锚杆钻头回转钻进力学特性 -全讯官网

  锚杆钻头具有耐磨性好及硬度高的优点,较常规硬质合金锚杆钻头的钻进能力更强,在强度较低的煤系中钻速高、磨损慢,提升了钻孔的效率,已广泛应用于煤矿井下巷道锚固、注浆及爆破等各类工程钻孔施工中。煤矿巷道锚固钻孔一般采用回转钻进方式,可看作是一个断续切削的过程。为实现煤矿巷道锚固钻孔施工的快速精准,钻头回转钻进的力学特性分析一直是钻探工程的基础与热点问题之一。国内外许多学者在钻进切削破岩的分析及预测方面取得了显著进展,m. yahiaoui等[4-5]利用试验装置分析了切齿切削力和pdc的磨损特性,包括剪切力和切齿与岩石之间的冲击与摩擦力。r. rahmani等[6]建立了高围压条件下的单齿切削力分析模型,对比页岩切削的试验数据,分析预测了岩石剪切强度和高围压作用下的摩擦力。

　　以大理石为研究对象,应用连续介质力学和离散元建模方法对小直径回转钻进切削力进行了研究。国内学者多采用数值仿真软件对钻头钻进过程进行了仿真模拟,获得了钻头的阻力载荷及破岩特征等的分析数据。综上所述,近年的研究成果一般采用力学模型建立、数值仿真分析以及试验结果验证的综合研究手段,这些研究针对不同条件下建立的理论模型和试验结果有力支撑了pdc钻头回转钻进切削理论的进一步发展。

　　但是针对煤系条件下pdc锚杆钻头的破岩特点研究还有所欠缺,难以满足锚固孔快速精准钻进的需求。锚固孔钻进破岩是一个周期性机械动力和与煤岩材料接触摩擦同时存在的复杂力学问题,pdc钻头在钻进弹脆性或弹塑性的煤系岩层时,与塑性岩石材质连续切削特点不同,主要以脆性破碎载荷下的崩碎和回转切削为主。煤矿井下巷道处于沉积地层中,锚固钻孔工程量浩大,通过对其回转钻进力学特性的进一步研究,揭示回转钻进过程的力学机理,可在改善锚固孔的钻进效率、提高钻头寿命以及钻进力学预测等方面产生实际应用价值。

  1 pdc锚杆钻头力学模型

  1.1力学模型的建立pdc锚杆钻头切削齿的结构形式对其力学特性起决定性的作用,其几何形状的变化使钻削过程中沿着切削齿每点的切削几何参数和切削力的变化更为复杂。本研究选用目前常用的两翼型pdc锚杆钻头作为研究对象,假定钻头切削齿是刚性的,基于含煤地层的考虑,孔底岩石选定为弹脆性体,并忽略孔壁与钻头的作用。回转钻进时,pdc锚杆钻头的受力状况主要包括以下。

   2方面,钻杆将扭矩与钻压传递到钻头的pdc切削齿上,通过pdc切削齿对岩层产生切削作用,而岩层也会对pdc切削齿产生对应反作用。pdc切削齿的受力状态如图1所示。设pdc锚杆钻头在轴向力fa和切向力ft作用下垂直压入弹脆性岩石体内,压入深度为d,pdc切削齿轴向与岩石接触表面之间的夹角为θ，由于pdc锚杆钻头直接与岩石的接触面是pdc切削齿前端面和部分圆柱面的组合,为简化计算,可将孔底岩石提供的反作用力分解为两部分,一部分可看作是作用在pdc切削齿圆柱面的压力fn1和对应的滑动摩擦阻力ff1,另一部分看作是作用在pdc切削齿前端面的压力fn2和对应的滑动摩擦阻力ff2。