煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔用钻杆研制

　第４６卷第９期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰９　　２０１８年９月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐ.２０１８　煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔用钻杆研制董昌乐ꎬ田东庄ꎬ赵建国ꎬ兰　菲(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:为解决煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔时钻杆易发生接头断裂的问题ꎬ通过改进接头结构ꎬ优选螺纹牙型ꎬ试验新材料及其热处理工艺ꎬ研制出ø８９ｍｍ高强高韧钻杆ꎮ介绍了钻杆设计和关键加工技术ꎬ在顾桥矿进行现场试验ꎬ共施工７个钻孔ꎬø１５３ｍｍ孔径扩孔总进尺２３０９.５ｍꎬ最大单孔扩孔深度５３０ｍꎻø２２０ｍｍ孔径扩孔总进尺６５１ｍꎬ最大单孔扩孔深度５０６ｍꎻø２４８ｍｍ孔径扩孔总进尺２０８ｍꎬ最大单孔扩孔深度１５８ｍꎮ试验结果表明ꎬ该钻杆在煤层顶板高位大直径定向长钻孔施工时具有较好的推广应用价值ꎮ最后ꎬ针对现场施工时存在的问题给出了相应建议ꎮ关键词:大直径钻孔ꎻ定向钻进ꎻ接头设计ꎻ扩孔ꎻ煤矿井下ꎻ瓦斯抽采中图分类号:ＴＤ４１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０９－０１９６－０６　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｄｒｉｌｌｒｏｄｍａｔｃｈｅｄｆｏｒｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅＤＯＮＧＣｈａｎｇｌｅꎬＴＩＡＮＤｏｎｇｚｈｕａｎｇꎬＺＨＡＯＪｉａｎｇｕｏꎬＬＡＮＦｅｉ(Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｄｒｉｌｌｒｏｄｊｏｉｎｔｆｒａｃｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙｗｈｉｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｌｏｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅꎬø８９ｍｍｄｒｉｌｌｒｏｄｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｆｔｅｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｊｏｉｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｒｅａｄｔｙｐｅꎬｔｅｓｔｉｎｇｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｉｔｓｍａｔｃｈｅｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅａｎｄｋｅｙｃｏｎｔｒｏｌｐｏｉｎｔｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｄｒｉｌｌｒｏｄｂｒｉｅｆｌｙ.ＩｎｆｉｅｌｄｔｒｉａｌｏｆＧｕｑｉａｏＣｏａｌＭｉｎｅꎬｉｔｄｒｉｌｌｓ７ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ.Ｗｈｅｎｒｅａｍｓｈｏｌｅｓｔｏø１５３ｍｍꎬｉｔｄｒｉｌｌｓ２３０９.５ｍｉｎｔｏｔａｌｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｐｔｈｏｆｓｉｎｇｌｅｈｏｌｅｉｓ５３０ｍꎻｗｈｅｎｒｅａｍｓｈｏｌｅｓｔｏø２２０ｍｍꎬｉｔｄｒｉｌｌｓ６５１ｍｉｎｔｏｔａｌｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｐｔｈｏｆｓｉｎｇｌｅｈｏｌｅｉｓ５０６ｍꎻｗｈｅｎｒｅａｍｓｈｏｌｅｓｔｏø２４８ｍｍꎬｉｔｄｒｉｌｌｓ２０８ｍｉｎｔｏｔａｌｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｐｔｈｏｆｓｉｎｇｌｅｈｏｌｅｉｓ１５８ｍ.Ｉｔｓｈｏｗｓｔｈｅｄｒｉｌｌｒｏｄｈａｓｇｏｏｄｖａｌｕｅｆｏｒｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｔｒｏｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｏｆｃｏａｌｌａｙ￣ｅｒ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｒｏｐｏｓａｌｆｏｒｏｐｅｎｑｕｅｓｔｉｏｎｓｏｆｒｅａｍｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｊｏｉｎｔｄｅｓｉｇｎꎻｒｅａｍｉｎｇꎻｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅꎻｇａｓｄｒａｉｎａｇｅ收稿日期:２０１８－０３－２８ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０９􀆰０３１基金项目:中国煤炭科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目(２０１６ＸＡＹＭＳ０４)作者简介:董昌乐(１９８２—)ꎬ男ꎬ安徽六安人ꎬ助理研究员ꎬ硕士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:董昌乐ꎬ田东庄ꎬ赵建国ꎬ等􀆰煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔用钻杆研制[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(９):１９６－２０１􀆰ＤＯＮＧＣｈａｎｇｌｅꎬＴＩＡＮＤｏｎｇｚｈｕａｇｎꎬＺＨＡＯＪｉａｎｇｕｏꎬｅｔａｌ􀆰Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｄｒｉｌｌｒｏｄｍａｔｃｈｅｄｆｏｒｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(９):１９６－２０１􀆰０　引　　言随着煤矿井下定向钻进技术的不断推广和迅猛发展[１]ꎬ大直径定向长钻孔作为一种综合高效的瓦斯抽采技术手段[２－４]ꎬ在晋煤集团、阳煤集团、淮南矿业集团等多个单位进行了推广应用ꎬ并取得了良好效果[５－６]ꎮ但在施工大直径定向长钻孔尤其是扩孔作业时ꎬ钻杆通过弯曲孔段时被迫弯曲变形ꎬ钻机回转时使其受到拉压交变应力的作用ꎬ钻孔曲率半径越小交变应力就越大[７－８]ꎻ扩孔施工过程中由于孔径的增大ꎬ钻杆在自转的同时又有较大幅度的公转ꎬ极易发生疲劳断裂失效事故[９－１１]ꎮ钻杆接头是整根钻杆的薄弱环节ꎬ通过对煤矿井下钻杆失效情况统计ꎬ约８０％的钻杆失效事故发生在接头部位ꎮ近年来ꎬ随着ＺＤＹ１２０００ＬＤ等大功率钻机的推广ꎬ“以孔代巷”技术的日益成熟[１２－１４]ꎬ部分矿区开始施工一些更大孔径(≥ø１５３ｍｍ)的钻孔ꎬ此外ꎬ为了解决煤层松软破碎地层定向钻孔排渣问题ꎬ施工的钻６９１董昌乐等:煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔用钻杆研制２０１８年第９期孔最大孔径甚至会扩至ø２００ｍｍ以上ꎮ孔径的增大提高了瓦斯抽放效果ꎬ但对钻杆尤其是钻杆接头的强韧性匹配提出了更高的要求ꎮ为此ꎬ中煤科工集团西安研究院有限公司研制出适用于大直径定向长钻孔扩孔用ø８９ｍｍ高强高韧钻杆ꎬ调质后的接头性能达到超高强度钢级[１５－１６]要求ꎬ静扭能力３６ｋＮ􀅰ｍꎬ抗弯能力３(°)/３ｍꎬ满足了煤矿井下大直径定向长钻孔安全施工的需求ꎮ１　钻杆设计钻杆设计基于２个原则:①与煤矿井下钻机的适用性ꎬ即钻杆的使用无需对现有的钻机进行改造ꎬ不会增加钻探施工程序和工人劳动强度ꎻ②确保钻杆整体强度ꎬ提高处理卡钻、抱钻事故的能力ꎮ具体设计如下:１)整体结构设计:钻杆主体结构与普通坑道钻杆结构相似ꎬ整体为外平结构ꎬ外圆规格为ø８９ｍｍꎬ由公接头、母接头和管体３个部分通过摩擦焊接方式焊接为一体ꎻ为方便钻杆运输及加卸ꎬ定尺长度设计为１.５和３ｍꎻ可配套在大功率定向钻机ＺＤＹ１２０００ＬＤ等机型使用ꎮ２)接头结构设计:采用双顶结构(图１)ꎬ设计主、辅２个台肩ꎬ与常规锥螺纹接头相比ꎬ增加了台肩接触面积ꎬ改善了螺纹各牙应力分布ꎬ可提高接头承载能力和使用寿命ꎬ室内试验表明双顶接头静扭能力可提高４０％[１７]ꎮ此外ꎬ双台肩设计可提升接头密封效果ꎬ有效降低冲洗液输送过程中的水压、水量损失ꎬ从而保证携岩效果ꎮ图１　双顶结构Ｆｉｇ.１　Ｄｏｕｂｌｅｓｈｏｕｌｄｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　３)螺纹牙型优选:选用Ｈ９０螺纹牙型(图２ａ)ꎬ与常规ø８９ｍｍ外平钻杆Ｖ－０４０(图２ｂ)螺纹牙型相比牙底更宽ꎬ承载能力更高ꎮ为了改善Ｈ９０螺纹牙型在大于２０ｋＮ􀅰ｍ转矩作用时母接头的涨扣现象[８]ꎬ将公、母接头配合主台肩设计为７５°斜台肩(图２)ꎬ使母接头在径向受到公接头的约束ꎬ从而抑制母接头的涨扣趋势ꎮ改进后的接头在３６ｋＮ􀅰ｍ的静扭条件下ꎬ未发生公接头断裂和母接头涨扣现象ꎮ图２　钻杆螺纹牙型Ｆｉｇ.２　Ｄｒｉｌｌｔｈｒｅａｄｔｅｅｔｈ４)材料优选:接头材料选用优质低碳合金钢ꎬ并经调质处理ꎬ管体选用Ｇ１０５钢级ø８９ｍｍ×８ｍｍ无缝钢管ꎬ确保钻杆处理事故能力ꎮ根据以上要求设计出的ø８９ｍｍ高强高韧钻杆主要技术参数见表１ꎬ钻杆结构如图３所示ꎮ图３　ø８９ｍｍ高强高韧钻杆结构Ｆｉｇ.３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆø８９ｍｍｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓｄｒｉｌｌｒｏｄ２　钻杆加工关键技术ø８９ｍｍ高强高韧钻杆加工流程如图４所示ꎬ钻杆加工关键技术是接头热处理工艺及摩擦焊缝热处理工艺ꎮ２.１　接头热处理工艺ø８９ｍｍ高强高韧钻杆公母接头采用“高温淬７９１２０１８年第９期煤炭科学技术第４６卷火＋高温回火”的调质热处理ꎬ高温回火的目的主要是消除或减少淬火内应力ꎬ改善淬火组织ꎬ获得较为均匀的回火索氏体ꎬ防止接头变形或开裂ꎬ保证接头所需的强韧性[１８]ꎮ为了达到煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔用钻杆接头性能指标ꎬ进行了不同温度(６００、６３０和６６０℃)回火试验ꎬ测试相关力学性能ꎬ获得了最佳回火工艺ꎬ该回火工艺下钻杆接头力学性能指标见表２ꎮ２.２　摩擦焊缝热处理工艺钻杆摩擦焊接时焊缝热影响区存在的魏氏组织和带状组织ꎬ会产生很大的内应力ꎮ魏氏组织和晶粒粗大能显著降低钢的塑性和冲击韧性ꎻ带状组织使钢的机械性能出现各向异性ꎬ断面收缩率较低ꎬ尤其是横向冲击韧性很低[１８]ꎮ因此ꎬ必须对焊缝热影响区进行热处理ꎬ提高其综合机械性能ꎮ试验了中频热处理工艺和批量整体回火热处理工艺ꎬ结果表明２种热处理工艺均能满足煤矿井下钻杆性能要求ꎮ中频热处理工艺在焊缝均匀性、冲击韧性、组织晶粒度等方面优于整体回火工艺ꎬ但在塑性延伸强度、抗拉强度及效率等方面较整体回火热处理工艺低ꎮ综合考虑钻杆性能及生产效率ꎬ钻杆焊缝热处理选用批量整体回火热处理ꎮ图４　ø８９ｍｍ高强高韧钻杆加工流程Ｆｉｇ.４　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｌｏｗｏｆø８９ｍｍｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓｄｒｉｌｌｒｏｄ表２　ø８９ｍｍ高强高韧钻杆接头性能指标Ｔａｂｌｅ２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆø８９ｍｍｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓｄｒｉｌｌｒｏｄｊｏｉｎｔ项目屈服强度/ＭＰａ抗拉强度/ＭＰａ伸长率/％２５℃横向冲击功/Ｊø８９ｍｍ高强高韧钻杆１０４４１１３０２０.５１１５预期指标≥１０３５≥１１０５≥１２≥１１０３　钻杆静扭能力试验利用转矩试验机对ø８９ｍｍ超高强高韧钻杆进行承扭能力试验ꎬ如图５所示ꎬ转矩加载方式为２根钻杆公母接头手紧连接后ꎬ一端被转矩机固定轴夹紧固定ꎬ另一端通过转矩机主动轴旋转角度进行加载ꎬ加载速率设定为３.６(°)/ｍｉｎꎮ由于转矩试验机最大承扭能力为４０ｋＮ􀅰ｍꎬ考虑到人员及设备的安全ꎬ最大加载转矩设定为３６ｋＮ􀅰ｍꎮ图５　钻杆静扭能力试验Ｆｉｇ.５　Ｔｅｓｔｏｆｔｏｒｓｉｏｎｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ试验结果如图６所示ꎬ可以看出ꎬ钻杆承扭能力达到３６ｋＮ􀅰ｍ(未断裂)ꎬ较ø８９ｍｍ常规外平钻杆(２９ｋＮ􀅰ｍꎬ断裂)提高７ｋＮ􀅰ｍ以上ꎬ提升幅度超过２４％ꎮ此外ꎬ试验曲线显示当转矩加载低于３１ｋＮ􀅰ｍ时ꎬ公母接头转矩随时间基本呈线性关系ꎬ反映了在此区间加载ꎬ公母接头仍在弹性变形区间ꎬ卸开公母接头ꎬ螺纹基本完好ꎻ当转矩加载超过３１ｋＮ􀅰ｍ时ꎬ公母接头转矩随时间呈曲线变化ꎬ反映了公母接头开始进入塑性变形阶段ꎬ卸开公母接头ꎬ螺纹有不同程度的损坏ꎮ因此ꎬ建议该钻杆使用转矩不超过３１ｋＮ􀅰ｍꎮ图６　钻杆转矩加载曲线Ｆｉｇ.６　Ｔｏｒｑｕｅｌｏａｄｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆø８９ｍｍｄｒｉｌｌｒｏｄ４　钻杆工业性试验为检验ø８９ｍｍ超高强高韧钻杆的使用性能ꎬ２０１７年７月至９月在淮南矿业集团顾桥矿配套ＺＤＹ１