屯蘭礦穿層鉆孔鉆頭選型研究與應(yīng)用

李小平

(山西焦煤集團有限責(zé)任公司 屯蘭礦， 山西 太原 030206)

煤礦井下瓦斯抽采鉆探地層條件復(fù)雜，鉆頭選型對鉆探施工的效率具有重要的影響[1-3]. 目前，刀翼鉆頭廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采,從刀翼數(shù)量角度,鉆頭分為兩翼、三翼和四翼,具有平底、錐形和弧角形[4-6].

屯蘭礦施工瓦斯抽采鉆孔使用鉆頭為四翼平角鉆頭，8#煤層上方存在硬度較高的灰?guī)r，8#煤18407軌道巷施工瓦斯抽采穿層鉆孔，當(dāng)鉆進(jìn)到灰?guī)r部分時，會出現(xiàn)鉆進(jìn)阻力增大，鉆孔鉆進(jìn)效率低，甚至不進(jìn)尺的現(xiàn)象，難以滿足施工要求[7].

增大渣體流動通道，減小鉆頭表面受力的沖擊，是降低抽采鉆孔鉆進(jìn)阻力的有效措施。針對四翼平角鉆頭鉆進(jìn)效率低，排渣效果不理想等問題，建立了四翼平角鉆頭鉆進(jìn)三維模型和三翼弧角鉆頭鉆進(jìn)三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬并對比分析，以在抽采鉆孔施工過程中優(yōu)先選用合適的鉆頭。

1 四翼平角鉆頭與三翼弧角鉆頭結(jié)構(gòu)比較分析

四翼平角鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，由平角切削齒和內(nèi)嵌支柱切削齒組成,平角切削齒均勻分布在鉆頭外側(cè), 起主要切削作用, 內(nèi)嵌支柱切削齒低于平角切削齒高度, 在鉆進(jìn)過程中起到一定的保直作用, 增強鉆頭的穩(wěn)定性[8]. 在鉆進(jìn)過程中四翼平角鉆頭渣體流動通道小，會導(dǎo)致大量渣體堆積引起排渣不通暢，鉆頭表面與巖體接觸面積較大導(dǎo)致鉆頭所受力的沖擊較大，鉆頭切削齒在鉆進(jìn)過程中切削半徑相同，增大了鉆進(jìn)阻力，影響鉆進(jìn)效率[9]，見圖2.

圖1 四翼平角鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 四翼平角鉆頭鉆進(jìn)流動通道示意圖

三翼弧角鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，由弧形切削齒和內(nèi)嵌支柱切削齒組成，該鉆頭的錐形設(shè)計加強了鉆頭鉆入地層的能力。與四翼平角鉆頭相比，弧角鉆頭外側(cè)切削齒在不同的切削半徑上，鉆頭表面與巖體接觸面積較小，渣體流動通道大，鉆頭表面受到?jīng)_擊力較小，見圖4.

圖3 三翼弧角鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

施工瓦斯抽采鉆孔鉆進(jìn)時，增大渣體流動通道，減少鉆頭與巖體接觸面積，可以降低鉆孔鉆進(jìn)阻力。

圖4 三翼弧角鉆頭鉆進(jìn)流動通道示意圖

2 數(shù)值模擬

應(yīng)用軟件solidworks Flow simulation進(jìn)行模擬，建立鉆頭為四翼平角和三翼弧角的鉆具鉆進(jìn)模型，四翼平角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型見圖5，三翼弧角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型見圖6. 將鉆孔建立為理想的圓環(huán)狀，模型密封，模型觀測線設(shè)置在鉆頭處，長度為80 mm，距離中心軸線40 mm，鉆具繞中心軸旋轉(zhuǎn)。

2.1 模型邊界條件

1) 四翼平角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型。鉆桿設(shè)置為1 500 mm雙螺旋刻槽鉆桿，鉆頭為d113 mm四翼平角鉆頭，入口介質(zhì)選擇非牛頓體模擬鉆進(jìn)過程鉆屑和水的混合物，入口質(zhì)量流量0.5 kg/s，熱動力參數(shù)：靜壓101 325 Pa；溫度293.2 K；出口設(shè)置為靜壓；常規(guī)鉆具類型為真實壁面；粗糙度250 μm；繞中心軸旋轉(zhuǎn)，鉆具旋轉(zhuǎn)速度220 r/min.

圖5 四翼平角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型圖

圖6 三翼弧角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型圖

2) 三翼弧角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型。鉆桿設(shè)置為1 500 mm雙螺旋刻槽鉆桿，鉆頭為d113 mm三翼弧角鉆頭，其他邊界條件同四翼平角鉆頭鉆具鉆進(jìn)模型。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過計算，得到兩個模型觀測線長度與靜壓、速度、動壓的關(guān)系，見圖7，8，9. 模型鉆頭表面靜壓、速度、動壓分布云圖見圖10，11，12.

基于圖7，8，9可以得出，四翼平角鉆頭表面與模擬介質(zhì)接觸面積大于三翼弧角鉆頭表面與模擬介質(zhì)接觸面積，使得模擬鉆進(jìn)過程中四翼平角鉆頭鉆進(jìn)阻力大于三翼弧角鉆頭鉆進(jìn)阻力，與四翼平角鉆頭相比，三翼弧角鉆頭的弧形設(shè)計增加了鉆頭表面抗沖擊能力，在模擬鉆進(jìn)過程中鉆頭所受阻力一部分可沿弧面的切線分散出去。模擬速度曲線與動壓曲線波動規(guī)律一致，因為在同樣的鉆進(jìn)空間中動壓與流速呈線性相關(guān)，四翼平角鉆頭渣體流動通道小于三翼弧角鉆頭渣體流動通道，相同質(zhì)量流量介質(zhì)經(jīng)過流動通道截面越小，動壓和速度越大。

圖7 模型觀測線長度與靜壓的關(guān)系圖

圖8 模型觀測線長度與動壓的關(guān)系圖

圖9 模型觀測線長度與速度的關(guān)系圖

圖10 鉆頭表面靜壓分布云圖

圖11 鉆頭表面速度分布云圖

圖12 鉆頭表面動壓分布云圖

基于圖10，11，12得出，在模擬鉆進(jìn)過程中，四翼平角鉆頭外側(cè)切削齒表面靜壓接近相同，表明在鉆進(jìn)過程中四翼平角鉆頭的外側(cè)切削齒在同一切削半徑進(jìn)行切削，鉆進(jìn)所受阻力較大，三翼弧角鉆頭外側(cè)切削齒表面靜壓沿弧線遞減，弧形設(shè)計降低了鉆進(jìn)阻力。鉆頭鉆進(jìn)過程中，外側(cè)切削齒與鉆孔壁面摩擦，切削齒表面速度、動壓由外側(cè)向內(nèi)側(cè)均勻減小，在內(nèi)嵌支柱切削齒處最低。

通過數(shù)值模擬計算結(jié)果分析得出，在瓦斯抽采穿層鉆孔施工中，采用三翼弧角鉆頭可以增大渣體流動通道，減小鉆頭表面所受沖擊力，降低鉆進(jìn)阻力。

3 工業(yè)性試驗

工業(yè)性試驗地點為屯蘭礦8#煤層18407軌道巷。8#煤上覆存在11.5 m厚砂巖，砂巖上方為0.15 m厚煤線，煤線上方存在2.4 m厚灰?guī)r，綜合柱狀圖見圖13.

圖13 綜合柱狀圖

3.1 四翼平角鉆頭鉆具試驗方案及結(jié)果

使用d113 mm四翼平角鉆頭后接1根1.5 m長d73 mm刻槽鉆桿組合鉆具施工頂板穿層鉆孔，見圖14，15. 用續(xù)接刻槽鉆桿的時間代表鉆進(jìn)速度。

圖14 四翼平角鉆頭圖

圖15 1.5 m長d73 mm刻槽鉆桿圖

使用四翼平角鉆頭鉆進(jìn)時，在砂巖部分鉆進(jìn)速度約為3 min/根，穿過砂巖鉆進(jìn)到灰?guī)r位置時鉆進(jìn)速度約為5.9 min/根，平均速度約為3.5 min/根。

3.2 三翼弧角鉆頭鉆具試驗方案及結(jié)果

使用d113 mm三翼弧角鉆頭后接1根1.5 m長d73 mm刻槽鉆桿組合鉆具施工頂板穿層鉆孔，見圖16. 用續(xù)接刻槽鉆桿的時間代表鉆進(jìn)速度。

圖16 三翼弧角鉆頭試驗鉆具圖

使用三翼弧角鉆頭鉆進(jìn)時，在砂巖部分鉆進(jìn)速度約為2.6 min/根，穿過砂巖鉆進(jìn)到灰?guī)r位置時鉆進(jìn)速度約為5 min/根，平均速度約為3 min/根。

4 結(jié) 論

1) 鉆頭外側(cè)切削齒的形狀決定鉆頭鉆進(jìn)過程中鉆頭表面所受沖擊力的大小，三翼弧角鉆頭表面所受沖擊力可沿弧面切線分散出去。

2) 通過數(shù)值模擬分析可知，四翼平角鉆頭鉆進(jìn)阻力大于三翼弧角鉆頭鉆進(jìn)阻力，四翼平角鉆頭渣體流動通道小于三翼弧角鉆頭渣體流動通道，三翼弧角鉆頭排渣效果顯著，相同質(zhì)量流量介質(zhì)經(jīng)過流動通道截面越小，動壓和速度越大。

3) 通過工業(yè)性試驗得出，使用三翼弧角鉆頭施工瓦斯抽采穿層鉆孔，鉆進(jìn)到砂巖部分鉆進(jìn)速度約為2.6 min/根，鉆進(jìn)到灰?guī)r部分鉆進(jìn)速度約為5 min/根，平均鉆進(jìn)速度為3 min/根，平均鉆進(jìn)速度提高了1.16倍，鉆進(jìn)效率得到提高。