磨料射流導(dǎo)引鉆頭破碎硬巖方法及機(jī)理.pdf

1、穿層鉆孔抽采瓦斯是治理煤礦瓦斯災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)煤層氣綜合利用的重要手段，而我國(guó)尤其是西南地區(qū)煤層頂?shù)装鍘r層大部分為灰?guī)r等堅(jiān)硬巖石，在實(shí)施穿層鉆孔時(shí)，鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆進(jìn)極為困難，嚴(yán)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(jìn)效率是煤礦瓦斯治理面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。受鉆頭結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)方式的限制，現(xiàn)有穿層鉆孔方法鉆進(jìn)時(shí)，在孔底中心形成―凸臺(tái)，而該中心―凸臺(tái)正是導(dǎo)致鉆頭失效與鉆進(jìn)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(tái)，并形成―先導(dǎo)孔，然后鉆頭機(jī)械擴(kuò)孔的磨料射流導(dǎo)引鉆頭破碎硬巖新方法，以達(dá)到降低刀具磨損、提高鉆進(jìn)效率的目的。
　　本文主要開(kāi)展傳統(tǒng)全面鉆頭失效機(jī)理、磨料射流導(dǎo)引鉆頭破碎硬巖方法、磨料射流沖蝕損傷巖石機(jī)理及磨料射流導(dǎo)引鉆頭破碎硬巖機(jī)理與技術(shù)原理等方面的研究，取得的主要成果有：
　　①揭示了傳統(tǒng)全面鉆頭失效機(jī)理。實(shí)驗(yàn)研究與刀具受力分析表明傳統(tǒng)全面鉆進(jìn)會(huì)在孔底中心形成―凸臺(tái)，而刀刃對(duì)凸臺(tái)巖石的破碎為克服巖石

3、抗壓強(qiáng)度的擠壓破碎，大大增加了刀具受力，刃口因應(yīng)力與溫度高度集中而產(chǎn)生斷裂缺口，進(jìn)而惡化整個(gè)鉆頭的工作狀況導(dǎo)致失效。
　?、谔岢隽死媚チ仙淞鞒跋D凸臺(tái)形成―先導(dǎo)孔、鉆頭機(jī)械擴(kuò)孔的磨料射流導(dǎo)引鉆頭破碎硬巖新方法。建立了磨料射流導(dǎo)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(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備。
　?、劢沂玖四チ仙淞鳑_蝕損傷巖石機(jī)理。巖石在磨料粒子沖擊下形成由側(cè)向-擴(kuò)展裂紋與徑向-中間裂紋構(gòu)成的裂

4、紋系統(tǒng)，該裂紋系統(tǒng)的發(fā)育于巖石內(nèi)部形成由圓形截面與―V形剖面構(gòu)成的倒錐體孔洞，同時(shí)于孔洞周邊構(gòu)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(jìn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程之中。這種動(dòng)態(tài)損傷對(duì)后續(xù)機(jī)械破巖具有積極作用。
　?、芙沂玖四チ仙淞鲗?dǎo)引鉆頭破碎硬巖機(jī)理。利用磨料射流沖蝕巖石，消除―凸臺(tái)形成―先導(dǎo)孔，為后續(xù)機(jī)械擴(kuò)孔破巖提供自由面，變傳統(tǒng)鉆具對(duì)―凸臺(tái)的擠壓破碎為―先導(dǎo)孔導(dǎo)引下的拉伸破碎，同時(shí)射流的損傷巖石特性降低―先導(dǎo)孔周邊巖石

5、強(qiáng)度，顯著減小刀具受力，消除刃口應(yīng)力與溫度集中，達(dá)到降低刀具磨損、提高鉆進(jìn)效率的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同條件下，磨料射流導(dǎo)引鉆頭鉆進(jìn)硬巖的鉆進(jìn)速度較現(xiàn)有技術(shù)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。
　?、菅邪l(fā)出了磨料射流導(dǎo)引鉆頭穿硬巖層鉆進(jìn)工藝，即利用一套裝備，在一個(gè)鉆孔施工回次內(nèi)，傳統(tǒng)全面鉆進(jìn)軟巖與磨料射流導(dǎo)引鉆頭鉆進(jìn)硬巖交替進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)穿硬巖層高效鉆進(jìn)。建立了磨料射流沖孔速度、射流流量等關(guān)鍵工