鉆機(jī)用破巖滾刀失效原因分析及應(yīng)對(duì)措施

摘要：通過(guò)對(duì)不同工況、不同材質(zhì)滾刀磨損原因分析，提出提高鉆機(jī)破巖滾刀壽命的技術(shù)措施和建議。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)；破巖滾刀；技術(shù)措施

鉆井法鑿井技術(shù)在我國(guó)煤礦井筒工程中應(yīng)用近50年，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已鉆成60多個(gè)不同類型的井筒，完成最深的龍固煤礦雙主井，成井深度582.75m，成井直徑分別為5.636m和5.616m。鉆井法鑿井靠滾刀破碎穿過(guò)地層、泥漿護(hù)壁、壓氣反循環(huán)排渣、地面預(yù)制井壁、泥漿懸浮下沉井壁和壁后充填完成井筒。其中，地層破碎在鉆井工序中非常重要，對(duì)于沖積層曾經(jīng)采用刮刀或行星式鉆頭安裝刮刀破巖，但是，由于鉆進(jìn)效率低，已不再采用，主要應(yīng)用不同類型的滾刀。隨著鉆進(jìn)深度的增加，鉆進(jìn)直徑的加大，巖層在整個(gè)井筒占的比例加大，滾刀的壽命問(wèn)題成為影響鉆井速度、效率和成本的關(guān)鍵。

1.破巖滾刀失效原因分析

1.1.滾刀的分類

豎井鉆機(jī)采用一次超前、分次擴(kuò)孔的鉆進(jìn)方式，鉆進(jìn)直徑：超前孔3～4m，擴(kuò)孔4～5.7m、5.7～7.5m、7.5～9m。根據(jù)鉆頭用途不同，鉆頭體上滾刀可分為三類：①中心刀。中心刀一般為單支點(diǎn)滾刀，也曾采用過(guò)三牙輪鉆頭代替，用于破碎鉆孔中心0.5m范圍的巖層，由于鉆井中心點(diǎn)滾刀運(yùn)動(dòng)速度為零，所以中心刀不能純滾動(dòng)布置；②正刀。正刀數(shù)量多，用于大體積破碎巖層，雙支撐結(jié)構(gòu)，滾刀破巖刀齒和地層接觸近水平；③邊刀。邊刀用于形成鉆井井筒和地層交界面（丼幫），滾刀刀齒和地層接觸一般在30°，用于保護(hù)刀座不被地層磨損。

按照滾刀加工方式不同可分為：鑄齒滾刀、銑齒滾刀和鑲齒滾刀；按滾刀刀體結(jié)構(gòu)不同可分為：盤形滾刀、多刃盤形滾刀；按鑲齒的齒形不同可分為：球齒滾刀、錐齒滾刀、楔齒滾刀和復(fù)合形滾刀。

在沖積層或塑性較強(qiáng)的極軟巖層中，一般采用鑄齒滾刀，在齒尖堆焊耐磨材料；在較軟的巖層、磨蝕性較強(qiáng)的巖層中，多采用鑲齒滾刀，隨著巖石硬度和磨蝕性變化，刀齒齒形從楔形→錐形→復(fù)合形→球形。

1.2.滾刀失效

在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉆具跳動(dòng)、蹩鉆、扭矩加大和進(jìn)尺變慢，可能出現(xiàn)部分滾刀失效或滾刀掉落。滾刀失效原因：

1.2.1.滾刀刀齒磨損量過(guò)大，超過(guò)原齒高的70%。

1.2.2.滾刀的軸承潤(rùn)滑油漏失或進(jìn)泥漿，軸承磨損、卡住，刀軸磨損或斷裂。

1.2.3. 滾刀刀殼破裂、掉塊。

1.2.4.刀齒折斷率達(dá)到滾刀總齒數(shù)的30%。

1.2.5.鑲齒滾刀刀齒脫落率達(dá)到總刀齒數(shù)量的30%。

1.3滾刀磨損

1.3.1.正常磨損。滾刀的正常磨損是隨著刀齒和地層接觸逐漸發(fā)生的。滾刀刀齒在一定鉆壓作用下壓入地層，并通過(guò)鉆頭的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾刀自轉(zhuǎn)，通過(guò)壓入、剪切或滑移將巖層破碎下來(lái)，這個(gè)過(guò)程也是刀齒磨損的過(guò)程。影響刀齒磨損的因素：①地層的物理力學(xué)性質(zhì)，主要是地層的磨蝕性；②刀齒材料本身的抗磨性；③滾刀在鉆頭上布置的合理性；④在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)參數(shù)選擇合理性，如鉆壓過(guò)大或過(guò)小、鉆頭吸收不合理、泥漿循環(huán)量小，形成重復(fù)破碎，則造成滾刀的磨損加快。

1.3.2. 非正常磨損。滾刀軸承不轉(zhuǎn)動(dòng)，如發(fā)生泥包鉆頭、軸承破壞、大塊巖石或異物落孔造成滾刀軸承不能旋轉(zhuǎn)，滾刀刀齒在地層表面滑移，單面刀齒很快磨損；滾刀除中心刀一般分為AB刀，相對(duì)對(duì)稱布置，兩把刀聯(lián)合破碎巖石，如果其中一把刀失效，另一把刀不能全部破碎所擔(dān)負(fù)環(huán)行圈上的巖石，滾刀刀體發(fā)生磨損，進(jìn)而加速破壞。

2.不同材質(zhì)滾刀分析

多年來(lái)，隨著鉆井法鑿井技術(shù)的發(fā)展，先后研制并應(yīng)用過(guò)高強(qiáng)度銑齒輪滾刀、鑄造空冷鋼滾刀、鑲嵌硬質(zhì)合金滾刀、齒面堆焊顆粒硬質(zhì)合金牙輪滾刀等，下面對(duì)這幾種不同材質(zhì)滾刀予以分析。

2.1.硬質(zhì)合金齒牙輪滾刀。因?yàn)橛操|(zhì)合金較耐磨，所以在滲碳淬火過(guò)的20CrMo材質(zhì)輪體上，采用壓入鏨子形YG15合金，直徑14mm。把這種滾刀安裝在擴(kuò)孔鉆頭上，在頁(yè)巖和砂巖中鉆進(jìn)，刀齒耐磨性較好，但鉆進(jìn)速度較慢。這是因?yàn)橛操|(zhì)合金齒較短，在一定鉆壓下，合金齒壓入巖層，使輪體與巖層直接接觸，增加阻力，加上擴(kuò)孔鉆頭不規(guī)則晃動(dòng)，沖擊合金齒，往往會(huì)使牙輪大端齒部折斷。

實(shí)踐認(rèn)識(shí)到，硬質(zhì)合金齒牙輪滾刀，適用于中硬以上均質(zhì)單一巖層，對(duì)層次變化較多的巖層不適應(yīng)。

2.2.高強(qiáng)度鋼牙輪滾刀。采用60Cr4Mo3Ni2WV高強(qiáng)度、高硬度合金工具鋼作牙輪基本體，來(lái)提高滾刀的耐磨性。

這種鋼材經(jīng)過(guò)淬火和二次回火，強(qiáng)度雖很高，但沖擊韌性較差，不能適應(yīng)大直徑鉆進(jìn)工況。在擴(kuò)孔大鉆頭上，曾發(fā)生18只牙輪全部碎裂，掉入井底，其原因主要是牙輪制作有缺陷，產(chǎn)生應(yīng)力集中，受沖擊震動(dòng)而損壞，故牙輪單有高強(qiáng)度不行，還要有足夠的韌性。

2.3.齒面堆焊顆粒硬質(zhì)合金牙輪滾刀。選用低碳合金鋼20Ni3Mo做基本體，齒面堆焊顆粒硬質(zhì)合金的楔齒牙輪滾刀。例如，在直徑3m超前孔鉆頭上，安裝6把邊刀，14把正刀，2把中心盤形滾刀，破巖面積為7.07㎡，穿過(guò)細(xì)砂巖35.175m；砂質(zhì)泥巖5.61m，鉆進(jìn)40.785m，平均純鉆進(jìn)速度0.139m/h，正刀磨損12.5mm；中心刀磨損6.5mm。在直徑5.7m擴(kuò)孔鉆頭上，布置6把邊刀，16把正刀，破巖面積為18.45㎡，穿過(guò)粉細(xì)砂巖26.121m；砂質(zhì)泥巖3.6m，煤7.62m，總共鉆進(jìn)37.341m，平均純鉆進(jìn)速度0.123m/h，齒部磨損量不到堆焊層高度的1/2，邊刀磨損9mm，尚能繼續(xù)使用。

鉆進(jìn)結(jié)果表明，采用20Ni3Mo鋼作基本體表面堆焊顆粒硬質(zhì)合金楔齒牙輪滾刀，強(qiáng)度較高、韌性也較好，適用于中硬以下巖層。

3.提高滾刀壽命的技術(shù)措施和建議

3.1.改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)。在鉆頭旋轉(zhuǎn)情況下，沖洗液流既具有向心流向，也具有切線流向，即邊刀處以切線流速為主沖洗工作面，而中心附近改為向心流速為主供反洗排渣，流量大時(shí)區(qū)域外移，轉(zhuǎn)數(shù)增加時(shí)向內(nèi)移，其低值區(qū)正是二次破碎、嚴(yán)重磨損滾刀及泥包鉆頭的發(fā)源地帶，在布置吸收口時(shí)必須加以考慮，否則將嚴(yán)重影響滾刀使用壽命。建議：①鉆頭采用全封閉式結(jié)構(gòu)，迫使?jié){液從刀盤邊緣，以較高的速度進(jìn)入、橫穿滾刀破巖移動(dòng)區(qū)；②在沖洗量和鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)的可能范圍內(nèi)，盡量集中沖洗，以利排矸，加導(dǎo)流板是其主要手段之一；③在刀盤外圍裝設(shè)裙邊式折流板，以提高液流速度和巖渣移動(dòng)、吸收能力；④在刀盤沿半徑方向設(shè)置一橢圓形偏心吸收口，徑向延伸，在不增加泥漿流量的情況下，提高徑向流速，增強(qiáng)清除巖渣的能力，縮短巖渣流向吸收口的距離，旋轉(zhuǎn)時(shí)迅速清理工作面，防止重復(fù)破碎；⑤在偏心吸收口后側(cè)裝置掃帚式折流板，利用回轉(zhuǎn)扒集巖渣，流向吸收口。例如，龍固礦主井超前孔鉆頭吸收口為長(zhǎng)條狀，0.3～0.6m，呈內(nèi)窄外寬形；擴(kuò)孔鉆頭采用底部魚尾形，吸收口處于刀盤底角交匯處，效果較好；⑥采用平底的超前孔鉆頭，使鉆頭體旋轉(zhuǎn)運(yùn)行平穩(wěn)、晃動(dòng)小；⑦鉆頭體上布置撬板式扶正器，并加大扶正器的組裝間距，減少鉆頭擺動(dòng)，改善滾刀軸承的受力狀況；⑧在提吊能力允許的條件下，增加鉆頭配重塊的重量，為牙輪滾刀切入巖石提供足夠的比壓，保證鉆井的垂直度。

3.2.改進(jìn)鉆頭滾刀布置。刀盤上的滾刀排列，采用不等角、不對(duì)稱布置，可避免鉆頭體回轉(zhuǎn)時(shí)諧振現(xiàn)象的發(fā)生，減少滾刀的沖擊負(fù)載，增加新的破碎面，提高破巖容積，這對(duì)提高鉆進(jìn)速度和滾刀壽命都是有利的。

3.3.改進(jìn)滾刀軸承和密封結(jié)構(gòu)。在滾刀結(jié)構(gòu)中，密封的軸向長(zhǎng)度與軸承支承長(zhǎng)度的比例通常在3：1以下，使?jié)L刀兩端懸臂部分過(guò)大，軸承部分容易形成偏載而失穩(wěn)，造成密封部分損壞。因此，應(yīng)該加大支承長(zhǎng)度的比值，這樣對(duì)支承的磨損情況會(huì)大為改善。

目前滾刀損壞的主要原因是密封不好，泥漿滲入刀體內(nèi)部研磨破壞，所以改進(jìn)滾刀首要的問(wèn)題還是恒壓密封，特別是密封環(huán)尺寸，密封圈的推力，使之耐壓力達(dá)到10MPa，適應(yīng)800m鉆深的需要。

關(guān)于密封的材質(zhì)問(wèn)題，采用特別橡膠密封，或1個(gè)復(fù)曲面、1個(gè)端面密封環(huán)，加工成具有硬化表面的輪體端部（或鑲套）組成密封，改善密封長(zhǎng)度與支承長(zhǎng)度的關(guān)系，承受更大的荷載。

3.4.建立維修制度。從現(xiàn)在滾刀使用情況看，施工過(guò)程不加維護(hù)，一直工作到損壞、報(bào)廢為止，這是不妥的。應(yīng)該建立及時(shí)維修制度，兩套滾刀交替使用，定時(shí)更換，排除故障，清洗軸承，修理齒部，保持齒尖的尖銳性和耐磨性。

4.結(jié)語(yǔ)

鉆井法鑿井是井筒特殊施工的主要方法之一。它也是機(jī)械化和自動(dòng)化程度最高的、可靠的豎井施工方法。從國(guó)內(nèi)鉆井法鑿井發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)看，盡管其技術(shù)和工藝都已基本成熟，但是，仍存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。

目前，鉆井法鑿井在巖層中的鉆進(jìn)速度不能令人滿意，致使該法只能鉆沖積層和少部分基巖風(fēng)化帶，不能鉆全深，究其原因主要是在中硬以上巖層中鉆進(jìn)，破巖滾刀磨損快、壽命短，鉆井深度受到一定限制。今后，在加大豎井鉆機(jī)鉆進(jìn)能力的同時(shí)，應(yīng)從刀具材質(zhì)、制造工藝等方面進(jìn)一步開展提高楔齒牙輪滾刀壽命的專題研究，使鉆井法鑿井在我國(guó)煤礦井筒施工中得到更廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)豎井鉆全深。

作者簡(jiǎn)介：李英全，男，（1979-），山東招遠(yuǎn)人，工程師，2002年畢業(yè)于山東科技大學(xué)礦井建設(shè)專業(yè)，從事鉆井法鑿井科研及反井鉆井施工和研究工作。