錨桿鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進力學(xué)特性

  錨桿鉆頭具有耐磨性好及硬度高的優(yōu)點,較常規(guī)硬質(zhì)合金錨桿鉆頭的鉆進能力更強,在強度較低的煤系中鉆速高、磨損慢,提升了鉆孔的效率,已廣泛應(yīng)用于煤礦井下巷道錨固、注漿及爆破等各類工程鉆孔施工中。煤礦巷道錨固鉆孔一般采用回轉(zhuǎn)鉆進方式,可看作是一個斷續(xù)切削的過程。為實現(xiàn)煤礦巷道錨固鉆孔施工的快速精準,鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進的力學(xué)特性分析一直是鉆探工程的基礎(chǔ)與熱點問題之一。國內(nèi)外許多學(xué)者在鉆進切削破巖的分析及預(yù)測方面取得了顯著進展,M. YAHIAOUI等[4-5]利用試驗裝置分析了切齒切削力和PDC的磨損特性,包括剪切力和切齒與巖石之間的沖擊與摩擦力。R. RAHMANI等[6]建立了高圍壓條件下的單齒切削力分析模型,對比頁巖切削的試驗數(shù)據(jù),分析預(yù)測了巖石剪切強度和高圍壓作用下的摩擦力。

　　以大理石為研究對象,應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和離散元建模方法對小直徑回轉(zhuǎn)鉆進切削力進行了研究。國內(nèi)學(xué)者多采用數(shù)值仿真軟件對鉆頭鉆進過程進行了仿真模擬,獲得了鉆頭的阻力載荷及破巖特征等的分析數(shù)據(jù)。綜上所述,近年的研究成果一般采用力學(xué)模型建立、數(shù)值仿真分析以及試驗結(jié)果驗證的綜合研究手段,這些研究針對不同條件下建立的理論模型和試驗結(jié)果有力支撐了PDC鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進切削理論的進一步發(fā)展。

　　但是針對煤系條件下PDC錨桿鉆頭的破巖特點研究還有所欠缺,難以滿足錨固孔快速精準鉆進的需求。錨固孔鉆進破巖是一個周期性機械動力和與煤巖材料接觸摩擦同時存在的復(fù)雜力學(xué)問題,PDC鉆頭在鉆進彈脆性或彈塑性的煤系巖層時,與塑性巖石材質(zhì)連續(xù)切削特點不同,主要以脆性破碎載荷下的崩碎和回轉(zhuǎn)切削為主。煤礦井下巷道處于沉積地層中,錨固鉆孔工程量浩大,通過對其回轉(zhuǎn)鉆進力學(xué)特性的進一步研究,揭示回轉(zhuǎn)鉆進過程的力學(xué)機理,可在改善錨固孔的鉆進效率、提高鉆頭壽命以及鉆進力學(xué)預(yù)測等方面產(chǎn)生實際應(yīng)用價值。

  1 PDC錨桿鉆頭力學(xué)模型

  1.1力學(xué)模型的建立PDC錨桿鉆頭切削齒的結(jié)構(gòu)形式對其力學(xué)特性起決定性的作用,其幾何形狀的變化使鉆削過程中沿著切削齒每點的切削幾何參數(shù)和切削力的變化更為復(fù)雜。本研究選用目前常用的兩翼型PDC錨桿鉆頭作為研究對象,假定鉆頭切削齒是剛性的,基于含煤地層的考慮,孔底巖石選定為彈脆性體,并忽略孔壁與鉆頭的作用?；剞D(zhuǎn)鉆進時,PDC錨桿鉆頭的受力狀況主要包括以下。

   2方面,鉆桿將扭矩與鉆壓傳遞到鉆頭的PDC切削齒上,通過PDC切削齒對巖層產(chǎn)生切削作用,而巖層也會對PDC切削齒產(chǎn)生對應(yīng)反作用。PDC切削齒的受力狀態(tài)如圖1所示。設(shè)PDC錨桿鉆頭在軸向力Fa和切向力Ft作用下垂直壓入彈脆性巖石體內(nèi),壓入深度為d,PDC切削齒軸向與巖石接觸表面之間的夾角為θ，由于PDC錨桿鉆頭直接與巖石的接觸面是PDC切削齒前端面和部分圓柱面的組合,為簡化計算,可將孔底巖石提供的反作用力分解為兩部分,一部分可看作是作用在PDC切削齒圓柱面的壓力FN1和對應(yīng)的滑動摩擦阻力Ff1,另一部分看作是作用在PDC切削齒前端面的壓力FN2和對應(yīng)的滑動摩擦阻力Ff2。