救援鉆孔用雙鉆頭扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)理論與實驗

高 科，張 聰，趙 研，李 旭，聞育民，呂曉姝，謝曉波

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130061；2.地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，吉林長春 130061；3.瓦薩大學(xué) 電氣工程與能源技術(shù)系，芬蘭 瓦薩 FIN-65101；4.阿爾托大學(xué)土木工程學(xué)院，芬蘭 埃斯波 FIN-02130)

應(yīng)急救援通道快速安全鉆進(jìn)技術(shù)作為礦山救援的重要方式，可在煤礦區(qū)安全事故發(fā)生后第一時間打通與被困人員聯(lián)系的生命通道，是一項有效實用的煤礦應(yīng)急救生、救援技術(shù)[1]。救援井施工主要有3 大要求：一是較高的鉆進(jìn)速度，二是較準(zhǔn)確的中靶率，三是保證鉆進(jìn)安全，防止二次事故的發(fā)生[2]。

目前，救援井的施工方面，國內(nèi)外主要采用的鉆進(jìn)方法是氣動潛孔錘沖擊鉆進(jìn)技術(shù)和復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)[3-6]。氣動潛孔錘沖擊鉆進(jìn)技術(shù)由于其碎巖特點，在鉆進(jìn)硬巖時具有很大優(yōu)勢，但在鉆遇松散覆蓋層、強富水含水層和裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層時，極易發(fā)生夾鉆和卡鉆事故[7]，且高頻沖擊避免不了隨鉆測量儀器發(fā)生嚴(yán)重振動，極大降低其壽命，影響救援效率。復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)是一種轉(zhuǎn)盤和井下動力鉆具同時驅(qū)動鉆頭工作的鉆進(jìn)方式，主要用于較深的礦井救援。這種方式通常需要輔助下套管以提高井筒穩(wěn)定，現(xiàn)有的施工經(jīng)驗顯示，每下放1 根套管，焊接耗時30～40 min，若以孔深360 m計算，下套管及固井候凝總耗時72 h，遠(yuǎn)達(dá)不到搶險救援的鉆孔施工要求[8]。此外，旋挖鉆進(jìn)法可應(yīng)用于大直徑救援井基巖層段的施工，然而在鉆進(jìn)軟硬交互地層時井斜控制困難，制約了其在礦山救援鉆井中的應(yīng)用[9]。綜合來看，現(xiàn)有的救援鉆孔技術(shù)存在著以下局限性：一是地面鉆機設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，鉆進(jìn)工藝復(fù)雜；設(shè)備系統(tǒng)的機動性較差，容易延誤救援的黃金時間。二是鉆頭對地層的擾動大，鉆頭的振動容易造成井壁的坍塌，從而導(dǎo)致二次事故，尤其是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，對半徑5 m 內(nèi)的巖體都可能造成破壞[10]。三是鉆孔垂直度低。目前的鉆進(jìn)工藝下鉆孔易發(fā)生傾斜，中靶率較低，難以滿足精準(zhǔn)透巷的目標(biāo)[11]。此外，復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦區(qū)應(yīng)急救援通道的構(gòu)建還存在地層適應(yīng)性差、鉆進(jìn)效率低的問題，同時還缺乏對井(孔)壁失穩(wěn)防護(hù)的研究[12]。

為了更加迅速有效地處理礦井突發(fā)事故，保護(hù)施工人員的生命安全，減少國家資源和財產(chǎn)的損失，研究一套對地層適應(yīng)性強、對井壁擾動小以及鉆進(jìn)精度高的救援鉆進(jìn)系統(tǒng)意義重大?；诖?，提出扭矩自平衡鉆進(jìn)原理，并研發(fā)扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)功能樣機，經(jīng)過理論分析和實驗研究，確定其在礦山鉆孔救援應(yīng)用的可行性，長期實現(xiàn)對地層擾動小、鉆進(jìn)速度快和中靶率高等要求。

1 自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)工作原理

1.1 扭矩自平衡鉆進(jìn)原理

扭矩自平衡原理的一個突出特點是“對稱平衡效應(yīng)”，即在同一個體上存在一對或一組相互作用的相似或相同受力體單元，它們之間對稱平衡。鉆頭作為破碎巖石的“先鋒”，必不可少，但鉆頭碎巖產(chǎn)生的反扭矩波動明顯，鉆柱的振動容易對地層造成較大的擾動進(jìn)而引發(fā)井壁坍塌[13]。究其原因不難發(fā)現(xiàn)，常規(guī)鉆進(jìn)方法主要利用鉆機通過鉆柱來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離扭矩平衡，這種平衡方法既低效又耗能[14]。鑒于此，如果能夠?qū)@頭碎巖產(chǎn)生的反扭矩利用起來破碎巖石，采用扭矩自平衡原理將鉆進(jìn)反扭矩“變廢為寶”，問題將迎刃而解。

扭矩自平衡鉆進(jìn)技術(shù)的原理是通過獨立逆向驅(qū)動內(nèi)外兩個鉆頭，實現(xiàn)雙鉆頭的同步回轉(zhuǎn)碎巖，使得近鉆頭形成局部閉式扭矩自平衡，鉆頭不再依賴上部鉆具和地面設(shè)備就能輕松碎巖進(jìn)尺。相比現(xiàn)有技術(shù)存在的局限性，該鉆進(jìn)方式具有如下優(yōu)勢：(1)采用近鉆頭驅(qū)動的模式，不再需要地面鉆機的回轉(zhuǎn)裝置，簡化裝備的同時還提高了能量利用率；(2)以雙鉆頭自平衡碎巖代替常規(guī)單鉆頭單向回轉(zhuǎn)碎巖，雙鉆頭的鉆進(jìn)反扭矩相互平衡，鉆頭工作穩(wěn)定，對地層的擾動小；(3)上部鉆具主要受簡單的軸向拉壓力作用，對井壁產(chǎn)生的擾動微弱；(4)雙鉆頭可實現(xiàn)交替給進(jìn)，兩只鉆頭在鉆進(jìn)過程中相互充當(dāng)導(dǎo)管的作用，該方式可有效降低鉆孔傾斜度，實現(xiàn)精確中靶。

1.2 逆向驅(qū)動數(shù)學(xué)模型

將扭矩自平衡原理以對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機為載體應(yīng)用到扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)上，實現(xiàn)內(nèi)外鉆頭的同步逆向驅(qū)動。根據(jù)對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機的工作原理[15]可知，電動機在一定結(jié)構(gòu)條件下可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子的同時逆向回轉(zhuǎn)(為方便說明，后文將其定義為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子)。對電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子同時加上負(fù)載，則其扭矩平衡力學(xué)分析如下。

如圖1 所示，根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動定律，可以得到雙轉(zhuǎn)子電機負(fù)載扭矩公式：

圖1 雙轉(zhuǎn)子電機工作原理Fig.1 Working principle of double rotor motor

式 中：J1和J2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；ω1和ω2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的角速度，rad/s；ωr為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的相對角速度，rad/s；T1和T2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的負(fù)載扭矩，N·m；Te為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的相互作用扭矩，N·m；t為時間，s。

根據(jù)式(1)、式(2)得出：

當(dāng)T1(ω1)=T2(ω2)時，上述式子有穩(wěn)定解。但在實際工作情況下，與內(nèi)外轉(zhuǎn)子相連的負(fù)載對二者反扭矩不可能一直相同。根據(jù)A.Kawamura 等[16]對電動汽車用對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機的驅(qū)動分析，假定電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子實現(xiàn)扭矩完全平衡，將內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速分別設(shè)為ω1p和ω2p。

當(dāng)滿足式(5)、式(6)時，可實現(xiàn)電機的扭矩平衡，即當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不相等時，仍可保證兩者的負(fù)載扭矩和電磁轉(zhuǎn)矩均相等。

經(jīng)過以上計算可知，對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機的內(nèi)外轉(zhuǎn)子同時逆向驅(qū)動一對負(fù)載時，在理論上可以實現(xiàn)反扭矩的相互平衡。

1.3 鉆進(jìn)系統(tǒng)功能

1.3.1 近鉆頭驅(qū)動局部扭力閉式自平衡功能

從扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的需求出發(fā)，確定了鉆具關(guān)鍵部分的功能和原理。如圖2a 所示，本鉆進(jìn)系統(tǒng)采用一個驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動內(nèi)外兩個鉆頭的方式，內(nèi)鉆頭與內(nèi)驅(qū)動轉(zhuǎn)子固定，外鉆頭與外驅(qū)動轉(zhuǎn)子固定。前期研究可知，孕鑲金剛石鉆頭的反扭矩來自鉆頭底唇面金剛石顆粒切削巖石產(chǎn)生的反力以及胎體與巖石的摩擦力，如圖2b 所示，經(jīng)過底唇面的尺寸設(shè)計，在理論上可以保證內(nèi)外鉆頭的鉆進(jìn)反扭矩大小相等、方向相反[17]，即 |T1|=|T2|。由于這一對反扭矩由驅(qū)動機構(gòu)承擔(dān)，那么對于驅(qū)動機構(gòu)而言，就可以實現(xiàn)近鉆頭驅(qū)動下的局部扭力閉式自平衡功能。

圖2 雙鉆頭自平衡驅(qū)動模型Fig.2 Dual-bit self-balancing drive model

1.3.2 內(nèi)外鉆頭鉆壓調(diào)節(jié)功能

盡管雙鉆頭在理論上可以達(dá)到扭力閉式自平衡，但在實際鉆進(jìn)過程中，由于地下巖石的非均質(zhì)性導(dǎo)致內(nèi)外鉆頭的鉆進(jìn)反扭矩不斷變化[18]，如果不加以控制，容易出現(xiàn)一只鉆頭卡死、另一只鉆頭空轉(zhuǎn)的情況。為了確保自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和扭矩平衡效果，需要實時調(diào)整內(nèi)外鉆頭的鉆壓，進(jìn)而使內(nèi)外鉆頭的反扭矩達(dá)到動態(tài)平衡。

由于鉆具整體施加在內(nèi)外鉆頭的總鉆壓是恒定的，為便于說明，假定鉆頭的鉆壓和反扭矩呈線性關(guān)系，可以得到內(nèi)外鉆頭的鉆壓與扭矩動態(tài)關(guān)系(圖3)，圖中藍(lán)色虛線表示內(nèi)鉆頭扭矩過大產(chǎn)生單外鉆頭回轉(zhuǎn)情況，紅色虛線表示外鉆頭扭矩過大產(chǎn)生單內(nèi)鉆頭回轉(zhuǎn)情況，當(dāng)合理控制內(nèi)外鉆頭鉆壓時，電機的內(nèi)外轉(zhuǎn)子反扭矩滿足式(5)和式(6)，此時可以實現(xiàn)雙鉆頭同步回轉(zhuǎn)且扭矩平衡。

圖3 內(nèi)外鉆頭鉆壓與扭矩動態(tài)關(guān)系Fig.3 Dynamic relationship between bit pressure and torque of inner and outer bits

為克服鉆進(jìn)過程中反扭波動現(xiàn)象，通過壓力傳感器實時監(jiān)測內(nèi)鉆頭的鉆壓，根據(jù)電機的負(fù)載扭矩變化實時調(diào)整鉆壓，從實現(xiàn)鉆頭與孔底之間摩擦系數(shù)改變時扭矩的動態(tài)平衡。

1.3.3 鉆具傳壓隔扭功能

由于驅(qū)動機構(gòu)采用的是內(nèi)外轉(zhuǎn)子同步回轉(zhuǎn)的近鉆頭驅(qū)動模式，整個鉆進(jìn)系統(tǒng)分成上部不回轉(zhuǎn)的鉆具和下部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動組件兩部分，要求二者必須保證在機械結(jié)構(gòu)完整的情況下滿足拉壓力的軸向傳遞以及回轉(zhuǎn)方向上的互不干擾。

為此，設(shè)計了圖4 所示的傳壓隔扭機構(gòu)，采用上下2 個推力軸承將上部不回轉(zhuǎn)部分與下部回轉(zhuǎn)部分分隔，在不影響驅(qū)動組件回轉(zhuǎn)的情況下實現(xiàn)軸向拉壓力的傳遞。該設(shè)計的優(yōu)勢在于，在鉆進(jìn)過程中，只有下部回轉(zhuǎn)部分進(jìn)行碎巖作業(yè)，上部不回轉(zhuǎn)的鉆具不會對井壁產(chǎn)生擾動，極大地提高了自平衡鉆具進(jìn)行鉆孔救援的安全性。

圖4 鉆具傳壓隔扭機構(gòu)原理Fig.4 Schematic of pressure transmission and torque isolation mechanism of drilling tool

2 自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬校核

2.1 閉式扭矩自平衡驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核

自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)采用近鉆頭閉式扭矩自平衡驅(qū)動模式，將鉆具近鉆頭部分進(jìn)行取心設(shè)計，該設(shè)計目的是觀察鉆后孔壁和巖心的受損情況，進(jìn)而直觀地判斷自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的微擾動行為，但在進(jìn)行救援鉆孔作業(yè)時，自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)可配備不同種類的全面鉆頭。如圖5 所示，電機的外轉(zhuǎn)子通過外鉆頭傳扭殼與外鉆頭連接對其進(jìn)行驅(qū)動，內(nèi)轉(zhuǎn)子與內(nèi)鉆頭傳扭軸滑鍵配合，通過取心筒與內(nèi)鉆頭連接對其進(jìn)行驅(qū)動。由于內(nèi)外鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相反，產(chǎn)生的反扭矩在回轉(zhuǎn)驅(qū)動組件處進(jìn)行平衡，對上部鉆具不產(chǎn)生任何扭力，進(jìn)而實現(xiàn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動組件的閉式扭矩自平衡功能。

圖5 鉆具閉式扭矩自平衡驅(qū)動結(jié)構(gòu)Fig.5 Closed torque self-balancing drive structure of drilling tool

另外，復(fù)雜的井下環(huán)境提高了鉆具對電子元件的密封要求。因此，在各零部件固定連接處設(shè)計了靜密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)鉆頭傳扭軸和外鉆頭傳扭殼的滑動配合處還設(shè)計了動密封結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)各電子元件在復(fù)雜惡劣環(huán)境下安全、穩(wěn)定地工作。

經(jīng)分析，由于中空電機通孔直徑有限，電機內(nèi)轉(zhuǎn)子通過帶動細(xì)長的內(nèi)鉆頭傳扭軸進(jìn)而對內(nèi)鉆頭施加較大的扭矩，且內(nèi)鉆頭傳扭軸與下接頭通過銷釘連接，該處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，故對其進(jìn)行強度校核。將內(nèi)鉆頭軸組的零部件材料設(shè)置為45 號鋼，其力學(xué)參數(shù)見表1。為方便分析，邊界條件設(shè)置為下接頭固定，在內(nèi)鉆頭傳扭軸上端施加360 N·m 的扭矩，模擬結(jié)果如圖6 所示。不難發(fā)現(xiàn)，內(nèi)鉆頭傳扭軸和下接頭的最大應(yīng)力為100～150 MPa，滿足強度要求，銷釘?shù)淖畲髴?yīng)力為601.6 MPa，超出其抗剪強度，故對銷釘?shù)臄?shù)量進(jìn)行加倍，以確保扭矩的安全傳遞。

表1 45 號鋼力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of 45 steel

圖6 內(nèi)鉆頭傳扭軸實物與應(yīng)力Fig.6 Torque transmission shaft of inner bit and its stress

2.2 內(nèi)外鉆頭鉆壓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

由于施加在內(nèi)外鉆頭上的總壓力一定，那么調(diào)節(jié)其中一只鉆頭的壓力即可調(diào)節(jié)內(nèi)外鉆頭的鉆壓。本鉆具通過內(nèi)鉆頭傳壓軸的軸向移動來調(diào)節(jié)內(nèi)鉆頭的壓力，如圖7 所示，具體方案：在鉆具上部不回轉(zhuǎn)部分設(shè)置一個調(diào)壓電機，其定子與鉆具固定，轉(zhuǎn)子與內(nèi)鉆頭傳壓軸通過絲桿配合。在內(nèi)鉆頭傳壓軸中部安裝一個傳壓隔扭機構(gòu)，并限制上部傳壓軸的回轉(zhuǎn)。調(diào)壓電機驅(qū)動絲桿回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)內(nèi)鉆頭傳壓軸的軸向調(diào)節(jié)。

圖7 鉆具內(nèi)外鉆頭鉆壓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.7 Pressure adjustment structure of inner and outer drill bits of drilling tool

為了實現(xiàn)內(nèi)外鉆頭鉆壓的精確調(diào)節(jié)，在內(nèi)鉆頭傳壓軸上設(shè)置了一個壓力傳感器，以實時檢測施加在內(nèi)鉆頭上的鉆壓。此外，還設(shè)置了位移傳感器用于雙鉆頭交替鉆進(jìn)時檢測內(nèi)外鉆頭的相對位置，扭矩保護(hù)器用于調(diào)壓電機的扭矩過載保護(hù)。

該部分結(jié)構(gòu)中調(diào)壓絲桿為核心部件，有必要對其進(jìn)行強度校核。為便于分析，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，極端條件下假定絲桿對內(nèi)鉆頭施加20 kN 的鉆壓，此時內(nèi)鉆頭傳壓軸及絲桿的受力狀態(tài)如圖8 所示，最大應(yīng)力為209.5 MPa，處于材料強度的安全范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖8 調(diào)壓絲桿強度校核應(yīng)力Fig.8 Strength check stress of pressure regulating screw rod

2.3 上部鉆具傳壓隔扭與導(dǎo)線防纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)外鉆頭獨立調(diào)壓的特點，需要分別對鉆具外殼(用于外鉆頭傳壓)和中心的內(nèi)鉆頭傳壓軸組設(shè)置傳壓隔扭機構(gòu)。圖9a 為外鉆頭組件的傳壓隔扭機構(gòu)，壓力通過上部不回轉(zhuǎn)鉆具傳遞給下部回轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)而施加給外鉆頭；圖9b 為內(nèi)鉆頭組件的傳壓隔扭機構(gòu)，壓力通過上部不回轉(zhuǎn)軸段傳遞給下部回轉(zhuǎn)軸段進(jìn)而施加給內(nèi)鉆頭。

圖9 鉆具傳壓隔扭與導(dǎo)線防纏繞結(jié)構(gòu)Fig.9 Pressure transmission and torque isolation of drilling tool and anti winding structure of conductor

此外，自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)終端通過數(shù)據(jù)線通信連接，為防止不回轉(zhuǎn)鉆具與回轉(zhuǎn)鉆具兩部分的導(dǎo)線和信號線發(fā)生纏繞，在上部不回轉(zhuǎn)鉆具內(nèi)設(shè)置導(dǎo)電滑環(huán)?；h(huán)外圈固定在上部鉆具上，外圈通信線路與地面連接，滑環(huán)內(nèi)圈固定在下部鉆具上，內(nèi)圈通信線路與近鉆頭驅(qū)動電機連接并保持相對靜止。

傳壓隔扭機構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)軸段的軸承座與承壓軸承的配合處，且內(nèi)鉆頭組件的下部回轉(zhuǎn)軸段的承壓軸承間距較小，更易出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞，故對其進(jìn)行強度校核。為方便分析，對模型進(jìn)行合適簡化，同樣對下部回轉(zhuǎn)軸施加20 kN 的壓力，如圖10 所示，模型的最大應(yīng)力值為53.3 MPa，出現(xiàn)在軸承和軸承座的邊角處，但遠(yuǎn)小于材料的極限強度，滿足設(shè)計要求。

圖10 傳壓隔扭軸承座強度校核Fig.10 Strength check of pressure transmission and torque isolation bearing seat

3 功能樣機裝配與取心鉆進(jìn)試驗

3.1 鉆具總體加工裝配與調(diào)試

依據(jù)扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能要求，對鉆具進(jìn)行總體設(shè)計，在計算機仿真模擬的基礎(chǔ)上加工出一套功能樣機，用于開展室內(nèi)試驗與分析，圖11為扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)功能樣機結(jié)構(gòu)。功能樣機的主要參數(shù)見表2，該套鉆進(jìn)系統(tǒng)在近鉆頭部分配置3 臺中空電機，每臺電機最大扭矩為120 N·m，保證樣機最大扭矩能達(dá)到360 N·m，樣機的最大轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，最大鉆壓為20 kN，綜合來看，可滿足破碎堅固性系數(shù)f值為7～8 級堅硬巖石的要求。

表2 扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)功能樣機主要參數(shù)Table 2 Main parameters of functional prototype of torque self-balancing drilling system

圖11 扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)功能樣機Fig.11 Functional prototype of torque self-balancing drilling system

在鉆進(jìn)試驗之前，先對功能樣機進(jìn)行調(diào)試。包括對控制系統(tǒng)進(jìn)行電控調(diào)試，對3 臺驅(qū)動電機進(jìn)行同步回轉(zhuǎn)測試，對內(nèi)外鉆頭交替給進(jìn)功能進(jìn)行測試，以及對鉆進(jìn)系統(tǒng)密封性進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)功能樣機能滿足相應(yīng)的試驗要求。

3.2 試驗?zāi)康呐c相關(guān)試驗設(shè)備

室內(nèi)鉆進(jìn)試驗?zāi)康模簻y試鉆進(jìn)系統(tǒng)克服不同巖性巖石的能力，包括硬度為軟、中硬和硬3 種巖性；測試鉆進(jìn)系統(tǒng)對井壁和巖心的擾動情況，檢驗其微擾動行為；測試雙鉆頭的交替鉆進(jìn)能力，檢驗其精確鉆進(jìn)的能力。

建立適用于扭矩自平衡鉆具系統(tǒng)的室內(nèi)鉆進(jìn)試驗平臺(圖12)，鉆具固定支架對上部不回轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)行固定，2 個氣缸對鉆具整體輔助加壓，電控系統(tǒng)對鉆具進(jìn)行控制。試驗采用正循環(huán)方式，通過水箱內(nèi)的循環(huán)水泵將鉆井液由鉆具頂部的纜管注入，經(jīng)鉆具中間的鉆井液循環(huán)通道流向孔底，實現(xiàn)循環(huán)和冷卻。由于試驗?zāi)康膬H為功能驗證，所以循環(huán)介質(zhì)采用清水，水泵額定排量為45 L/min。

圖12 室內(nèi)鉆進(jìn)試驗平臺Fig.12 Indoor drilling test platform

3.3 試驗與結(jié)果分析

針對軟、中硬和硬3 種硬度的巖石，分別挑選了長×高×寬為300 mm×180 mm×80 mm 的砂巖、灰?guī)r和花崗巖進(jìn)行鉆進(jìn)試驗，巖石表面無明顯損傷和裂紋，由于雙鉆頭的扭矩自平衡功能，巖石無需夾持固定，只需放置在鉆頭下部的水箱內(nèi)，具體鉆進(jìn)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)見表3。試驗結(jié)果表明，扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)能夠較高效地鉆進(jìn)花崗巖，鉆具設(shè)置的20 kN 的調(diào)壓范圍足以實現(xiàn)內(nèi)外鉆頭鉆進(jìn)反扭矩平衡，具體表現(xiàn)為巖樣無需夾持固定，上部不回轉(zhuǎn)鉆具部分只受輕微振動，室內(nèi)鉆進(jìn)試驗整體取得了理想的效果，驗證了雙鉆頭在近鉆頭驅(qū)動下扭矩自平衡的可行性。

表3 鉆進(jìn)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)Table 3 Drilling parameters and test data

鉆后取得的3 種巖心均十分完整(圖13)，巖心側(cè)壁和孔壁光滑，證明了鉆進(jìn)過程對孔壁的擾動較小。此外，鉆后巖心柱具有良好的垂直度，這是由于扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的內(nèi)外鉆頭可在鉆進(jìn)過程中起到相互充當(dāng)導(dǎo)管的作用，該方式可有效降低鉆孔傾斜，提高中靶率。對比以往的救援鉆孔現(xiàn)場案例，常規(guī)施工過程中處理孔壁坍塌事故或井斜糾偏等輔助時間較長，很容易耽誤礦井下人員的救治，例如在鄭煤集團(tuán)超化礦的救援施工中[19]，鉆孔純鉆進(jìn)時間24.87 h，輔助時間(下套管、固井、上下鉆具、安裝設(shè)備等) 8.25 h，事故處理(黏鉆和二次封固表土層套管) 16.8 h，可以看到純鉆進(jìn)時間占整體施工時間的一半左右，所以扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的研制給予了復(fù)雜地層鉆孔救援技術(shù)的新思路。

圖13 不同巖性鉆進(jìn)及取得的部分巖心Fig.13 Partial cores obtained by drilling

4 結(jié) 論

a.提出了扭矩自平衡鉆進(jìn)新方法，并建立近鉆頭逆向驅(qū)動數(shù)學(xué)模型。經(jīng)理論計算，近鉆頭驅(qū)動電機的內(nèi)外轉(zhuǎn)子同時逆向驅(qū)動雙鉆頭時，可實現(xiàn)負(fù)載反扭矩的相互平衡，以解決常規(guī)單鉆頭反扭矩波動大的問題。

b.基于扭矩自平衡鉆進(jìn)對雙鉆頭扭矩自平衡驅(qū)動、內(nèi)外鉆頭鉆壓調(diào)節(jié)和上部鉆具傳壓隔扭等功能的需求，優(yōu)化設(shè)計了能滿足鉆進(jìn)要求的雙鉆頭扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

c.成功研制了雙鉆頭扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)功能樣機，經(jīng)室內(nèi)鉆進(jìn)試驗表明，該樣機對孔壁和巖心的擾動微弱，在不同巖性地層的鉆進(jìn)具有較高的機械鉆速，雙鉆頭的交替鉆進(jìn)能夠保證中靶精度。

d.扭矩自平衡鉆進(jìn)系統(tǒng)的研制成功能為礦山災(zāi)害應(yīng)急救援通道快速安全構(gòu)建提供一種新方法和手段。但該研究僅開展了室內(nèi)試驗，下一步將積極開展野外實踐，最終實現(xiàn)在救援鉆孔、石油鉆井、科學(xué)鉆探及基礎(chǔ)工程施工等鉆探領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。