礦用卡夾式打撈鉆頭及打撈工藝流程的分析

馬明城

（潞安集團漳村煤礦， 山西 長治 046031）

1 常見打撈技術缺陷

目前，礦井生產中所產生的斷鉆和卡埋鉆問題，其最常見的處理辦法就是套銑打撈和絲錐造扣兩種。

1）絲錐造口打撈方法。主要對孔中鉆桿發生的斷落事故進行處理。其流程為：將孔中的非斷落鉆桿進行退出，之后再使用鉆桿將絲錐傳送到斷落處，適當降低旋轉及給進的速度，在鉆桿斷落部位來實施套桿及造口。這種方法的造扣流程較為復雜，常常需要進行多次套桿造扣，極易導致絲錐出現滑絲或者報廢，尤其是地質條件過于復雜的孔，其打撈難度較大，并且人員操作強度較大。

2）套銑打撈技術。主要用來對鉆桿斷落及卡埋鉆等事故進行處理。打撈鉆桿需要借助孔內的鉆桿導向來將鉆頭撈出，并傳送到螺桿鉆的彎頭部位，利用鉆頭的內壁變徑臺階來卡住螺桿鉆的凸起部位，借助螺桿鉆自身所具有的作用力來撈出斷落在孔內的鉆具。這項技術主要適用于上行孔、近水平孔等，并且在打撈的過程中需要對鉆具凸起進行多次套撈才可以完全卡住，但是對于一些下行孔、深孔等，以往的鉆頭無法依靠臺階構造來卡住螺桿鉆具，尤其是地質條件過于復雜的深孔，其成功率較低[1]。

2 卡夾式打撈鉆頭的結構及特點

絲錐和套銑兩種打撈方法都存在一定的缺點，因此必須對原有的打撈模式及相應的工具進行改善，為此，設計出了卡夾式打撈鉆頭，分別為擠壓（見圖1）和套銑（見圖2）兩種。

圖1 擠壓卡夾式打撈鉆頭結構

圖2 套銑卡夾式打撈鉆頭結構

卡夾式打撈鉆頭的構成部位主要有彈簧座、擋銷、鉆頭體等。三片夾持卡瓦的表面設置了相應的咬桿鋸齒，它們主要分布于鉆頭體的T型槽之內，并沿著其方向而進行自由滑動，其滑動產生的距離則經過連接頭的內部臺階及鉆頭體上方的擋銷所控制，最終到達的部位為連接頭內部的臺階上，夾持卡瓦呈現出張開的狀態，滑向擋銷則呈現出夾持的狀態。彈簧在經過彈簧座之后向夾持卡瓦同時施加了一定的推力，使其處于常閉夾持狀態。T型槽所保持的方向應當與鉆頭體的軸線保持較小的夾角，在進入鉆桿之后，卡瓦、鉆桿等就成為了一種斜契自鎖裝置，確保孔內的斷落桿保持一個牢固的夾持狀態。鉆頭體端部所配置的車輛存在一個導向斜面，在將斷落套桿成功套住之后，該鉆桿將會沿著斜面逐漸滑到卡瓦部位，并經過卡瓦端部的相關切面而對卡瓦產生擠壓，對彈簧起到壓縮作用，促使卡瓦保持張開狀態，斷落鉆桿在進入到鉆頭之后，通過后拉或者停止操作就可以鎖住鉆桿。刀片在經過銀釬焊的作用之后而固定于相應的刀槽之內，其主要用來清除孔內存在的障礙，促使打撈鉆頭可以順利進入到鉆具的斷落部位。

兩種打撈方法的關鍵區別在于連接接頭的內壁結構。套銑卡夾式所配置的連接頭，其內孔的直徑必須要大于需要打撈的鉆桿直徑，保證其可以正常通過鉆頭的內壁；而擠壓卡夾式所配置的連接頭，其內孔設置有擠壓卡槽，與斷落鉆桿相互交錯而被卡住，可以向斷落鉆桿傳遞相應的扭矩。

兩種鉆頭所具備的相同特點如下：

1）與鉆桿形成接觸的卡瓦表面車配置了單向鋸齒，在將打撈鉆頭向后拉時，卡瓦的銳齒將會在斷落鉆桿部位產生一種咬痕，以提高鉆桿及卡瓦之間的摩擦系數，卡瓦表面需要經過相應的硬化處理，其硬度保持為HRC55-60；

2）打撈鉆頭保持較大的夾持直徑，可以將一些變形較為嚴重的斷落鉆桿進行套住；

3）彈簧可以利用彈簧座來將一定的力施加給卡瓦，促使卡瓦保持同步的夾持操作；

4）彈簧座上端配置一定的保護段，不會對鉆桿產生較大的干擾；

5）T型槽部位相接觸的表面呈現較高的光潔度，且摩擦系數相對較小；

6）打撈鉆頭的前端部位設計為喇叭口狀，套桿較為光滑及順暢；

7）打撈鉆頭的端部配置了切削刀片，它可以有效清除掉孔內的障礙，保證孔內的暢通；

8）打撈鉆頭在作用于鉆桿的時候可以產生一種單向斜契自鎖，將鉆桿進行牢固夾持；

9）鉆頭有著十分精巧的結構，且制造技術較為簡單，成本較低。

3 卡夾式打撈工藝

3.1 套銑卡夾式打撈工藝

在形成了卡埋鉆事故之后，最常見的處理技術就是“強力回轉及起下鉆”或者使用套銑技術來進行處理，但是對于定向軌跡的施工階段所產生的斷落桿事故，其大多采取套銑技術來撈出鉆頭，一般需要深入到鉆具的尾端，并且打撈的難度較大，成功率較低。而采取以卡瓦夾持形式為基礎的套銑技術，有效改善了卡勞難度較大的問題，該技術還可以將定向鉆孔出現的鉆桿斷落問題加以解決，圖3所示為孔內鉆具采取的套銑技術。

套銑卡夾式打撈工藝處理過程為：

1）采取管鉗來將孔口部位的一根鉆桿卸掉，將鉆機上方的夾持器及卡盤進行更換。

2）配置打撈鉆桿，采取套銑方式來將鉆頭撈出，并連接水辮，控制鉆機來確保打撈鉆桿可以將孔內的鉆桿進行套牢，并將鉆頭沿著孔內的鉆桿傳輸到鉆桿斷落部位，然后停鉆，將給進及回轉的速度適當降低，促使斷落套桿取出，在送入的時候同時也進行了掃孔及銑孔等操作，可將孔內障礙進行有效清除。

3）將打撈鉆桿后拉，在彈簧力及拉力的影響之下將鉆桿鎖住。

4）將卡盤及卡瓦進行及時更換，將斷落桿向外的可退鉆桿進行退出。

5）將卡瓦進行更換，通過打撈鉆桿將斷落桿拉出。6）將卡夾式鉆頭取出，實現打撈操作。

圖3 孔內鉆具套銑打撈示意圖

3.2 擠壓卡夾式打撈工藝

在產生了斷落桿事故之后，與卡埋鉆事故相對比，卡夾式所采取的打撈技術存在一定的不同，在打撈鉆頭的時候擠壓卡夾式技術所采用的打撈鉆頭會隨著鉆頭與鉆桿內壁中的臺階形成擠壓，其主要運用于一般鉆孔施工階段所產生的斷落桿事故。普通鉆孔存在簡單的軌跡，就如同一條直線，并且孔的深度較淺，在產生斷落桿事故的時候，最常采取的方法就是一般鉆桿結合絲錐，其不具備較高的成功率，而卡夾式則采取了常規的方法，利用卡夾式鉆頭來代替絲錐。圖4所示為孔內鉆具擠壓打撈的圖示。

圖4 孔內鉆具擠壓打撈示意圖

擠壓卡夾式工藝處理過程為：

1）將操作鉆桿從孔內退出，就可以將施工鉆桿退出。

2）采用施工鉆桿來輸送打撈鉆頭，使其處于斷落部位。

3）適當降低給進及回轉的速度，促使打撈鉆頭可以將斷落桿的端部套住，斷落鉆桿可利用3片卡瓦夾住，斷落鉆桿的端部與鉆頭的內壁臺階相互交錯，形成擠壓。

4）將鉆桿進行緩慢拉出，此時，由3片卡瓦來提供相應的夾持軸向力，回轉扭矩則是利用斷落桿端部與鉆頭內壁臺階之間形成的擠壓力所形成的。

5）將斷落桿拉出，并取下打撈鉆頭，實現打撈。

4 卡夾式打撈鉆頭卡緊鉆頭的條件計算及分析

卡夾式打撈鉆頭是否可以成功套住斷落桿，并將其撈出，其關鍵在于卡瓦夾持單元是否可以在退桿時產生自鎖。鉆頭體與鉆桿相互連接，其夾持的流程為：在將斷落桿的端頭套住之后，并持續向內推，在端部的反向擠壓之下，3片卡瓦所配置的彈簧將會張開，斷落桿端面的部分桿體將會轉入到卡瓦的咬合部位；此時，推桿停止，在彈簧力的影響之下卡瓦將會夾住鉆桿，并與鉆頭體組成一種自鎖機構。

卡夾式打撈鉆頭處于夾持的狀態之下，其受力狀況見圖5，圖中：F1表示卡瓦與鉆頭相互接觸面之間的摩擦力，F2表示卡瓦與鉆桿之間所形成的摩擦力，F3表示退桿過程中向鉆頭施加的拉力，N1表示T型槽接觸面部位鉆頭體向卡瓦所施加的正壓力，N2表示鉆桿施加給卡瓦的正壓力，借助摩擦關系來對卡瓦產生作用，使其套住鉆桿。

打撈鉆頭將鉆桿進行夾緊的基本條件：在向后拉打撈鉆頭的時候是否可以與鉆桿契緊而形成自鎖。若自鎖具備較強的效果，其夾持也會越可靠，即：

式中：f1和f2分別表示卡瓦與鉆頭體、鉆桿之間形成的摩擦系數；α為卡瓦與鉆頭體接觸斜面與鉆桿軸線之間的夾角。

當卡瓦保持夾持狀態時，其所具有的平衡條件有:

圖5中所示N3為彈簧向卡瓦所施加的彈簧力，其主要作為在鉆頭卡瓦在閉合時的預緊力，因此并不會對自鎖的條件產生影響，可以忽略。因此，由式（1）和式（2）得摩擦系數關系式為：

根據式子（3）可計算出α=4°、8°時的摩擦系數，并繪制出兩者之間的關系曲線（見圖6）。

由圖6可知，若摩擦系數f1=0.05，則當α分別為4°和8°時，f2分別為0.12和0.19，因此，當摩擦系數f2的數值較小時，其α就會越小，在產生自鎖的時候，卡瓦與鉆桿之間產生接觸時的摩擦系數f2也會越小，即T型槽部位的接觸面傾角、摩擦系數及卡瓦與鉆桿間的合摩擦系數在達到某個要求的時候，其卡瓦的時候才可以產生自鎖。

對上述因素進行綜合考慮，當T型槽的接觸面保持6°、摩擦系數為0.1的時候，卡瓦咬合鉆桿在進行接觸摩擦時，其系數為0.2，在此前提之下所生產出的打撈鉆頭可以實現自鎖要求，同時也不會增加成本[2]。

圖5 卡瓦夾持鉆桿時受力分析

圖6 摩擦系數關系函數曲線

5 結語

1）卡夾式打撈鉆頭在設計時采取了3瓣式夾持，其構造較為簡單。在對鉆桿進行夾持的時候會產生一種斜契自鎖狀態，具備較強的牢固性；鉆頭具備較好的導向性，在打撈時可保持順暢；并且所夾持的鉆桿有著較大的直徑范圍。

2）與套銑與絲錐兩種形式相比，卡夾式技術在操作時極大降低了難度，且減輕了操作人員的工作強度。

3）當卡夾式打撈鉆頭的T型槽在其接觸表面呈現出的傾角為6°，摩擦系數為0.1時，該鉆頭在夾持的時候可以實現自鎖操作，其所需成本也不會提升。