岩层联络孔冲剪复合碎岩原理可行性研究

时间：2024-07-28

王传留

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

“以孔代巷”技术具有成本低、效率高、周期短的优点，在煤矿井下具有广阔的应用前景[1-3]。但受限于煤矿巷道尺寸，特别是辅巷或高抽巷，只能采用小型钻机，在岩层施工大直径联络钻孔时，只能采用多级扩孔钻进的成孔方法，该技术需要不断更换钻头反复钻进，存在施工效率低、周期长等缺点[4-6]。而采用气动或液动潜孔锤冲击钻进，需要解决大功率空压机防爆问题或配备大流量泥浆泵，不但受巷道条件和安全性限制，且成本高昂[7-13]。因此，本文研究新的碎岩方法和工具，利用现有的钻探装备，实现了岩层中大直径联络孔优快成孔，对煤矿降本增效、安全开采具有重要意义。

1 冲剪复合碎岩原理

目前，根据钻头类型和地层性质不同，碎岩机理分为磨削碎岩、剪切碎岩和冲击碎岩等[14-15]，不同碎岩机理各有优点，比如中硬以上岩层，冲击碎岩效率较高，而软-中硬地层，剪切碎岩效率高。通过结构创新，研制冲剪复合钻头，包括内钎头、大功率冲击器和外切PDC 钻头三部分(图1)，外切PDC钻头与大功率冲击器外管相连接，将高压水-冲击器-内钎头冲击碎岩和钻机-钻杆柱-外切PDC 钻头剪切碎岩创造性地结合在一起，实现煤矿井下岩层中大直径联络孔高效快速成孔，同时降低钻探装备配置，达到“小马拉大车”的应用效果。

图1 冲剪复合钻头结构Fig.1 The structure of punching-shearing composite bit

冲剪复合碎岩工作原理(图2)：采用巷道内高压水驱动大功率冲击器，作用于内钎头上，作为第一动力元，以冲击功预裂地层，破坏岩层的整体构造应力，促进岩石中裂隙扩展并形成一定的体积破碎；同时钻机带动钻杆柱回转，驱动外切PDC 钻头，作为第二动力元，对预裂后的外侧岩石进行剪切破碎；两种碎岩方式同时作用，又相互独立，从而实现煤矿井下岩层大直径联络孔的高效成孔。

图2 冲剪复合钻头碎岩原理Fig.2 The rock breaking mechanism of punching-shearing composite bit

2 冲剪复合钻头研制

2.1 总体方案设计

结合现场试验条件，以ø153 mm 冲剪复合钻头为例，进行总体方案设计，总体结构如图1 所示。ø153 mm 冲剪复合钻头主要由ø92 mm 内钎头、ø90 mm 大功率冲击器和ø153 mm 外切PDC 钻头三部分组成，内钎头和外切PDC 钻头切削面积之比为1︰1.7。在初始状态下，内钎头工作面高出外切PDC钻头鼻部，使整个切削面呈凸面型，以保证钻进时内钎头在冲击载荷作用下首先破碎和预裂岩石，破坏岩层的整体构造应力。

2.2 内钎头设计

内钎头采用三翼整体式结构，钎头工作端面由3 个呈120°夹角的扇形区域组成，扇形区域的内侧设计3 个斜水眼，外侧中部设计排屑槽，其结构如图3 所示。由于冲剪复合钻头切面较大，产生的岩屑较多，为保证岩屑顺利排出来，需要合理设计钎头水眼与工作端面的面积比。

图3 内钎头结构Fig.3 The structure of inner bit

钎头工作端面形状直接影响冲击能量的传递效率和钎头强度，为提高破岩效率，钎头工作端面设计成双锥凸面型，如图4 所示。锥面倾角决定钎头齿的受力状态，参照国内外矿山凿岩用钎头、潜孔钎头的设计经验，将内锥面倾角α设计为15°，外锥面倾角β设计为45°。由双锥面及中心圆面组成的凸形工作面，能够在相对较小的岩层破碎面积中产生较大的冲击功，获得较高的机械钻速。内钎头齿选用PDC 柱齿和硬质合金锥齿两种方案，通过开展现场试验，评价两种方案的碎岩特点及磨损特征。

图4 内钎头工作断面形状Fig.4 The shape of working section of inner bit

2.3 大功率冲击器及连接设计

采用液动反作用式冲击结构，利用静压水流的压力推动活塞冲锤上行，同时压缩弹簧存储能量；当水流关闭时，弹簧释放弹性能推动活塞冲锤加速向下运动，冲击内钎头做功。其冲击及连接机构如图5 所示，主要由后接头、外管、弹簧、转接头、活塞锤、内滑套以及锤体组成。

图5 冲击及连接机构Fig.5 Impact and connection structure

后接头一端与冲击器外管相连，另一端与钻杆相连。外管不仅要固定内部各组件，保证连接可靠，还要为外切PDC 钻头提供静压和旋转载荷，因此，外管采用高强度合金钢，壁厚加厚设计。外切PDC钻头与外管通过锥螺纹连接，内孔设计为花键型，用于连接内钎头，保证钻压及转速能够施加于内钎头上。

2.4 外切PDC 钻头设计

外切PDC 钻头冠部曲线设计为圆弧–抛物线型结构，钻头鼻部到中心的距离和内钎头半径相等，肩部和外锥采用长抛物线结构，从而有利于增大外侧切削齿的布齿密度，降低单齿切削载荷，减缓切削齿的磨损。图6 为外切PDC 钻头结构示意图。

图6 外切PDC 钻头结构Fig.6 The structure of outer PDC bit

切削角的大小与破岩效果密切相关，切削角绝对值越大，切削齿的抗冲击能力和抗研磨能力越强，适用于硬岩钻进；为利于排屑，避免侧向振动对切削齿的损坏，设计一定的侧转角[16-17]；为增强外切PDC 钻头的保直性和扶正能力，防止冲击振动或地层不均匀造成钻孔偏斜，钻头刀翼设计为五翼加长型直刀翼结构。

3 现场试验及结果分析

3.1 试验情况

图7 为研制的ø153 mm 冲剪复合钻头，冲击器采用液动反作用冲击器，额定工作压力2～3 MPa，排量150～250 L/min，冲击功124～156 J，冲击频率10～25 Hz；内钎头加工2 只，分别采用PDC 柱齿和硬质合金锥齿。

图7 冲剪复合钻头实物Fig.7 The photo of punching-shearing composite bit

钻机采用ZDY3200S 分体式钻机，整机质量2 040 kg，外形尺寸2 300 mm×1 100 mm×1 560 mm，额定功率37 kW，额定扭矩3 200 N·m，额定转速220 r/min，最大给进力 112 kN，最大给进速度0.22 m/s，给进起拔行程600 mm。

试验地点位于陕西省渭南市白水县林皋镇，试验场地在林皋湖西侧约3 km 云台山，该场地为云台山废弃采石场。试验地层主要以砂岩为主，岩石抗压强度为40～70 MPa，硬度大、研磨性强、可钻性差。图8 为试验场地照片。

图8 现场试验Fig.8 The photo of experiment field

开孔采用ø159 mm 刮刀钻头，钻进200 mm；然后更换ø153 mm PDC 柱齿型冲剪复合钻头，钻进进尺12 m；再换用ø153 mm 硬质合金锥齿型冲剪复合钻头，钻进至24 m 停钻，起拔钻具和钻头，观察钻头磨损情况。

3.2 结果分析

钻进过程中钻杆每隔一米用蓝色胶带标记，采用不同钻压，不同转速对钻进效率进行记录(表1)。

表1 钻进参数Table 1 Drilling parameters

图9a 为PDC 柱齿型冲剪复合钻头提钻后照片，提钻后外层PDC 钻头保持完好，钎头PDC 柱齿基本无磨损。在泵压2 MPa，流量230 L/min 情况下，PDC 柱齿型冲剪复合钻头平均机械钻速8.3 m/h，最大机械钻速可达10 m/h。钻压和转速在一定范围内对机械钻速的影响不大，因而，该冲剪复合钻头可应用于低钻压、低转速钻进工艺。

通过对排渣进行观察分析，使用PDC 柱齿型冲剪复合钻头钻进的岩屑粒径分为2 类，一种是颗粒状，另一种是粉末状(图9b)。证明冲剪复合钻头碎岩方式包括冲击器带动钎头的冲击破碎和PDC 钻头的剪切破碎。钎头冲击地层首先在孔底内侧形成微裂纹，进而在PDC 切削齿剪切作用下对钎头外侧的岩层进行剪切破碎，该过程形成的岩屑以大颗粒状为主；此外，外切PDC 钻头回转过程会对岩屑进行二次研磨，因而形成细砂状岩粉。

图9 PDC 柱齿型冲剪复合钻头提钻后照片及岩屑照片Fig.9 Photos of used PDC cylindrical toothed punching-shearing composite bit and the cuttings

图10a 为硬质合金锥齿型冲剪复合钻头提钻后照片，提钻后外层PDC 钻头保持完好，但钎头的硬质合金锥齿有显著磨损，且主要磨损分布在最外侧6 颗锥齿上，最大磨损达1～1.5 mm。由于最外侧锥齿回转线速度最大，因此，降低回转速度有助于减少硬质合金锥齿的磨损程度。在泵压2 MPa，流量230 L/min，转速80 r/min 情况下，硬质合金锥齿型冲剪复合钻头平均机械钻速6 m/h，最大机械钻速可达8.6 m/h。同样，钻压在一定范围内对机械钻速没有显著影响。

通过对排渣进行观察分析，使用硬质合金锥齿型冲剪复合钻头钻进的岩心同样包含2 种粒径：钎头冲击作用产生的粗大颗粒状和剪切磨削作用产生的细小粉末状，如图10b 所示。由于硬质合金耐磨性低于PDC，因此，使用硬质合金锥齿钻进所排出的大粒径岩粉占比要高于使用PDC 柱齿钎头钻进。

图10 硬质合金锥齿型冲剪复合钻头提钻后照片及岩屑照片Fig.10 Photos of used carbide taper toothed punching-shearing composite bit and the cuttings

综上，ø153 mm 冲剪复合钻头可配合ZDY3200S 分体式钻机在硬质砂岩地层中实现近水平孔的快速钻进，钻机转速和钻压对机械钻速影响较小，因而，该冲剪复合钻头可以实现小型钻机的井下大直径(ø153 mm)一次成孔和快速钻进。同时PDC 柱齿型冲剪复合钻头的钻进效率高于硬质合金锥齿型冲剪复合钻头，钎头PDC 柱齿的抵抗磨损能力也优于硬质合金锥齿。