磨料射流導引鉆頭破碎硬巖方法及機理.pdf

1、穿層鉆孔抽采瓦斯是治理煤礦瓦斯災害、實現煤層氣綜合利用的重要手段，而我國尤其是西南地區(qū)煤層頂底板巖層大部分為灰?guī)r等堅硬巖石，在實施穿層鉆孔時，鉆頭磨損嚴重，鉆進極為困難，嚴重制約著煤礦瓦斯治理的效率，因此，如何提高穿層鉆孔的鉆進效率是煤礦瓦斯治理面臨的關鍵技術難題之一。受鉆頭結構與鉆進方式的限制，現有穿層鉆孔方法鉆進時，在孔底中心形成―凸臺，而該中心―凸臺正是導致鉆頭失效與鉆進困難的主要因素。為此，本文提出沿鉆頭軸線布置磨料噴嘴，利用磨

2、料射流超前消除中心―凸臺，并形成―先導孔，然后鉆頭機械擴孔的磨料射流導引鉆頭破碎硬巖新方法，以達到降低刀具磨損、提高鉆進效率的目的。
　　本文主要開展傳統(tǒng)全面鉆頭失效機理、磨料射流導引鉆頭破碎硬巖方法、磨料射流沖蝕損傷巖石機理及磨料射流導引鉆頭破碎硬巖機理與技術原理等方面的研究，取得的主要成果有：
　?、俳沂玖藗鹘y(tǒng)全面鉆頭失效機理。實驗研究與刀具受力分析表明傳統(tǒng)全面鉆進會在孔底中心形成―凸臺，而刀刃對凸臺巖石的破碎為克服巖石

3、抗壓強度的擠壓破碎，大大增加了刀具受力，刃口因應力與溫度高度集中而產生斷裂缺口，進而惡化整個鉆頭的工作狀況導致失效。
　?、谔岢隽死媚チ仙淞鞒跋D凸臺形成―先導孔、鉆頭機械擴孔的磨料射流導引鉆頭破碎硬巖新方法。建立了磨料射流導引鉆頭破碎硬巖系統(tǒng)，研發(fā)出了磨料射流鉆頭、磨料射流發(fā)生裝置、巖石鉆進實驗測試系統(tǒng)等關鍵設備。
　?、劢沂玖四チ仙淞鳑_蝕損傷巖石機理。巖石在磨料粒子沖擊下形成由側向-擴展裂紋與徑向-中間裂紋構成的裂

4、紋系統(tǒng)，該裂紋系統(tǒng)的發(fā)育于巖石內部形成由圓形截面與―V形剖面構成的倒錐體孔洞，同時于孔洞周邊構造出一定范圍的損傷區(qū)，促使磨料射流破巖始終處于―沖蝕—損傷交替進行的動態(tài)過程之中。這種動態(tài)損傷對后續(xù)機械破巖具有積極作用。
　?、芙沂玖四チ仙淞鲗б@頭破碎硬巖機理。利用磨料射流沖蝕巖石，消除―凸臺形成―先導孔，為后續(xù)機械擴孔破巖提供自由面，變傳統(tǒng)鉆具對―凸臺的擠壓破碎為―先導孔導引下的拉伸破碎，同時射流的損傷巖石特性降低―先導孔周邊巖石

5、強度，顯著減小刀具受力，消除刃口應力與溫度集中，達到降低刀具磨損、提高鉆進效率的目的。實驗結果表明：在相同條件下，磨料射流導引鉆頭鉆進硬巖的鉆進速度較現有技術提高了約63％，推力與扭矩分別降低了約15%與20%，鉆頭磨損明顯減弱。
　　⑤研發(fā)出了磨料射流導引鉆頭穿硬巖層鉆進工藝，即利用一套裝備，在一個鉆孔施工回次內，傳統(tǒng)全面鉆進軟巖與磨料射流導引鉆頭鉆進硬巖交替進行，以實現穿硬巖層高效鉆進。建立了磨料射流沖孔速度、射流流量等關鍵工