煤礦井下可開閉式PDC鉆頭的設計與優化

王傳留，高曉亮，張 朋

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

瓦斯預抽采鉆孔是煤礦瓦斯治理的主要方式之一，為保障瓦斯抽采鉆孔充分發揮抽采效果，各大煤礦一般采用“鉆到位、管到底、孔封嚴、水放通、長時抽”的十五字要求。但是隨著開采深度的不斷增加，煤礦地質條件越來越復雜，尤其是松軟煤層穩定性差，存在瓦斯含量高、壓力大等因素的影響，導致鉆孔成孔率低、深度小，嚴重制約瓦斯抽采效率。為改善這一問題，國內多采用螺旋鉆桿成孔技術，此舉雖大大提高了松軟煤層成孔效率，但是由于松軟煤層穩定性差，在成孔提鉆后，短時間內孔壁就會坍塌堵塞鉆孔，使得大部分鉆孔失效。作為抽采瓦斯通道下入的篩管，絕大多數情況下不能下到鉆孔預定深度，導致了“鉆到位、管不到底”問題的出現。為解決這一問題，中煤科工集團西安研究院有限公司開展了松軟煤層不提鉆下篩管技術，大大提高了松軟煤層篩管下入率，基本實現了“鉆到位、管到底”的技術要求［1］。

1 松軟煤層不提鉆下篩管技術

不提鉆下篩管技術是指在鉆孔完成后不提鉆，通過鉆桿內通徑將用于瓦斯抽采的PVC篩管送入鉆孔孔底，最后提鉆，將篩管遺留孔底的下管技術，該技術在鉆孔完成后不提鉆，鉆具在孔內起到了護壁作用，解決了松軟煤層鉆孔完成后由于鉆孔坍塌導致篩管難以下入孔底的問題［2－4］。其技術原理如圖1所示，

圖1 不提鉆下篩管技術原理圖Fig．1 The technical schematic diagram of screen insertion without lifting the drill pipe

該項技術的實施對鉆進用PDC鉆頭提出了新的要求：

1）鉆頭在正常鉆進時為全面鉆頭，切削齒要全覆蓋整個鉆孔直徑；

2）鉆孔完成后，鉆頭可變為取芯鉆頭，即鉆頭中心部分具有足夠空間保障篩管通過；

3）鉆頭由全面鉆頭變為取芯鉆頭后，無部件殘留孔底，保證后期采煤安全。

2 順層孔用內芯可開閉鉆頭設計與試驗

2．1 內心可開閉鉆頭設計

發明專利“鉆探用內芯可脫式鉆頭”（ZL：200820028443．1），如圖2所示，解決了不提鉆通過鉆桿中心通孔下管的問題，該鉆頭可實現鉆進成孔后，通過鉆桿中心下入篩管，以保持鉆孔瓦斯抽采的通道暢通，但是鉆頭的內芯是可脫式的，下管后會將內芯遺留在孔內，因該內芯屬于鋼質材料，且其上部焊接有硬質合金，遺留在孔內會對后期采煤帶來安全隱患；且內芯不能重復利用，增加了鉆孔施工成本［5－6］。

為解決內芯可脫式鉆頭將中心鉆頭遺留孔底的問題，設計了鉸接型結構的可開閉鉆頭，具體結構如圖3所示。

圖2 內芯可脫式鉆頭示意圖Fig．2 Schematic diagram of depoling bit

圖3 內芯可開閉鉆頭結構示意圖Fig．3 Schematic diagram of switchable bit

該鉆頭采用鉸接型結構，采用鉸接軸將一字型翼片與鉆頭體形成鉸接結構，翼片可繞鉸接軸自由旋轉90°，翼片另一端置于鉆頭主體上的凹槽內，翼片上安裝有彈簧定位珠，定位珠在彈簧的作用下卡置于鉆頭體凹槽兩側的球形臥槽內，防止鉆頭在正常鉆進過程中打開，圖4為彈簧珠彈卡機構示意圖。

圖4 彈簧珠彈卡機構示意圖Fig．4 Schematic diagram of switchable bit

當鉆孔完成后，篩管與鉆頭中心翼片接觸，提鉆時，在鉆桿和拉力作用下，篩管給翼片以反作用推力，翼片在推力作用下擠壓彈簧變形，彈簧珠解卡，翼片張開。圖5為加工完成的可開閉鉆頭。

圖5 內芯可開閉鉆頭實物圖Fig．5 Real product of switchable bit

2．2 現場試驗

（1）鉆場概述

淮南礦業集團丁集煤礦為保證1331（1）工作面的安全回采，在1331（1）運輸巷施工順層鉆孔進行瓦斯預抽。工作面煤層呈粉狀、塊狀且煤層松軟，煤層普氏系數0．5～0．6，瓦斯含量5．6m3／t。運輸巷每隔10m設計一鉆孔，鉆孔設計孔深110m，鉆孔角度為2°。為保證瓦斯抽采效果，實現篩管下到位目的，該施工地點使用松軟突出煤層不提鉆下篩管技術進行施工。

（2）設備工藝情況

現場鉆機采用中煤科工集團西安研究院有限公司生產的ZDY4000S鉆機，鉆桿為Φ89／73mm大通孔寬葉片螺旋鉆桿，鉆桿內通孔為42mm，鉆頭為Φ110mm鉸接式內芯可開閉鉆頭，篩管選用具有抗阻燃、抗靜電性能的PVC管，篩管外徑為Φ40mm，篩管布有交錯式篩眼，便于后期抽放瓦斯。

鉆進工藝參數為施工鉆壓不超過500kN，轉速100～120r／min，供風壓力0．8～1．0MPa，風量10～13m3／min。

（3）試驗結果

現場累計施工鉆孔30個，其中26個鉆孔實現全程下篩管，只有4個鉆孔下篩管深度低于100m。試驗過程中累計消耗鉆頭4只，鉆頭在全煤鉆孔施工時能夠實現正常開閉功能。但是在鉆遇矸石時，鉆頭存在變形及無法打開的情況，試驗數據如表1所示。

表1 可開閉鉆頭數據統計表Table 1 Data statistics of switchable bit

圖6為磨損變形的鉆頭圖，可見鉆頭中心翼片彎曲變形，導致翼片無法順利打開。

圖6 失效的可開閉鉆頭實物Fig．6 Disabled switchable bit

3 穿層鉆孔用可開閉鉆頭優化設計

3．1 失效原因分析

通過觀察失效鉆頭失效形式，對鉆頭失效原因進行分析發現，在鉆進夾矸煤層或巖層時，鉆頭體磨損嚴重，由于翼片放置槽裸露，與巖石直接接觸，導致鉆頭體翼片放置槽磨損過大，變形嚴重，刀翼翼片在下篩管后難以張開，導致篩管無法下入。另外，由于翼片在鉆進夾矸層或巖層時，翼片受到的阻力比較大，導致翼片變形甚至變彎，無法打開。

3．2 優化設計

為改善可開閉鉆頭在夾矸煤層或巖層的鉆進能力，對四翼可開閉鉆頭進行了優化設計。

（1）鉆頭體結構優化

為增強鉆頭在巖層或夾矸地層的鉆進能力，將鉆頭刀翼數量由4個優化為3個，刀翼數量的減少，降低了與地層接觸的切削齒數量，在同等鉆壓下，單齒切削力更大，能夠更好地破碎巖石。另外，切削齒排布由原來的同一平面排布改為階梯排布，增大了巖石切削的自由面，更容易碎巖，從而改善了鉆頭的抗磨損性能。

（2）翼片放置槽優化

為防止翼片放置槽及翼片張開部位因為接觸巖石而過早磨損變形，將翼片放置槽置于鉆頭體翼片部位，由開放式改為半開放式，防止巖屑對鉆頭體放置槽磨損，另外翼片彈簧珠也從翼片轉移到鉆頭體上，防止翼片張開時或提鉆過程中磨損定位珠。圖7為改進完成的可開閉鉆頭。

4 現場應用

（1）現場概況

淮南礦業集團朱集東礦1151（1）軌順頂板巷施工，目標煤層11－2煤層走向245°～330°，傾向155°～240°，傾角1～3°，無夾矸，煤層厚度2～3m，為大部可采的較穩定煤層，且煤質松軟。該地點巖層主要以砂巖為主，砂巖呈灰色、深灰色，塊狀層理，砂質含量不均，局部砂質含量較高。所施工鉆孔為下向穿層鉆孔，鉆孔設計傾角為－20°～65°，鉆孔設計如圖8所示。

圖7 優化設計的可開閉鉆頭圖Fig．7 Switchable bit of optimization design

圖8 1151（1）頂板巷穿層鉆孔設計圖Fig．8 Borehole plan of roof roadway 1151（1）

（2）設備情況

現場施工鉆機為中煤科工集團西安研究院有限公司生產的3200S分體液壓鉆機，鉆機最大扭矩3200 N·m，鉆桿為Φ73／89mm大通孔寬葉片螺旋鉆桿，鉆頭為Φ103mm新型三翼內芯可開閉式PDC鉆頭。

（3）試驗結果

現場累計使用三翼可開閉鉆頭3只，鉆頭進尺分別為429．9、796．9、545．4，三只鉆頭累計施工進尺1772．2m，平均進尺達590．7m。三只鉆頭累計施工鉆孔35個，鉆孔全部實現全孔段下篩管，鉆桿內下篩管成功率100%，具體試驗數據如表2所示。

圖9為使用后的新型鉆頭，可以看出該鉆頭沒有出現變形等其他情況，翼片能根據鉆孔工藝施工要求進行閉合和打開。

表2 三翼可開閉鉆頭試驗數據表Table 2 Data statistics of three－wing switchable bit

圖9 使用后的新型可開閉鉆頭Fig．9 The used new switchable bit

5 結論

（1）采用鉸接方式連接、彈簧珠彈卡定位結構的內芯可開閉鉆頭能夠滿足煤層不提鉆下篩管工藝的要求，在正常鉆進時保持翼片閉合，鉆頭全面鉆進，鉆進完成時，翼片可張開，使篩管從鉆頭穿過。

（2）針對穿層鉆孔優化的三翼可開閉鉆頭解決了普通可開閉鉆頭在巖層鉆進時由于磨損變形等因素導致翼片無法順利張開的問題，同時提高了鉆頭巖層段的鉆進效率，拓寬了不提鉆下篩管技術的應用范圍。

［1］ 孫新勝，王力，方有向，等．松軟煤層篩管護孔瓦斯抽采技術與裝備［J］．煤炭科學技術，2013，41（3）：74－76．

［2］ 劉清泉，童碧，方有向，等．松軟煤層快速全孔篩管護孔高效瓦斯抽采技術［J］．煤炭科學技術，2014，42（12）：58－61．

［3］ 曹建明，宋斌，劉發義，等．松軟煤層瓦斯抽采孔PVC管護壁技術應用研究［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2014，41（7）．

［4］ 金新，陳洪巖，馮德謙．煤礦采空區防滅火鉆孔施工新技術與裝備［J］．煤礦安全，2015，46（10）：146－148．

［5］ 殷新勝，凡東，姚克，等．鉆探用內芯可脫式鉆頭：中國，CN201193481Y［P］．2009－2－11．

［6］ 孫榮軍，童碧，侯超，等．一種鉸接型內心可開閉式鉆頭：中國，CN202767888U［P］．2013－03－06．