磨料射流導(dǎo)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(zāi)害、實現(xiàn)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?shù)装鍘r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(guān)鍵技術(shù)難題之一。受鉆頭結(jié)構(gòu)與鉆進方式的限制，現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)孔，然后鉆頭機械擴孔的磨料射流導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)引鉆頭破碎硬巖機理與技術(shù)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(yīng)力與溫度高度集中而產(chǎn)生斷裂缺口，進而惡化整個鉆頭的工作狀況導(dǎo)致失效。
　?、谔岢隽死媚チ仙淞鞒跋D凸臺形成―先導(dǎo)孔、鉆頭機械擴孔的磨料射流導(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、巖石鉆進實驗測試系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備。
　?、劢沂玖四チ仙淞鳑_蝕損傷巖石機理。巖石在磨料粒子沖擊下形成由側(cè)向-擴展裂紋與徑向-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。
　　④揭示了磨料射流導(dǎo)引鉆頭破碎硬巖機理。利用磨料射流沖蝕巖石，消除―凸臺形成―先導(dǎo)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(dǎo)孔導(dǎo)引下的拉伸破碎，同時射流的損傷巖石特性降低―先導(dǎo)孔周邊巖石

5、強度，顯著減小刀具受力，消除刃口應(yīng)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(jié)果表明：在相同條件下，磨料射流導(dǎo)引鉆頭鉆進硬巖的鉆進速度較現(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工藝，即利用一套裝備，在一個鉆孔施工回次內(nèi)，傳統(tǒng)全面鉆進軟巖與磨料射流導(dǎo)引鉆頭鉆進硬巖交替進行，以實現(xiàn)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(guān)鍵工