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整体式三棱螺旋钻杆介绍

2018-03-14 08:59:16 qjjx

为解决螺旋钻杆、宽叶片钻杆和三棱钻杆在松软突出煤层钻孔施工中易出现卡钻、埋钻等问题,介绍了一种整体式三棱螺旋钻杆,探讨了该钻杆的结构特点,研究了其加工工艺,并对钻杆进行了试制。通过对该钻杆试样进行上卸扣试验以及断裂分析,证明钻杆的抗扭强度达到了设计要求。该整体式三棱螺旋钻杆配合ZDY-3200S型全液压钻机进行了钻孔工业试验,其成孔率为100%。

整体式三棱螺旋钻杆

在煤矿开采过程中,瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出和爆炸等事故的根本措施。煤层钻孔抽采瓦斯工艺作为防治煤矿瓦斯灾害事故的根本性措施之一,已被广泛应用。但对于松软突出煤层,尤其是地应力高的区域,钻孔施工非常困难,容易出现喷孔、垮孔、卡钻等异常现象,导致钻孔成孔率低、钻孔深度浅,松软煤层钻进中钻孔深度一般不超过100m,严重影响了钻孔的瓦斯抽采效果。

目前,煤矿井下松软突出煤层钻孔施工采用的钻杆主要是螺旋钻杆、宽叶片钻杆和三棱钻杆

①螺旋钻进是一种干式回转钻进方法,螺旋钻杆与钻孔组成一个螺旋输送带,螺旋钻杆连续不断地将钻头破碎的岩渣输送至孔外。螺旋钻进有效地解决了排渣问题,但对钻孔扰动大,成孔困难。

②宽叶片钻杆基于螺旋钻杆,在不改变螺旋角和螺距的情况下,减小螺旋叶片高度,增加叶片厚度,使钻杆可以穿过回转器卡盘和夹持器的内通孔,实现钻机拧卸钻杆,无需使用主动钻杆,同时减少螺旋叶片(翼片)对钻孔内壁的刮削,提高钻孔成孔稳定性及钻进效率。但是宽叶片钻杆的排渣空间相对螺旋钻杆小,排渣效率较低。

③三棱钻杆的排渣机理为在钻杆和钻孔壁之间形成3个弧形空间,扩大了排除煤粉和瓦斯的通道。钻杆在钻进过程中,将煤粉搅动起来,可起到二次碎煤的作用,煤粉在运动状态下被压风吹出,能有效解决螺旋钻杆排渣通道被堵塞的问题,钻进时不易发生卡钻、抱钻现象。但三棱钻杆加工质量较难控制,且强度低于同规格的其他钻杆,在钻孔过程中经常发生断杆、丢钻现象,增加了钻孔成本。因此,笔者设计了整体式三棱螺旋钻杆,以解决螺旋钻杆、宽叶片钻杆和三棱钻杆在松软突出煤层钻进施工中出现的上述问题。

1、整体式三棱螺旋钻杆结构及工作原理

整体式三棱螺旋钻杆结构如图1所示。该钻杆为整体式结构,两端分别为公、母接头,钻杆本体截面外轮廓与三棱钻杆相似,但在钻杆的外壁上设置有不连续的螺旋槽。

整体式三棱螺旋钻杆结合了螺旋钻杆和三棱钻杆的优点,三棱柱的结构增加了钻杆外壁与孔壁之间的环空过流面积,钻杆在松软突出煤层中旋转能够引起漩涡流动,依靠钻杆的3个棱边将沉积在钻孔底部的煤粉扬起,使得孔内煤粉一直处于运动状态,避免煤粉在钻孔内出现堆积堵塞;

同时钻杆外壁上的螺旋槽可以辅助排渣,当出现卡钻、埋钻的情况时,可借助螺旋槽的扒孔功能将塌孔疏通[8]。图1

整体式三棱螺旋钻杆结构示意整体式三棱螺旋钻杆具有以下特点:

①整体式结构提高了钻杆的抗扭强度和抗弯强度;

②钻杆两端接头处采用加厚设计,有效保证了螺纹端的壁厚;

③与螺旋钻杆相比,叶片的硬度和强度高、耐磨性好;

④与三棱钻杆相比,螺旋槽能够将孔内运动的煤渣持续输送至孔外;

⑤宽叶片结构减小了叶片对钻孔孔壁的刮削,确保了孔壁的稳定性。

2、钻杆的加工工艺

整体式三棱螺旋钻杆的材料为强度高、韧性好的42CrMo厚壁管料,整体调质处理,硬度达到HRC32~37,以保证钻杆具有良好的综合机械性能。

根据钻杆的结构确定钻杆的加工工艺过程包括以下4道工序:

三棱钻杆加工工艺