煤矿井下可开闭式PDC钻头的设计与优化

2018-01-23王传留高晓亮

超硬材料工程 2017年6期

王传留，高晓亮，张朋

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

瓦斯预抽采钻孔是煤矿瓦斯治理的主要方式之一，为保障瓦斯抽采钻孔充分发挥抽采效果，各大煤矿一般采用“钻到位、管到底、孔封严、水放通、长时抽”的十五字要求。但是随着开采深度的不断增加，煤矿地质条件越来越复杂，尤其是松软煤层稳定性差，存在瓦斯含量高、压力大等因素的影响，导致钻孔成孔率低、深度小，严重制约瓦斯抽采效率。为改善这一问题，国内多采用螺旋钻杆成孔技术，此举虽大大提高了松软煤层成孔效率，但是由于松软煤层稳定性差，在成孔提钻后，短时间内孔壁就会坍塌堵塞钻孔，使得大部分钻孔失效。作为抽采瓦斯通道下入的筛管，绝大多数情况下不能下到钻孔预定深度，导致了“钻到位、管不到底”问题的出现。为解决这一问题，中煤科工集团西安研究院有限公司开展了松软煤层不提钻下筛管技术，大大提高了松软煤层筛管下入率，基本实现了“钻到位、管到底”的技术要求［1］。

1 松软煤层不提钻下筛管技术

不提钻下筛管技术是指在钻孔完成后不提钻，通过钻杆内通径将用于瓦斯抽采的PVC筛管送入钻孔孔底，最后提钻，将筛管遗留孔底的下管技术，该技术在钻孔完成后不提钻，钻具在孔内起到了护壁作用，解决了松软煤层钻孔完成后由于钻孔坍塌导致筛管难以下入孔底的问题［2－4］。其技术原理如图1所示，

图1 不提钻下筛管技术原理图Fig．1 The technical schematic diagram of screen insertion without lifting the drill pipe

该项技术的实施对钻进用PDC钻头提出了新的要求：

1）钻头在正常钻进时为全面钻头，切削齿要全覆盖整个钻孔直径；

2）钻孔完成后，钻头可变为取芯钻头，即钻头中心部分具有足够空间保障筛管通过；

3）钻头由全面钻头变为取芯钻头后，无部件残留孔底，保证后期采煤安全。

2 顺层孔用内芯可开闭钻头设计与试验

2．1 内心可开闭钻头设计

发明专利“钻探用内芯可脱式钻头”（ZL：200820028443．1），如图2所示，解决了不提钻通过钻杆中心通孔下管的问题，该钻头可实现钻进成孔后，通过钻杆中心下入筛管，以保持钻孔瓦斯抽采的通道畅通，但是钻头的内芯是可脱式的，下管后会将内芯遗留在孔内，因该内芯属于钢质材料，且其上部焊接有硬质合金，遗留在孔内会对后期采煤带来安全隐患；且内芯不能重复利用，增加了钻孔施工成本［5－6］。

为解决内芯可脱式钻头将中心钻头遗留孔底的问题，设计了铰接型结构的可开闭钻头，具体结构如图3所示。

图2 内芯可脱式钻头示意图Fig．2 Schematic diagram of depoling bit

图3 内芯可开闭钻头结构示意图Fig．3 Schematic diagram of switchable bit

该钻头采用铰接型结构，采用铰接轴将一字型翼片与钻头体形成铰接结构，翼片可绕铰接轴自由旋转90°，翼片另一端置于钻头主体上的凹槽内，翼片上安装有弹簧定位珠，定位珠在弹簧的作用下卡置于钻头体凹槽两侧的球形卧槽内，防止钻头在正常钻进过程中打开，图4为弹簧珠弹卡机构示意图。

图4 弹簧珠弹卡机构示意图Fig．4 Schematic diagram of switchable bit

当钻孔完成后，筛管与钻头中心翼片接触，提钻时，在钻杆和拉力作用下，筛管给翼片以反作用推力，翼片在推力作用下挤压弹簧变形，弹簧珠解卡，翼片张开。图5为加工完成的可开闭钻头。

图5 内芯可开闭钻头实物图Fig．5 Real product of switchable bit

2．2 现场试验

（1）钻场概述

淮南矿业集团丁集煤矿为保证1331（1）工作面的安全回采，在1331（1）运输巷施工顺层钻孔进行瓦斯预抽。工作面煤层呈粉状、块状且煤层松软，煤层普氏系数0．5～0．6，瓦斯含量5．6m3／t。运输巷每隔10m设计一钻孔，钻孔设计孔深110m，钻孔角度为2°。为保证瓦斯抽采效果，实现筛管下到位目的，该施工地点使用松软突出煤层不提钻下筛管技术进行施工。

（2）设备工艺情况

现场钻机采用中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY4000S钻机，钻杆为Φ89／73mm大通孔宽叶片螺旋钻杆，钻杆内通孔为42mm，钻头为Φ110mm铰接式内芯可开闭钻头，筛管选用具有抗阻燃、抗静电性能的PVC管，筛管外径为Φ40mm，筛管布有交错式筛眼，便于后期抽放瓦斯。

钻进工艺参数为施工钻压不超过500kN，转速100～120r／min，供风压力0．8～1．0MPa，风量10～13m3／min。

（3）试验结果

现场累计施工钻孔30个，其中26个钻孔实现全程下筛管，只有4个钻孔下筛管深度低于100m。试验过程中累计消耗钻头4只，钻头在全煤钻孔施工时能够实现正常开闭功能。但是在钻遇矸石时，钻头存在变形及无法打开的情况，试验数据如表1所示。

表1 可开闭钻头数据统计表Table 1 Data statistics of switchable bit

图6为磨损变形的钻头图，可见钻头中心翼片弯曲变形，导致翼片无法顺利打开。

图6 失效的可开闭钻头实物Fig．6 Disabled switchable bit

3 穿层钻孔用可开闭钻头优化设计

3．1 失效原因分析

通过观察失效钻头失效形式，对钻头失效原因进行分析发现，在钻进夹矸煤层或岩层时，钻头体磨损严重，由于翼片放置槽裸露，与岩石直接接触，导致钻头体翼片放置槽磨损过大，变形严重，刀翼翼片在下筛管后难以张开，导致筛管无法下入。另外，由于翼片在钻进夹矸层或岩层时，翼片受到的阻力比较大，导致翼片变形甚至变弯，无法打开。

3．2 优化设计

为改善可开闭钻头在夹矸煤层或岩层的钻进能力，对四翼可开闭钻头进行了优化设计。

（1）钻头体结构优化

为增强钻头在岩层或夹矸地层的钻进能力，将钻头刀翼数量由4个优化为3个，刀翼数量的减少，降低了与地层接触的切削齿数量，在同等钻压下，单齿切削力更大，能够更好地破碎岩石。另外，切削齿排布由原来的同一平面排布改为阶梯排布，增大了岩石切削的自由面，更容易碎岩，从而改善了钻头的抗磨损性能。

（2）翼片放置槽优化

为防止翼片放置槽及翼片张开部位因为接触岩石而过早磨损变形，将翼片放置槽置于钻头体翼片部位，由开放式改为半开放式，防止岩屑对钻头体放置槽磨损，另外翼片弹簧珠也从翼片转移到钻头体上，防止翼片张开时或提钻过程中磨损定位珠。图7为改进完成的可开闭钻头。

4 现场应用

（1）现场概况

淮南矿业集团朱集东矿1151（1）轨顺顶板巷施工，目标煤层11－2煤层走向245°～330°，倾向155°～240°，倾角1～3°，无夹矸，煤层厚度2～3m，为大部可采的较稳定煤层，且煤质松软。该地点岩层主要以砂岩为主，砂岩呈灰色、深灰色，块状层理，砂质含量不均，局部砂质含量较高。所施工钻孔为下向穿层钻孔，钻孔设计倾角为－20°～65°，钻孔设计如图8所示。