煤礦用錨桿鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

孫榮軍

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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煤礦用錨桿鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

孫榮軍1,2

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

我國是采煤大國，大多數(shù)煤礦以井工開采為主，煤礦巷道掘進和支護的工程量很大，巷道支護鉆孔施工需要消耗大量錨桿鉆頭，錨桿鉆頭的設(shè)計和制造技術(shù)也得到了快速發(fā)展。介紹了錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對我國煤礦現(xiàn)用的錨桿鉆頭的技術(shù)特點、適用性進行了分析，并結(jié)合煤礦巷道支護的實際需求，提出了施工硬巖和復(fù)雜地層時錨桿鉆頭存在的問題，最后從錨桿鉆頭設(shè)計、加工工藝等方面，闡述了錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢。

煤礦；巷道支護；鉆孔；錨桿鉆頭

我國是采煤大國，大多數(shù)煤礦以井工開采為主，需要在地下開掘規(guī)模巨大的巷道，2012年煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計資料顯示，我國煤礦巷道平均總進尺約1.5×107m/年，其中煤和半煤巖巷總進尺約占84%，巷道支護是直接影響礦井安全、產(chǎn)量與效益的關(guān)鍵技術(shù)，錨桿(錨索)支護是煤礦巷道支護最為廣泛的技術(shù)之一，國有重點煤礦的煤巷錨桿支護率已經(jīng)達到85%以上，可以說巷道掘進量和支護鉆孔工作量巨大，相應(yīng)的錨桿鉆頭消耗量也非常大[1-4]。本文在介紹錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦巷道支護的實際需求，提出了錨桿鉆頭存在的問題，并闡述了錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢。

1 我國礦用錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

我國錨桿支護技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時所用的錨桿鉆機和錨桿鉆頭均以進口為主，受進口設(shè)備價格昂貴，而國產(chǎn)設(shè)備正處于研發(fā)階段的影響，錨桿支護技術(shù)推廣緩慢，直到20世紀(jì)90年代以后，隨著錨桿鉆機技術(shù)的不斷成熟和煤礦開采強度的加大，錨桿支護技術(shù)在煤礦井下巷道支護中得到大力推廣[5-6]。早期，錨桿支護鉆孔施工使用的錨桿鉆頭主要以硬質(zhì)合金鉆頭為主，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該類鉆頭切削齒選用碳化鎢硬質(zhì)合金材料，受硬質(zhì)合金本身性能的影響，只適用于軟—中硬地層鉆進，且耐磨性差，保徑能力弱，鉆頭壽命短。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，目前煤層(軟地層)錨桿孔的施工中仍在廣泛應(yīng)用。

隨著我國超硬材料技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代末國內(nèi)掀起了聚晶金剛石復(fù)合片(PolycrystallineDiamondCompact,以下簡稱：PDC[8])制造和應(yīng)用技術(shù)的研究熱潮，80年代初開始將PDC復(fù)合片用于石油和地質(zhì)鉆頭設(shè)計，起初所用PDC主要以進口為主，國內(nèi)很多廠家也與美國、日本企業(yè)合作生產(chǎn)PDC。PDC既有金剛石耐磨性高的特點，也有硬質(zhì)合金抗沖擊韌性高的優(yōu)點，用它制作的鉆頭在軟—中硬巖層中壽命長、效率高。起初，PDC因其加工難度大、技術(shù)含量高、價格昂貴，主要應(yīng)用在石油鉆頭上。20世紀(jì)90年代，美、英等發(fā)達國家開始將PDC用于硬巖鉆進用的錨桿鉆頭制造[7]，并取得了很好的應(yīng)用效果。隨著PDC制造技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，以及進口錨桿鉆機及配套鉆具在國內(nèi)的應(yīng)用，加快了我國錨固技術(shù)的發(fā)展。中煤科工集團西安研究院有限公司(原煤炭科學(xué)研究總院西安分院)借鑒我國已將PDC用于制作地質(zhì)和石油鉆頭的成功經(jīng)驗，率先在國內(nèi)成功研制了兩翼型PDC錨桿鉆頭[9-11]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，并制定了“金剛石復(fù)合片錨桿鉆頭”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填補了我國在PDC錨桿鉆頭研究方面的空白。目前，國內(nèi)煤礦巷道支護較常用的PDC錨桿鉆頭以兩翼結(jié)構(gòu)為主，根據(jù)PDC齒的形狀不同主要分為：整片型、切片型和半片型3種類型(見圖3)。連接方式普遍采用絲扣連接，鉆頭直徑以27～32 mm居多。由于PDC錨桿鉆頭在中硬巖石鉆進中具有鉆進效率高、使用壽命長等優(yōu)點，它在巷道支護鉆孔施工中占有主導(dǎo)地位。

近年來，隨著進口巷道掘錨裝備在國內(nèi)的推廣，進口錨桿鉆頭也隨之在國內(nèi)推廣。進口錨桿鉆頭無論在使用效果和材料性能方面都表現(xiàn)出比國內(nèi)鉆頭明顯的優(yōu)勢，當(dāng)然價格也比較昂貴。進口裝備自動化程度高，因錨桿鉆頭使用過程中更換頻率比大鉆頭更大，因此，快速裝卸是提高整體施工效率的要求。為方便裝卸，進口錨桿鉆頭多以插接式連接方式為主[12-15]，根據(jù)插接頭類型不同，有外四方(公接頭)插接式和內(nèi)六方(母接頭)插接式，根據(jù)鉆進工藝不同可分為濕式(水鉆型)和干式(風(fēng)鉆型)，見圖4。另外，進口釬桿和鉆頭的規(guī)格，都比目前國內(nèi)的規(guī)格大1～2個級配，如：美式六方中空釬桿，最大徑為25 mm，而國內(nèi)六方釬桿最大徑一般為19或22 mm；美式錨桿鉆頭直徑以32～44 mm居多，而國內(nèi)目前則以27～32 mm居多[16-20]。

圖2 兩翼型PDC錨桿鉆頭 圖3 不同切削齒形狀的PDC錨桿鉆頭

圖4 插接式錨桿鉆頭

錨桿鉆頭作為鉆錨裝備配套工具，受國內(nèi)鉆錨裝備整體技術(shù)發(fā)展的影響，其技術(shù)提升緩慢或發(fā)展重視程度不足。我國有關(guān)錨固技術(shù)的研究主要集中在錨桿、錨固劑、錨桿鉆機及錨桿檢測儀器與技術(shù)方面。目前國內(nèi)市場使用的錨桿鉆頭都是采用早期研究制定的制造工藝、結(jié)構(gòu)形式及連接方式，相較于國外發(fā)達國家，國內(nèi)錨桿鉆頭技術(shù)的創(chuàng)新明顯不足。

2 錨桿鉆頭目前存在問題分析

我國針對錨桿鉆頭的加工工藝及使用方法經(jīng)過多年不懈努力的研究，在技術(shù)與施工領(lǐng)域也取得了一定的進展。可是與歐、美主要產(chǎn)煤國相比較，錨桿鉆頭在制造和使用中還存在一些問題，尤其近年來，隨著礦井開采深度的增加，支護技術(shù)的發(fā)展，支護工程量的提高，現(xiàn)有錨桿鉆頭在使用過程中已暴露出很多需要迫切解決的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 硬巖鉆進效率低的問題

煤系地層一般以軟—中硬(f系數(shù)≤8)地層居多，一般煤巷錨桿支護孔的施工選用硬質(zhì)合金鉆頭或PDC鉆頭進行回轉(zhuǎn)鉆進都可以滿足要求；而對于煤層頂板堅硬巖石或煤層中含有大量矸石時，硬質(zhì)合金鉆頭一般很難適應(yīng)，PDC鉆頭也很難保證鉆進效率；針對以沖擊鉆進為主的一字形、十字形或球齒形硬質(zhì)合金鉆頭(見圖5)來講，遇到該類地層一般鉆進效率也比較緩慢。解決硬巖鉆進效率低的問題，不僅要在鉆頭結(jié)構(gòu)上想辦法，還要從設(shè)備、工藝、材料等方面綜合考慮制定解決方案。

圖5 沖擊鉆進用硬質(zhì)合金鉆頭

2.2 復(fù)雜地層鉆頭使用壽命短的問題

隨著礦井開采深度的加大,工程地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，對鉆頭的耐磨性、抗沖擊性、效率等都提出了更高的要求。目前針對復(fù)雜地層主要選用PDC錨桿鉆頭，在遇到軟硬互層時經(jīng)常出現(xiàn)崩刃、掉片、保徑失效等現(xiàn)象(見圖6)，導(dǎo)致鉆頭壽命不能滿足深孔鉆進的需要。特別是針對較深錨索孔(單孔深度>8 m)的施工，在遇到堅硬、破碎或裂隙發(fā)育的地層時，經(jīng)常一只鉆頭不能完成一個完整孔的施工，不但影響成孔效率，同時增加了勞動強度和支護成本。解決鉆頭壽命的問題，要結(jié)合成孔工藝方法，從材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造工藝等方面全面提升鉆頭性能。

2.3 錨桿鉆頭拆裝不便的問題

煤巷支護錨桿安裝的密度大，間距一般為0.6 ～0.8 m ,錨桿孔深為一般2～3 m。由此估算我國錨桿支護孔累計進尺總量上億米。在如此巨大的工程中，需要更換上千萬只以上的錨桿鉆頭。現(xiàn)有錨桿鉆頭與錨桿之間主要通過絲扣形式連接，由于鉆頭直徑小，施工鉆機的能力大，鉆頭在使用過程中，遇到阻力越大，絲扣連接強度越大，需要更換鉆頭時，一般都是靠人工裝卸鉆頭，擰卸螺紋時非常困難，增加了工人勞動強度，影響錨孔施工效率。其次，目前煤礦行業(yè)內(nèi)錨桿鉆頭與鉆桿之間連接需要連接套連接過渡，當(dāng)鉆進過程中扭矩過大，致使擰卸鉆頭時，無法將連接套與鉆頭分開，導(dǎo)致鉆頭與連接套一同更換，無形之中造成了連接套的浪費，增加了施工成本(見圖7)。解決鉆頭裝卸不便的問題，并且由于在裝卸過程中的諸多不便，工人操作失誤，經(jīng)常造成本來完好的鉆頭在更換時被損壞。可見，這種絲扣連接方式不但鉆頭裝卸困難，而且容易導(dǎo)致鉆頭損壞。

圖6 錨桿鉆頭崩片、保徑失效 圖7 錨桿鉆頭與連接套

2.4 錨桿鉆頭的加工工藝問題

現(xiàn)在錨桿鉆頭的制作依然沿用著早期的加工工藝，一只成品錨桿鉆頭需要經(jīng)過下料、車銑加工、攻絲、焊接、修磨等多個環(huán)節(jié)，加工制造工藝較為復(fù)雜。并且該類鉆頭的主要特點是直徑小，有其獨特的布齒方式，對鉆頭體強度及焊接強度要求高。隨著錨固支護技術(shù)的發(fā)展和推廣，錨桿鉆頭的年消耗量也在增加，這就加劇了現(xiàn)有錨桿鉆頭生產(chǎn)效率低、廢品率高的問題。因此，有必要對現(xiàn)有的錨桿鉆頭制作工藝方法做進一步改進，以適應(yīng)未來支護技術(shù)和市場要求。

3 我國礦用錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢

錨桿鉆頭在我國已有十多年的發(fā)展歷史,但是受重視程度和市場價格的影響，目前無論從結(jié)構(gòu)升級、加工工藝、材料優(yōu)選等研究都處于低水平重復(fù)、低成本拼價格的維持發(fā)展階段。隨著煤礦自動化、智能化開采技術(shù)的推廣，巷道支護裝備也將向高效智能控制方面發(fā)展，也將對配套鉆具(包括鉆頭)提出更高的要求。筆者認(rèn)為未來錨桿鉆頭要適應(yīng)以下發(fā)展趨勢。

3.1 整體強度高、使用壽命長、焊接強度高的趨勢

隨著我國煤礦開采的逐步發(fā)展，采煤深度逐漸增加，井下地應(yīng)力及巖石條件日漸復(fù)雜，施工較為破碎、裂隙發(fā)育的復(fù)雜地層以及較深的錨索孔逐漸成為常態(tài)，這就對錨桿鉆頭等配套施工鉆具提出了更高的要求。

3.2 鉆頭現(xiàn)場使用操做簡單，更換容易的趨勢

隨著科技的進步，井下施工設(shè)備機械化程度的提高，生產(chǎn)效率也會成為企業(yè)的重要考核指標(biāo)，因此，在錨固支護方面，設(shè)計研發(fā)更換便捷的鉆頭，提高鉆頭的更換效率也會成為發(fā)展趨勢。

3.3 鉆頭加工周期短，生產(chǎn)效率高的趨勢

錨桿鉆頭作為支護加固過程中不可或缺的重要工具，其制作工藝及性能是影響煤礦井巷錨桿孔成孔及支護速度的重要因素之一。如何實現(xiàn)錨桿鉆頭在復(fù)雜地層錨孔施工，使用壽命長且易于裝卸的功能，解決現(xiàn)有錨桿鉆頭生產(chǎn)效率低的問題，是目前我們所面臨的問題。因此，應(yīng)加大對錨桿鉆頭的研制力度。將對加快支護技術(shù)發(fā)展，提高支護速度，降低支護成本有著重要意義。

4 結(jié)語

錨桿鉆頭的需求量很大，但對錨桿鉆頭的技術(shù)創(chuàng)新明顯不足，雖然錨桿鉆頭產(chǎn)量很大，但高端產(chǎn)品缺少，不能滿足硬巖或者復(fù)雜地層施工的需要，主要體現(xiàn)在壽命短、效率低、裝卸不方便等方面，為此，應(yīng)加強PDC切削齒、錨桿鉆頭加工工藝及錨桿鉆頭與配套鉆具的連接方式等方面的創(chuàng)新設(shè)計，提升錨桿鉆頭的綜合性能和技術(shù)水平，以滿足巷道支護的實際需求。

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Application Status and Developmental Trend of Anchor Drill Bit in Coal Mine

SUN Rong-jun1,2

(1.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi’an Shaanxi 710077, China; 2.Department of Civil and Architecture Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an Shaanxi 710054, China)

China is a big coal mining country, most of the coal mines are by underground mining with large engineering quantities of coal mine roadway tunneling and supporting, a large number of anchor bits are needed in the tunnel support construction, and anchor bit design and manufacturing technology have been developed rapidly. This paper introduced the development and application status of anchor drill bit, analyzed the bit’s technical feature and applicability, and put forward the existed problems of anchor drill bit in the construction of hard rocks and complex formations combining with the actual needs of the coal mine roadway support. Finally, the development trend of anchor bit is expounded in the aspects of bit design and processing technology.

coal mine; roadway support; borehole drilling; anchor drill bit

2017-01-24；

2017-04-06

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目“煤礦井下沖擊回轉(zhuǎn)定向鉆進技術(shù)研究”(編號：2016GY-188)

孫榮軍，男，漢族，1977年生，副研究員，博士，主要從事煤礦坑道鉆探新技術(shù)研發(fā)與推廣工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號，sunrongjun@cctegxian.com。

P634.4

A

1672-7428(2017)05-0058-04