巷道下向小孔徑錨固孔鉆進(jìn)產(chǎn)渣特征及高效鉆頭設(shè)計(jì)

付孟雄，劉少偉，賈后省，馬念杰，張 英，盧運(yùn)海

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站，河南 焦作 454000；3.河南省礦產(chǎn)資源綠色高效開采與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南 焦作 454000；4.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；5.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；6.中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450000；7.四川華鎣山龍灘煤電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638600)

自20世紀(jì)90年代以來，錨桿支護(hù)以其顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性在煤巷圍巖控制中獲得了廣泛應(yīng)用，是巷道支護(hù)技術(shù)的一場革命。我國煤礦以井工開采為主，每年新掘巷道約12 000 km，其中近90%巷道以錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)形式為主。

近年來，我國煤炭企業(yè)對(duì)于深井巷道頂板及幫部的控制取得了諸多優(yōu)秀成果，主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制、錨固力增強(qiáng)與防衰減等技術(shù)發(fā)揮了重要作用，但在巷道底臌控制方面仍有較大研究空間。高應(yīng)力狀態(tài)下底板巖層受水平應(yīng)力或煤柱垂直應(yīng)力作用，產(chǎn)生塑性變形向巷道底板臨空區(qū)移動(dòng)是巷道底臌的主要原因。據(jù)此，部分學(xué)者以限制底板巖層滑動(dòng)為目的，采用底角、底板錨桿(索)對(duì)底臌控制進(jìn)行了嘗試，取得了較好效果。但底角、底板錨固孔均屬大角度下向鉆孔，在“三徑匹配”前提下，小孔徑錨固孔(孔徑28～32 mm)往往會(huì)出現(xiàn)鉆渣排出困難，鉆渣堵塞排渣通道，嚴(yán)重影響成孔效率。

鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)于鉆渣生成尺寸乃至排渣效果至關(guān)重要。近年來，我國油氣鉆井領(lǐng)域針對(duì)PDC鉆頭(復(fù)合金剛石鉆頭)刀片角度、密度、布設(shè)位置等進(jìn)行了大量研究，有效提高了PDC鉆頭破巖效率及使用壽命。但煤礦巷道錨固孔深度一般不超過10 m，在鉆打水平及上向錨固孔時(shí)成孔效率基本可以得到保證。因此，針對(duì)常用的PDC兩翼鉆頭(直徑28～32 mm)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究仍屬少數(shù)。部分學(xué)者嘗試改變鉆頭過流槽形狀、刀片傾角提高破巖效率，取得了有益進(jìn)展。少數(shù)學(xué)者研發(fā)了底板錨固孔“反循環(huán)”排渣鉆桿及配套鉆頭(直徑52 mm)，順利完成了底板錨固孔的施工。

現(xiàn)有針對(duì)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究均以提高破巖效率為目的，并未考慮對(duì)鉆渣生成尺寸的影響，目前礦用PDC兩翼式鉆頭所產(chǎn)粒徑大于2.5 mm的鉆渣占比近20%，錨固成孔多以水力排渣為主，特別是對(duì)于下向錨固孔而言，大尺寸鉆渣的存在會(huì)嚴(yán)重影響排渣效果。此外，鉆頭中鉆進(jìn)液流入及流出通道位置、尺寸，整體結(jié)構(gòu)對(duì)液渣混合流能量損失也有著極為重要的影響。

因此，針對(duì)上述問題，筆者采用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測方法，分析了現(xiàn)有PDC兩翼式鉆頭產(chǎn)渣尺寸及其周邊鉆渣運(yùn)移特征，設(shè)計(jì)了可有效降低鉆渣生成尺寸提高破巖效率的小孔徑下向錨固孔高效破巖鉆頭，并對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場對(duì)其工作性能進(jìn)行了成功驗(yàn)證，為煤礦巷道小孔徑下向錨固孔高質(zhì)量快速成孔提供理論參考與裝備支持。

1 PDC兩翼式鉆頭產(chǎn)渣特征分析

1.1 產(chǎn)渣尺寸特征分析

現(xiàn)場常用小孔徑PDC兩翼式鉆頭按照刀片形狀可整體劃分為全片型、半片型及直片型，全片型及半片型鉆頭刀片與垂直方向傾角均為17°，刀片直徑均為13.44 mm，但兩刀片間距卻不盡相同，為了探究刀片間距與鉆渣尺寸的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了巖石實(shí)鉆實(shí)驗(yàn)，利用全自動(dòng)液壓鉆孔機(jī)配合具有不同刀片間距的PDC兩翼式鉆頭(標(biāo)記鉆頭A～E)對(duì)粗砂巖進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)，探究不同刀片間距鉆頭鉆進(jìn)同種巖石時(shí)的成孔情況及鉆渣尺寸。

鉆孔深度均為20 mm，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，鉆速為0.7 mm/s，各鉆頭成孔狀態(tài)如圖1所示。各類鉆頭鉆孔底部均出現(xiàn)巖柱狀結(jié)構(gòu)，以下稱中心巖柱，正是由于鉆頭刀片均存在一定間距，中部區(qū)域巖石無法得到切削而形成的，且?guī)r柱斷面極不規(guī)則，可能是鉆頭刀片側(cè)表面提供剪力或鉆頭中心通水孔所在平面提供壓力將其破壞。中心巖柱平均直徑及體積按照由大到小順序依次為：鉆頭E、鉆頭D、鉆頭C、鉆頭B、鉆頭A，由此可知，中心巖柱大小隨著鉆頭刀片間距的增加而增加，這是由于刀片間距增加后，孔底中部巖石無法得到切削的區(qū)域增大，中心巖柱形成尺寸也會(huì)增加。

圖1 各類鉆頭成孔狀態(tài)

將各鉆孔生成鉆渣(粒徑大于1 mm)篩分為>2.5，1.5～2.5，1.0～1.5 mm三個(gè)粒徑組，利用MATLAB圖形識(shí)別技術(shù)獲取了各鉆孔生成鉆渣(粒徑大于)的平均等效直徑。各鉆頭產(chǎn)生鉆渣等效直徑以及不同粒徑分組鉆渣平均等效直徑隨刀片間距變化情況如圖2所示。

如圖2所示，在1.0～1.5 mm以及1.5～2.5 mm粒徑分組，各鉆頭鉆渣等效直徑均相差不大，各曲線相對(duì)集中，兩粒徑分組鉆渣平均等效直徑隨刀片間距增加基本無明顯變化，經(jīng)曲線擬合可知，兩粒徑分組鉆渣平均等效直徑隨刀片間距變化曲線近似水平線，關(guān)系式分別為：=-0.005+2.508以及=-0.001+1.690，可認(rèn)為平均等效直徑與刀片間距無明顯關(guān)系。對(duì)于>2.5 mm粒徑分組鉆渣，各鉆頭等效直徑曲線出現(xiàn)了明顯離散，鉆頭E、鉆頭D鉆渣等效直徑明顯高于其他鉆頭，其平均等效直徑隨著刀片間距的增加逐漸增大，擬合所得關(guān)系為：=0.269+2.283，表明>2.5 mm粒徑分組鉆渣的平均等效直徑與鉆頭刀片間距呈線性遞增關(guān)系。

圖2 鉆渣等效直徑及各粒徑分組鉆渣平均等效直徑隨刀片間距變化情況

綜上，對(duì)于PDC兩翼式鉆頭而言，刀片間距越大，孔底中心巖柱生成尺寸越大，粒徑>2.5 mm鉆渣生成尺寸也越大。因此，鉆孔底部中心巖柱是大尺寸鉆渣生成的主要來源，鉆頭刀片結(jié)構(gòu)、刀片間距是生成鉆渣尺寸的重要影響因素。

1.2 鉆頭周邊所產(chǎn)鉆渣運(yùn)移特征分析

盡管前述兩翼式PDC鉆頭刀片結(jié)構(gòu)不同，但各鉆頭刀片下部結(jié)構(gòu)基本一致，下部圓周直徑均小于鉆頭連接件直徑，連接件突出部分會(huì)阻礙鉆渣上升，且現(xiàn)有鉆頭下部圓周均設(shè)有缺口，缺口的存在會(huì)與連接件突出部分形成類似“窩”結(jié)構(gòu)，是鉆渣上升過程的主要聚集區(qū)域(圖3)，以上區(qū)域的存在會(huì)造成鉆渣的能量損失，不利于鉆渣的排出。

圖3 現(xiàn)有兩翼式鉆頭鉆渣運(yùn)移示意

為此以前述鉆頭E為例，建立只含鉆頭部分的FLUENT排渣模型，進(jìn)一步分析鉆頭周邊鉆渣運(yùn)移特征，數(shù)值模型如圖4所示，模型向長度為90 mm，鉆底設(shè)置長度為20 mm的產(chǎn)渣區(qū)域，錨固孔直徑設(shè)為34 mm，鉆頭連接件直徑為24 mm，進(jìn)液通道直徑6 mm，將鉆頭連接件與孔壁之間的環(huán)形通路設(shè)置為壓力出口邊界(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，即上返液攜帶鉆渣于此處排出。鉆進(jìn)液及上返液設(shè)置為流體域，連接件、鉆頭、錨固孔孔壁及孔底均設(shè)置為Wall，采用多重參考系模型(Multiple reference frame mode,MRF)穩(wěn)態(tài)攪拌流場進(jìn)行求解。鉆頭轉(zhuǎn)速為500 r/min，計(jì)算模型選用歐拉多相流模型，鉆進(jìn)液材料的密度為1 000 kg/m，黏度系數(shù)為0.001 kg/(m·s)，以向?yàn)殄^固孔軸向方向，設(shè)置重力加速度為9.81 kg/s，運(yùn)算步長均設(shè)置為2 000步。根據(jù)前述鉆渣尺寸測定結(jié)果，設(shè)置鉆渣粒徑為2.5 mm，體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0.2。

圖4 普通PDC兩翼式鉆頭排渣數(shù)值模型

鉆頭周邊鉆渣運(yùn)移軌跡、體積分?jǐn)?shù)及鉆頭所受剪力如圖5所示。

圖5 普通鉆頭周邊鉆渣運(yùn)移軌跡、體積分?jǐn)?shù)及所受剪力云圖

如圖5(a)所示，鉆渣在流出過程中在下部圓周缺口以及與鉆頭連接件形成的“窩”結(jié)構(gòu)處形成明顯聚集，且此處鉆渣由于受到阻礙上返速度明顯低于其他區(qū)域。圖5(b)為周邊鉆渣體積分?jǐn)?shù)及鉆渣對(duì)鉆頭剪力作用，由圖中P截面(=20 mm)可知，鉆桿連接件范圍內(nèi)(0～43 mm)鉆渣排出基本正常，未出現(xiàn)明顯鉆渣集中現(xiàn)象，此時(shí)鉆頭連接件所受鉆渣的剪力基本為0。在P截面(=43 mm)，鉆渣體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了局部升高，該截面為鉆頭下部圓周與鉆頭連接件交界位置，鉆渣主要集中于下部圓周“窩”結(jié)構(gòu)以及連接件突出部分，說明這些結(jié)構(gòu)阻礙了鉆渣的排出，形成了局部聚集，這些部位所受剪力對(duì)應(yīng)增加，此結(jié)果也與圖5(a)中鉆渣運(yùn)移軌跡相對(duì)應(yīng)，P～P截面體現(xiàn)了鉆頭的主要結(jié)構(gòu)，由于空間較寬闊，鉆渣只在刀片位置出現(xiàn)集中，這是鉆頭快速旋轉(zhuǎn)造成的，分析剪力云圖可知，中心孔噴出的鉆進(jìn)液在上返過程中對(duì)鉆頭刀翼以及中心孔區(qū)域形成了強(qiáng)烈沖擊，鉆頭承受剪力急劇增大，表明中心孔出口處受到上返鉆渣的強(qiáng)烈沖擊，極易造成中心孔堵塞。

1.3 綜合分析

根據(jù)前述研究結(jié)果可知，目前礦用PDC兩翼式鉆頭鉆進(jìn)破巖及排渣過程中存在以下不足之處：

(1)孔底均會(huì)形成中心巖柱，對(duì)破巖效率可能存在較大影響。

(2)中心巖柱破斷會(huì)生成較大尺寸鉆渣，極易造成排渣通道阻塞。

(3)現(xiàn)有鉆頭局部結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致鉆渣聚集，造成鉆渣上返能量損失，不利于鉆渣排出，同時(shí)鉆進(jìn)液出口一般位于鉆頭底部中心位置，易造成渣體堵塞。

基于上述不足之處，提出以下鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)策：

(1)改變鉆頭切削部位結(jié)構(gòu)，降低刀片間距，實(shí)現(xiàn)孔底中心巖柱完全在切削狀態(tài)下破壞，既可消除鉆進(jìn)過程中的孔底中心巖柱，也可提高破巖效率。

(2)優(yōu)化鉆頭整體結(jié)構(gòu)，避免因鉆頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鉆渣局部聚集影響排渣效果，最大程度保證排渣順利進(jìn)行。

(3)調(diào)整鉆進(jìn)液出口位置，充分利用鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力進(jìn)行排渣，降低鉆渣堵塞出口的風(fēng)險(xiǎn)。

2 高效破巖鉆頭設(shè)計(jì)

基于前述現(xiàn)有鉆頭不足之處，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種高效破巖鉆頭，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 高效破巖鉆頭結(jié)構(gòu)及破巖效果示意

為滿足 “三徑匹配”原則，考慮到排渣通道尺寸不應(yīng)過小，確定鉆頭直徑為32 mm。高效破巖鉆頭包括主切削刀片、副切削刀片、主刀翼、副刀翼、側(cè)通水孔、鉆頭連接部。高效破巖鉆頭為三刀片結(jié)構(gòu)，包括2片主切削刀片，1片副切削刀片，分別焊接于主副刀翼之上。主刀片與副刀片均為全片式結(jié)構(gòu)并排布置，傾角與市場現(xiàn)有PDC兩翼式鉆頭一致，材質(zhì)均為高強(qiáng)度復(fù)合金剛石，主副切削刀片直徑分別為10 mm以及6 mm。兩主刀翼呈中心對(duì)稱布置，主切削刀片較副切削刀片高出一定距離，其目的是孔底外圍巖石被主切削刀片切削一定深度后，孔底中心巖柱初步形成一定高度自由面后，副切削刀片開始對(duì)中心巖柱進(jìn)行切削，有利于提高破巖效率。鉆頭三刀片結(jié)構(gòu)的切削范圍包括了錨固孔孔底絕大部分巖石，使主副刀片共同對(duì)底板巖石進(jìn)行切削，可有效將孔底中心巖柱的破壞形式完全轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢髌茐?，從根本上降低產(chǎn)出鉆渣尺寸。

鉆進(jìn)液出口位于鉆頭下部側(cè)表面，偏離鉆頭軸心近6 mm，此位置不易受到上返鉆渣的干擾堵塞出口，且一旦形成堵塞，鉆頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也可將鉆渣甩出。兩側(cè)通水孔與中心軸線夾角為55°，可保證鉆進(jìn)液恰好入射至主切削刀片的破巖區(qū)域，相對(duì)于普通鉆頭又可起到更好地沖刷及降溫作用。

設(shè)計(jì)鉆頭在下部圓周并未設(shè)置缺口，鉆渣可沿排渣通道向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)圓周直徑與鉆頭連接件相同，避免了鉆渣在鉆頭與連接件處形成聚集區(qū)域(圖7)。

圖7 設(shè)計(jì)鉆頭附近鉆渣運(yùn)移路線示意

3 鉆頭鉆渣運(yùn)移特征及進(jìn)出液通道尺寸優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)鉆頭周邊鉆渣運(yùn)移特征分析

建立只含設(shè)計(jì)鉆頭的FLUENT排渣模型，進(jìn)一步對(duì)比設(shè)計(jì)鉆頭與普通鉆頭孔底鉆渣的運(yùn)移特征，數(shù)值模型在邊界條件、鉆渣生成參數(shù)等方面與普通鉆頭相同，數(shù)值模型如圖8所示。

圖8 高效破巖鉆頭排渣數(shù)值模型

模型向長度為90 mm，錨固孔直徑設(shè)為34 mm，鉆頭連接件直徑為24 mm，高效排渣鉆頭鉆進(jìn)液入口直徑7 mm，側(cè)通水孔直徑5 mm。高效破巖鉆頭在排渣過程中周邊鉆渣體積分?jǐn)?shù)及鉆頭所受剪力如圖9所示。

圖9 高效破巖鉆頭周邊鉆渣體積分?jǐn)?shù)及所受剪力云圖

由圖9可知，在P截面處(=20 mm)，鉆渣分布情況與普通鉆頭相同，鉆渣排出基本正常，鉆頭連接件所受剪力略小于普通鉆頭。在P截面(=43 mm)，即鉆頭連接件與下部圓周交界位置，鉆渣體積分?jǐn)?shù)也并未明顯增加，這是由于高效破巖鉆頭取消了下部圓周的缺口設(shè)計(jì)，且下部圓周與鉆頭連接件直徑相同，避免了在交界位置形成鉆渣聚集區(qū)域，P截面附近所受剪力與連接件基本相同。P～P截面刀翼附近鉆渣體積分?jǐn)?shù)因鉆頭旋轉(zhuǎn)有所增加，但所受剪力明顯低于普通鉆頭，說明該處受鉆渣沖擊程度較小。這是由于高效破巖鉆頭側(cè)通水孔結(jié)構(gòu)使鉆進(jìn)液由與軸線呈55°的方向噴出，鉆進(jìn)液沖刷位置主要集中于主切削區(qū)域，兩側(cè)上返液會(huì)直接向中部聚集向上運(yùn)動(dòng)，由于側(cè)通水孔開口方向與鉆頭刀翼垂直，在破巖過程中上返液始終不會(huì)對(duì)鉆頭刀翼形成強(qiáng)烈沖擊，因此，鉆頭刀翼所受剪力較小，同時(shí)也有效避免了鉆渣堵塞側(cè)通水孔，圖10為鉆頭連接件周邊鉆渣上返速度與體積分?jǐn)?shù)曲線。

圖10 連接件周邊鉆渣上返速度與體積分?jǐn)?shù)曲線

如圖10(a)所示，設(shè)計(jì)鉆頭連接件周邊鉆渣上返速度顯著高于普通鉆頭，兩鉆頭平均速度分別為-3.39 m/s及-4.28 m/s，可見在進(jìn)液壓力相同時(shí)，液渣混合流在上返過程中受到普通鉆頭結(jié)構(gòu)較大的阻礙作用，出現(xiàn)了較大的能量損失，導(dǎo)致上返速度較大的下降幅度。圖10(b)為體積分?jǐn)?shù)曲線，普通鉆頭鉆渣體積分?jǐn)?shù)在鉆頭連接件周邊的體積分?jǐn)?shù)也高于高效破巖鉆頭，兩者體積分?jǐn)?shù)分別為0.008與0.002。

綜上所述，高效破巖鉆頭因其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，較普通鉆頭更能夠減少液渣混合流的能量損失，不易形成鉆渣局部聚集，使鉆渣具有更高的上返速度，更有利于鉆渣順利排出。

3.2 高效破巖鉆頭通水孔尺寸優(yōu)化

3.2.1 尺寸優(yōu)化依據(jù)

高效破巖鉆頭鉆進(jìn)液入口以及出口(兩側(cè)邊通水孔)尺寸對(duì)流速有著至關(guān)重要的影響(圖11(a))，因此，建立了高效破巖鉆頭鉆進(jìn)液流入至流出整個(gè)過程的能量方程，分析鉆進(jìn)液流出速度、鉆進(jìn)液入口截面直徑、側(cè)邊通水孔截面直徑之間的關(guān)系，能量守恒方程為

圖11 鉆頭通道流體力學(xué)模型及局部損失hbm與參數(shù)c關(guān)系

(1)

式中，為進(jìn)液壓力；為鉆進(jìn)液入口液面高度；為重力加速度；，，為動(dòng)能修正系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可近似為1；為鉆進(jìn)液入口處流速；為鉆進(jìn)液容重；，為側(cè)通水孔處壓強(qiáng)，均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；，為側(cè)通水孔處液面高度；，為側(cè)通水孔處流速，由于通道對(duì)稱，可近似認(rèn)為=；，為鉆進(jìn)液沿程損失與局部損失。

由不可壓縮流體連續(xù)性方程可知

=+

(2)

式中，為鉆進(jìn)液入口截面積；，為兩側(cè)通水孔截面積，=。

令=(>0)，由=且=，式(2)可進(jìn)一步表示為

(3)

那么側(cè)通水孔截面直徑與鉆液入口截面直徑關(guān)系為

(4)

由于鉆進(jìn)液由流入至流出路程非常小，因此，沿程損失以及鉆進(jìn)液入口液面高度均可忽略不計(jì)，此時(shí)，能量損失的主要來源為側(cè)通水孔截面尺寸變化造成的局部損失，式(1)可表示為

(5)

式(5)中除外，在邊界條件一定時(shí)其余量均為常量，式(5)可視為以為自變量，局部損失為因變量的二次函數(shù)，其曲線如圖11(b)所示，由圖11(b)可知，局部損失最小時(shí)(趨于0)為側(cè)通水孔最佳尺寸，此時(shí)可計(jì)算得參數(shù)為

(6)

式中，為鉆進(jìn)液密度。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，理想狀態(tài)下，進(jìn)液壓力=2 MPa時(shí)，入口壓力會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)將鉆進(jìn)液速度提升至約40 m/s，同時(shí)壓強(qiáng)也降低為1.2 MPa左右，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求得近似為1，則有

(7)

以式(7)為依據(jù)，可確定局部損失最小情況下高效破巖液通道尺寸與側(cè)通水孔的尺寸組合優(yōu)化方案。

3.2.2 進(jìn)出液通道尺寸優(yōu)化

以式(7)為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有鉆頭進(jìn)液通道尺寸，確定了進(jìn)液通道及側(cè)通水孔尺寸組合方案，通過FLUENT數(shù)值模擬軟件作進(jìn)一步比較，數(shù)值模擬方案見表1。

表1 數(shù)值模擬方案

不同尺寸組合方案時(shí)軸向測線測得的鉆渣向上返速度及體積分?jǐn)?shù)曲線如圖12所示。

圖12 不同通道尺寸組合時(shí)鉆渣z向上返速度與軸向體積分?jǐn)?shù)

通過在鉆渣出口所在過流斷面內(nèi)布置一條徑向測線，測得各方案鉆渣在該過流斷面內(nèi)上返速度以及體積分?jǐn)?shù)變化情況，如圖13所示。

圖13 不同通道尺寸組合時(shí)鉆渣上返速度與徑向體積分?jǐn)?shù)

如圖13(a)所示，過流斷面內(nèi)上返速度曲線形態(tài)基本一致，均在連接件與孔壁形成的環(huán)形通路中部達(dá)到最大值，各方案鉆渣平均上返速度按照由大到小順序依次為：方案3、方案4、方案1、方案2，圖13(b)為鉆渣體積分?jǐn)?shù)曲線，各方案鉆渣平均體積分?jǐn)?shù)按照由小到大順序依次為：方案3、方案4、方案1、方案2。

由以上分析可知，方案3(=7 mm，=4.9 mm)尺寸組合條件下，鉆渣上返速度最大，排渣效率最高。

4 高效破巖鉆頭破巖效果分析

4.1 高效破巖鉆頭破巖效率數(shù)值模擬分析

4.1.1 模型構(gòu)建

利用有限元數(shù)值模擬軟件，建立高效破巖鉆頭及前述鉆頭A～D破巖數(shù)值模型，對(duì)比設(shè)計(jì)鉆頭與常規(guī)鉆頭的破巖效率。為了便于分析，在不影響模擬結(jié)果前提下，對(duì)模型作了一定簡化：① 鉆進(jìn)過程鉆頭以垂直于巖石平面的方式進(jìn)行鉆進(jìn)；② 假設(shè)鉆頭為剛體；③ 巖石單元鉆進(jìn)失效后，默認(rèn)刪除，不再影響后續(xù)的鉆進(jìn)工作。

為簡化模型，只保留鉆頭刀片部分，巖石模型尺寸為100 mm×50 mm圓柱體，巖石類型為泥巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

鉆頭采用四面體網(wǎng)格劃分，巖石采用六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)中部鉆進(jìn)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。在鉆頭尾部施加推進(jìn)力6 000 N，扭矩140 N·m，鉆進(jìn)時(shí)長2 s，數(shù)值模型如圖14所示。

圖14 數(shù)值模型

4.1.2 不同類型鉆頭破巖效率分析

鉆進(jìn)至2 s時(shí)，各類型鉆頭成孔狀態(tài)及鉆進(jìn)位移如圖15所示。

圖15 不同種類鉆頭2 s時(shí)成孔狀態(tài)與鉆進(jìn)位移

如圖15(a)～(d)所示，鉆進(jìn)至2 s時(shí)，鉆頭A～D在鉆孔底部均形成了中心巖柱結(jié)構(gòu)，鉆頭刀片間距越大，中心巖柱尺寸越大，與圖1所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。圖15(d)中，在兩刀片中間形成了明顯的柱狀結(jié)構(gòu)(高度為9.48 mm，最大直徑8.40 mm)，巖柱頂端已與鉆頭出水口所在平面接觸，嚴(yán)重降低了鉆頭破巖效率。圖15(e)中孔底巖石在高效破巖鉆頭主切削刀片作用下，在孔底中部形成了一個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，副切削刀片對(duì)該平臺(tái)作進(jìn)一步切削，保證了孔底巖石均為切削破壞。

由圖15(f)可知，各類鉆頭2 s內(nèi)破巖深度按照由大到小順序依次為：高效破巖鉆頭、鉆頭A、鉆頭B、鉆頭C、鉆頭D，最大鉆進(jìn)深度達(dá)到了34.2 mm，最小深度為23.3 mm，平均鉆速按照由大到小順序依次為：24.16(高效破巖鉆頭)，15.46(鉆頭A)，14.47(鉆頭B)，12.46(鉆頭C)，11.48 mm/s(鉆頭D)。

(8)

式中，，，分別為鉆頭刀片受力監(jiān)測節(jié)點(diǎn)(圖16(a))受到巖石，，向作用力，kN；,,分別為柱坐標(biāo)下受力監(jiān)測節(jié)點(diǎn)受到的軸向力、切向力及徑向力；為受力監(jiān)測節(jié)點(diǎn)當(dāng)前柱坐標(biāo)環(huán)境下的方位角。

各鉆頭單個(gè)刀片整個(gè)切削過程平均攻擊性如圖16(b)所示，按照由大到小順序依次為：高效破巖鉆頭、鉆頭A、鉆頭B、鉆頭C、鉆頭D，且高效破巖鉆頭主副切削刀片攻擊性明顯高于其他鉆頭，攻擊性達(dá)到了5.16，表明其破巖效率明顯優(yōu)于其他4種鉆頭。

圖16 柱坐標(biāo)系下鉆頭單切削刀片破巖攻擊性

4.2 高效破巖鉆頭鉆渣生成尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前述研究結(jié)論，完成高效破巖鉆頭加工，如圖17所示。

圖17 高效破巖鉆頭實(shí)物

將高效破巖鉆頭與A～D四類鉆頭分別安裝于自動(dòng)鉆孔機(jī)，為達(dá)到更好的測試效果，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)高強(qiáng)度石灰?guī)r(單軸抗壓強(qiáng)度137.6 MPa)進(jìn)行了實(shí)鉆實(shí)驗(yàn)。通過分析所產(chǎn)鉆渣尺寸驗(yàn)證高效破巖鉆頭的破巖效果，實(shí)驗(yàn)過程如圖18所示。

圖18 高效破巖鉆頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中鉆機(jī)動(dòng)力保持恒定，鉆進(jìn)深度20 mm，高效破巖鉆頭鉆進(jìn)1號(hào)、2號(hào)2個(gè)鉆孔，其余鉆頭各鉆進(jìn)1個(gè)鉆孔(圖18(a))。圖18(b)為1號(hào)、2號(hào)鉆孔及鉆頭D的鉆孔成孔情況，由圖18(b)可明顯看出，兩鉆孔底部未見明顯柱狀結(jié)構(gòu)，在主副切削刀片作用下形成了平臺(tái)結(jié)構(gòu)，與圖15(e)數(shù)值模擬結(jié)果一致。經(jīng)測量兩鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)直徑分別為9.54 mm與9.14 mm，高分別為1.21 mm與1.16 mm，孔底圓盤表面較平整規(guī)則，未見明顯破斷痕跡，可見該結(jié)構(gòu)完全是在切削作用下形成的。其余4類鉆頭孔底均形成了明顯巖柱結(jié)構(gòu)，且?guī)r柱尺寸隨刀片間距的增加而增加，鉆頭D孔底中心巖柱尺寸最大。1號(hào)、2號(hào)孔鉆渣經(jīng)篩分后均未產(chǎn)生粒徑大于2.5 mm鉆渣，圖18(c)為MATLAB圖像處理后1號(hào)鉆孔最大鉆渣粒徑分組鉆渣(1.5～2.5 mm)與鉆頭D鉆孔最大粒徑分組鉆渣(>2.5 mm)對(duì)比。由此可知，高效破巖鉆頭極大程度上減小了孔底中心巖柱尺寸，使鉆孔中心區(qū)域巖石始終處于切削破壞狀態(tài)，避免了中心巖柱非切削破壞生成大粒徑鉆渣。對(duì)MATLAB圖形識(shí)別所得各鉆孔鉆渣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過廣義極值分布函數(shù)擬合后鉆渣尺寸(粒徑大于0.5 mm)等效直徑累積頻率分布曲線如圖19所示。

圖19 高效破巖鉆頭與各類兩翼式鉆頭所產(chǎn)鉆渣尺寸累積頻率分布曲線

由圖19可知，高效破巖鉆頭1號(hào)、2號(hào)鉆孔產(chǎn)生的鉆渣尺寸累積頻率分布曲線首先達(dá)到了統(tǒng)一，表明高效破巖鉆頭產(chǎn)生鉆渣的平均等效直徑最小，且大尺寸鉆渣產(chǎn)出量小于其他4類鉆頭，尺寸大于2 mm的鉆渣尺寸數(shù)量占比極小，其他4類鉆頭鉆渣等效直徑累積頻率分布曲線按照達(dá)到統(tǒng)一的先后順序依次為：鉆頭A、鉆頭B、鉆頭C、鉆頭D，可見鉆渣平均等效直徑隨鉆頭刀片間距增加而增加，且刀片間距增大后，中心巖柱體積不斷增大，導(dǎo)致其破斷后大尺寸鉆渣占比增加，特別是鉆頭D，其平均等效直徑5 mm以上鉆渣仍占據(jù)一定比例。

各類鉆頭鉆渣(粒徑大于0.5 mm)平均等效直徑、水平尺寸、豎直尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖20所示。

圖20 各類型鉆頭所產(chǎn)鉆渣平均尺寸對(duì)比

如圖20所示，各類鉆頭鉆渣的平均等效直徑、水平尺寸、豎直尺寸按照由大到小順序依次為：鉆頭D、鉆頭C、鉆頭B、鉆頭A、高效破巖鉆頭，可見高效破巖鉆頭較其他4種鉆頭具有更好的降低鉆渣尺寸的效果。綜上所述，設(shè)計(jì)鉆頭可較好地消除孔底中心巖柱，有效降低了鉆渣尺寸。

5 高效破巖鉆頭破巖效果現(xiàn)場試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)巷道概況及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)地點(diǎn)為河南某礦14205工作面回風(fēng)平巷，該巷道沿煤層底板掘進(jìn)，直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚3.40 m，單軸抗壓強(qiáng)度為49.7 MPa，基本底為L灰?guī)r，均厚9.57 m，單軸抗壓強(qiáng)度為40～60 MPa，巷道圍巖地質(zhì)柱狀如圖21所示。

圖21 14205工作面回風(fēng)平巷圍巖地質(zhì)柱狀

錨固孔深度為6 m，底板鉆進(jìn)試驗(yàn)分為Ⅰ，Ⅱ兩組，每組鉆打4個(gè)鉆孔，Ⅰ組利用高效破巖鉆頭(鉆孔編號(hào)為：Ⅰ，Ⅰ，Ⅰ，Ⅰ)，Ⅱ組采用鉆頭D(鉆孔編號(hào)為：Ⅱ，Ⅱ，Ⅱ，Ⅱ)，即32 mm兩翼式鉆頭進(jìn)行成孔，對(duì)各鉆孔成孔時(shí)長進(jìn)行記錄，將上返的液渣混合流進(jìn)行過濾，收集產(chǎn)生的鉆渣(每組各收集2個(gè)鉆孔的鉆渣，為了便于分析，僅對(duì)鉆進(jìn)前100 mm時(shí)的鉆渣進(jìn)行收集)并分析鉆渣的尺寸。

5.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

高效破巖鉆頭及鉆頭D施工過程如圖22所示，整個(gè)試驗(yàn)過程，底板鉆機(jī)轉(zhuǎn)速及推進(jìn)力均保持恒定，以鉆機(jī)進(jìn)尺0.5 m為單位，每進(jìn)尺一個(gè)0.5 m記錄一次時(shí)間。收集的Ⅰ，Ⅱ組鉆渣烘干后如圖23所示。

圖22 高效破巖鉆頭與普通兩翼式鉆頭成孔過程

圖23 經(jīng)烘干后的Ⅰ，Ⅱ組鉆渣(大于0.5 mm)

如圖23所示，由于井下環(huán)境復(fù)雜，在鉆渣過濾時(shí)混入了一些雜質(zhì)(淺色顆粒)，通過過濾剔除了大部分雜質(zhì)(粒徑小于0.5 mm)。由于雜質(zhì)與鉆渣顏色差異明顯，通過調(diào)節(jié)MTALAB圖形識(shí)別時(shí)的灰度，增強(qiáng)了兩者對(duì)比度，降低了分析誤差。由于所收集鉆渣均來自淺孔(100 mm)，因此，可保證所產(chǎn)鉆渣幾乎均被完全排出，由圖23可直觀地看出Ⅰ組鉆渣尺寸明顯小于Ⅱ組，Ⅱ組鉆渣中含有大量大尺寸鉆渣。經(jīng)MATLAB處理后，得到了Ⅰ組與Ⅱ組、1號(hào)及2號(hào)鉆孔鉆渣等效直徑累積頻率分布曲線及數(shù)量占比曲線，如圖24所示。

圖24 Ⅰ組與Ⅱ組鉆孔鉆渣等效直徑累積頻率分布、數(shù)量占比曲線及其均值

如圖24(a)所示，高效破巖鉆頭所成的Ⅰ，Ⅰ鉆孔等效直徑小于1 mm的鉆渣占比分別為0.58及0.49，鉆頭D所成的Ⅱ，Ⅱ鉆孔等效直徑小于1 mm的鉆渣占比分別為0.39及0.33，遠(yuǎn)小于前者。Ⅰ，Ⅰ鉆孔等效直徑在1～2 mm的鉆渣占比分別為0.40及0.45，Ⅱ，Ⅱ占比分別為0.53以及0.55，Ⅰ，Ⅰ鉆孔等效直徑在2 mm以上的鉆渣占比僅為0.02及0.06，Ⅱ，Ⅱ占比分別為0.08以及0.12，可見高效破巖鉆頭與普通PDC兩翼式鉆頭相比，產(chǎn)生的小尺寸鉆渣(小于1 mm)占比前者遠(yuǎn)高于后者，大尺寸鉆渣占比則遠(yuǎn)小于后者。如圖24(b)所示，Ⅰ，Ⅰ，Ⅱ，Ⅱ鉆孔所產(chǎn)鉆渣特征尺寸分別為0.806，0.850，0.952，0.934 mm，前者特征尺寸明顯小于后者。利用=0.9 mm的直線將曲線一分為二，由左半側(cè)可知，Ⅰ組鉆渣等效直徑在小于0.9 mm尺寸范圍內(nèi)的數(shù)量占比明顯高于Ⅱ組鉆渣，即Ⅰ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅱ，而Ⅱ組右半側(cè)等效直徑大于0.9 mm尺寸的鉆渣數(shù)量占比明顯高于Ⅰ組，即Ⅰ<Ⅰ<Ⅱ<Ⅱ，可見Ⅰ組小尺寸鉆渣占比多，大尺寸鉆渣占比少。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，Ⅰ組鉆渣最大等效直徑均小于3 mm，而Ⅱ組鉆渣最大尺寸達(dá)到了10.47 mm。由圖24(c)所示，Ⅰ，Ⅰ，Ⅱ，Ⅱ鉆孔所產(chǎn)鉆渣平均等效直徑分別為1.016，1.160，1.410，1.343 mm，可見高效破巖鉆頭所產(chǎn)鉆渣平均尺寸要低于普通PDC兩翼式鉆頭。Ⅰ，Ⅱ組鉆進(jìn)深度與時(shí)間曲線及平均鉆速如圖25所示。

圖25 Ⅰ，Ⅱ組各鉆孔鉆進(jìn)深度與時(shí)間曲線及平均鉆速

如圖25所示，在整數(shù)進(jìn)尺時(shí)，各曲線均表現(xiàn)為水平線，這是由于接長鉆桿占用時(shí)間造成的，各孔接鉆桿時(shí)長較為相近，均為60 s左右。在鉆進(jìn)深度小于1 m時(shí)，兩者鉆進(jìn)速度差別較小，但隨著鉆孔深度不斷增加，排渣效率受孔深影響越加明顯，加之Ⅱ組32 mm兩翼式鉆頭產(chǎn)生的大尺寸鉆渣產(chǎn)量不斷增加，排渣效率的不斷降低使鉆孔底部出現(xiàn)了鉆渣集聚，加之生成的中心巖柱無法有效切削，最終影響了鉆進(jìn)速度。相比之下，雖然Ⅰ組鉆進(jìn)速度有所下降，但整體依然明顯高于Ⅱ組，由于高效破巖鉆頭極大程度上降低了鉆渣的生成尺寸，使產(chǎn)生的鉆渣能夠及時(shí)排出，較大程度地減輕了孔底鉆渣積聚程度，此外，得益于高效破巖鉆頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，較普通鉆頭具有更高的破巖效率，進(jìn)一步提高了鉆進(jìn)速度。Ⅰ～Ⅰ鉆孔整體均值為4.79 mm/s，Ⅱ～Ⅱ鉆孔平均鉆速整體均值為3.72 mm/s，同樣表明Ⅰ組鉆孔成孔速度明顯高于Ⅱ組。

6 結(jié) 論

(1)現(xiàn)有PDC兩翼式鉆頭成孔后，鉆孔底部均會(huì)形成中心巖柱，并隨鉆頭刀片間距的增加而增加。中心巖柱是大尺寸鉆渣的主要來源，其尺寸越大，產(chǎn)生大粒徑鉆渣的平均尺寸也越大。因此，改變刀片結(jié)構(gòu)，消除孔底中心巖柱，是降低鉆渣生成尺寸的有效途徑，此外現(xiàn)有PDC兩翼式鉆頭結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致鉆渣局部聚集，造成鉆渣上返能量損失，不利于鉆渣排出。

(2)高效破巖鉆頭因其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，較普通鉆頭更能夠減少液渣混合流的能量損失，不易形成鉆渣局部聚集，使鉆渣具有更高的上返速度，更有利于鉆渣順利排出。主副刀片作用會(huì)使鉆孔平均鉆速底部巖石形成平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可保證孔底巖石均為切削破壞，消除了孔底中心巖柱，產(chǎn)生的鉆渣平均尺寸明顯低于其他類型鉆頭，也具有更高的破巖效率。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，高效破巖鉆頭有效降低了鉆渣生成尺寸，具有更高的成孔速度及排渣效率，對(duì)于錨固力提升也具有一定作用，工作性能良好。研究成果可為小孔徑下向錨固孔高質(zhì)量快速形成理論與裝備研究提供理論參考與裝備支持。