煤田地质勘探中大直径钻孔用刮刀钻头的设计与应用分析

高相云

摘 要：本文主要分析了煤田地质勘探中大直径钻孔用刮刀钻头的设计与应用，阐述了在当前形势下，加强大直径钻孔用刮刀钻头设计与应用的重要性。针对目前刮刀钻头的种类以及切削底层的基本原理进行研究。笔者通过研究，总结和归纳自身多年工作经验，提出一些加强刮刀钻头应用的对策。希望通过本文的分析能帮助相关煤田地质勘探部门提高勘探工作水平和质量，能更好地应对工作中存在的问题。

关键词：地质勘探；刮刀钻头；设计；应用

煤田地质勘探是一项十分复杂且重要的工作，勘探工作包括很多方面，而大直径钻孔用刮刀钻头作为整个煤田地质勘探中钻机最重要的组成部分，其设计和应用水平将直接影响着整个工钻机的工作效能和经济效能，关系着煤田地质勘探工作的进度。因此，探讨、分析煤田地质勘探中大直径钻孔用刮刀钻头的设计和应用具有重要的作用和意义，只有刮刀钻头设计和加工工作人员重视工作、研究工作中的问题，最终，才能提高整个煤田地质勘探工作的水平和质量。

1.刮刀钻头切削地层的基本原理及种类

根据不同的地质构造我们应该选择不同形式的钻孔，并且还要配合不同的破碎方法使其掘削成孔。例如，针对由砂粘土等构造成的非岩层地层，为了达到切削地层的目的，可以使用锐利的钻刃，同时配合超出地层抗压强度的压力之后，在给钻头施加旋转扭矩的同时将钻刃切入地层。刮刀钻头主要的类型是切削型钻头，破碎底层的方式主要是通过剪切、刮挤及切削来完成。而且该钻头设计、制造方便，比较适用于地质较为松软的地层。例如，地层主要分布的是泥质胶结的砂岩、页岩以及泥岩等，就可以通过使用该钻头取得非常好的效果。但是，对于坚硬且耐磨性较强的地层中，使用这些钻头就具有一定的缺陷，比如说，机械钻速较慢、钻头磨损度较高等问题，同时，还会降低钻头的使用周期。刮刀钻头在切削底层的过程中最重要的就是要让刀具克服土壤的阻力，然后排除切削力便可。

2.刮刀钻头的设计分析

2.1刮刀钻头的结构设计

刮刀钻头根据口径的大小，可以将其分为两种：一种是前刃和刀翼分离式，主要应用于大口径桩基施工；第二种是一体式，主要应用于口径较小的施工中。

钻头的基体是钻头主要通过丝扣或是法兰等连接方式与钻杆相连。钻头上的腰带主要的作用是导正、保径，同时，还可以强度加固钻头翼片。通常情况下，为了能够取得更好的效果，将其加工为双腰带。针对翼片的切削刃，需要根据钻头大小的不同，选择合适的焊接物。大钻头的翼片上可以直接加工刀头或是将直接焊接钎头；小钻头可以通过直接铣刨或是将硬质合金直接焊在翼片上。钻孔时，钻头除了会受到回转扭矩和轴向压力的作用外，还要承受相应的载荷作用。因此，只有钻头结构简单且耐磨性强，同时还具备使用周期长、成本消耗低等特点，才能实现钻孔生产效率高以及钻孔成本低的目的。

2.2出水口或返水口位置的确定

在实际的施工中，应该为刮刀钻头留有足够的出水或是返水位置，而且返水口一定要比正循环的压力高以及排量小更大。同时，根据地层的软硬程度确定水口与钻头刃部的实际距离。一般情况下，岩层越软距离越大。根据相关研究，正循环钻进距离应该保持在15厘米，而反循环的距离应该保持在20厘米。并且还要控制水口的高度，如果太高循环水流的容易形成死角，导致岩屑淤积，而如果太低，则会形成堵塞。刮刀钻头设计应该从两个方面考虑：减少重复破碎以及防止钻头泥包，主要是为了保证水路和孔底的清洗效果。

2.3角度选择

影响钻进效果以及钻头使用周期的主要影响因素就是钻头角度的选择，钻头的角度主要包括两个方面：一是钻头每个刀齿的刀尖角；二是中心钻头的中心角。对于翼型钻头来说，破土阻力随着中心角的增加而增大，并且很容易引起刀尖磨钝的情况，因此，一般采用110b～130b最好。刀尖角的选择主要根据地层情况确定一个大致范围。

2.4刀齿的配置

刀齿在设计过程中，为了保证钻头压力复合平衡以及井壁的平整度，钻头上的刀齿应该沿着圆周交错排列，半径上的总齿面宽能够刚好布满，并且在最外圈采取加密的措施。

2.5刀具材料的選择

影响钻头可靠性的主要因素是刮刀钻头构件的刚度和强度，同时，这也是保证钻头可靠性的基本要求。刀翼在保证有足够的刚度且不变形的情况下，应该分析和计算构件形状大小的受力情况。刮刀钻头刀具的材料主要采用的是16或是32号钢作为基体。

3.刮刀钻头的实践应用

某勘探区的地层分布情况主要由泥岩、粉砂质泥岩、砂岩、粉砂及细砂岩、砂砾岩等组成，属弱胶结或半胶结、代成岩。岩石松软，胶结疏松。针对这种特殊情况，在钻探时，施工技术人员使用ZK0906钻孔，设计孔深750 m，终孔直径不小于75 mm，直孔钻进。要求岩（矿）心采取率：岩心采取率不低于65%，煤心采取率不低于75%。钻孔弯曲度：每钻进100 m测顶角一次，顶角每百米间距内不超过2°，钻探工艺是采用Φ60mm外丝钻杆打Φ91 mm普通双管，因环状问隙大，既可用浓泥浆护壁防坍塌、防掉块、防缩径，又可以更有效地处理缩径。

经过多项研究表明，三翼钻头与四翼钻头在砂夹卵石层、砂层以及表土层等在钻进工作中功效没有太大的差别，而四翼钻头在砂卵石分布不均匀的地层，磨损度更小一些。在搬放钻头时，应该轻拿轻放，避免出现猛烈碰撞的现象。在钻头快要接触到井底前，为了避免憋断刮刀片，应该先启动转盘。

4.结束语

综上所述，本文主要分析了煤田地质勘探中大直径钻孔用刮刀钻头的设计和应用。在煤田地质勘探的过程中，由于刮刀钻头加工工艺简单以及结构简单等特点，具有良好的可靠性，能够提高地质勘探工作的效率。笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，为提高我国煤田地质勘探中大直径钻孔用刮刀钻头的设计和应用工作做出重要的贡献。

参考文献：

[1]王自强，杨述起，张鹏.对大直径扩孔钻头结构的几点认识[J].矿山机械，2011，02：40-43.

[2]于长海.大直径钻孔灌注桩施工技术及桩底注浆研究[D].长安大学，2009.

[3]张杰，姚宁平，李乔乔.煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用[J]. 煤矿安全，2013，10：131-134.

[4]李明.地质勘探金刚石岩心钻探施工技术分析[J].科技视界，2014，25：92.