孫榮軍

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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煤礦用錨桿鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

孫榮軍1,2

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

我國(guó)是采煤大國(guó)，大多數(shù)煤礦以井工開(kāi)采為主，煤礦巷道掘進(jìn)和支護(hù)的工程量很大，巷道支護(hù)鉆孔施工需要消耗大量錨桿鉆頭，錨桿鉆頭的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)也得到了快速發(fā)展。介紹了錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)煤礦現(xiàn)用的錨桿鉆頭的技術(shù)特點(diǎn)、適用性進(jìn)行了分析，并結(jié)合煤礦巷道支護(hù)的實(shí)際需求，提出了施工硬巖和復(fù)雜地層時(shí)錨桿鉆頭存在的問(wèn)題，最后從錨桿鉆頭設(shè)計(jì)、加工工藝等方面，闡述了錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)。

煤礦；巷道支護(hù)；鉆孔；錨桿鉆頭

我國(guó)是采煤大國(guó)，大多數(shù)煤礦以井工開(kāi)采為主，需要在地下開(kāi)掘規(guī)模巨大的巷道，2012年煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)煤礦巷道平均總進(jìn)尺約1.5×107m/年，其中煤和半煤巖巷總進(jìn)尺約占84%，巷道支護(hù)是直接影響礦井安全、產(chǎn)量與效益的關(guān)鍵技術(shù)，錨桿(錨索)支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)最為廣泛的技術(shù)之一，國(guó)有重點(diǎn)煤礦的煤巷錨桿支護(hù)率已經(jīng)達(dá)到85%以上，可以說(shuō)巷道掘進(jìn)量和支護(hù)鉆孔工作量巨大，相應(yīng)的錨桿鉆頭消耗量也非常大[1-4]。本文在介紹錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦巷道支護(hù)的實(shí)際需求，提出了錨桿鉆頭存在的問(wèn)題，并闡述了錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)。

1 我國(guó)礦用錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)所用的錨桿鉆機(jī)和錨桿鉆頭均以進(jìn)口為主，受進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備正處于研發(fā)階段的影響，錨桿支護(hù)技術(shù)推廣緩慢，直到20世紀(jì)90年代以后，隨著錨桿鉆機(jī)技術(shù)的不斷成熟和煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的加大，錨桿支護(hù)技術(shù)在煤礦井下巷道支護(hù)中得到大力推廣[5-6]。早期，錨桿支護(hù)鉆孔施工使用的錨桿鉆頭主要以硬質(zhì)合金鉆頭為主，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該類鉆頭切削齒選用碳化鎢硬質(zhì)合金材料，受硬質(zhì)合金本身性能的影響，只適用于軟—中硬地層鉆進(jìn)，且耐磨性差，保徑能力弱，鉆頭壽命短。但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，目前煤層(軟地層)錨桿孔的施工中仍在廣泛應(yīng)用。

隨著我國(guó)超硬材料技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代末國(guó)內(nèi)掀起了聚晶金剛石復(fù)合片(PolycrystallineDiamondCompact,以下簡(jiǎn)稱：PDC[8])制造和應(yīng)用技術(shù)的研究熱潮，80年代初開(kāi)始將PDC復(fù)合片用于石油和地質(zhì)鉆頭設(shè)計(jì)，起初所用PDC主要以進(jìn)口為主，國(guó)內(nèi)很多廠家也與美國(guó)、日本企業(yè)合作生產(chǎn)PDC。PDC既有金剛石耐磨性高的特點(diǎn)，也有硬質(zhì)合金抗沖擊韌性高的優(yōu)點(diǎn)，用它制作的鉆頭在軟—中硬巖層中壽命長(zhǎng)、效率高。起初，PDC因其加工難度大、技術(shù)含量高、價(jià)格昂貴，主要應(yīng)用在石油鉆頭上。20世紀(jì)90年代，美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始將PDC用于硬巖鉆進(jìn)用的錨桿鉆頭制造[7]，并取得了很好的應(yīng)用效果。隨著PDC制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，以及進(jìn)口錨桿鉆機(jī)及配套鉆具在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，加快了我國(guó)錨固技術(shù)的發(fā)展。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(原煤炭科學(xué)研究總院西安分院)借鑒我國(guó)已將PDC用于制作地質(zhì)和石油鉆頭的成功經(jīng)驗(yàn)，率先在國(guó)內(nèi)成功研制了兩翼型PDC錨桿鉆頭[9-11]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，并制定了“金剛石復(fù)合片錨桿鉆頭”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了我國(guó)在PDC錨桿鉆頭研究方面的空白。目前，國(guó)內(nèi)煤礦巷道支護(hù)較常用的PDC錨桿鉆頭以兩翼結(jié)構(gòu)為主，根據(jù)PDC齒的形狀不同主要分為：整片型、切片型和半片型3種類型(見(jiàn)圖3)。連接方式普遍采用絲扣連接，鉆頭直徑以27～32 mm居多。由于PDC錨桿鉆頭在中硬巖石鉆進(jìn)中具有鉆進(jìn)效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它在巷道支護(hù)鉆孔施工中占有主導(dǎo)地位。

近年來(lái)，隨著進(jìn)口巷道掘錨裝備在國(guó)內(nèi)的推廣，進(jìn)口錨桿鉆頭也隨之在國(guó)內(nèi)推廣。進(jìn)口錨桿鉆頭無(wú)論在使用效果和材料性能方面都表現(xiàn)出比國(guó)內(nèi)鉆頭明顯的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然價(jià)格也比較昂貴。進(jìn)口裝備自動(dòng)化程度高，因錨桿鉆頭使用過(guò)程中更換頻率比大鉆頭更大，因此，快速裝卸是提高整體施工效率的要求。為方便裝卸，進(jìn)口錨桿鉆頭多以插接式連接方式為主[12-15]，根據(jù)插接頭類型不同，有外四方(公接頭)插接式和內(nèi)六方(母接頭)插接式，根據(jù)鉆進(jìn)工藝不同可分為濕式(水鉆型)和干式(風(fēng)鉆型)，見(jiàn)圖4。另外，進(jìn)口釬桿和鉆頭的規(guī)格，都比目前國(guó)內(nèi)的規(guī)格大1～2個(gè)級(jí)配，如：美式六方中空釬桿，最大徑為25 mm，而國(guó)內(nèi)六方釬桿最大徑一般為19或22 mm；美式錨桿鉆頭直徑以32～44 mm居多，而國(guó)內(nèi)目前則以27～32 mm居多[16-20]。

圖2 兩翼型PDC錨桿鉆頭 圖3 不同切削齒形狀的PDC錨桿鉆頭

圖4 插接式錨桿鉆頭

錨桿鉆頭作為鉆錨裝備配套工具，受國(guó)內(nèi)鉆錨裝備整體技術(shù)發(fā)展的影響，其技術(shù)提升緩慢或發(fā)展重視程度不足。我國(guó)有關(guān)錨固技術(shù)的研究主要集中在錨桿、錨固劑、錨桿鉆機(jī)及錨桿檢測(cè)儀器與技術(shù)方面。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)使用的錨桿鉆頭都是采用早期研究制定的制造工藝、結(jié)構(gòu)形式及連接方式，相較于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)錨桿鉆頭技術(shù)的創(chuàng)新明顯不足。

2 錨桿鉆頭目前存在問(wèn)題分析

我國(guó)針對(duì)錨桿鉆頭的加工工藝及使用方法經(jīng)過(guò)多年不懈努力的研究，在技術(shù)與施工領(lǐng)域也取得了一定的進(jìn)展。可是與歐、美主要產(chǎn)煤國(guó)相比較，錨桿鉆頭在制造和使用中還存在一些問(wèn)題，尤其近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度的增加，支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，支護(hù)工程量的提高，現(xiàn)有錨桿鉆頭在使用過(guò)程中已暴露出很多需要迫切解決的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 硬巖鉆進(jìn)效率低的問(wèn)題

煤系地層一般以軟—中硬(f系數(shù)≤8)地層居多，一般煤巷錨桿支護(hù)孔的施工選用硬質(zhì)合金鉆頭或PDC鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)都可以滿足要求；而對(duì)于煤層頂板堅(jiān)硬巖石或煤層中含有大量矸石時(shí)，硬質(zhì)合金鉆頭一般很難適應(yīng)，PDC鉆頭也很難保證鉆進(jìn)效率；針對(duì)以沖擊鉆進(jìn)為主的一字形、十字形或球齒形硬質(zhì)合金鉆頭(見(jiàn)圖5)來(lái)講，遇到該類地層一般鉆進(jìn)效率也比較緩慢。解決硬巖鉆進(jìn)效率低的問(wèn)題，不僅要在鉆頭結(jié)構(gòu)上想辦法，還要從設(shè)備、工藝、材料等方面綜合考慮制定解決方案。

圖5 沖擊鉆進(jìn)用硬質(zhì)合金鉆頭

2.2 復(fù)雜地層鉆頭使用壽命短的問(wèn)題

隨著礦井開(kāi)采深度的加大,工程地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)鉆頭的耐磨性、抗沖擊性、效率等都提出了更高的要求。目前針對(duì)復(fù)雜地層主要選用PDC錨桿鉆頭，在遇到軟硬互層時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)崩刃、掉片、保徑失效等現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)，導(dǎo)致鉆頭壽命不能滿足深孔鉆進(jìn)的需要。特別是針對(duì)較深錨索孔(單孔深度>8 m)的施工，在遇到堅(jiān)硬、破碎或裂隙發(fā)育的地層時(shí)，經(jīng)常一只鉆頭不能完成一個(gè)完整孔的施工，不但影響成孔效率，同時(shí)增加了勞動(dòng)強(qiáng)度和支護(hù)成本。解決鉆頭壽命的問(wèn)題，要結(jié)合成孔工藝方法，從材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造工藝等方面全面提升鉆頭性能。

2.3 錨桿鉆頭拆裝不便的問(wèn)題

煤巷支護(hù)錨桿安裝的密度大，間距一般為0.6 ～0.8 m ,錨桿孔深為一般2～3 m。由此估算我國(guó)錨桿支護(hù)孔累計(jì)進(jìn)尺總量上億米。在如此巨大的工程中，需要更換上千萬(wàn)只以上的錨桿鉆頭?，F(xiàn)有錨桿鉆頭與錨桿之間主要通過(guò)絲扣形式連接，由于鉆頭直徑小，施工鉆機(jī)的能力大，鉆頭在使用過(guò)程中，遇到阻力越大，絲扣連接強(qiáng)度越大，需要更換鉆頭時(shí)，一般都是靠人工裝卸鉆頭，擰卸螺紋時(shí)非常困難，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，影響錨孔施工效率。其次，目前煤礦行業(yè)內(nèi)錨桿鉆頭與鉆桿之間連接需要連接套連接過(guò)渡，當(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩過(guò)大，致使擰卸鉆頭時(shí)，無(wú)法將連接套與鉆頭分開(kāi)，導(dǎo)致鉆頭與連接套一同更換，無(wú)形之中造成了連接套的浪費(fèi)，增加了施工成本(見(jiàn)圖7)。解決鉆頭裝卸不便的問(wèn)題，并且由于在裝卸過(guò)程中的諸多不便，工人操作失誤，經(jīng)常造成本來(lái)完好的鉆頭在更換時(shí)被損壞。可見(jiàn)，這種絲扣連接方式不但鉆頭裝卸困難，而且容易導(dǎo)致鉆頭損壞。

圖6 錨桿鉆頭崩片、保徑失效 圖7 錨桿鉆頭與連接套

2.4 錨桿鉆頭的加工工藝問(wèn)題

現(xiàn)在錨桿鉆頭的制作依然沿用著早期的加工工藝，一只成品錨桿鉆頭需要經(jīng)過(guò)下料、車銑加工、攻絲、焊接、修磨等多個(gè)環(huán)節(jié)，加工制造工藝較為復(fù)雜。并且該類鉆頭的主要特點(diǎn)是直徑小，有其獨(dú)特的布齒方式，對(duì)鉆頭體強(qiáng)度及焊接強(qiáng)度要求高。隨著錨固支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和推廣，錨桿鉆頭的年消耗量也在增加，這就加劇了現(xiàn)有錨桿鉆頭生產(chǎn)效率低、廢品率高的問(wèn)題。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的錨桿鉆頭制作工藝方法做進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)未來(lái)支護(hù)技術(shù)和市場(chǎng)要求。

3 我國(guó)礦用錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)

錨桿鉆頭在我國(guó)已有十多年的發(fā)展歷史,但是受重視程度和市場(chǎng)價(jià)格的影響，目前無(wú)論從結(jié)構(gòu)升級(jí)、加工工藝、材料優(yōu)選等研究都處于低水平重復(fù)、低成本拼價(jià)格的維持發(fā)展階段。隨著煤礦自動(dòng)化、智能化開(kāi)采技術(shù)的推廣，巷道支護(hù)裝備也將向高效智能控制方面發(fā)展，也將對(duì)配套鉆具(包括鉆頭)提出更高的要求。筆者認(rèn)為未來(lái)錨桿鉆頭要適應(yīng)以下發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 整體強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、焊接強(qiáng)度高的趨勢(shì)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采的逐步發(fā)展，采煤深度逐漸增加，井下地應(yīng)力及巖石條件日漸復(fù)雜，施工較為破碎、裂隙發(fā)育的復(fù)雜地層以及較深的錨索孔逐漸成為常態(tài)，這就對(duì)錨桿鉆頭等配套施工鉆具提出了更高的要求。

3.2 鉆頭現(xiàn)場(chǎng)使用操做簡(jiǎn)單，更換容易的趨勢(shì)

隨著科技的進(jìn)步，井下施工設(shè)備機(jī)械化程度的提高，生產(chǎn)效率也會(huì)成為企業(yè)的重要考核指標(biāo)，因此，在錨固支護(hù)方面，設(shè)計(jì)研發(fā)更換便捷的鉆頭，提高鉆頭的更換效率也會(huì)成為發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 鉆頭加工周期短，生產(chǎn)效率高的趨勢(shì)

錨桿鉆頭作為支護(hù)加固過(guò)程中不可或缺的重要工具，其制作工藝及性能是影響煤礦井巷錨桿孔成孔及支護(hù)速度的重要因素之一。如何實(shí)現(xiàn)錨桿鉆頭在復(fù)雜地層錨孔施工，使用壽命長(zhǎng)且易于裝卸的功能，解決現(xiàn)有錨桿鉆頭生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，是目前我們所面臨的問(wèn)題。因此，應(yīng)加大對(duì)錨桿鉆頭的研制力度。將對(duì)加快支護(hù)技術(shù)發(fā)展，提高支護(hù)速度，降低支護(hù)成本有著重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

錨桿鉆頭的需求量很大，但對(duì)錨桿鉆頭的技術(shù)創(chuàng)新明顯不足，雖然錨桿鉆頭產(chǎn)量很大，但高端產(chǎn)品缺少，不能滿足硬巖或者復(fù)雜地層施工的需要，主要體現(xiàn)在壽命短、效率低、裝卸不方便等方面，為此，應(yīng)加強(qiáng)PDC切削齒、錨桿鉆頭加工工藝及錨桿鉆頭與配套鉆具的連接方式等方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提升錨桿鉆頭的綜合性能和技術(shù)水平，以滿足巷道支護(hù)的實(shí)際需求。

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Application Status and Developmental Trend of Anchor Drill Bit in Coal Mine

SUN Rong-jun1,2

(1.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi’an Shaanxi 710077, China; 2.Department of Civil and Architecture Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an Shaanxi 710054, China)

China is a big coal mining country, most of the coal mines are by underground mining with large engineering quantities of coal mine roadway tunneling and supporting, a large number of anchor bits are needed in the tunnel support construction, and anchor bit design and manufacturing technology have been developed rapidly. This paper introduced the development and application status of anchor drill bit, analyzed the bit’s technical feature and applicability, and put forward the existed problems of anchor drill bit in the construction of hard rocks and complex formations combining with the actual needs of the coal mine roadway support. Finally, the development trend of anchor bit is expounded in the aspects of bit design and processing technology.

coal mine; roadway support; borehole drilling; anchor drill bit

2017-01-24；

2017-04-06

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目“煤礦井下沖擊回轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)研究”(編號(hào)：2016GY-188)

孫榮軍，男，漢族，1977年生，副研究員，博士，主要從事煤礦坑道鉆探新技術(shù)研發(fā)與推廣工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)，sunrongjun@cctegxian.com。

P634.4

A

1672-7428(2017)05-0058-04