喬慧麗，陳 魚

(1.重慶理工大學機械學院，重慶 400032;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039;3.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039)

0 引言

松軟突出煤層順層鉆孔高效成孔技術一直是制約我國煤礦井下瓦斯抽采的難題[1]。在松軟突出煤層瓦斯抽放鉆孔過程中經(jīng)常發(fā)生垮孔或塌孔等異常情況，導致瓦斯抽放孔施工周期長、成孔深度淺和成孔率低[2]。這主要有2方面的原因:一方面，煤層本身松軟、破碎，易出現(xiàn)塌孔;另一方面，在鉆孔施工過程中，高速流動的空氣和煤渣會對孔壁形成二次破壞，加劇了孔壁的垮塌。即使好不容易成孔了，由于松軟煤層裸眼孔壁的穩(wěn)定性差，在成孔提鉆后，短時間內(nèi)孔壁就會坍塌堵塞鉆孔，使得大部分鉆孔失效[3]，降低了瓦斯孔的利用率，導致瓦斯氣體難以排除，使得松軟突出煤層瓦斯抽放效率很低。

為了提高松軟煤層瓦斯治理效率，必須同時解決成孔率低和瓦斯通道易堵塞這2個難題。中煤科工集團重慶研究院開發(fā)了大通孔開閉式全方位鉆進鉆頭[4]，采用這種鉆頭，鉆孔完畢后，在提鉆之前，將瓦斯篩管從鉆桿內(nèi)部下放至孔底，解決了孔壁垮塌導致瓦斯抽放通道堵塞的問題[5]。

本文在借鑒大通孔開閉式全方位鉆進鉆頭優(yōu)點的基礎上，設計了開閉式反循環(huán)鉆頭，利用該鉆頭不僅可以實現(xiàn)全程篩管下放，保證提鉆成孔后瓦斯通道的長期暢通，還可以鉆進過程中，空氣和煤渣對孔壁的二次破壞，減少孔壁垮塌，提高成孔深度和成孔率。該鉆頭的設計具有創(chuàng)新性，對于提高松軟突出煤層瓦斯治理效率具有一定參考意義。

1 結構設計

圖1是開閉式反循環(huán)鉆頭的結構圖，主要由鉆頭體、橫梁體、防脫裝置、引射器、引射器接頭和鉆頭體接頭，共6部分組成。它與普通鉆頭的最大區(qū)別有2處:一是在鉆頭的頂部有一根可以打開和閉合的橫梁體，二是在鉆頭體的內(nèi)部有一個引射器。

圖1 開閉式反循環(huán)鉆頭結構示意圖

鉆頭體上有4個排屑口和4個刀片翼，每個翼上有2個復合片，共有8個PDC復合片。鉆頭體上還設計有4個導流孔，大部分工作介質(zhì)通過導流孔后到達鉆孔底部，在排屑的同時冷卻鉆頭。鉆頭體上開設有用于容納橫梁體的安裝槽，正常鉆進時，橫梁體就置于安裝槽內(nèi)。抽放瓦斯的篩管穿過鉆頭后，橫梁就處于打開狀態(tài)，見圖1中的虛線所示。

橫梁體結構見圖2所示。橫梁的一端含有“旋轉(zhuǎn)裝置”，該旋轉(zhuǎn)裝置由固定銷、球頭銷和鉆頭體上的半球窩組成。球頭銷一端是平面，另一端是半球面。鉆頭體上相應位置處有相同直徑的半球窩，裝配的時候固定銷將球頭銷頂入該半球窩中。這樣，橫梁的這一端就被約束在安裝槽里了，橫梁的另一端可以圍繞球頭銷作旋轉(zhuǎn)運動。

圖2 橫梁體結構示意圖

橫梁的另一端包含有2個“防脫裝置”，該防脫裝置由鋼球、彈簧、彈簧座和半球窩組成。彈簧和鋼球裝在彈簧座內(nèi)部，鋼球只能向內(nèi)移動，不能向外移動。彈簧座通過螺紋安裝在橫梁的內(nèi)部，在鉆頭體上有一個半球窩狀的防脫孔，其直徑比鋼球的直徑稍大一點。正常鉆進時，鋼球被彈簧頂入防脫孔內(nèi)，可以防止橫梁意外打開。從鉆桿內(nèi)部下放瓦斯篩管時，篩管下放至橫梁后，給橫梁一個向外的推力，鋼球開始壓縮彈簧向內(nèi)移動，直至完全縮回彈簧座內(nèi)，這時橫梁可以從這一端打開。

引射器上設計有多個引射孔，通過引射孔流入鉆頭內(nèi)孔的空氣會形成負壓，對鉆頭頂部的鉆屑和空氣形成抽吸作用。引射孔大小與導流孔的匹配非常重要，引射孔太大的話可能導致流向鉆頭頂部的空氣減少，從而影響鉆頭散熱和排渣;引射孔太小的話，可能降低負壓區(qū)的抽吸效果，從而影響反循環(huán)的形成。

引射器一端通過螺紋與鉆頭體連接在一起，另一端與引射器接頭連接，引射器接頭上的3個支撐翼保證了其中心線與鉆頭體中心線間的同軸度。鉆頭體接頭一端通過公扣與鉆頭體相連，另一端與鉆桿連接，傳遞鉆進所需的扭矩、給進力和起拔力。

2 工作原理

圖3是采用開閉式反循環(huán)鉆頭進行鉆進時的鉆具組合示意圖，主要包含反循環(huán)開閉式鉆頭、變徑接頭和寬葉片螺旋雙壁鉆桿。寬葉片螺旋雙壁鉆桿一方面?zhèn)鬟f鉆機動力頭產(chǎn)生的扭矩和推/拉力，另一方面排除孔壁垮塌產(chǎn)生的煤/巖屑。為了敘述方便，以下將雙壁鉆桿與孔壁之間的環(huán)空稱為“外環(huán)空”，將雙壁鉆桿的內(nèi)管與外管之間的環(huán)空稱為“內(nèi)環(huán)空”，雙壁鉆桿內(nèi)管中心孔稱為“內(nèi)孔”。

變徑接頭連接鉆頭和雙壁鉆桿，一方面?zhèn)鬟f扭矩和推/拉力，另一方面阻擋空氣和鉆屑流向外環(huán)空。正常鉆進時，空氣從內(nèi)環(huán)空流向鉆頭，到達鉆頭后一部分氣體從引射器的引射口流入內(nèi)孔，即V2。進入內(nèi)孔的空氣會在引射口附近形成低壓區(qū)，對鉆頭頂部附近的鉆屑和空氣形成抽吸作用，促進反循環(huán)的形成;另一部分從導流孔流入鉆頭與孔壁間的間隙，即V1和V3，在反循環(huán)的引導和變徑接頭的阻擋下，只有少量空氣會流向外環(huán)空，大部分空氣都會流向鉆頭，冷卻鉆頭和攜帶鉆屑進入內(nèi)孔。這樣，空氣和鉆屑就不會對孔壁造成二次破壞，從而可以大大降低孔壁垮塌的程度，有利于成孔，從而提高成孔深度和成孔率。

圖3 開閉式反循環(huán)鉆頭鉆進時的鉆具組合示意圖

V1、V2與V3的匹配關系非常重要，是設計關鍵所在，這關系到反循環(huán)是否能順利形成。假設鉆頭頂部處外環(huán)空的過流面積是S1，所有引射孔的過流面積合計是S2，變徑接頭處外環(huán)空的過流面積是S3，所有導流孔的過流面積合計是SD，那么孔底能形成反循環(huán)須滿足如下條件:S2＞SD，S1＞S3。

另外，由于煤層本身比較松軟的緣故，即使沒有二次破壞，孔壁也會有垮塌。鉆桿外壁上的螺旋葉片會及時將垮塌產(chǎn)生的煤/巖塊排出孔外，從而保證鉆孔的正常推進。由此可見，利用反循環(huán)開閉式鉆頭和寬葉片螺旋雙壁鉆桿，在松軟煤層中進行反循環(huán)鉆進，可以保護孔壁免遭空氣和鉆屑的二次破壞，提高成孔率和成孔深度。

鉆進至設計深度后，可以將瓦斯抽放篩管從鉆桿內(nèi)部下放至鉆頭處，打開橫梁后，再退出鉆頭和鉆桿，成孔退鉆后，瓦斯抽放篩管已經(jīng)下放到了鉆孔底部。這樣，瓦斯抽放通道就再也不會被垮塌的煤塊或巖塊堵塞，從而保持長期暢通，大大增加了瓦斯抽放孔的利用率，提高了松軟突出煤層的瓦斯治理效率。

3 現(xiàn)場應用

安徽省淮南市某礦13－1煤層的煤體較松軟，堅固性系數(shù)為0.16～0.32，煤層原始瓦斯含量在5.7 m3/t，可解吸瓦斯含量為4.8 m3/t。在該礦131309機巷掘進中，主要采用循環(huán)預測評價方式，每輪在巷道迎頭施工12個鉆孔，控制巷道輪廓線外15 m，前方60 m，經(jīng)預抽評價合格后(抽采率＞45%時)方可進尺，并保留10 m超前距。由于煤體松軟，不利于成孔，采用ZYW6000－75kW鉆機配合寬葉片鉆桿進行施工，最深能鉆進至30 m，無法一次性鉆進至設計深度。因而，在預抽鉆孔施工前，須先施工一組注漿加固鉆孔(巷道迎頭施工12個鉆孔，控制巷道輪廓線外7 m前方20～30 m)對煤體進行加固，然后再重新施工瓦斯預抽孔。這導致瓦斯預抽鉆孔施工周期較長，影響了工作面交替和煤礦安全生產(chǎn)。

后來，采用“開閉式反循環(huán)鉆頭+寬葉片螺旋雙壁鉆桿”的鉆具組合進行瓦斯預抽孔施工，一次性就鉆進至了60 m，施工完12個瓦斯預抽孔一共花費了3天半的時間。每個孔的瓦斯抽放管均從鉆桿內(nèi)部下放到了孔底。與普通工藝相比，新工藝不僅大大縮短了鉆孔施工周期，而且由于瓦斯抽放管下放至了孔底，還大大縮短了瓦斯預抽時間，從而加快了巷道的掘進速度，促進了工作面的接替和煤礦的安全生產(chǎn)。由此可見，采用“開閉式反循環(huán)鉆頭”的新工藝適合在松軟突出煤層中使用。

4 結語

(1)反循環(huán)開閉式鉆頭內(nèi)部具有可打開/閉合的橫梁，保證瓦斯抽放篩管可以從鉆桿內(nèi)部下放至孔底，使瓦斯抽放通道長期暢通有效，提高瓦斯抽放孔的利用率。

(2)反循環(huán)開閉式鉆頭設計為雙壁結構，內(nèi)部有引射器，配合寬葉片螺旋雙壁鉆桿在松軟突出煤層中采用反循環(huán)鉆進工藝施工瓦斯抽放孔，可以大大削弱高速流動的空氣和鉆屑對孔壁造成的二次破壞，增加成孔率和成孔深度，縮短施工周期，從而提高松軟突出煤層的瓦斯治理效率。

[1] 侯紅，凌標燦，羅維，等.松軟突出煤層中三角形鉆桿成孔技術研究[J].煤炭科學技術，2012，(8):67 －70.

[2] 楊明艷.三棱鉆桿在松軟突出煤層中的應用[J].煤礦機械，2012，33(5):218 －220.

[3] 孫新勝，王力，方有向，等.松軟煤層篩管護孔瓦斯抽采技術與裝備[J].煤炭科學技術，2013，41(3):374 －76.

[4] 王義紅.大通孔開閉式全方位鉆進鉆頭:中國，ZL 201120481198.1[P].2012 －07 －14.

[5] 陳魚，王義紅，喬慧麗，等.基于CFD的大通孔開閉式鉆頭流場研究[J]，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(9):52 －55.