新型硬质合金钻头及钻进硬岩实验研究

摘要

钻孔预抽瓦斯是防治煤矿瓦斯事故的主要措施之一。在穿层钻孔、石门揭煤钻孔时经常穿越坚硬岩石，钻头磨损严重、钻进困难，频繁的停机更换钻头浪费了大量时间，严重影响了钻进效率。因此，探寻一种经济高效的硬岩钻进方法及钻具对煤矿瓦斯灾害防治具有重要的意义。
　　本文在分析传统硬质合金钻头破硬岩失效机理上，提出了一种利用磨料水射流冲蚀出先导孔，预裂硬岩，然后钻头再钻进破岩的新型钻进方法，优化设计出一种新型硬质合金钻头。通过室内实验对比分析了传统硬质合金钻头、新型硬质合金钻头破岩效果。主要结论如下：
　　①揭示了硬岩钻进时传统硬质合金钻头失效机理。钻孔时孔底中心存在凸台，刀具破碎凸台要克服岩石抗压强度，刀具受力增加。凸台的存在使刀具内侧散热困难，刀具温度升高，强度下降，发生劈裂破坏而失效，降低了钻进速度。
　　②提出了一种新型硬岩钻进方法并设计出一种适用于硬岩钻进的新型硬质合金钻头，该钻头主要由喷嘴、前导钻头、三翼基体钻头三部分组成；磨料水射流在岩石上冲蚀出先导孔，消除凸台，然后前导钻头进一步钻进扩大先导孔，最后由三翼钻头最终成孔。分析表明，该新型硬质合金钻头改变了刀片受力状态，降低了刀具受力，提高硬岩钻进速度。
　　③利用fluent数值模拟软件对新型硬质合金钻头关键部件喷嘴进行了优化设计。磨料水射流冲蚀岩石性能受喷嘴结构影响，是决定新型硬质合金钻头钻进效率的关键因素。以射流速度为优选标准确定了最优的喷嘴结构为：出口直径d2=3mm，收敛角α=25°，长径比L1/d2=2.
　　④通过磨料水射流冲蚀硬岩实验，得到了喷嘴直径、泵压、磨料浓度对冲孔速度和冲孔直径的影响规律。三个影响参数对冲孔速度影响程度依次为：喷嘴直径>泵压>磨料浓度。综合考虑钻头钻进速度、冲孔直径、前导钻头刀片间距优化出适合煤矿现场应用的水力参数，泵压为20MPa，磨料浓度为7％。
　　⑤传统硬质合金钻头，改良型钻头，新型硬质合金钻头钻进硬岩对比实验表明，改良型钻头钻进速度是传统硬质合金钻头的1.57倍，但扭矩比传统硬质合金钻头增大了11.3%，且磨损严重；新型硬质合金钻头钻进速度是传统硬质合金钻头的3.72倍，扭矩比传统硬质合金钻头减小34.0%。结果表明，新型硬质合金钻头用于硬岩钻进速度比较高，且能有效降低钻头磨损。

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1 绪论

1.1 本文的研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容与研究方法

2 新型硬质合金钻头硬岩钻进过程力学分析

2.1 传统硬质合金钻头受力机理分析

2.2 新型钻进方法及其钻头工作原理

2.3 新型硬质合金钻头破岩力学分析

2.4 两种钻头破岩过程受力比较

2.5 本章小结

3 新型硬质合金钻头喷嘴设计

3.1 喷嘴类型选择

3.2 喷嘴设计的数值模拟实验

3.3 数值模拟结果分析

3.4 磨料水射流硬岩冲蚀实验

3.5 本章小结

4 新型硬质合金钻头钻进硬岩实验

4.1 实验装置

4.2 实验方案及实验步骤

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献