)子采用高強度合金結(jié)構(gòu)鋼，表面鍍鉻處理提高耐磨性能。馬達總成轉(zhuǎn)子、定子設計數(shù)量比為9∶10，螺距T=660 mm。

3.3 萬向軸總成選用

萬向軸總成又名萬向聯(lián)軸器，一般由2副萬向節(jié)加1根傳動軸組成，其作用是將馬達轉(zhuǎn)子的行星運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉(zhuǎn)動，將馬達產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速傳遞給傳動軸[15]。萬向軸總成的選用應綜合考慮其角向補償能力、傳動效率以及自身的承載能力。雙級雙速螺桿馬達采用的是大轉(zhuǎn)矩的直螺桿馬達，其軸向最大轉(zhuǎn)角相對單彎螺桿馬達較小，對于萬向軸總成的角向補償能力要求不高，但需要具有大的轉(zhuǎn)矩承載能力與傳遞效率，故選用花瓣式萬向節(jié)。

3.4 傳動軸總成設計

傳動軸總成的作用是將螺桿馬達的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向載荷。由于在鉆進過程中傳動軸所承受的負荷十分復雜[16-17]，并且具有很大的不確定性，再加上螺桿馬達生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的缺陷和損傷，傳動軸已成為螺桿馬達中最容易發(fā)生失效的部件之一[18]。相比定向鉆進用小直徑螺桿馬達，雙級雙速螺桿馬達傳動軸需要承受更大的軸向載荷，故采用了10組重型推力軸承組成軸承串。同時，考慮鉆頭切削孔底巖石過程中產(chǎn)生的徑向載荷，采用粉末冶金技術(shù)分別在TC靜套、TC動套內(nèi)、外壁嵌入硬質(zhì)合金耐磨片，克服徑向動載造成的表面磨損。此外，為保證與二級鉆頭的連接強度，對傳動軸殼體端部實施加厚處理，便于加工內(nèi)螺紋連接二級鉆頭。傳動軸總成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—上TC動套；2—上TC靜套；3—止推軸承；4—傳動軸； 5—傳動軸殼體；6—扶正軸承；7—下TC動套；8—下TC靜套圖4 雙級雙速螺桿馬達傳動軸總成Fig.4 Drive shaft assembly of two-stage and two-speed screw motor

3.5 連接模塊設計

一級鉆頭與二級鉆頭分別接于雙級雙速螺桿馬達傳動軸與傳動軸殼體前端，并通過螺紋與之連接。二級鉆頭安裝固定于傳動軸殼體下端之后，會對一級鉆頭的安裝拆卸形成干擾。為解決上述問題，在一級鉆頭鋼體側(cè)壁設計2個對稱的緊定螺釘孔，在傳動軸外壁與之對應位置設計2個緊定螺釘槽。二級鉆頭安裝固定之后，裝入緊定螺釘將傳動軸鎖死(圖5)，然后使用擰卸工具對一級鉆頭實施安裝或者擰卸，最后卸掉緊定螺釘，安裝堵絲后即可送入孔內(nèi)實施擴孔。

研制的?105 mm雙級雙速螺桿馬達樣機如圖6所示，詳細技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 雙級雙速螺桿馬達技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of two-stage and two-speed screw motor

4 擴孔鉆頭研制

通過雙級雙速擴孔分級研究，得出一級鉆頭與二級鉆頭破碎環(huán)邊界直徑，初步確定一級擴孔鉆頭與二級擴孔鉆頭設計尺寸，為一級鉆頭與二級鉆頭的結(jié)構(gòu)設計提供了依據(jù)與參考。鉆頭的結(jié)構(gòu)設計總體包括鉆頭冠部形狀設計，鉆頭布齒設計，切削齒工作角度設計等基本內(nèi)容。

PDC鉆頭常用的冠部曲線形狀有單圓弧、雙錐、雙圓弧、拋物線、圓弧拋物線、球形、平頂圓弧、平頂拋物線等類型[19]。鉆頭冠部形狀的確定原則如下：①有助于實現(xiàn)鉆頭設計；②切削齒在冠部易于布置，有足夠的布齒空間，保證相鄰切削齒不互相干涉；③冠部形狀易于加工。根據(jù)上述原則，鉆頭冠部形狀采用單圓弧與拋物線形狀刀翼。

根據(jù)等切削布齒原則保證每個復合片有大致相同的切削體積[20]，采用幾何學參數(shù)布齒方法，分別從PDC鉆頭徑向布齒與周向布齒2個角度對鉆頭布齒進行參數(shù)化設計。通過徑向布齒確定一級鉆頭采用4～5刀翼設計，二級鉆頭采用6刀翼設計，主切削齒直徑13.44 mm。根據(jù)鉆頭冠部輪廓線確定齒中心所在輪廓線，根據(jù)地層情況確定布齒密度，設計一級鉆頭主切削齒數(shù)量為15～20，二級鉆頭主切削齒數(shù)量為30～36。根據(jù)等切削原則，計算各個切削齒徑向位置R，從而得出軸向高度Hc和裝配角γ。

切削齒工作角度包括側(cè)轉(zhuǎn)角β與齒前角ψ，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角β主要作用是使切削齒在切削過程中產(chǎn)生側(cè)向推力，使巖屑向鉆頭外緣移動，以利于排除巖屑，減少泥包現(xiàn)象[21]。根據(jù)試驗研究及以往經(jīng)驗，隨著水力清理效果的提高，切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)對PDC鉆頭的工作性能沒有積極作用。因此，PDC擴孔鉆頭設計當中，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角沿螺旋線在4°～6°變化，由內(nèi)向外逐漸增大。齒前角ψ的大小直接影響到PDC鉆頭的破巖效果及使用壽命。小齒前角攻擊性較強，同時也會加劇PDC的磨損，大齒前角攻擊性弱、耐用性好，這就需要平衡考慮鉆頭的攻擊性與鉆頭壽命之間的關(guān)系。考慮頂板硬巖鉆進，齒前角選擇在10°～15°。

鉆頭參數(shù)化設計完成之后，利用三維設計軟件完成鉆頭體及切削齒造型設計，再結(jié)合布齒參數(shù)表完成切削齒的裝配，最后完成水力學設計與保徑設計。采用“NX-CAM+五軸加工中心”的數(shù)控制造技術(shù)對鉆頭鋼體進行加工。整個加工過程告別傳統(tǒng)的圖紙，在加工中心上一次裝夾成形，具有加工精度高、周期短的特點，保證齒窩精度和鉆頭體中復雜曲面高精度快速成形。鉆頭鋼體加工完成之后，采用釬焊工藝完成復合片、切削合金及保徑合金的焊接，最終加工形成直徑分別為153、165、172 mm三種規(guī)格的一級鉆頭與?200 mm的二級鉆頭(圖7、圖8)。

圖7 一級鉆頭Fig.7 First stage bit

圖8 ?200 mm二級鉆頭Fig.8 Secondary stage bit of ?200 mm diameter

5 現(xiàn)場試驗與效果分析

選擇在寺河礦某工作面開展了頂板巖層大直徑定向鉆孔雙級雙速擴孔技術(shù)現(xiàn)場試驗。試驗采用ZDY6000LD全液壓定向鉆機、BLY390泥漿泵車，配套YHD1000(A)隨鉆測量系統(tǒng)、?89 mm螺桿馬達定向鉆具組合，以及研制的?200/120 mm雙級雙速擴孔鉆具(圖9)，在工作面高位定向鉆場完成?200 mm頂板高位大直徑定向鉆孔2個。其中采用?200/120 mm雙級雙速擴孔鉆具組合累積擴孔進尺474 m，擴孔機械平均鉆速達到5.6 m/h，最高鉆速達到7 m/h，試驗鉆孔具體信息見表2。

圖9 雙級雙速擴孔鉆具實物Fig.9 Two-stage and two-speed reamer

表2 試驗鉆孔信息Table 2 Information of test drilling

試驗在?120 mm定向先導孔的基礎(chǔ)上，一次將鉆孔直徑擴大至 ?200 mm，滿足回采工作面卸壓瓦斯大直徑鉆孔高效抽采的同時，減少了擴孔作業(yè)級數(shù)，提高了大直徑擴孔鉆進綜合效率，縮短了鉆孔施工周期。同時在工作面回采階段，試驗鉆孔平均單孔瓦斯抽采效果良好，上隅角和回風流中瓦斯?jié)舛仁冀K控制在安全標準以內(nèi)，保證了回采工作面的順利推進。

6 結(jié) 論

1)根據(jù)石油鉆井領(lǐng)域螺桿馬達結(jié)構(gòu)原理，圍繞雙級雙速螺桿馬達殼體、馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成與連接模塊開展了設計研究，研制形成?105 mm雙級雙速螺桿馬達樣機，滿足雙級雙速擴孔動力與強度需要。

2)依據(jù)等碎巖比功理論，確定了一級鉆頭與二級鉆頭的合理邊界范圍，得出一級鉆頭擴孔設計外徑的理想范圍為165～172 mm。以此為基礎(chǔ)，采用參數(shù)化設計方法開展了一級鉆頭與二級鉆頭結(jié)構(gòu)設計，并加工形成?153、?165與?172 mm三種規(guī)格的一級鉆頭與?200 mm的二級鉆頭。

3)開發(fā)的雙級雙速擴孔技術(shù)與配套鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)頂板高位大直徑定向鉆孔的高效擴孔，在120 mm直徑定向先導孔基礎(chǔ)上將鉆孔直徑一次增擴至200 mm?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，擴孔鉆進機械平均鉆速達到5.6 m/h，最高鉆速達到7 m/h，在進一步增大頂板高位大直徑定向鉆孔終孔直徑的同時，有效的縮短了鉆孔綜合施工周期，為工作面采動卸壓瓦斯高效抽采定向長鉆孔快速成孔提供了新方法。