新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆的研制

１６０　童瞧ｊｉＩ舛技　２０１２年第３期　新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆的研制　张吉亮，张双伟，金亮　（山东省煤田地质钻探工具厂，山东泰安２７２４００）　摘要助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆采用助排渣防卡钻耐磨螺旋结构，既保留了普通助排屑螺旋钻杆的优点，高耐磨的螺旋凸棱又增强了钻　杆的整体耐磨性，是一款非常适用于深孔高效钻进技术的井下瓦斯抽采钻杆。　关键词　摩擦焊接　自导正耐磨螺旋　井下煤层钻进　中图分类号Ｐ６３４．４　２　文献标识码Ｂ　Ｎｅｗ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｏｗｎ——ｇｕｉｄｅ　ｓｐｉｒａｌ　ｄｒｉｌｌ　ｐｉｐｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　Ｚｈａｎｇ　Ｊｉ—ｌｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｓｈｕａｎｇ—ｗｅｉ，Ｊｉｎ　Ｌｉａｎｇ　（Ｓｈａｎｄｏｎｇ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ｃｏａｌｆｉｅｌｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ　ｆａｃｔｏｒｙ２７２４００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｄｒｉｌｌ　ａｄｏｐｔｓ　ｓｌａｇ　ａｎｔｉ　ｓｔｉｃｋｉｎｇ　ｗｅａｌ＂ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｐｉｒｌａ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｔａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｃｈｉｐ　ｓｐｉｒａｌ　ｄｒｉｌｌ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｉｒａｌ　ｒｉｂｓ，ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌ　ｐｉｐｅ，ｉｓ　ａ　ｖｅｒｙ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐ　ｈｏｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｇａｓ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｐｉｐｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ＯＷＮ——ｇｕｉｄｅ　ｗｅａｒ——ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｓｐｉｒａｌ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃｏａｌ　ｓｅａｎｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　目前国内瓦斯抽放孔常用的钻进方式为光面钻杆　在对螺旋钻进机理进行研究的基础上，结合现场　钻进，风力或水力排渣（这种钻进方法一般钻头比钻杆　具体使用要求及钻机性能，综合考虑连接形式、密封要　的直径大，依靠高压气流或水流将钻渣从钻杆和钻孔　求、钻杆质量大小、加工方法和可操作性等因素进行新　壁之问的空隙中排出），这种方式在煤的硬度系数较高　型钻杆的研制。其包括公接头、钻杆心管、母接头以及　的煤层中钻速度快、成孔深、质量也好。但是在松软突　成螺旋状结合在杆体和接头外壁上的螺旋叶片。　出煤层钻进时，由于地应力、瓦斯压力、钻杆震动等因　１．１　材料的选择　素，在钻进过程中经常出现局部塌孔抱钻杆现象，此时　钻杆材料确定为４２ＭｎＭｏ７，接头材料确定为４０Ｃｒ　风力或水力排渣通道堵塞，轻者卡钻、丢钻，严重时因　（表１、表２）。　摩擦发热引起煤和瓦斯燃烧，酿成重大安全事故。　表１钻杆机械性能要求　为解决这一难题山东煤田地质钻探工具厂利用　钻杆强度要求　抗拉强度　≥６５４．６ＭＰａ　“等离子精细熔覆”新技术制成了新型高效助排渣防　屈服强度　（『　≥３７９．２ＭＰａ　卡钻耐磨螺旋钻杆，突破了制约在松软突出煤层中钻　钻杆接头强度要求　抗拉强度　ｈ≥７３５ＭＰａ　进困难的技术瓶颈。其优点是结构简单、稳定性好、安　屈服强度　≥５３９ＭＰａ　全性高，排屑、排渣速度快，掘进效率高，可以有效避免　和减少塌孔、卡钻引起的丢钻现象，延长钻杆使用寿　表２钢材机械力学性能　命，从而有效降低了掘进成本。经实际工业应用，使用　力学指标　规定总伸长应力　抗拉强度　断后伸长率　新型钻杆有效提高了钻进速度和成孔长度，减少了卡　０　５（ＭＰａ）　ｂ（ＭＰａ）　８ｆ％）　４２ＭｎＭｏ７　≥５２０　≥７８０　≥ｌ５％　钻、丢钻事故　４０Ｃｒ　≥９８０　≥７８５　≥９　１　新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆的研制　注：拉伸试样为全截面管段试样或宽度＝１９．Ｏｍｍ，标距＝５０ｍｍ　的条状试样。　１．２钻杆的加工工艺　十收稿日期：２０ｉｉ一０６—３０　螺旋钻杆在钻进过程中，除传递扭矩外，还要刮　作者简介：张吉亮（１９８２一），男（汉族），山东平阴人，工程师，工程　切、排出钻孔内的岩煤粉，使钻进得以正常进行。因　硕士在读，机械工程方向。　此，对螺旋钻杆的要求是：要有足够的抗扭强度，易于　该装置具有成本低、易安装、易操作等特点，能够　满足安全规程的要求，具有广阔的普及应用空间。　改变减速机的润滑方式，引入单片机技术，采用数字温　该成果的应用可大大提高工作效率，节约检修维　度传感器实现对减速机油温的实时监测，达到提高设　护的时间，提高皮带运输设备的安全性能，每年可产生　备性能的目的。测控系统采用了５１单片机ＡＴ８９Ｃ５２　经济效益１００万元。　芯片和ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器。该装置适用于煤　参考文献：　矿胶带输送机减速机运行期间的油温实时测控，完全　［１］洪晓华．矿井运输提升［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２００５　２０１２年第３期　东撼蔗纠Ｉ技　１６ｌ　排粉，耐磨，连接可靠方便，且连接部分不妨碍岩煤粉　的排出；在采用湿排粉或风排粉钻进工艺方法时，可达　新型钻杆相对于普通钻杆螺旋叶片焊接强度高、　到辅助排粉、冷却钻头和防火灭尘的效果，所以还要求　钻杆体中心能够通水通气，接头处连接密封可靠，在　７ＭＰａ水气压力条件下不渗漏。　钻杆杆体与公接头、母接头以摩擦焊的形式连接。　其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料　之间产生摩擦，使界面及其附近温度升高并达到热塑　性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生　塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反　应而形成接头。提高这种方式可接头与杆体之间的机　械强度，增加扭矩力。　１．２．１　接头调质热处理　耐磨性好，排屑、排渣速度快，掘进效率高，同样的钻进　方案可选用小一号的钻杆，节约了资金，耐磨螺旋保护　钻杆不被磨损，整体寿命长（见图１）。　调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使其得到以　细针状淬火马氏体为主的显微组织。通过高温回火，　得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。　４０Ｃｒ调质处理规范：淬火温度８５０℃±１０℃，油　冷；回火温度５２０℃±１０ｃＩ＝，水、油空冷。　１．２．２螺旋叶片的缠绕焊接　考虑煤层变化的复杂性、钻机的转速可调范围，螺　距导程定为９６ｍｍ。螺旋叶片选用低锰钢１６Ｍｎ制作，　截面形状为梯形，缠绕前需对钢带进行热处理，以使材　料软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残　余应力，防止缠绕时带钢变形过大而断裂。　缠螺旋用的设备为现有设备自主改装而成。将钻　杆母接头一端夹紧固定在卡盘上，钻杆公接头一端由　车床尾座顶尖顶紧。带钢支架固定在遛板箱上，带钢　通过滑轮支架被匀速卷出，随着钻杆的转动和支架的　滑动，实现带钢的螺旋状缠绕。　钻杆螺旋叶片整体采用等离子精细熔覆技术焊　接，等离子精细熔覆技术是以等离子弧作为热源，应用　等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热　并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷　却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强　化与硬化的堆焊工艺。等离子粉末堆焊后基体材料和　堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织　致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减　少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合　金设计的选择性，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。　等离子粉末堆焊具有较高的生产率，美观的成型。　２新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆的创新　图１　新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆　３　生产试验及效果　２０１１年９月本产品在兖矿集团南屯矿进行生产试　验，采用￣７５ｍｍ螺旋钻杆与ＺＤＹ一１２００Ｌ型钻机配套　使用，试验采用一次成孔的钻进工艺，先后钻孑Ｌ　２７个，　累计进尺５２１１ｍ，其中最深孔位１９７ｍ，较普通螺旋钻　杆钻进时间减少近１／２，使用效果良好。　４经济性分析及应用结论　新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆在其使用性　和经济性上较之普通钻杆有了很大的提高，双动力排　渣，防堵、防卡钻，特别适用于松软突出煤层中使用；螺　旋熔覆凸棱加强了钻杆的强度和刚度，不易折断和弯　曲，同样的钻进方案可选用小一号的钻杆，节约了资金；　岩层中钻进耐磨螺旋保护钻杆不被磨损，整体寿命长。　参考文献：　［１］赵运兴．煤田钻探技术手册［Ｍ］．煤炭工业出版社，１９８９，２　［２］沈娟．等离子熔覆涂层与熔射成型技术及其应用［Ｊ］．煤炭科技，　２００６，４　［３］马沈岐．瓦斯地质钻探工艺研究［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程）　，２００７，３４（２）　［４］王清峰．煤矿用坑道钻机钻杆断裂原因分析及采取的措施［Ｊ］．　煤矿机械，２００７，６　［５］姚宁平．我国煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工装备与技术［Ｊ］．煤炭　科学技术，２００８，３　以￣７５ｍｍ新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆　为例，选取材质４２ＭｎＭｏ７、规格　６３．５×６．５ｍｍ的钢　管作为钻杆心管；材质１６Ｍｎ，规格１０×６ｍｍ材质的带　钢作为新型高效助排渣防卡钻耐磨螺旋钻杆的螺旋叶　片，并且进行调制预处理，然后利用等离子精细熔覆技　术将其焊接在钻杆心管的外壁上。　［６］马沈岐．煤矿瓦斯地质钻探用钻杆工作机理探讨［Ｊ］．探矿工程　（岩土钻掘工程），２００８，９　［７］刘发义．不同钻具在松软煤层打钻成孔研究［Ｊ］．科技情报开发　与经济，２００９，１３