潘小葉

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039）

煤礦井下瓦斯抽放孔施工時，特別是軌跡偏心嚴重的旋轉(zhuǎn)給進施工，鉆桿對孔壁會造成特別強烈地沖擊和刮削，破壞了原有地層的穩(wěn)定和平衡，并在煤層中高壓液體、瓦斯氣體及地應力綜合作用下，孔壁會出現(xiàn)坍塌、膨脹等現(xiàn)象，導致鉆孔施工時常會發(fā)生卡埋鉆、頂鉆及鉆桿斷落等事故[1-3]。

針對上述孔內(nèi)事故，憑借相關領域里的工程人員的努力，開發(fā)了許多具有針對性的打撈工具及工藝。如“強力回轉(zhuǎn)、起下鉆”工藝，采用強力快速回轉(zhuǎn)及推拉鉆桿迅速反復轉(zhuǎn)換結合的方式；“鉆桿加絲錐造扣”工藝，即在斷鉆的情況下，使用對應尺寸的鉆桿，配套相應的公、母絲錐進行斷落鉆具打撈的方法；“套銑打撈”工藝，即打撈鉆桿配合套銑鉆頭，“套”在事故鉆具的外表面對鉆桿進行銑孔，實現(xiàn)掃通卡埋鉆的地點成功解決鉆孔事故的方法，主要適用于卡、埋鉆事故[4-6]。以上孔內(nèi)事故處理方案，或者事故處理工藝適用范圍小，或者難以造扣，或者處理事故能力單一。

為了解決上述常用打撈工藝及鉆具存在的問題，設計了一種卡夾式打撈鉆頭，配合相應的打撈工藝，以期改進和完善打撈工藝，提高打撈成功率及適用范圍。

1 常見打撈技術缺陷分析

目前，煤礦井下出現(xiàn)的卡埋鉆和斷鉆事故，常見處理方法為絲錐造扣和套銑打撈。

1）絲錐造口打撈方法。主要用于處理孔中的鉆桿斷落事故。具體的處理過程：退出孔中非斷落鉆桿，然后用鉆桿把絲錐送到鉆桿斷落處，調(diào)低旋轉(zhuǎn)和給進速度在斷落鉆桿的端部進行套桿及造口[7]。該種打撈方式造扣過程復雜，經(jīng)常需反復套桿造扣，易造成絲錐滑絲和報廢，特別是地質(zhì)條件復雜的孔中，打撈成功率低，且工人作業(yè)強度大。

2）套銑打撈技術。主要用于處理卡埋鉆及鉆桿斷落后未退桿的孔內(nèi)事故。打撈鉆桿依靠孔內(nèi)鉆桿導向把打撈鉆頭送到螺桿鉆具彎頭處，利用打撈鉆頭內(nèi)壁變徑臺階卡住螺桿鉆具彎頭處凸起，并利用螺桿鉆具自身重力、孔底反力取出孔內(nèi)斷落鉆具[8-9]。該項打撈技術主要用于淺孔、上行孔或近水平孔打撈，且打撈時需反復多次套撈鉆具凸起才能卡住，但對于深孔、軌跡復雜定向孔及下行孔時，原有的打撈鉆頭很難憑借臺階結構卡住螺桿鉆具，特別是地質(zhì)條件復雜的深孔打撈，打撈成功的概率很低。

2 卡夾式打撈鉆頭的結構及特點

絲錐和套銑打撈方式或多或少存在著各自缺陷，因此有必要對原有打撈方式及配套打撈工具進行改進和完善，為此，設計了擠壓卡夾和套銑卡夾2種卡夾式打撈鉆頭，擠壓卡夾式打撈鉆頭結構如圖1，套銑卡夾式打撈鉆頭如圖2。

圖1 擠壓卡夾式打撈鉆頭結構Fig.1 Structure of squeeze type claw-clamping type salvage fishing bit

圖2 套銑卡夾式打撈鉆頭Fig.2 Structure of milling claw-clamping type salvage fishing bit

卡夾式打撈鉆頭均由連接接頭、彈簧座、彈簧、夾持卡瓦、擋銷、鉆頭體及刀片等零件組成。3片夾持卡瓦表面加工有單向咬桿鋸齒，均布于鉆頭體的T型槽內(nèi)，沿著T型槽方向可自由滑動，自由滑動的距離由連接接頭的內(nèi)臺階和鉆頭體上的擋銷控制，滑向連接接頭內(nèi)壁臺階處，夾持卡瓦處于張開狀態(tài)，滑向擋銷處為夾持狀態(tài)。彈簧通過彈簧座向3片夾持卡瓦施加同步推力，使3片卡瓦處于常閉夾持狀態(tài)。T型槽方向與鉆頭體軸線的夾角為小角度，鉆桿進入后，卡瓦、鉆頭體及鉆桿便形成斜楔自鎖機構，實現(xiàn)鉆頭對孔內(nèi)斷落鉆桿牢固夾持。鉆頭體端部車有導向斜面，套住斷落鉆桿后，斷落鉆桿沿著斜面滑向卡瓦處，并通過卡瓦端部的倒角面擠壓卡瓦，壓縮彈簧，即卡瓦張開，斷落鉆桿滑進鉆頭后，懸?；蚝罄纯涉i住鉆桿。刀片通過銀釬焊固定在鉆頭體端部切削翼的刀槽內(nèi)，主要用于打撈鉆頭送入過程中掃孔或清除孔內(nèi)障礙，使打撈鉆頭能夠順利進入鉆具斷落處。

2種打撈鉆頭主要區(qū)別是其連接接頭的內(nèi)壁結構。套銑卡夾式打撈鉆頭的連接接頭等零件結構內(nèi)孔直徑必須大于所撈鉆桿直徑，確保所撈鉆桿能順利穿過打撈鉆頭內(nèi)壁；而擠壓卡夾式打撈鉆頭，其連接接頭內(nèi)孔加工有擠壓卡槽，與套住的斷落鉆桿端部交錯卡入擠壓，具有向斷落鉆桿傳遞扭矩的能力。

2種鉆頭具有的共同特點有：①與鉆桿接觸的卡瓦表面車有單向鋸齒，后拉打撈鉆頭時，卡瓦銳齒會在斷落鉆桿表面形成咬痕，以此增加卡瓦與鉆桿間的摩擦系數(shù)，卡瓦表面經(jīng)過滲碳硬化處理，表面硬度HRC55-60;②打撈鉆頭夾持直徑范圍大，能套住變形大的斷落鉆桿端部;③彈簧通過具有導向功能的彈簧座向卡瓦施加自鎖夾緊力，使3片卡瓦夾持動作保持同步;④彈簧座上具有保護段，彈簧對穿過的鉆桿干擾小;⑤T型槽處相互接觸面光潔度高，滑動摩擦系數(shù)小;⑥打撈鉆頭的前端采用喇叭口狀導向設計，套桿順暢、平滑;⑦打撈鉆頭端部焊有切削刀片，具有清除孔內(nèi)障礙的能力，確保送入時孔內(nèi)通暢;⑧打撈鉆頭夾住鉆桿時會形成單向斜楔自鎖，夾持鉆桿牢固;⑨鉆頭結構精巧，制造工藝簡單，加工成本低。

3 卡夾式打撈工藝

3.1 套銑卡夾式打撈工藝

卡埋鉆事故發(fā)生后，常用的處理工藝是“強力回轉(zhuǎn)及起下鉆”，或采用套銑掃孔處理工藝[10]，但對定向軌跡施工過程中發(fā)生的深孔鉆桿斷落事故，采用傳統(tǒng)的套銑打撈鉆頭，一般需套銑到鉆具的末端，且不易卡勞，打撈成功率低。而采用卡瓦夾持式打撈鉆頭的套銑打撈工藝，解決了不易卡勞等問題，該工藝還可以處理定向鉆孔的鉆桿斷落事故。孔內(nèi)鉆具套銑打撈示意圖如圖3。

圖3 孔內(nèi)鉆具套銑打撈示意圖Fig.3 Principle of milling and salvage in the hole

套銑卡夾式打撈工藝處理過程為:

1）使用管鉗卸掉孔口處1根鉆桿，更換鉆機上夾持器及卡盤卡瓦。

2）放上打撈鉆桿，旋上套銑卡夾式打撈鉆頭，接上水辮，操作鉆機使打撈鉆桿套住孔內(nèi)鉆桿，并沿著孔內(nèi)鉆桿把打撈鉆頭送至孔內(nèi)斷桿處后（通過鉆壓突變判斷）停鉆，調(diào)低給進和回轉(zhuǎn)速度套取斷落鉆桿，送入過程中伴隨著掃孔銑孔，清理孔內(nèi)障礙。

3）后拉打撈鉆桿，卡瓦在彈簧力和拉力作用下鎖住鉆桿（即鉆頭體、夾持卡瓦及鉆桿形成斜楔自鎖機構）。

4）再次更換卡盤和夾持器卡瓦，退出孔內(nèi)斷落處朝外的可退鉆桿。

5）最后更換卡瓦，操作打撈鉆桿拉出斷落鉆桿。

6）取下卡夾式打撈鉆頭，完成打撈作業(yè)。

3.2 擠壓卡夾式打撈工藝

相對于卡埋鉆事故采用的事故處理方式，斷落鉆桿事故發(fā)生時，所采用的卡夾式打撈工藝有所不同，擠壓卡夾式工藝所用打撈鉆頭夾持鉆桿的同時，伴隨著鉆桿與鉆頭內(nèi)壁臺階的相互擠壓，主要應用于普通鉆孔施工時發(fā)生的斷鉆事故。普通鉆孔軌跡簡單，近似直線，且孔深相對較淺，出現(xiàn)鉆桿斷落事故時，常見的打撈方法就是普通鉆桿配合絲錐進行打撈，打撈成功率較低，而卡夾式打撈工藝改進了常規(guī)的打撈方法，用卡夾式打撈鉆頭替換絲錐?？變?nèi)鉆具擠壓打撈示意圖如圖4。

擠壓卡夾式工藝處理過程為：

1）操作鉆機退出孔內(nèi)可退施工鉆桿。

2）使用施工鉆桿將打撈鉆頭送到鉆桿斷落處。

圖4 孔內(nèi)鉆具擠壓打撈示意圖Fig.4 Principle of squeeze and salvage in the hole

3）調(diào)低給進、回轉(zhuǎn)速度，使打撈鉆頭套住孔內(nèi)斷落鉆桿端部，3片卡瓦夾住斷落鉆桿，斷落鉆桿端部與打撈鉆頭內(nèi)壁臺階（內(nèi)臺階被加工成凹凸溝槽狀）交錯擠壓。

4）緩慢回拉鉆桿，此時，夾持軸向力由3片卡瓦提供，回轉(zhuǎn)扭矩由斷落鉆桿端部與鉆頭內(nèi)壁臺階間擠壓力提供。

5）拉出斷落鉆桿后，取下打撈鉆頭完成打撈。

4 卡夾式打撈鉆頭卡緊鉆頭的條件計算及分析

卡夾式打撈鉆頭能否夾住孔內(nèi)斷落鉆桿，并撈出孔內(nèi)鉆桿，主要取決于卡瓦夾持機構在退桿時能否形成自鎖。該打撈鉆頭的鉆頭體部分與打撈鉆桿固連，卡夾式打撈鉆頭具體的夾持過程為：打撈鉆頭套住斷落鉆桿端部并繼續(xù)往里推，在斷落鉆桿端部的反向擠壓下，3片卡瓦壓縮彈簧張開，斷落鉆桿端面一段桿體滑入卡瓦咬合面；停止推桿，卡瓦在彈簧力作用下夾住鉆桿，與鉆頭體一起形成斜楔緊自鎖機構。

卡夾式打撈鉆頭夾持狀態(tài)下的受力分析如圖5，F(xiàn)3為退桿時施加于鉆頭體拉力，N1為T型槽接觸面處鉆頭體對卡瓦施加的正壓力，利用摩擦關系使卡瓦楔緊鉆桿。

打撈鉆頭夾緊鉆桿的基本條件是打撈鉆頭后拉時能否楔緊鉆桿而形成自鎖。自鎖作用越強，則夾持鉆桿越可靠。即應保證：

式中：F1為卡瓦與鉆頭體接觸斜面之間的摩擦力，F(xiàn)1=N1f1；F2為卡瓦與鉆桿之間的摩擦力，F(xiàn)2=N2f2；N1為鉆頭體施加給卡瓦的正壓力；N2為鉆桿施加給卡瓦的正壓力；f1為卡瓦與鉆頭體之間的摩擦系數(shù)；f2為卡瓦與鉆桿之間的摩擦系數(shù)；α為卡瓦與鉆頭體接觸斜面與鉆桿軸線之間的夾角。

當卡瓦處于夾持狀態(tài)時，根據(jù)平衡條件有:

圖5 卡瓦夾持鉆桿時受力分析Fig.5 Force analysis in the condition of kava clamping drill pipe

圖5中N3為彈簧施加給卡瓦的彈簧力，用于鉆頭卡瓦閉合時預緊力，因此不影響自鎖分析條件，可以忽略。因此，由式（1）和式（2）得摩擦系數(shù)關系式為:

由式（3）可得 α=4°、8°時的摩擦系數(shù)關系函數(shù)曲線（圖 6）。

圖6 摩擦系數(shù)關系函數(shù)曲線Fig.6 Relationship curves of coefficients friction

由函數(shù)關系曲線圖6可知，當f1=0.05時，α=4°時，f2所需摩擦系數(shù)為 0.12，α=8°時，f2所需摩擦系數(shù)為0.19，由此可知，當f1摩擦系數(shù)越小，接觸斜角α越小，形成自鎖時所需的卡瓦對鉆桿的接觸摩擦系數(shù)f2就越小，即T型槽處接觸面傾角、摩擦系數(shù)及卡瓦與鉆桿間的咬合摩擦系數(shù)滿足一定關系，打撈鉆頭夾持卡瓦時才會形成自鎖。

綜合各種因素進行優(yōu)選，當T型槽接觸面傾角α=6°、摩擦系數(shù)f1=0.1時，卡瓦咬合鉆桿的接觸摩擦系數(shù)f2約等于0.2，在此條件下制造出的打撈鉆頭滿足自鎖的同時，加工成本也不會顯著增加。

5 結語

1）卡夾式打撈鉆頭采用了3瓣式卡瓦夾持設計，結構簡單、緊湊。夾持鉆桿時形成斜楔自鎖，夾持牢固；鉆頭導向性好，打撈時套桿順暢；且夾持鉆桿直徑范圍大。

2）卡夾式打撈工藝與絲錐和套銑打撈相比，降低了操作難度，減輕了工人作業(yè)強度。

3）當卡夾式打撈鉆頭T型槽處接觸面傾角α=6、摩擦系數(shù)f1=0.1時，制造出的打撈鉆頭即能夠滿足夾持時自鎖，加工成本也不會顯著增加。