岩层联络孔冲剪复合碎岩原理可行性研究

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。

4 结论

a.通过结构创新，将剪切碎岩和冲击碎岩创造性地结合在一起，研制的冲剪复合钻头能实现“小马拉大车”的钻进效果，证明冲剪复合碎岩原理具有可行性，为煤矿井下岩层大直径联络孔优快成孔提供了新的研究思路。

b.研制了ø153 mm 冲剪复合钻头，并采用小型钻机在硬岩地层中进行了现场试验，平均机械钻速8.3 m/h，最大机械钻速可达10 m/h，且转速和钻压对机械钻速的影响相对较小。结果表明，采用冲剪复合钻头能够实现煤矿井下小型钻机的大直径一次成孔和快速钻进。

c.由于PDC 柱齿的耐磨性优于硬质合金锥齿，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。

d.本文仅验证了冲剪复合碎岩原理的可行性，尚需从理论上对冲剪复合钻头整体结构、碎岩面积匹配及碎岩机理方面进行深入研究，进一步提高冲剪复合钻头的碎岩效率。