屯蘭礦穿層鉆孔鉆頭選型研究與應用

李小平

(山西焦煤集團有限責任公司 屯蘭礦， 山西 太原 030206)

煤礦井下瓦斯抽采鉆探地層條件復雜，鉆頭選型對鉆探施工的效率具有重要的影響[1-3]. 目前，刀翼鉆頭廣泛應用于煤礦瓦斯抽采,從刀翼數量角度,鉆頭分為兩翼、三翼和四翼,具有平底、錐形和弧角形[4-6].

屯蘭礦施工瓦斯抽采鉆孔使用鉆頭為四翼平角鉆頭，8#煤層上方存在硬度較高的灰巖，8#煤18407軌道巷施工瓦斯抽采穿層鉆孔，當鉆進到灰巖部分時，會出現鉆進阻力增大，鉆孔鉆進效率低，甚至不進尺的現象，難以滿足施工要求[7].

增大渣體流動通道，減小鉆頭表面受力的沖擊，是降低抽采鉆孔鉆進阻力的有效措施。針對四翼平角鉆頭鉆進效率低，排渣效果不理想等問題，建立了四翼平角鉆頭鉆進三維模型和三翼弧角鉆頭鉆進三維模型進行數值模擬并對比分析，以在抽采鉆孔施工過程中優先選用合適的鉆頭。

1 四翼平角鉆頭與三翼弧角鉆頭結構比較分析

四翼平角鉆頭結構示意圖見圖1，由平角切削齒和內嵌支柱切削齒組成,平角切削齒均勻分布在鉆頭外側, 起主要切削作用, 內嵌支柱切削齒低于平角切削齒高度, 在鉆進過程中起到一定的保直作用, 增強鉆頭的穩定性[8]. 在鉆進過程中四翼平角鉆頭渣體流動通道小，會導致大量渣體堆積引起排渣不通暢，鉆頭表面與巖體接觸面積較大導致鉆頭所受力的沖擊較大，鉆頭切削齒在鉆進過程中切削半徑相同，增大了鉆進阻力，影響鉆進效率[9]，見圖2.

圖1 四翼平角鉆頭結構示意圖

圖2 四翼平角鉆頭鉆進流動通道示意圖

三翼弧角鉆頭結構示意圖見圖3，由弧形切削齒和內嵌支柱切削齒組成，該鉆頭的錐形設計加強了鉆頭鉆入地層的能力。與四翼平角鉆頭相比，弧角鉆頭外側切削齒在不同的切削半徑上，鉆頭表面與巖體接觸面積較小，渣體流動通道大，鉆頭表面受到沖擊力較小，見圖4.

圖3 三翼弧角鉆頭結構示意圖

施工瓦斯抽采鉆孔鉆進時，增大渣體流動通道，減少鉆頭與巖體接觸面積，可以降低鉆孔鉆進阻力。

圖4 三翼弧角鉆頭鉆進流動通道示意圖

2 數值模擬

應用軟件solidworks Flow simulation進行模擬，建立鉆頭為四翼平角和三翼弧角的鉆具鉆進模型，四翼平角鉆頭鉆具鉆進模型見圖5，三翼弧角鉆頭鉆具鉆進模型見圖6. 將鉆孔建立為理想的圓環狀，模型密封，模型觀測線設置在鉆頭處，長度為80 mm，距離中心軸線40 mm，鉆具繞中心軸旋轉。

2.1 模型邊界條件

1) 四翼平角鉆頭鉆具鉆進模型。鉆桿設置為1 500 mm雙螺旋刻槽鉆桿，鉆頭為d113 mm四翼平角鉆頭，入口介質選擇非牛頓體模擬鉆進過程鉆屑和水的混合物，入口質量流量0.5 kg/s，熱動力參數：靜壓101 325 Pa；溫度293.2 K；出口設置為靜壓；常規鉆具類型為真實壁面；粗糙度250 μm；繞中心軸旋轉，鉆具旋轉速度220 r/min.

圖5 四翼平角鉆頭鉆具鉆進模型圖

圖6 三翼弧角鉆頭鉆具鉆進模型圖

2) 三翼弧角鉆頭鉆具鉆進模型。鉆桿設置為1 500 mm雙螺旋刻槽鉆桿，鉆頭為d113 mm三翼弧角鉆頭，其他邊界條件同四翼平角鉆頭鉆具鉆進模型。

2.2 數值模擬結果及分析

通過計算，得到兩個模型觀測線長度與靜壓、速度、動壓的關系，見圖7，8，9. 模型鉆頭表面靜壓、速度、動壓分布云圖見圖10，11，12.

基于圖7，8，9可以得出，四翼平角鉆頭表面與模擬介質接觸面積大于三翼弧角鉆頭表面與模擬介質接觸面積，使得模擬鉆進過程中四翼平角鉆頭鉆進阻力大于三翼弧角鉆頭鉆進阻力，與四翼平角鉆頭相比，三翼弧角鉆頭的弧形設計增加了鉆頭表面抗沖擊能力，在模擬鉆進過程中鉆頭所受阻力一部分可沿弧面的切線分散出去。模擬速度曲線與動壓曲線波動規律一致，因為在同樣的鉆進空間中動壓與流速呈線性相關，四翼平角鉆頭渣體流動通道小于三翼弧角鉆頭渣體流動通道，相同質量流量介質經過流動通道截面越小，動壓和速度越大。

圖7 模型觀測線長度與靜壓的關系圖

圖8 模型觀測線長度與動壓的關系圖

圖9 模型觀測線長度與速度的關系圖

圖10 鉆頭表面靜壓分布云圖

圖11 鉆頭表面速度分布云圖

圖12 鉆頭表面動壓分布云圖

基于圖10，11，12得出，在模擬鉆進過程中，四翼平角鉆頭外側切削齒表面靜壓接近相同，表明在鉆進過程中四翼平角鉆頭的外側切削齒在同一切削半徑進行切削，鉆進所受阻力較大，三翼弧角鉆頭外側切削齒表面靜壓沿弧線遞減，弧形設計降低了鉆進阻力。鉆頭鉆進過程中，外側切削齒與鉆孔壁面摩擦，切削齒表面速度、動壓由外側向內側均勻減小，在內嵌支柱切削齒處最低。

通過數值模擬計算結果分析得出，在瓦斯抽采穿層鉆孔施工中，采用三翼弧角鉆頭可以增大渣體流動通道，減小鉆頭表面所受沖擊力，降低鉆進阻力。

3 工業性試驗

工業性試驗地點為屯蘭礦8#煤層18407軌道巷。8#煤上覆存在11.5 m厚砂巖，砂巖上方為0.15 m厚煤線，煤線上方存在2.4 m厚灰巖，綜合柱狀圖見圖13.

圖13 綜合柱狀圖

3.1 四翼平角鉆頭鉆具試驗方案及結果

使用d113 mm四翼平角鉆頭后接1根1.5 m長d73 mm刻槽鉆桿組合鉆具施工頂板穿層鉆孔，見圖14，15. 用續接刻槽鉆桿的時間代表鉆進速度。

圖14 四翼平角鉆頭圖

圖15 1.5 m長d73 mm刻槽鉆桿圖

使用四翼平角鉆頭鉆進時，在砂巖部分鉆進速度約為3 min/根，穿過砂巖鉆進到灰巖位置時鉆進速度約為5.9 min/根，平均速度約為3.5 min/根。

3.2 三翼弧角鉆頭鉆具試驗方案及結果

使用d113 mm三翼弧角鉆頭后接1根1.5 m長d73 mm刻槽鉆桿組合鉆具施工頂板穿層鉆孔，見圖16. 用續接刻槽鉆桿的時間代表鉆進速度。

圖16 三翼弧角鉆頭試驗鉆具圖

使用三翼弧角鉆頭鉆進時，在砂巖部分鉆進速度約為2.6 min/根，穿過砂巖鉆進到灰巖位置時鉆進速度約為5 min/根，平均速度約為3 min/根。

4 結 論

1) 鉆頭外側切削齒的形狀決定鉆頭鉆進過程中鉆頭表面所受沖擊力的大小，三翼弧角鉆頭表面所受沖擊力可沿弧面切線分散出去。

2) 通過數值模擬分析可知，四翼平角鉆頭鉆進阻力大于三翼弧角鉆頭鉆進阻力，四翼平角鉆頭渣體流動通道小于三翼弧角鉆頭渣體流動通道，三翼弧角鉆頭排渣效果顯著，相同質量流量介質經過流動通道截面越小，動壓和速度越大。

3) 通過工業性試驗得出，使用三翼弧角鉆頭施工瓦斯抽采穿層鉆孔，鉆進到砂巖部分鉆進速度約為2.6 min/根，鉆進到灰巖部分鉆進速度約為5 min/根，平均鉆進速度為3 min/根，平均鉆進速度提高了1.16倍，鉆進效率得到提高。