中硬煤層瓦斯穿層鉆孔無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高曉亮，邵國(guó)杰，楊虎偉

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

作為區(qū)域瓦斯防突措施的重要手段，穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯治理施工中。它通過(guò)在已施工的頂?shù)装鍘r巷內(nèi)向采掘作業(yè)范圍內(nèi)的煤體中施工穿層鉆孔，在不擾動(dòng)突出煤層的情況下，通過(guò)預(yù)抽提前消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)[1-2]。但是隨著礦井開(kāi)采深度的逐漸增加，煤層條件趨于復(fù)雜，伴隨著高地應(yīng)力、煤層破碎、透氣性系數(shù)低等問(wèn)題[3-4]，大大增加了瓦斯抽采的難度，當(dāng)瓦斯積聚而又不易抽采時(shí)，就容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出。因此，穿層鉆孔的預(yù)抽效果直接決定了區(qū)域瓦斯治理的成敗[5-9]。瓦斯抽采效果與鉆孔孔徑大小密切相關(guān)，研究表明，當(dāng)抽采時(shí)間較長(zhǎng)，瓦斯趨于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鉆孔瓦斯總流量隨著鉆孔半徑的增大而增大[10]。但是，穿層鉆孔需要穿過(guò)頂?shù)装鍘r層，施工大直徑鉆孔效率低，無(wú)效進(jìn)尺大[11-15]。目前，為提高穿層鉆孔瓦斯抽采效果，多采用水力沖孔技術(shù)進(jìn)行煤層孔段局部擴(kuò)孔，以增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率。

邵國(guó)杰[16]開(kāi)發(fā)了隨鉆型水力沖孔器，通過(guò)可調(diào)式高低壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將水力沖孔器分為兩個(gè)狀態(tài)，即鉆進(jìn)狀態(tài)與沖孔狀態(tài)，在小泵量下進(jìn)行鉆孔鉆進(jìn)，大泵量下水力推動(dòng)高低壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，進(jìn)行水力沖孔施工。目前該水力沖孔器在淮南、山西等地進(jìn)行推廣試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果。目前水力沖孔技術(shù)大部分適用于堅(jiān)固性系數(shù)小于0.5 的松軟煤層，在中硬煤層中鉆進(jìn)施工中，水力沖孔難以有效破碎煤層，難以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔的目的。因此在中硬煤層中一般采用機(jī)械式掏穴鉆頭進(jìn)行局部擴(kuò)孔施工。

高曉亮[17]、張朋[18]等開(kāi)發(fā)了機(jī)械式隨鉆掏穴鉆頭，依靠改變沖洗液流量大小來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆頭開(kāi)合。先導(dǎo)孔正常施工過(guò)程中，水路與活塞上的偏心孔連通，沖洗液由下接頭流向孔底，對(duì)前端鉆頭進(jìn)行冷卻；當(dāng)增大泵壓時(shí)，作用于活塞截面上的力大于彈簧壓縮力時(shí)，翼片張開(kāi)，切削孔壁進(jìn)行掏穴鉆進(jìn)，水路與鉆頭水眼連通，沖洗液從孔底流出，冷卻前端鉆頭和翼片后，將鉆進(jìn)煤渣排出孔外。該鉆頭在河南鶴煤集團(tuán)取得了良好的應(yīng)用效果。但是，在使用過(guò)程中存在依靠泥漿泵流量控制刀翼開(kāi)合，開(kāi)合狀態(tài)難以判斷，開(kāi)合不穩(wěn)定的問(wèn)題[19]。

為實(shí)現(xiàn)中硬煤層無(wú)泵式掏穴鉆進(jìn)，筆者設(shè)計(jì)了一種雙通道機(jī)械式掏穴鉆頭，配套雙通道鉆桿與雙通道送水器，整套鉆具連接后形成2 個(gè)相互獨(dú)立的通道，一個(gè)通道與前端鉆頭連通，進(jìn)行正常鉆進(jìn)，另一個(gè)通道控制掏穴鉆頭活塞，控制鉆頭開(kāi)合。采用設(shè)計(jì)的鉆頭在淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司進(jìn)行試驗(yàn)，取得了良好的試用效果。

1 無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴技術(shù)原理

無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴技術(shù)是針對(duì)現(xiàn)有水力造穴對(duì)中硬煤層破碎能力不足，機(jī)械掏穴必須配備泥漿泵且刀翼張開(kāi)不穩(wěn)定的缺陷，開(kāi)發(fā)的一種造穴鉆具組合，該鉆具組合包括雙通道掏穴鉆頭、雙通道鉆桿以及雙通道送水器，其原理如圖1 所示。連通后的鉆具組合形成兩個(gè)互不連通的流體通道，即中心通道和環(huán)空通道，其中中心通道與掏穴鉆頭的活塞連通，可控制活塞的軸向移動(dòng)，進(jìn)行鉆頭開(kāi)合控制。環(huán)空通道與導(dǎo)向鉆頭水眼相通，進(jìn)行冷卻鉆頭、攜帶巖粉。

圖1 無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴技術(shù)原理Fig.1 Schematic diagram of pump-free double channel mechanical hole enlarging technology

與常規(guī)水力沖孔或機(jī)械掏穴相比，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)造穴裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；可減小提鉆次數(shù)，利用現(xiàn)有靜壓水或高壓泵，不需要提高設(shè)備能力；(2)造穴機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠；通過(guò)專用水路控制刀翼張閉，控制精度高，不受排渣分流限制；(3) 地層適應(yīng)性強(qiáng)；遇松散破碎煤層時(shí)，依靠獨(dú)立的兩路進(jìn)水實(shí)現(xiàn)大流量排渣，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全。為保障該技術(shù)的順利實(shí)施，需對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。

2 無(wú)泵式雙通道掏穴鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴技術(shù)的實(shí)施，對(duì)鉆頭的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行計(jì)算，完成后對(duì)鉆頭水路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)泵式雙通道機(jī)械式掏穴鉆頭采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，由水壓力推動(dòng)活塞帶動(dòng)齒條軸向移動(dòng)，齒條帶動(dòng)齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀翼張開(kāi)閉合動(dòng)作。設(shè)計(jì)的鉆頭結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。

圖2 雙通道機(jī)械掏穴鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the pump-free double channel mechanical hole enlarging bit

掏穴鉆頭正常鉆進(jìn)時(shí)，沖洗介質(zhì)從雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)空進(jìn)入鉆頭體，進(jìn)而通過(guò)鉆頭體側(cè)壁水路進(jìn)入前端鉆頭以冷卻鉆頭攜帶巖粉。需要掏穴鉆進(jìn)時(shí)，從雙壁鉆桿內(nèi)通道注入靜壓水推動(dòng)活塞下行，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪翼片旋轉(zhuǎn)張開(kāi)進(jìn)行掏穴鉆進(jìn)。

2.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合鉆頭工藝及開(kāi)合參數(shù)，齒輪模數(shù)m=3，齒輪齒數(shù)z=18，壓力角α=20°。通過(guò)齒輪相關(guān)公式可計(jì)算出齒輪相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 齒輪參數(shù)Table 1 Gear parameters

2)齒輪齒條結(jié)構(gòu)仿真分析

機(jī)械式掏穴鉆頭可簡(jiǎn)化為齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3 所示，其中圖3a、圖3b 分別表示刀翼開(kāi)合的2 種狀態(tài)，圖3a 表示鉆頭刀翼回收狀態(tài)，此時(shí)鉆頭零件受力簡(jiǎn)單，不會(huì)造成損壞；圖3b 表示鉆頭張開(kāi)掏穴鉆進(jìn)狀態(tài)，此時(shí)受力條件復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行受力分析。以鉆頭刀翼在軸向及徑向剛好破碎煤層狀態(tài)對(duì)鉆頭刀翼進(jìn)行受力分析。掏穴鉆進(jìn)狀態(tài)下，鉆頭翼片受到鉆頭體傳遞的鉆壓、扭矩，鉆頭破煤的反作用力，反扭矩，當(dāng)鉆壓與扭矩剛好破碎煤體的狀態(tài)下，鉆頭翼片處于平衡狀 態(tài)。

圖3 掏穴鉆頭齒輪齒條機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化Fig.3 Mechanism simplification of rack and pinion of the bit

按以上受力分析，對(duì)鉆頭刀翼施加鉆壓FN=5 300 N，扭矩2 000 N·m，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為1.5，則煤層破碎強(qiáng)度為15 MPa，推靠水壓4 MPa，則活塞推力T=13 266 N，采用有限元軟件對(duì)齒輪齒條進(jìn)行分析[20]，結(jié)果如圖4 所示。

從圖4a 可以看出，齒輪齒條結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為343.1 MPa，出現(xiàn)在翼片與鉆頭體接觸位置，從圖4b 可以看出齒輪齒根最大應(yīng)力為85.76 MPa，出現(xiàn)在齒輪與齒條接觸的齒根，從圖4c 可以看出軸銷(xiāo)最大應(yīng)力為342.7 MPa，出現(xiàn)在與翼片接觸位置。以上應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力[σ]，故齒輪齒條結(jié)構(gòu)滿足材料強(qiáng)度要求。

圖4 齒輪齒條結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the pinion and rack structure

2.3 彈簧優(yōu)選

為保證在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，刀翼在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下不張開(kāi)，要求彈簧具有一定的預(yù)緊力。另外，為保證掏穴鉆進(jìn)過(guò)程中刀翼能夠在齒條帶動(dòng)下張開(kāi)，要求靜壓水作用于活塞上時(shí)能夠克服彈簧阻力進(jìn)而推動(dòng)齒條軸向移動(dòng)，綜合掏穴鉆頭外殼尺寸及活塞齒條尺寸對(duì)彈簧進(jìn)行優(yōu)選。

圓柱螺旋壓縮彈簧的基本計(jì)算公式切應(yīng)力和變形量分別如下：

式中：τ為切應(yīng)力，N/mm2；F為彈簧工作壓力，N；Dm為彈簧中徑，mm；d為彈簧鋼絲直徑，mm；Ks為彈簧系數(shù)。

式中：f為彈簧在工作壓力F作用下的變形量，mm；i為彈簧有效圈數(shù)；G為剪切模量，MPa。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，井下靜壓水壓力最大為4 MPa，結(jié)合活塞面積，根據(jù)圓柱螺旋壓縮彈簧的基本計(jì)算公式，選用彈簧剪切應(yīng)力 [τ]和剪切模量G分別為750 MPa 和80 000 MPa，設(shè)計(jì)彈簧尺寸為：鋼絲直徑為8 mm，彈簧中徑54 mm，彈簧總高度84.5 mm，旋繞比C=3.1，彈簧有效圈數(shù)6 圈，兩端磨平3/4 圈。由以上公式計(jì)算并標(biāo)準(zhǔn)化得出彈簧工作圖如圖5 所示。

圖5 彈簧工作原理Fig.5 Working principle of the spring

2.4 鉆頭水路設(shè)計(jì)

水路設(shè)計(jì)是影響鉆頭能否順利開(kāi)合、煤粉能否順利排出的關(guān)鍵參數(shù)。無(wú)泵式雙通道隨鉆掏穴鉆頭水路包括2 部分：第1 部分為控制水路，應(yīng)保證在掏穴鉆進(jìn)時(shí)，該水路能夠推動(dòng)活塞下行，帶動(dòng)翼片張開(kāi)，由于此水路為封閉水路，只要水壓能夠克服彈簧預(yù)緊力即可；第2 部分為功能水路，即冷卻鉆頭、攜帶巖粉。由于掏穴后鉆孔直徑擴(kuò)大，破碎的煤粉較多，因此在入口為恒壓入口的情況下，盡量增大鉆具中心通道面積、鉆頭水眼面積，從而提高沖洗介質(zhì)流量，提高沖洗介質(zhì)速度，提高攜帶巖粉的能力。為實(shí)現(xiàn)這一目的，本鉆頭采用矩形截面水道，進(jìn)一步增大過(guò)流面積，保證鉆頭水路與鉆桿環(huán)空間隙截面積相當(dāng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用設(shè)計(jì)的無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴鉆頭在淮北礦業(yè)集團(tuán)朱仙莊煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地位于Ⅱ1057 工作面底抽巷，工作面煤層堅(jiān)固性系數(shù)為1.13，局部見(jiàn)0.1～0.3 m 的夾矸。上部為半亮型煤，中部為光亮型煤，塊狀和粉末狀，玻璃光澤，帶狀結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造。試驗(yàn)施工瓦斯穿層鉆孔，設(shè)計(jì)深度為20～41 m。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與工藝流程

試驗(yàn)鉆機(jī)為ZDY3200S 型煤礦用分體式全液壓坑道鉆機(jī)，施工鉆具組合為：?120 mm 四翼內(nèi)凹PDC 鉆頭+?350 mm 造穴裝置+?73 mm 雙通道鉆桿+?73 mm 雙通道送水器。

雙通道鉆擴(kuò)一體化施工工藝流程如下：首先采用?153 mm 三翼內(nèi)凹鉆頭開(kāi)孔并擴(kuò)孔，下入孔口管固孔并連接孔口裝置，隨后連接雙通道掏穴鉆具組合，在孔口連接水路檢查是否工作正常，待兩個(gè)通道水路正常且翼片能正常開(kāi)合后，下入鉆具。正常鉆進(jìn)時(shí)，環(huán)空水路連接靜壓水，壓力1～2 MPa，進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，待鉆進(jìn)至煤層底面并見(jiàn)巖0.5 m 后，將鉆具提至見(jiàn)煤處進(jìn)行掏穴鉆進(jìn)。掏穴鉆進(jìn)時(shí)，連接中心通道水路，增大靜壓水流量打開(kāi)刀翼開(kāi)始造穴，自煤層頂部向孔底進(jìn)行掏穴鉆進(jìn)，控制回轉(zhuǎn)速度保持60～90 r/min 進(jìn)行掏穴作業(yè)，直至全部煤層段掏穴施工結(jié)束。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

此次試驗(yàn)共完成了?120 mm 的鉆孔101 個(gè)，施工總進(jìn)尺2 861.5 m，鉆孔平均深度28.3 m，出煤量0.20～0.69 t/m，單孔平均出煤量0.22 t/m。按照單孔出煤量計(jì)算，平均等效鉆孔直徑0.5 m。經(jīng)計(jì)算，采用雙通道造穴技術(shù)可將原常規(guī)施工?120 mm 鉆孔直徑擴(kuò)大至4.1 倍。該礦采用水力沖孔施工，同等出煤量沖孔時(shí)間需0.5～1.0 h，此次試驗(yàn)與該礦之前常規(guī)水力造穴工藝相比，擴(kuò)大相同孔徑，大大提高了施工效率。試驗(yàn)過(guò)程中，鉆頭能夠在中心水路控制下進(jìn)行開(kāi)合，動(dòng)作靈活可靠，鉆頭刀翼磨損均勻、變形量小，有效解決了常規(guī)水力沖孔及機(jī)械掏穴施工中可靠性不足及必須采用泥漿泵的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)泵式機(jī)械掏穴施工，滿足了礦方施工需求，大大提高了施工效率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，雙通道鉆擴(kuò)一體鉆具在穿層鉆孔施工中鉆具密封性良好，造穴裝置工作可靠，有效解決了常規(guī)單通道水力沖孔或機(jī)械造穴存在可靠性不足的問(wèn)題，能夠滿足礦方施工要求，大大提高施工效率。

4 結(jié)論

a.通過(guò)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈簧優(yōu)選、水路設(shè)計(jì)研制的無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴鉆頭能夠滿足煤礦井下穿層鉆孔在無(wú)泵條件先實(shí)施控制掏穴鉆頭開(kāi)合進(jìn)行隨鉆掏穴施工，鉆進(jìn)水路能夠滿足掏穴排粉作業(yè)要求。

b.設(shè)計(jì)的掏穴鉆頭采用雙通道結(jié)構(gòu)，配合雙通道鉆具，解決了煤礦井下隨鉆掏穴鉆頭開(kāi)合不穩(wěn)定、必須配套泥漿泵使用的問(wèn)題，降低了該技術(shù)的使用成本。

c.無(wú)泵式雙通道機(jī)械掏穴鉆頭的研制，為低透煤層穿層鉆孔機(jī)械掏穴增透提供了施工經(jīng)驗(yàn)，為低透煤層瓦斯抽采提供了技術(shù)支撐。

d.本研究?jī)H對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)，未對(duì)鉆頭水路控制、攜帶巖粉等進(jìn)行精確計(jì)算，未對(duì)掏穴后鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，需進(jìn)行后續(xù)研究。