韓佳良 ，劉建林 ，唐勝利

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

隨著我國井工煤礦開采深度不斷增加、范圍不斷擴(kuò)大，瓦斯治理難度增大，而在開采能力不斷提升的背景下，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的瓦斯超限問題日益突出，回采過程中上隅角、回風(fēng)流瓦斯超限嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)[1-3]。與此同時(shí)，礦井智能化建設(shè)發(fā)展對(duì)瓦斯治理提出了更高要求。頂板高位大直徑定向鉆孔是抽采治理工作面采動(dòng)卸壓瓦斯的有效技術(shù)手段，與頂板高抽巷和常規(guī)高位鉆孔相比具有綜合成本低、抽采效率高等顯著優(yōu)勢(shì)[4-7]。工作面回采前，在煤巷內(nèi)設(shè)置鉆場(chǎng)、向頂板巖層以大傾角上仰開孔，利用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工先導(dǎo)定向孔，控制實(shí)鉆軌跡沿設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)入目標(biāo)層延伸。頂板高位定向鉆孔理想布孔層位是工作面回采后采空區(qū)上方的“O”形圈裂隙帶，而不同礦井采動(dòng)裂隙帶發(fā)育高度與回采煤層厚度、頂板地層巖性特征、采煤工藝等多種因素有關(guān)，往往需要結(jié)合抽采效果優(yōu)選合理布孔層位[8]。在成孔直徑方面，大量工程實(shí)踐表明增大頂板高位定向孔的成孔直徑對(duì)減少布孔數(shù)量、降低綜合成本、提升抽采效果等具有重要現(xiàn)實(shí)意義[9]。目前，煤礦井下普遍采用“先定向孔+擴(kuò)孔”的方式增大頂板高位定向孔的直徑，即先施工小直徑定向先導(dǎo)孔，再利用擴(kuò)孔鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔。由于受到現(xiàn)有煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備一次成孔能力、擴(kuò)孔鉆具級(jí)配等因素限制，直徑不小于φ200 mm 的頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用分級(jí)多次正向擴(kuò)孔工藝施工，局限性是需要多次提下鉆，加接、擰卸鉆具等輔助工作量大；此外，單純依靠孔口鉆機(jī)動(dòng)力碎巖擴(kuò)孔，鉆桿柱在定向孔內(nèi)的受力工況隨著鉆孔直徑增大而愈加惡劣，使用壽命短、斷鉆概率高、孔內(nèi)安全性差、綜合成孔效率較低[10-11]。

針對(duì)上述問題，中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司提出頂板高位大直徑定向孔多動(dòng)力雙級(jí)雙速一次鉆擴(kuò)成孔技術(shù)，即在先導(dǎo)定向孔基礎(chǔ)上利用鉆機(jī)動(dòng)力和泥漿泵水動(dòng)力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)內(nèi)外雙鉆頭同步碎巖擴(kuò)孔，其中一級(jí)內(nèi)鉆頭由螺桿鉆具直接驅(qū)動(dòng)，二級(jí)外鉆頭由鉆機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。內(nèi)外2 級(jí)鉆頭是多動(dòng)力擴(kuò)孔的關(guān)鍵鉆具，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)合理設(shè)計(jì)一定程度上決定著擴(kuò)孔的碎巖能力和擴(kuò)孔效率。為此，在分析雙級(jí)雙速擴(kuò)特點(diǎn)、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬分析手段對(duì)研究了雙級(jí)雙速鉆頭切削齒布齒原理，分析了內(nèi)外2 級(jí)鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)——直徑的合理配比。

1 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔特點(diǎn)

圖1 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔原理示意圖Fig.1 Principle of double-stage double-speed hole reaming

雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭所用的碎巖齒為PDC 復(fù)合片，其破巖原理與常規(guī)PDC 鉆頭相同，通過侵徹切削破巖鉆進(jìn)。然而，雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭雖同軸旋轉(zhuǎn)，但因直接驅(qū)動(dòng)力不同，內(nèi)外2 級(jí)鉆頭在擴(kuò)孔過程中的旋轉(zhuǎn)角速度不同，且內(nèi)外鉆頭在不同直徑導(dǎo)孔基礎(chǔ)上碎巖擴(kuò)孔。導(dǎo)向孔形成過程中打破了孔壁地層原始應(yīng)力平衡、釋放部分應(yīng)力建立新的平衡后碎巖擴(kuò)孔[12]。在碎巖動(dòng)力方面，二級(jí)外鉆頭由孔口動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而一級(jí)內(nèi)鉆頭則由孔口動(dòng)力與孔底動(dòng)力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，且孔口動(dòng)力通過螺桿鉆具的定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)副間接傳遞。

雙級(jí)雙速擴(kuò)孔的技術(shù)特點(diǎn)包括：

1）內(nèi)外鉆頭之間存在旋轉(zhuǎn)角速度差——一級(jí)內(nèi)鉆頭的旋轉(zhuǎn)角速度約為二級(jí)外鉆頭的2 倍，在相同進(jìn)尺條件下一級(jí)內(nèi)鉆頭單圈回轉(zhuǎn)切削深度較外鉆頭小。

2）二級(jí)外鉆頭在一級(jí)內(nèi)鉆頭導(dǎo)向擴(kuò)孔基礎(chǔ)上擴(kuò)孔，大直徑導(dǎo)向孔孔壁鄰空面有利于地應(yīng)力釋放，能夠減少二級(jí)外鉆頭的破巖鉆進(jìn)難度，有助于提高二級(jí)外鉆頭的鉆進(jìn)效率。

3）雙級(jí)雙速擴(kuò)孔過程中，在孔口單一給進(jìn)力作用下，內(nèi)二級(jí)外鉆頭彼此之間存在約束“等待”關(guān)系，即鉆進(jìn)速度具有動(dòng)態(tài)自平衡特性。

4）在相同動(dòng)力輸入條件下，雙級(jí)雙速擴(kuò)孔效率與內(nèi)外鉆頭的“分界”直徑——即外鉆頭有效內(nèi)徑與一級(jí)內(nèi)鉆頭有效外徑值密切相關(guān)。

2 鉆頭結(jié)構(gòu)

2.1 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭刀翼結(jié)構(gòu)

雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭用于頂板高位定向孔施工過程中鉆遇地層以泥頁巖類、砂巖類為主，將φ120 mm 先導(dǎo)定向孔一次鉆擴(kuò)至φ200 mm 的單位長度理論碎巖體積接近先導(dǎo)定向孔的2 倍，因此對(duì)擴(kuò)孔鉆頭的可靠性和使用壽命要求更高。布設(shè)數(shù)量足夠的復(fù)合片是保障鉆頭使用壽命和碎巖性能的前提，因此雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭刀翼的冠部曲線設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

綜合單圓弧、雙錐、雙圓弧、普通拋物線、圓弧拋物線、平頂拋物線等線型的特點(diǎn)，基于適應(yīng)頂板巖層鉆進(jìn)、有利于增加布齒數(shù)量、相鄰復(fù)合片互不干涉、各個(gè)復(fù)合片切削體積大致相等、易于加工等原則，設(shè)計(jì)的雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭冠部剖面曲線如圖2。肩部采用拋物線形、在鉆頭體中心軸線方向上的投影長度相對(duì)較短，布設(shè)較少數(shù)量的PDC 復(fù)合片，用于臨空區(qū)域碎巖；肩部與保徑之間采用外錐圓弧曲線，在鉆頭體中心軸線方向上的投影長度相對(duì)較長，布設(shè)較多數(shù)量的PDC復(fù)合片，用于孔壁區(qū)域階梯碎巖。

圖2 鉆頭刀翼剖面曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of drill blade profile curve

按照等切削布齒原則，可采用下式確定鉆頭剖面曲線方程[13]。

式中：z為刀翼長度 ；r為鉆頭直徑；r0為冠頂鉆頭半徑；c為積分常數(shù)。

當(dāng)冠頂部z=0 時(shí)：

可根據(jù)式（1）計(jì)算并繪制出鉆頭剖面曲線的圓弧段。

2.2 切削齒選擇與布齒設(shè)計(jì)

煤礦井下PDC 鉆頭常用切削齒直徑以13、16、19 mm 等規(guī)格為主。不同直徑的切削齒在不同強(qiáng)度與研磨性的地層中的破巖效果存在差異，通常情況下，中硬巖層多選用直徑16 mm 的切削齒，既能保證自身強(qiáng)度又具有較強(qiáng)的“吃入”地層能力。

切削齒在鉆頭體周向與徑向上的布設(shè)遵循等切削布齒原則，即鉆頭旋轉(zhuǎn)1 周每個(gè)切削齒切削巖石體積近似相等[14]，為此確定一級(jí)內(nèi)鉆頭采用4 刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外鉆頭采用6 刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過各切削齒的徑向位置，基于等切削原則確定切削齒的裝配角γ和軸向尺寸Hc2 個(gè)空間方位參數(shù)，據(jù)此反應(yīng)雙級(jí)鉆頭在孔底徑向的覆蓋情況[15]。

2.3 切削齒結(jié)構(gòu)參數(shù)

切削齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要考慮側(cè)轉(zhuǎn)角β和切削角α。

側(cè)轉(zhuǎn)角的主要作用是對(duì)切削產(chǎn)生的巖屑施加側(cè)向推力，將巖屑運(yùn)移至鉆頭的外緣部，可減少巖屑的吸附堆積和泥包現(xiàn)象的產(chǎn)生，對(duì)于煤礦井下以清水作為沖洗介質(zhì)的鉆孔施工，切削齒清潔效果好，側(cè)轉(zhuǎn)角可在4°～6°范圍內(nèi)選取，徑向由內(nèi)向外逐漸增大。

切削角α的大小決定了切削碎巖的能力[16]，根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)論及實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)[17]，切削角的大小與破巖效果密切相關(guān)，切削角值越大，切削齒的抗沖擊和抗研磨能力越強(qiáng)，但破巖效率會(huì)隨之降低。強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)的硬地層應(yīng)選用大切削角，軟巖地層中宜選用小切削角[18-19]?；陧敯甯呶豢椎湫偷貙犹攸c(diǎn)，雙級(jí)雙速鉆頭鉆遇的巖層堅(jiān)固性系數(shù)普遍較大，在保證鉆頭使用壽命與切削碎巖能力的前提下，一級(jí)內(nèi)鉆頭切削角為16°～18°范圍內(nèi)選取，二級(jí)外鉆頭切削角在18°～20°范圍內(nèi)選取，且切削角沿徑向由內(nèi)向外增大。

3 雙級(jí)雙速鉆頭“分界”直徑

3.1 有限元模型

通過三維建模軟件建立了雙級(jí)雙速PDC 鉆頭的三維實(shí)體模型與地層的三維有限元模型[20-21]，用以內(nèi)外鉆頭“分界”直徑合理分配問題數(shù)值模擬研究。

數(shù)值建模的基本假設(shè)及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)包括：①內(nèi)外鉆頭整體視為剛體；②巖石單元?jiǎng)冸x失效后忽略其對(duì)之后鉆進(jìn)的影響；③不考慮沖洗液壓力和射流作用對(duì)鉆進(jìn)的影響；④巖石模型周圍和底部為鉆孔遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。

地層模型巖石材料參考典型頂板砂巖，巖石材料參數(shù)為：①密度：2 100 kg/m3；②彈性模量：40 GPa；③泊松比：0.15；④屈服強(qiáng)度：90 MPa；⑤失效應(yīng)變：0.03。

將雙級(jí)雙速鉆頭三維模型導(dǎo)入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件，采用Drucker-Prager 準(zhǔn)則和塑性失效準(zhǔn)則，巖石模型采用全六面體漸進(jìn)式網(wǎng)格劃分，即對(duì)接近先導(dǎo)孔的被侵徹巖石網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，遠(yuǎn)離鉆頭的巖石網(wǎng)格進(jìn)行粗化處理。鉆頭與巖石單元互相擠壓、運(yùn)動(dòng)，為高度非線性動(dòng)態(tài)侵蝕接觸。根據(jù)鉆頭切削齒侵徹巖石的特點(diǎn)，將整個(gè)鉆頭外表面設(shè)為接觸面，巖石體為接觸目標(biāo)，雙級(jí)鉆頭與巖石的接觸屬性為面面接觸。邊界條件的設(shè)置上，約束鉆頭只在軸向沿z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，無徑向位移，對(duì)巖石不施加圍壓，且?guī)r石上表面與鉆頭不考慮靜液柱壓力，巖石邊界條件設(shè)為非反射條件。

在φ120 mm 先導(dǎo)孔一次鉆擴(kuò)至φ200 mm 大直徑孔的環(huán)形碎巖斷面理論值固定的情況下，研究雙級(jí)鉆頭擴(kuò)孔“分界”直徑——即對(duì)比內(nèi)鉆頭不同直徑對(duì)擴(kuò)孔碎巖效率的影響。首先，在環(huán)截面積中選定適合的“分界”直徑——一級(jí)內(nèi)鉆頭的直徑，使一級(jí)內(nèi)鉆頭與二級(jí)外鉆頭的碎巖面積相當(dāng)，使2 級(jí)鉆頭碎巖比功相近。隨后，以兩環(huán)形碎巖面積1∶1 為基準(zhǔn)，分別選定面積比為1∶2 和2∶1為對(duì)照組進(jìn)行模擬分析，即內(nèi)鉆頭直徑為165 mm（φ120 mm—φ165 mm—φ200 mm）、152 mm（φ120 mm—φ152 mm—φ200 mm）、178 mm（φ120 mm—φ178 mm—φ200 mm）。通過分析3 種雙級(jí)雙速鉆頭的應(yīng)力分布確定內(nèi)外鉆頭直徑比最優(yōu)值的存在性和所在區(qū)間。對(duì)照組破碎面積示意圖如圖3。

圖3 對(duì)照組破碎面積示意圖Fig.3 Schematic diagram of broken area of control group

3.2 雙級(jí)雙速鉆頭破巖特性模擬

采用LS-DYNA 顯示動(dòng)態(tài)分析，從而得出的3種不同直徑的雙級(jí)鉆頭對(duì)孔底巖石的應(yīng)力云圖如圖4。

圖4 孔底巖石應(yīng)力云圖Fig.4 Rock stress cloud diagrams at the bottom of the hole

由圖4 可知：在雙級(jí)雙速鉆頭侵徹作用下，孔內(nèi)巖石產(chǎn)生塑性變形且完全失效；鉆孔周圍巖石發(fā)生塑性變形但沒有完全失效，因此未發(fā)生剝落；而遠(yuǎn)離鉆孔的巖石單元由于受擾動(dòng)較小，仍處于彈性階段，未達(dá)到塑性變形強(qiáng)度。

為進(jìn)一步揭示3 種雙級(jí)PDC 鉆頭直徑的影響效果，將鉆壓進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)鉆頭整體施加1 t 鉆壓，內(nèi)鉆頭轉(zhuǎn)速180 r/min，外鉆頭轉(zhuǎn)速60 r/min；分別提取了雙級(jí)PDC 鉆頭同一位置不同數(shù)量的孔底內(nèi)部巖石單元、孔底內(nèi)部邊緣巖石單元、遠(yuǎn)離孔身邊緣巖石單元巖石失效情況；分析不同直徑的雙級(jí)雙速鉆頭侵徹孔底巖石的最大有效應(yīng)力隨著徑向距離發(fā)生的變化。巖石失效最大主應(yīng)力如圖5。

圖5 巖石失效最大主應(yīng)力Fig.5 Maximum principal stress of rock failure

由圖5 可得：

1）3 種直徑的雙級(jí)雙速鉆頭最大有效應(yīng)力整體趨勢(shì)為先增大后減小再增大最后趨于穩(wěn)定。第1次增大至一級(jí)鉆頭切削巖石處應(yīng)力最大，距離一級(jí)鉆頭較近的巖石單元發(fā)生損傷并從巖石上脫落，這說明當(dāng)一級(jí)鉆頭在破碎至該巖石層段時(shí)（此時(shí)一級(jí)鉆頭鉆進(jìn)到該所屬層段），地層應(yīng)力由于一級(jí)鉆頭的鉆破得到一定的釋放，使得上端二級(jí)鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)破碎巖石所需的應(yīng)力降低，即更加容易破碎剩余的巖石， 距離二級(jí)鉆頭較近的巖石單元失效， 遠(yuǎn)離鉆頭的巖石單元所產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸減小[22]。而2 次增大至峰值的差則表明底層應(yīng)力得到了充分的釋放，可以得出3 種不同直徑雙級(jí)鉆頭均具有提高機(jī)械鉆速的潛力。

2）通過對(duì)比3 種雙級(jí)雙速鉆頭的2 次最大有效應(yīng)力峰值可以得出：φ178 mm 雙級(jí)鉆頭在一級(jí)鉆頭破碎至該層時(shí)所需要的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他2 個(gè)直徑鉆頭，即破壞巖石時(shí)更加困難；φ152 mm 雙級(jí)鉆頭由于直徑最小，因此破環(huán)巖石所需要的應(yīng)力最??；φ165 mm 雙級(jí)鉆頭則位于中間位置。

3）在二級(jí)鉆頭破碎至該層時(shí)，φ178 mm 雙級(jí)鉆頭由于一級(jí)鉆頭對(duì)原先地層應(yīng)力破壞最大，因此二級(jí)鉆頭切削破碎巖石所需要的應(yīng)力最??；φ152 mm 雙級(jí)雙速鉆頭在二次碎巖擴(kuò)孔時(shí)所需的應(yīng)力稍大于φ178 mm 鉆頭；φ165 mm 雙級(jí)鉆頭在破碎環(huán)面積為1：1 的條件下，一級(jí)鉆頭與二級(jí)鉆頭碎巖所需的應(yīng)力趨于相同狀態(tài)。由于φ178 mm一級(jí)鉆頭碎巖難度遠(yuǎn)大于其他一級(jí)鉆頭，在釋放較大應(yīng)力的情況下，二級(jí)鉆頭所施加的應(yīng)力比φ152 mm 的二級(jí)鉆頭降低了2.723 MPa，對(duì)二級(jí)鉆頭的鉆進(jìn)難易程度并無顯著優(yōu)勢(shì)。

3 種不同直徑雙級(jí)雙速鉆頭在鉆進(jìn)過程中孔底巖石剩余體積隨時(shí)間變化的曲線如圖6。

圖6 孔底巖石體積Fig.6 Volume of rock at hole bottom

從圖6 中可知：碎巖體積與內(nèi)鉆頭的直徑成正比，鉆頭直徑越大，則侵徹巖體的體積越多，φ178 mm 雙級(jí)雙速鉆頭的一級(jí)鉆頭直徑最大，在侵徹過程中致使巖石單元?jiǎng)兟涫У某潭茸畲螅?jí)鉆頭對(duì)巖石單元的切削更加容易；對(duì)比φ165 mm 與φ152 mm 的鉆頭，同等條件下φ165 mm 雙級(jí)鉆頭的碎巖能力大于φ152 mm 雙級(jí)鉆頭。

通過對(duì)3 種不同直徑雙級(jí)鉆頭的應(yīng)力曲線和碎巖體積曲線的對(duì)比分析，可以得出：雙級(jí)雙速的一級(jí)鉆頭破碎巖石后對(duì)二級(jí)鉆頭都具有一定的釋放應(yīng)力作用，有利于二級(jí)鉆頭侵徹破碎巖體的特點(diǎn)，終孔直徑一定的情況下，其碎巖能力隨內(nèi)鉆頭直徑的增加而增加。

綜合孔底應(yīng)力與碎巖能力對(duì)3 種直徑的雙級(jí)雙速鉆頭進(jìn)行優(yōu)選：φ178mm 的雙級(jí)雙速鉆頭雖然一級(jí)鉆頭施加應(yīng)力、碎巖體積最大，但對(duì)于二級(jí)鉆頭碎巖過程中巖石的應(yīng)力釋放效果并不明顯；φ165mm 的雙級(jí)鉆頭在產(chǎn)生較小應(yīng)力的情況下保持較高的碎巖體積；而φ152 mm 的雙級(jí)鉆頭應(yīng)力趨勢(shì)與φ165 mm 的相差不大但碎巖體積較小。因此，應(yīng)在直徑φ165～φ152 mm 中進(jìn)行優(yōu)選，即最優(yōu)碎巖面積比約為1∶1～1∶2 之間。具體值需要進(jìn)行切削仿真或大量試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

研制的雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭在山西某礦18502工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用ZDY12000LD大功率定向鉆機(jī)、BLY390 泥漿泵車、YHD1000（A）隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、φ89 mm 螺桿馬達(dá)定向鉆具組合，以及研制的φ200 /φ120 mm 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆具實(shí)施頂板高位大直徑定向長鉆孔。依據(jù)設(shè)計(jì)鉆頭尺寸參數(shù)，采用φ165 mm 的4 刀翼一級(jí)PDC 鉆頭和φ200 mm 的6 刀翼二級(jí)PDC 鉆頭，對(duì)預(yù)先完成的φ120 mm 先導(dǎo)定向孔實(shí)施擴(kuò)孔作業(yè)，完成3#鉆場(chǎng)6#、7#鉆孔的鉆擴(kuò)施工。

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)地層為粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖，試驗(yàn)鉆孔信息與鉆進(jìn)參數(shù)見表1。7#試驗(yàn)孔機(jī)械鉆速隨孔深變化曲線如圖7，6#試驗(yàn)孔機(jī)械鉆速隨孔深變化曲線圖如圖8。

表1 鉆孔信息Table 1 Drilling information

圖8 6#試驗(yàn)孔機(jī)械鉆速隨孔深變化曲線圖Fig.8 Variation curve of drilling speed of 6 # test hole with hole depth

7#孔擴(kuò)孔累積耗時(shí)12 個(gè)班，折算鉆擴(kuò)施工平均機(jī)械鉆速為11.1 m/h，班平均鉆進(jìn)效率為37.0 m/班，日均鉆進(jìn)效率達(dá)到111.0 m/d。

6#孔擴(kuò)孔累積耗時(shí)11 個(gè)班，折算鉆擴(kuò)施工平均機(jī)械鉆速為12.3 m/h。班平均鉆進(jìn)效率42.3 m/班，日均鉆進(jìn)效率達(dá)到126.9 m/d。

結(jié)果表明：現(xiàn)有的常規(guī)分級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝鉆擴(kuò)工期一般不少于15 個(gè)班次，與之相比，多動(dòng)力擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)鉆擴(kuò)6#、7#鉆孔，較之分別節(jié)省了3～4 個(gè)班次，綜合效率提升25%以上；實(shí)現(xiàn)了φ200 mm 大直徑定向長鉆孔的安全高效鉆擴(kuò)成孔。

5 結(jié) 語

1）以碎巖面積為依據(jù)，φ200 mm 終孔直徑為固定值，在雙級(jí)鉆頭級(jí)配比1∶1 的基礎(chǔ)上選取1∶2 和2∶1 為對(duì)照組，利用顯示動(dòng)力學(xué)分析在不同直徑下雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆頭的碎巖效果，通過對(duì)比3 種雙級(jí)鉆頭的孔底巖石最大主應(yīng)力和孔底巖石碎巖體積，得出最優(yōu)級(jí)數(shù)配比應(yīng)為1∶1～1∶2之間。

2）根據(jù)等切削布齒的原則以及雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)的施工條件，對(duì)鉆頭的冠部曲線、PDC 布齒和切削刀翼進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使其能夠滿足頂板高位大直徑定向擴(kuò)孔工藝的需求的同時(shí)效率和鉆頭壽命都可以得到保障。

3）開發(fā)的雙級(jí)雙速鉆頭中一級(jí)鉆頭能夠有效地釋放地應(yīng)力，提高二級(jí)鉆頭的擴(kuò)孔效率，實(shí)現(xiàn)了頂板高位大直徑一次增擴(kuò)φ200 mm 的高效擴(kuò)孔。在增大瓦斯抽采鉆孔直徑的基礎(chǔ)上有效的提升鉆進(jìn)效率，縮短了鉆進(jìn)成孔周期。為煤礦井下“以孔代巷”大直徑鉆孔工藝技術(shù)推廣提供了支撐。