電鍍金剛石刀具在煤礦井下套管切割中的應用

張 朋，王傳留，伍 濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 引言

隨著眾多礦區煤礦開采深度的增加，煤層底板突水治理顯得更加迫切和必要[1]，目前煤礦井下防治突水多采用注漿鉆孔施工進行底板加固防水，在注漿鉆孔施工過程中鉆孔下入套管是較為常用的技術手段[2]。下套管工藝技術為后期煤礦開采提供了技術保障，但同時加固后埋藏在煤層段的套管為后期的采掘工作埋下了一些隱患，后期采煤過程中時常出現采煤機刀頭碰撞孔內套管的情況，對生產設備會造成損壞，增加生產成本，同時影響采煤速度，降低生產效率，甚至危及巷道工作人員的人身安全。

為研究解決殘留孔內套管影響煤層開采施工的問題，提出了對封孔套管進行多段切割的方法，就是將高強度整體套管切割為眾多小段，使問題在采掘過程中更容易剔除。目前，煤礦行業很少有類似的套管切割工具，因此研制一種高效率定點切割多層套管的切割鉆具十分必要。金剛石由于其高硬度和優良的力學性能，使金剛石工具成為加工各種堅硬材料不可缺少的有效工具，目前金剛石工具在地礦碎巖時發揮著重要作用，本文將金剛石材料用于煤礦井下切割鉆具的切割刀頭。

2 注漿套管切割鉆具的結構設計

切割鉆具的結構設計需具備以下特點：其一，將一段長套管定點多次切割成為多段小套管，需要對切割鉆具進行結構設計來控制刀頭的開閉合，最終實現定點切割，切割完畢后將刀頭回收至鉆具內部，下鉆至下一切割點重復使用；其二，結合現場工藝條件，注漿加固套管多采用地質管材，因此對刀頭切削磨料設計加工需考慮使其具備高效率長壽命切割鋼材的能力。

2.1 張開機構設計

套管切割鉆具設計為伸縮式結構，整套鉆具由鉆具腔體、活塞、銷軸、壓縮彈簧、切割刀頭等組成，結構如圖1所示。切割刀頭與活塞之間通過銷軸連接，活塞與腔體中間有壓縮彈簧，活塞在水壓作用下沿鉆具腔體上下活動，帶動切割刀頭實現張開與閉合動作。壓縮彈簧的優選、張開機構設計、切割刀頭形狀及加工是該鉆具的設計重點。根據水壓及流量變化對彈簧進行優選，實現較大直徑套管的切割，切割刀頭回收在切割鉆具內，開始切割時刀頭能夠順利張開進行套管切割，同時還要在切割時承受反作用力，因此，切割刀頭及切割鉆具的整體強度需要考慮，套管為金屬材質，切割刀頭的材料要重點考慮。

圖1 切割鉆具開閉合結構原理圖Fig.1 Schematic Diagram of the opening and closing Structure of a Cutting Tool

2.2 水路設計

金屬套管切割時會產生大量的熱量，因此切割刀具的水路設計也尤為重要，刀頭及時冷卻為高效切割套管提供了保障。切割鉆具的結構設計中沖洗液在鉆孔內部循環，通過對水路設計可以保證沖洗液各項功能的順利實現。在刀頭張開之前，活塞中心通孔較小，沖洗液在活塞上形成壓力差推動活塞向前運動，實現刀頭完全張開，同時少量沖洗液通過活塞中心通孔和連桿通孔進入刀頭部位，對刀頭進行冷卻并起排鐵屑的作用。當活塞推進至卸壓鉆孔處，刀頭至此完全打開，此時鉆具中內腔與卸壓孔連通，大量沖洗液從卸壓孔漏出，活塞受到的水壓力下降，最終活塞處沖洗液壓力保持靜態平衡可以保持刀頭始終處于張開狀態，待套管割透后關閉沖洗液，在壓縮彈簧的作用下將刀頭回收至鉆具體內，水路設計如圖2所示。

圖2 切割鉆具水路設計Fig.2 Waterway Design of Cutting Tool

2.3 切割鉆具定點切割技術的實現

在連續將地質管材切削為多段的過程中需要定點選擇某一小段進行切割，這就要求鉆具在套管內能實現刀頭的自由開閉合。目前，切割鉆具多采用沖洗液冷卻，因此切削刀頭張合的結構設計為沖洗液的泵量(壓強P)來控制，利用沖洗液在鉆頭內活塞處形成的壓力差推動彈簧壓縮(k)控制連桿前進，從而控制刀翼張合的角度。設計當沖洗液泵量小時，鉆具內活塞處形成的壓力差較小，不足以抵消內置彈簧的預緊力而使得刀翼閉合，實現在套管內下鉆的過程，當到達定點切削位置后，加大沖洗液泵量使活塞截面壓力差大于彈簧預緊力，實現刀頭的大角度張開，在回轉力的作用下磨削套管直至割透套管。隨后繼續降低沖洗液泵量，刀頭在彈簧回彈力的作用下收回，刀頭回收入鉆具槽內后繼續下鉆至下一個切割點。沖洗液泵量控制刀頭張合關系如下式計算(刀頭離心力忽略不計)：

刀頭張開條件下，水壓力推動活塞及連桿向前運動的壓強P需滿足條件：

式中:P為水的壓強，Pa

K為彈簧壓縮系數

S為卸壓孔與活塞的初始距離

R為活塞截面面積

r1為活塞中心水眼半徑

刀頭張開最大角度時，水壓力推動活塞至卸壓孔處壓強P需滿足條件：

式中:r1為活塞中心水眼半徑

r2為卸壓鉆孔半徑

綜上所述，刀頭處于張開工作狀態，沖洗液壓強P應滿足的條件為：

3 切割鉆具切割刀頭結構設計

由于切割鉆具的刀頭是旋轉張開的結構，隨著張開角度的不同對鋼管的接觸點也在變化，在試驗研究過程中，主要研究了直刀頭和弧形刀頭，設計思路就是盡量減少與鋼管接觸面積，提高切削效率，同時縮小工作層的有效工作區域，提高刀頭的使用壽命，通過對比發現弧形刀頭在切割第二層和第三層套管時比直刀頭切削面積小，具有更高的切削效率，另外，在刀頭安裝入切割鉆具內部后，弧形設計可以有效減少管材對刀頭的摩擦阻力，便于刀頭的自由開閉合，最終確定采用弧形刀頭設計。

圖3 刀頭結構設計Fig.3 Structure Design of the Blade

4 金剛石刀頭加工工藝

鑒于電鍍金剛石鋸片在切削鋼材、石材等硬脆材料上的優秀性能[3-4]，研究采用電鍍工藝制造孕鑲金剛石刀頭，目前，國內外學者對孕鑲金剛石刀具性能的提高作了全方位的研究，影響金剛石刀具切削效率和壽命的因素主要有刀具胎體材料性能、金剛石刀具切削機理、金剛石出刃方式及金剛石粒度等[5]。通過對金剛石刀具切削機理及出刃規律的研究，本文設計了刀頭胎體結構形狀，研究設計了電鍍刀頭胎體配方、研究了胎體孕鑲不同粒度的金剛石磨料對切削效率的影響。

4.1 電鍍工藝簡介

電鍍工藝是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積而形成鍍層的一種表面加工方法。

4.2 電鍍金剛石刀頭胎體配方

電鍍金剛石制品是通過金屬電沉積過程，將一至數層金剛石磨料牢固地鑲嵌在金屬基體上的一種獨特制品[6]，電鍍金剛石工具在石材、鋼材、地質鉆探等領域中一直具有效率高、壽命長、磨削精度高的特點。電鍍金剛石工具中，鍍層金屬對金剛石起著包鑲和支撐工作，它決定著金剛石磨料是否能充分發揮切削工件的作用，電鍍刀頭中不同鍍層金屬還可以使得金剛石工具滿足多種性能要求[7-9]，金屬鎳是金剛石工具中使用最多的基體金屬材料，他具有較強的包嵌性和粘結性，同時鎳能與多種金屬冶金結合，采用電鍍工藝可根據胎體硬度等性能要求選用鎳-鈷合金和鎳-鉬合金進行調節。本次電鍍刀頭胎體選用鎳基胎體，刀頭胎體采用以硫酸鎳NiSO4·6H2O為主鹽制成瓦特鍍鎳液配方，配方及電鍍工藝如表1所示：

表1 瓦特鍍鎳液配方

4.3 金剛石粒度對刀頭切削性能影響研究

金剛石粒度是決定鉆頭碎巖效率和使用壽命的重要參數，理論研究表明，當鉆頭載荷相同，切入同一巖性的金剛石面積一定，則粗粒金剛石參與切削體積相對較大，有利于提高切削效率[10]；但同時粗粒金剛石切入巖石體積越大，金剛石本身便承受更大應力，金剛石易破碎而壽命相應減少，因此金剛石粒度選擇應綜合二者關系設計。本文設計使用多種金剛石粒度混合分別加工2套切割鉆具，其中1#切割鉆具采用25/30目和30/35目金剛石混合，2#切割鉆具采用30/35目和35/40目金剛石混合，加工刀頭形貌如圖4所示：

圖4 電鍍刀頭形貌Fig.4 Morphology of the Electroplating Blade

5 現場試驗

試制的2套切割鉆具在河南能化集團趙固一礦注漿隊進行了現場應用，現場使用鉆機為中煤科工集團西安研究院生產的ZDY3200S分體鉆機，鉆桿為Φ63.5mm外平鉆桿，使用SGB15-12注漿泵，現場切割套管為三層套管，三層套管外徑分別為Φ108mm、Φ127mm、Φ146mm，套管之間水泥加固，單層套管壁厚約4.5mm。現場鉆進參數為回轉壓力2MPa，轉速120r/min，現場泵壓2～3MPa。其中1#切割鉆具共計進行了3次切割，累計割穿6層套管，累計切割厚度為54mm，平均時效為11min/層(49mm/h)，鉆具損壞形式為金剛石脫落；2#切割鉆具試驗進行了1次切割，一次性割穿3層套管，累計切割厚度為27mm，平均時效21min/層(25.71mm/h)，詳細試驗數據如表2所示，圖5為試驗后的切割鉆具實物。

由以上數據可知，1#和2#切割鉆具均能一次性割穿多層套管，且切削效率較高，但套管直徑越大，相應的切削量亦增大，切割效率呈降低趨勢。此次試驗中，不同金剛石粒度的切割刀頭在切割效率上沒有較大的差別，試驗用切割刀頭胎體材料為電鍍鎳，胎體硬度為維氏220HV，整體偏軟，胎體對金剛石的把持力不足，在刀頭切割套管時，刀頭的主要磨損形式為黏著磨損，金剛石顆粒出刃過快，導致不同粒度的金剛石顆粒無明顯差異，后期可通過調節電鍍鎳-鈷合金或鎳-鉬合金配比來提高胎體硬度，進一步優化刀頭。

圖5 切割鉆具實物Fig.5 Picture of the Cutting Tool

表2 切割鉆具現場試驗數據

6 結論

(1)研制的切割鉆具結構設計合理，在沖洗液泵量控制下能有效進行電鍍刀頭的開閉合，該結構設計在煤礦井下可實現套管內部多次定點切割，具有一定的推廣價值。

(2)電鍍金剛石刀頭結構設計及選材合理，通過電鍍工藝制造的刀頭胎體形貌平整，可以實現煤礦井下套管的高效切割。

(3)由于刀頭的異形，實踐證明采用電鍍工藝制作的合理性，它將優于金屬結合劑等其他方案。

(4)試驗用電鍍金剛石刀頭胎體硬度偏低，后期可通過調節電鍍鎳-鈷合金或鎳-鉬合金配比來提高胎體硬度，以增強胎體對金剛石的把持力，進一步提高切割鉆具的壽命。