煤礦井下肋骨鉆桿的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鉆桿是鉆進(jìn)工具的主要組成部分之一，在鉆進(jìn)時(shí)，通過它把動(dòng)力傳遞給巖芯管、鉆并沒有、鉆具等，由于井下地質(zhì)條件比較復(fù)雜，一個(gè)百米深的孔，極有可能即含有較軟的地層，又含有較硬的地層，傳統(tǒng)鉆桿滿足不了這種特殊條件下的鉆進(jìn)要求，給井下鉆探工作帶來很大的困難，不利于企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，因此，找出解決難題的辦法至關(guān)重要。通過對(duì)鉆探設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境、施工地層進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)鉆桿鉆探的整個(gè)過程進(jìn)行研究。

傳統(tǒng)鉆桿主要有外平鉆桿、螺旋扒槽鉆桿、麻花鉆桿，它們?cè)阢@進(jìn)過程中具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

1、外平鉆桿外表面光滑，旋轉(zhuǎn)阻力小，適用于整個(gè)孔身地層較硬的鉆孔，能實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)擰卸。當(dāng)遇到松軟地層或破碎帶時(shí)，因排渣通道不穩(wěn)定，滿足不了排渣要求，鉆進(jìn)效率低，易引發(fā)抱鉆、埋鉆事故。

2、螺旋扒槽鉆桿是在外平鉆桿的桿體上加工螺旋槽，適用于整個(gè)孔身地層較硬或含松軟地層比例較小的鉆孔，基本解決了排渣問題，鉆進(jìn)效率相對(duì)外平鉆桿較高，能自動(dòng)擰卸。在桿體上加工螺旋槽，對(duì)鉆桿壁厚要求較高，成本增加較大，易受扭斷裂。螺旋槽較窄，打單純松軟地層時(shí)，排渣效果不明顯，甚至造成抱鉆、埋鉆。

3、麻花鉆桿，它是在外平鉆桿的桿體上焊接螺旋葉片，適用于比較簡(jiǎn)單的松軟地層，具有排渣效果好，鉆進(jìn)速度快等特點(diǎn)。其外徑尺寸與鉆機(jī)夾持器規(guī)格不符，無法采用鉆機(jī)自卸，即使已研究出快速擰卸的方法，取得了很好的效果，但其擰卸效率還是比不了外平鉆桿。葉片較薄，強(qiáng)度較低，不耐磨，使用成本高，最主要的是其鉆進(jìn)阻力大，易造成鉆孔偏斜，且受到鉆桿直徑、鉆機(jī)類型與巷道條件的限制。圖1  麻花鉆桿綜上所述，常規(guī)鉆桿各具特點(diǎn)，各有優(yōu)缺，針對(duì)性較強(qiáng)。

肋骨鉆桿，它兼具常規(guī)鉆桿的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決現(xiàn)場(chǎng)難題，提高鉆進(jìn)效率， 肋骨鉆桿結(jié)構(gòu)及工作原理綜合外平鉆桿、螺旋扒槽鉆桿、麻花鉆桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。

一、肋骨鉆桿的結(jié)構(gòu)

肋骨鉆桿主要由桿體和肋骨片兩部分組成。在類似外平鉆桿的某一芯管上，螺旋性焊上一定寬度（一般18mm左右）一定高度（一般7mm左右）的高硬度葉片，經(jīng)過加工，使其外徑尺寸與外平鉆桿的一致，如圖2所示。圖2  肋骨鉆桿主要規(guī)格：Φ50—Φ63.5、Φ63.5—Φ73、Φ73—Φ89

例：肋骨鉆桿Φ73—Φ89是指鉆桿桿體直徑是Φ73mm，肋骨片外徑（即鉆桿外徑）是Φ89mm。

二、肋骨鉆桿的工作原理

肋骨鉆桿肋骨片外徑與外平鉆桿一致，與鉆機(jī)夾持器規(guī)格相符，且肋骨片具有一定的寬度和強(qiáng)度，所以可以象外平鉆桿一樣采用鉆機(jī)夾持器實(shí)現(xiàn)自卸，適應(yīng)較硬地層的鉆孔。

肋骨鉆桿肋骨片為螺旋結(jié)構(gòu)，保證了鉆桿與鉆孔之間有足夠的間隙，有利于在孔口與孔底之間形成循環(huán)通道。在鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液或者壓縮空氣通過鉆桿桿體中心孔被輸送到孔底，然后攜帶孔底已破碎的巖屑沿著孔壁與鉆桿桿體外表面之間的螺旋槽送到孔外，具有和麻花鉆桿一樣的排渣效果，適應(yīng)較軟地層的鉆孔。

三、肋骨鉆桿優(yōu)點(diǎn)：

1、適用地層廣。麻花鉆桿只適應(yīng)簡(jiǎn)單地層，外平鉆桿適應(yīng)于較硬地層，而肋骨鉆桿能適應(yīng)于所有地層。

2、擰卸方便。麻花鉆桿不能使用快速擰卸裝置時(shí)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差、材料用量大、效率低，有時(shí)為擰卸一根鉆桿得花半個(gè)小時(shí)，即使能用上快速擰卸裝置，其效率也相對(duì)較低，而肋骨鉆桿的擰卸等同于外平鉆桿，實(shí)現(xiàn)了液壓鉆機(jī)的自動(dòng)擰卸。

3、孔內(nèi)事故少。當(dāng)?shù)貙颖容^復(fù)雜時(shí)，如果使用麻花鉆桿，因其旋轉(zhuǎn)阻力大，很有可能造成鉆桿轉(zhuǎn)不動(dòng)，甚至鉆桿被擰斷；當(dāng)使用外平或螺旋扒槽鉆桿時(shí)，因其排渣功能弱，極有可能使得大量的巖粉無法及時(shí)排出，造成埋鉆事故。肋骨鉆桿避免了三者的缺陷，有利鉆孔安全、順利施工。

4、鉆孔保直性好。麻花鉆桿旋轉(zhuǎn)阻力大，施工過程中其葉片不斷地切削孔壁，容易造成鉆孔偏斜。肋骨鉆桿因?yàn)樵谄胀ㄣ@桿外部加了較寬的葉片，基(下轉(zhuǎn)P113) 摘   要：鉆桿是鉆進(jìn)工具的主要組成部分之一，在鉆進(jìn)時(shí)，通過它把動(dòng)力傳遞給巖芯管、鉆頭等鉆具，

5、同時(shí)把沖洗液輸送到孔底，再把巖屑排到孔外。本不切削孔壁，同時(shí)寬葉片增加了鉆桿的剛性，從而起到保直作用。

6、經(jīng)濟(jì)效益高。肋骨鉆桿重復(fù)使用的次數(shù)是麻花鉆桿的4～6倍，成本是螺旋扒槽鉆桿的二分之一，每年可節(jié)省購置鉆桿資金200多萬元。根據(jù)試用情況統(tǒng)計(jì)，1月初到6月底埋鉆率相對(duì)去年上半年減少三分之一，增加進(jìn)尺2000多米，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益30萬元左右。5 結(jié)束語肋骨鉆桿集中了傳統(tǒng)鉆桿的優(yōu)點(diǎn)，具有旋轉(zhuǎn)阻力小、排渣效果好、約束條件少、擰卸效率高，可適用于所有地層。其結(jié)構(gòu)合理，實(shí)用性、適應(yīng)性強(qiáng)，解決了井下打鉆的難題，對(duì)加快進(jìn)尺速度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少成本消耗等具有重要意義，符合井下煤層鉆探的特殊要求

經(jīng)過幾年的使用研究，對(duì)肋骨鉆桿進(jìn)行了二次、三次改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了雙螺旋肋骨鉆桿、三頭肋骨鉆桿，其綜合效率更高，更適于井下鉆孔施工。肋骨鉆桿的設(shè)計(jì)與使用是井下鉆探技術(shù)的一次重要飛躍，對(duì)于優(yōu)化鉆桿結(jié)構(gòu)和完善鉆進(jìn)工藝具有重大意義