本體刻槽三棱鉆桿優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
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摘要：根據(jù)對(duì)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(shì)，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(guó)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(wú)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(chǎng)上現(xiàn)有相關(guān)鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，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(duì)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?cè)阢@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(duì)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(kāi)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(guò)程中，螺旋槽可對(duì)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(guò)程中的阻力及對(duì)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(jiàn)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(guò)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(guò)對(duì)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(wú)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(guò)加裝減速機(jī)的辦法來(lái)適應(yīng)加工大螺距的要求，通過(guò)多次的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)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)