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本體刻槽三棱鉆桿優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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本體刻槽三棱鉆桿優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘要:根據(jù)對螺旋鉆進(jìn)工藝及相關(guān)鉆具的研究,作者研制了一種新型鉆桿。該鉆桿結(jié)合了普通三棱鉆桿、螺旋鉆桿、寬葉片鉆桿(俗稱肋骨鉆桿)及相關(guān)鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,具有特殊結(jié)構(gòu)的螺旋凹槽,使其能夠既滿足鉆孔施工時(shí)持續(xù)排渣,局部突出時(shí)又能將大量煤渣排出的功能,是一款非常適用于深孔鉆進(jìn)技術(shù)的井下瓦斯抽采鉆桿。

關(guān)鍵詞:煤層;瓦斯排放;刻槽;鉆桿

引言

目前,國內(nèi)在松軟突出煤層瓦斯排放打孔施工時(shí)主要采用普通三棱鉆桿、螺旋鉆桿和寬葉片鉆桿(俗稱肋骨鉆桿)[1]。使用普通三棱鉆桿在松軟突出煤層瓦斯排放鉆孔施工時(shí),由于其使用流體方式排渣,受鉆孔垮塌影響較大,容易抱鉆;如果使用螺旋鉆桿鉆孔、機(jī)械方式排渣,其適應(yīng)性較差,無法滿足實(shí)際需要;而使用肋骨鉆桿,其排粉效率又太低。為此,我們結(jié)合了市場上現(xiàn)有相關(guān)鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了具有特殊結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度本體刻槽三棱鉆桿,使其能夠在松軟突出煤層瓦斯排放鉆孔施工時(shí),既可以持續(xù)排渣,又具備局部突出時(shí)將大量煤渣排出的功能。

1高強(qiáng)度本體刻槽三棱鉆桿的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度本體刻槽三棱鉆桿(圖1)的外觀截面與普通三棱鉆桿相似[2],即在普通三棱鉆桿的桿體外表面加工出不連續(xù)的凹槽螺旋。為使三棱鉆桿具有更好的鉆進(jìn)效果,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)優(yōu)化。1.1.1一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我們在鉆桿的管體兩端直接加工內(nèi)、外螺紋,設(shè)計(jì)成一體式結(jié)構(gòu),不用進(jìn)行螺紋接頭焊接成型。減少了鉆桿結(jié)構(gòu)上的薄弱點(diǎn),增強(qiáng)鉆桿強(qiáng)度,提高了鉆桿的綜合機(jī)械性能,使其在發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故時(shí),不易發(fā)生接頭斷裂等危險(xiǎn)情況。

1.1.2凹槽螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外凸葉片結(jié)構(gòu)易對孔壁產(chǎn)生擾動(dòng),為保證鉆桿的排渣效率及避免孔壁擾動(dòng),采用了內(nèi)凹開槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)其還具有輔助排渣功能,在鉆桿的旋轉(zhuǎn)過程中,螺旋槽可對煤渣起到二次切削作用,使煤渣顆粒變小,易于排出孔外。

1.1.3大螺距螺旋槽設(shè)計(jì)為減少鉆桿鉆進(jìn)過程中的阻力及對孔壁的擾動(dòng),在實(shí)現(xiàn)螺旋排渣功能的前提下,采用大螺距螺旋槽設(shè)計(jì)。鉆桿實(shí)物見圖2。

1.2螺旋凹槽優(yōu)化

刻槽三棱鉆桿表面的螺旋槽是影響其排渣能力的重要因素。普通三棱螺旋凹槽鉆桿的凹槽前后均為直口,排渣阻力大,同時(shí)凹槽根部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,增加了三棱鉆桿在凹槽處斷裂的危險(xiǎn)性。為了更好地滿足施工過程中排渣的需要,同時(shí)減小螺旋槽根部應(yīng)力集中,設(shè)計(jì)了“上坡”型螺旋凹槽結(jié)構(gòu),通過對以往研究成果的分析,最佳的螺旋槽槽寬b=12mm,槽深h=1.1mm,計(jì)算出螺旋槽的“上坡”角度。tanθ=b/h=0.092,則θ≈5°。前后傾角為5°,且前端為直口,尾端為弧形口,如圖3所示。

1.3螺旋凹槽的加工

我們利用現(xiàn)有的銑削動(dòng)力頭,改造了普通管螺紋車床Q1913。首先,由于Q1913車床的最低轉(zhuǎn)速為7r/min,無法滿足我們加工直徑比較小的高強(qiáng)度本體刻槽三棱鉆桿的低轉(zhuǎn)速要求。我們選擇通過加裝減速機(jī)的辦法來適應(yīng)加工大螺距的要求,通過多次的現(xiàn)場加工實(shí)驗(yàn),選擇減速比為1∶30的減速機(jī),螺旋凹槽加工過程順利,表面粗糙度符合加工工藝要求。“上坡”型螺旋凹槽結(jié)構(gòu)是鉆桿的研究重點(diǎn),通過調(diào)整銑削動(dòng)力頭角度的方式進(jìn)行加工,既滿足了5°的“上坡”角度,又滿足了前端加工為直口,尾端加工為弧形口的結(jié)構(gòu)形式。

2應(yīng)用情況及結(jié)論

松軟突出煤層瓦斯排放鉆孔施工時(shí),如果遇到埋鉆事故,常規(guī)鉆桿旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生大量的熱量難以釋放,造成鉆桿溫度升高,帶來安全隱患。而高強(qiáng)度本體刻槽三棱鉆桿的大螺距凹槽螺旋結(jié)構(gòu),克服了普通三棱鉆桿易抱死的問題,可使被埋住的3個(gè)面互相串通,利于瓦斯氣體或壓風(fēng)及小顆粒煤渣排出,能夠及時(shí)帶走塌孔區(qū)因鉆桿表面摩擦產(chǎn)生的熱量,保證了鉆進(jìn)的安全性,增強(qiáng)了鉆桿處理事故的能力。

參考文獻(xiàn):

[1]楊健,肖麗輝.三棱凹槽螺旋鉆桿的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2014(5).

[2]肖麗輝,王義紅,李彥明.整體式三棱螺旋鉆桿的研制及應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2013(12).

[3]王永龍,翟新獻(xiàn),孫玉寧.刻槽鉆桿應(yīng)用于突出煤層鉆井的合理參數(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(2)

作者:王桂敏 張吉亮 楊文靜 單位:山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)