煤礦井下頂板高位大直徑定向鉆孔雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭研究

韓佳良 ，劉建林 ，唐勝利

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

隨著我國井工煤礦開采深度不斷增加、范圍不斷擴(kuò)大，瓦斯治理難度增大，而在開采能力不斷提升的背景下，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的瓦斯超限問題日益突出，回采過程中上隅角、回風(fēng)流瓦斯超限嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)[1-3]。與此同時，礦井智能化建設(shè)發(fā)展對瓦斯治理提出了更高要求。頂板高位大直徑定向鉆孔是抽采治理工作面采動卸壓瓦斯的有效技術(shù)手段，與頂板高抽巷和常規(guī)高位鉆孔相比具有綜合成本低、抽采效率高等顯著優(yōu)勢[4-7]。工作面回采前，在煤巷內(nèi)設(shè)置鉆場、向頂板巖層以大傾角上仰開孔，利用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工先導(dǎo)定向孔，控制實鉆軌跡沿設(shè)計軌跡進(jìn)入目標(biāo)層延伸。頂板高位定向鉆孔理想布孔層位是工作面回采后采空區(qū)上方的“O”形圈裂隙帶，而不同礦井采動裂隙帶發(fā)育高度與回采煤層厚度、頂板地層巖性特征、采煤工藝等多種因素有關(guān)，往往需要結(jié)合抽采效果優(yōu)選合理布孔層位[8]。在成孔直徑方面，大量工程實踐表明增大頂板高位定向孔的成孔直徑對減少布孔數(shù)量、降低綜合成本、提升抽采效果等具有重要現(xiàn)實意義[9]。目前，煤礦井下普遍采用“先定向孔+擴(kuò)孔”的方式增大頂板高位定向孔的直徑，即先施工小直徑定向先導(dǎo)孔，再利用擴(kuò)孔鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔。由于受到現(xiàn)有煤礦井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備一次成孔能力、擴(kuò)孔鉆具級配等因素限制，直徑不小于φ200 mm 的頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用分級多次正向擴(kuò)孔工藝施工，局限性是需要多次提下鉆，加接、擰卸鉆具等輔助工作量大；此外，單純依靠孔口鉆機(jī)動力碎巖擴(kuò)孔，鉆桿柱在定向孔內(nèi)的受力工況隨著鉆孔直徑增大而愈加惡劣，使用壽命短、斷鉆概率高、孔內(nèi)安全性差、綜合成孔效率較低[10-11]。

針對上述問題，中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司提出頂板高位大直徑定向孔多動力雙級雙速一次鉆擴(kuò)成孔技術(shù)，即在先導(dǎo)定向孔基礎(chǔ)上利用鉆機(jī)動力和泥漿泵水動力聯(lián)合驅(qū)動內(nèi)外雙鉆頭同步碎巖擴(kuò)孔，其中一級內(nèi)鉆頭由螺桿鉆具直接驅(qū)動，二級外鉆頭由鉆機(jī)直接驅(qū)動。內(nèi)外2 級鉆頭是多動力擴(kuò)孔的關(guān)鍵鉆具，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)合理設(shè)計一定程度上決定著擴(kuò)孔的碎巖能力和擴(kuò)孔效率。為此，在分析雙級雙速擴(kuò)特點、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬分析手段對研究了雙級雙速鉆頭切削齒布齒原理，分析了內(nèi)外2 級鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)——直徑的合理配比。

1 雙級雙速擴(kuò)孔特點

圖1 雙級雙速擴(kuò)孔原理示意圖Fig.1 Principle of double-stage double-speed hole reaming

雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭所用的碎巖齒為PDC 復(fù)合片，其破巖原理與常規(guī)PDC 鉆頭相同，通過侵徹切削破巖鉆進(jìn)。然而，雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭雖同軸旋轉(zhuǎn)，但因直接驅(qū)動力不同，內(nèi)外2 級鉆頭在擴(kuò)孔過程中的旋轉(zhuǎn)角速度不同，且內(nèi)外鉆頭在不同直徑導(dǎo)孔基礎(chǔ)上碎巖擴(kuò)孔。導(dǎo)向孔形成過程中打破了孔壁地層原始應(yīng)力平衡、釋放部分應(yīng)力建立新的平衡后碎巖擴(kuò)孔[12]。在碎巖動力方面，二級外鉆頭由孔口動力驅(qū)動，而一級內(nèi)鉆頭則由孔口動力與孔底動力聯(lián)合驅(qū)動，且孔口動力通過螺桿鉆具的定轉(zhuǎn)子運動副間接傳遞。

雙級雙速擴(kuò)孔的技術(shù)特點包括：

1）內(nèi)外鉆頭之間存在旋轉(zhuǎn)角速度差——一級內(nèi)鉆頭的旋轉(zhuǎn)角速度約為二級外鉆頭的2 倍，在相同進(jìn)尺條件下一級內(nèi)鉆頭單圈回轉(zhuǎn)切削深度較外鉆頭小。

2）二級外鉆頭在一級內(nèi)鉆頭導(dǎo)向擴(kuò)孔基礎(chǔ)上擴(kuò)孔，大直徑導(dǎo)向孔孔壁鄰空面有利于地應(yīng)力釋放，能夠減少二級外鉆頭的破巖鉆進(jìn)難度，有助于提高二級外鉆頭的鉆進(jìn)效率。

3）雙級雙速擴(kuò)孔過程中，在孔口單一給進(jìn)力作用下，內(nèi)二級外鉆頭彼此之間存在約束“等待”關(guān)系，即鉆進(jìn)速度具有動態(tài)自平衡特性。

4）在相同動力輸入條件下，雙級雙速擴(kuò)孔效率與內(nèi)外鉆頭的“分界”直徑——即外鉆頭有效內(nèi)徑與一級內(nèi)鉆頭有效外徑值密切相關(guān)。

2 鉆頭結(jié)構(gòu)

2.1 雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭刀翼結(jié)構(gòu)

雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭用于頂板高位定向孔施工過程中鉆遇地層以泥頁巖類、砂巖類為主，將φ120 mm 先導(dǎo)定向孔一次鉆擴(kuò)至φ200 mm 的單位長度理論碎巖體積接近先導(dǎo)定向孔的2 倍，因此對擴(kuò)孔鉆頭的可靠性和使用壽命要求更高。布設(shè)數(shù)量足夠的復(fù)合片是保障鉆頭使用壽命和碎巖性能的前提，因此雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭刀翼的冠部曲線設(shè)計至關(guān)重要。

綜合單圓弧、雙錐、雙圓弧、普通拋物線、圓弧拋物線、平頂拋物線等線型的特點，基于適應(yīng)頂板巖層鉆進(jìn)、有利于增加布齒數(shù)量、相鄰復(fù)合片互不干涉、各個復(fù)合片切削體積大致相等、易于加工等原則，設(shè)計的雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭冠部剖面曲線如圖2。肩部采用拋物線形、在鉆頭體中心軸線方向上的投影長度相對較短，布設(shè)較少數(shù)量的PDC 復(fù)合片，用于臨空區(qū)域碎巖；肩部與保徑之間采用外錐圓弧曲線，在鉆頭體中心軸線方向上的投影長度相對較長，布設(shè)較多數(shù)量的PDC復(fù)合片，用于孔壁區(qū)域階梯碎巖。

圖2 鉆頭刀翼剖面曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of drill blade profile curve

按照等切削布齒原則，可采用下式確定鉆頭剖面曲線方程[13]。

式中：z為刀翼長度 ；r為鉆頭直徑；r0為冠頂鉆頭半徑；c為積分常數(shù)。

當(dāng)冠頂部z=0 時：

可根據(jù)式（1）計算并繪制出鉆頭剖面曲線的圓弧段。

2.2 切削齒選擇與布齒設(shè)計

煤礦井下PDC 鉆頭常用切削齒直徑以13、16、19 mm 等規(guī)格為主。不同直徑的切削齒在不同強度與研磨性的地層中的破巖效果存在差異，通常情況下，中硬巖層多選用直徑16 mm 的切削齒，既能保證自身強度又具有較強的“吃入”地層能力。

切削齒在鉆頭體周向與徑向上的布設(shè)遵循等切削布齒原則，即鉆頭旋轉(zhuǎn)1 周每個切削齒切削巖石體積近似相等[14]，為此確定一級內(nèi)鉆頭采用4 刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，外鉆頭采用6 刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過各切削齒的徑向位置，基于等切削原則確定切削齒的裝配角γ和軸向尺寸Hc2 個空間方位參數(shù)，據(jù)此反應(yīng)雙級鉆頭在孔底徑向的覆蓋情況[15]。

2.3 切削齒結(jié)構(gòu)參數(shù)

切削齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要考慮側(cè)轉(zhuǎn)角β和切削角α。

側(cè)轉(zhuǎn)角的主要作用是對切削產(chǎn)生的巖屑施加側(cè)向推力，將巖屑運移至鉆頭的外緣部，可減少巖屑的吸附堆積和泥包現(xiàn)象的產(chǎn)生，對于煤礦井下以清水作為沖洗介質(zhì)的鉆孔施工，切削齒清潔效果好，側(cè)轉(zhuǎn)角可在4°～6°范圍內(nèi)選取，徑向由內(nèi)向外逐漸增大。

切削角α的大小決定了切削碎巖的能力[16]，根據(jù)試驗研究結(jié)論及實鉆經(jīng)驗[17]，切削角的大小與破巖效果密切相關(guān)，切削角值越大，切削齒的抗沖擊和抗研磨能力越強，但破巖效率會隨之降低。強度高、研磨性強的硬地層應(yīng)選用大切削角，軟巖地層中宜選用小切削角[18-19]。基于頂板高位孔典型地層特點，雙級雙速鉆頭鉆遇的巖層堅固性系數(shù)普遍較大，在保證鉆頭使用壽命與切削碎巖能力的前提下，一級內(nèi)鉆頭切削角為16°～18°范圍內(nèi)選取，二級外鉆頭切削角在18°～20°范圍內(nèi)選取，且切削角沿徑向由內(nèi)向外增大。

3 雙級雙速鉆頭“分界”直徑

3.1 有限元模型

通過三維建模軟件建立了雙級雙速PDC 鉆頭的三維實體模型與地層的三維有限元模型[20-21]，用以內(nèi)外鉆頭“分界”直徑合理分配問題數(shù)值模擬研究。

數(shù)值建模的基本假設(shè)及簡化設(shè)計包括：①內(nèi)外鉆頭整體視為剛體；②巖石單元剝離失效后忽略其對之后鉆進(jìn)的影響；③不考慮沖洗液壓力和射流作用對鉆進(jìn)的影響；④巖石模型周圍和底部為鉆孔遠(yuǎn)場區(qū)域。

地層模型巖石材料參考典型頂板砂巖，巖石材料參數(shù)為：①密度：2 100 kg/m3；②彈性模量：40 GPa；③泊松比：0.15；④屈服強度：90 MPa；⑤失效應(yīng)變：0.03。

將雙級雙速鉆頭三維模型導(dǎo)入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件，采用Drucker-Prager 準(zhǔn)則和塑性失效準(zhǔn)則，巖石模型采用全六面體漸進(jìn)式網(wǎng)格劃分，即對接近先導(dǎo)孔的被侵徹巖石網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，遠(yuǎn)離鉆頭的巖石網(wǎng)格進(jìn)行粗化處理。鉆頭與巖石單元互相擠壓、運動，為高度非線性動態(tài)侵蝕接觸。根據(jù)鉆頭切削齒侵徹巖石的特點，將整個鉆頭外表面設(shè)為接觸面，巖石體為接觸目標(biāo)，雙級鉆頭與巖石的接觸屬性為面面接觸。邊界條件的設(shè)置上，約束鉆頭只在軸向沿z軸負(fù)方向運動，無徑向位移，對巖石不施加圍壓，且?guī)r石上表面與鉆頭不考慮靜液柱壓力，巖石邊界條件設(shè)為非反射條件。

在φ120 mm 先導(dǎo)孔一次鉆擴(kuò)至φ200 mm 大直徑孔的環(huán)形碎巖斷面理論值固定的情況下，研究雙級鉆頭擴(kuò)孔“分界”直徑——即對比內(nèi)鉆頭不同直徑對擴(kuò)孔碎巖效率的影響。首先，在環(huán)截面積中選定適合的“分界”直徑——一級內(nèi)鉆頭的直徑，使一級內(nèi)鉆頭與二級外鉆頭的碎巖面積相當(dāng)，使2 級鉆頭碎巖比功相近。隨后，以兩環(huán)形碎巖面積1∶1 為基準(zhǔn)，分別選定面積比為1∶2 和2∶1為對照組進(jìn)行模擬分析，即內(nèi)鉆頭直徑為165 mm（φ120 mm—φ165 mm—φ200 mm）、152 mm（φ120 mm—φ152 mm—φ200 mm）、178 mm（φ120 mm—φ178 mm—φ200 mm）。通過分析3 種雙級雙速鉆頭的應(yīng)力分布確定內(nèi)外鉆頭直徑比最優(yōu)值的存在性和所在區(qū)間。對照組破碎面積示意圖如圖3。

圖3 對照組破碎面積示意圖Fig.3 Schematic diagram of broken area of control group

3.2 雙級雙速鉆頭破巖特性模擬

采用LS-DYNA 顯示動態(tài)分析，從而得出的3種不同直徑的雙級鉆頭對孔底巖石的應(yīng)力云圖如圖4。

圖4 孔底巖石應(yīng)力云圖Fig.4 Rock stress cloud diagrams at the bottom of the hole

由圖4 可知：在雙級雙速鉆頭侵徹作用下，孔內(nèi)巖石產(chǎn)生塑性變形且完全失效；鉆孔周圍巖石發(fā)生塑性變形但沒有完全失效，因此未發(fā)生剝落；而遠(yuǎn)離鉆孔的巖石單元由于受擾動較小，仍處于彈性階段，未達(dá)到塑性變形強度。

為進(jìn)一步揭示3 種雙級PDC 鉆頭直徑的影響效果，將鉆壓進(jìn)行簡化，對鉆頭整體施加1 t 鉆壓，內(nèi)鉆頭轉(zhuǎn)速180 r/min，外鉆頭轉(zhuǎn)速60 r/min；分別提取了雙級PDC 鉆頭同一位置不同數(shù)量的孔底內(nèi)部巖石單元、孔底內(nèi)部邊緣巖石單元、遠(yuǎn)離孔身邊緣巖石單元巖石失效情況；分析不同直徑的雙級雙速鉆頭侵徹孔底巖石的最大有效應(yīng)力隨著徑向距離發(fā)生的變化。巖石失效最大主應(yīng)力如圖5。

圖5 巖石失效最大主應(yīng)力Fig.5 Maximum principal stress of rock failure

由圖5 可得：

1）3 種直徑的雙級雙速鉆頭最大有效應(yīng)力整體趨勢為先增大后減小再增大最后趨于穩(wěn)定。第1次增大至一級鉆頭切削巖石處應(yīng)力最大，距離一級鉆頭較近的巖石單元發(fā)生損傷并從巖石上脫落，這說明當(dāng)一級鉆頭在破碎至該巖石層段時（此時一級鉆頭鉆進(jìn)到該所屬層段），地層應(yīng)力由于一級鉆頭的鉆破得到一定的釋放，使得上端二級鉆頭在鉆進(jìn)時破碎巖石所需的應(yīng)力降低，即更加容易破碎剩余的巖石， 距離二級鉆頭較近的巖石單元失效， 遠(yuǎn)離鉆頭的巖石單元所產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸減小[22]。而2 次增大至峰值的差則表明底層應(yīng)力得到了充分的釋放，可以得出3 種不同直徑雙級鉆頭均具有提高機(jī)械鉆速的潛力。

2）通過對比3 種雙級雙速鉆頭的2 次最大有效應(yīng)力峰值可以得出：φ178 mm 雙級鉆頭在一級鉆頭破碎至該層時所需要的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他2 個直徑鉆頭，即破壞巖石時更加困難；φ152 mm 雙級鉆頭由于直徑最小，因此破環(huán)巖石所需要的應(yīng)力最?。沪?65 mm 雙級鉆頭則位于中間位置。

3）在二級鉆頭破碎至該層時，φ178 mm 雙級鉆頭由于一級鉆頭對原先地層應(yīng)力破壞最大，因此二級鉆頭切削破碎巖石所需要的應(yīng)力最??；φ152 mm 雙級雙速鉆頭在二次碎巖擴(kuò)孔時所需的應(yīng)力稍大于φ178 mm 鉆頭；φ165 mm 雙級鉆頭在破碎環(huán)面積為1：1 的條件下，一級鉆頭與二級鉆頭碎巖所需的應(yīng)力趨于相同狀態(tài)。由于φ178 mm一級鉆頭碎巖難度遠(yuǎn)大于其他一級鉆頭，在釋放較大應(yīng)力的情況下，二級鉆頭所施加的應(yīng)力比φ152 mm 的二級鉆頭降低了2.723 MPa，對二級鉆頭的鉆進(jìn)難易程度并無顯著優(yōu)勢。

3 種不同直徑雙級雙速鉆頭在鉆進(jìn)過程中孔底巖石剩余體積隨時間變化的曲線如圖6。

圖6 孔底巖石體積Fig.6 Volume of rock at hole bottom

從圖6 中可知：碎巖體積與內(nèi)鉆頭的直徑成正比，鉆頭直徑越大，則侵徹巖體的體積越多，φ178 mm 雙級雙速鉆頭的一級鉆頭直徑最大，在侵徹過程中致使巖石單元剝落失效的程度最大，二級鉆頭對巖石單元的切削更加容易；對比φ165 mm 與φ152 mm 的鉆頭，同等條件下φ165 mm 雙級鉆頭的碎巖能力大于φ152 mm 雙級鉆頭。

通過對3 種不同直徑雙級鉆頭的應(yīng)力曲線和碎巖體積曲線的對比分析，可以得出：雙級雙速的一級鉆頭破碎巖石后對二級鉆頭都具有一定的釋放應(yīng)力作用，有利于二級鉆頭侵徹破碎巖體的特點，終孔直徑一定的情況下，其碎巖能力隨內(nèi)鉆頭直徑的增加而增加。

綜合孔底應(yīng)力與碎巖能力對3 種直徑的雙級雙速鉆頭進(jìn)行優(yōu)選：φ178mm 的雙級雙速鉆頭雖然一級鉆頭施加應(yīng)力、碎巖體積最大，但對于二級鉆頭碎巖過程中巖石的應(yīng)力釋放效果并不明顯；φ165mm 的雙級鉆頭在產(chǎn)生較小應(yīng)力的情況下保持較高的碎巖體積；而φ152 mm 的雙級鉆頭應(yīng)力趨勢與φ165 mm 的相差不大但碎巖體積較小。因此，應(yīng)在直徑φ165～φ152 mm 中進(jìn)行優(yōu)選，即最優(yōu)碎巖面積比約為1∶1～1∶2 之間。具體值需要進(jìn)行切削仿真或大量試驗。

4 現(xiàn)場試驗

研制的雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭在山西某礦18502工作面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗采用ZDY12000LD大功率定向鉆機(jī)、BLY390 泥漿泵車、YHD1000（A）隨鉆測量系統(tǒng)、φ89 mm 螺桿馬達(dá)定向鉆具組合，以及研制的φ200 /φ120 mm 雙級雙速擴(kuò)孔鉆具實施頂板高位大直徑定向長鉆孔。依據(jù)設(shè)計鉆頭尺寸參數(shù)，采用φ165 mm 的4 刀翼一級PDC 鉆頭和φ200 mm 的6 刀翼二級PDC 鉆頭，對預(yù)先完成的φ120 mm 先導(dǎo)定向孔實施擴(kuò)孔作業(yè)，完成3#鉆場6#、7#鉆孔的鉆擴(kuò)施工。

試驗?zāi)繕?biāo)地層為粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖，試驗鉆孔信息與鉆進(jìn)參數(shù)見表1。7#試驗孔機(jī)械鉆速隨孔深變化曲線如圖7，6#試驗孔機(jī)械鉆速隨孔深變化曲線圖如圖8。

表1 鉆孔信息Table 1 Drilling information

圖8 6#試驗孔機(jī)械鉆速隨孔深變化曲線圖Fig.8 Variation curve of drilling speed of 6 # test hole with hole depth

7#孔擴(kuò)孔累積耗時12 個班，折算鉆擴(kuò)施工平均機(jī)械鉆速為11.1 m/h，班平均鉆進(jìn)效率為37.0 m/班，日均鉆進(jìn)效率達(dá)到111.0 m/d。

6#孔擴(kuò)孔累積耗時11 個班，折算鉆擴(kuò)施工平均機(jī)械鉆速為12.3 m/h。班平均鉆進(jìn)效率42.3 m/班，日均鉆進(jìn)效率達(dá)到126.9 m/d。

結(jié)果表明：現(xiàn)有的常規(guī)分級擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝鉆擴(kuò)工期一般不少于15 個班次，與之相比，多動力擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)鉆擴(kuò)6#、7#鉆孔，較之分別節(jié)省了3～4 個班次，綜合效率提升25%以上；實現(xiàn)了φ200 mm 大直徑定向長鉆孔的安全高效鉆擴(kuò)成孔。

5 結(jié) 語

1）以碎巖面積為依據(jù)，φ200 mm 終孔直徑為固定值，在雙級鉆頭級配比1∶1 的基礎(chǔ)上選取1∶2 和2∶1 為對照組，利用顯示動力學(xué)分析在不同直徑下雙級雙速擴(kuò)孔鉆頭的碎巖效果，通過對比3 種雙級鉆頭的孔底巖石最大主應(yīng)力和孔底巖石碎巖體積，得出最優(yōu)級數(shù)配比應(yīng)為1∶1～1∶2之間。

2）根據(jù)等切削布齒的原則以及雙級雙速擴(kuò)孔技術(shù)的施工條件，對鉆頭的冠部曲線、PDC 布齒和切削刀翼進(jìn)行合理的設(shè)計與優(yōu)化，使其能夠滿足頂板高位大直徑定向擴(kuò)孔工藝的需求的同時效率和鉆頭壽命都可以得到保障。

3）開發(fā)的雙級雙速鉆頭中一級鉆頭能夠有效地釋放地應(yīng)力，提高二級鉆頭的擴(kuò)孔效率，實現(xiàn)了頂板高位大直徑一次增擴(kuò)φ200 mm 的高效擴(kuò)孔。在增大瓦斯抽采鉆孔直徑的基礎(chǔ)上有效的提升鉆進(jìn)效率，縮短了鉆進(jìn)成孔周期。為煤礦井下“以孔代巷”大直徑鉆孔工藝技術(shù)推廣提供了支撐。