锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆

锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆

谷志强、白伟杰、张亮

冀凯河北机电科技有限公司，河北石家庄 050000

摘 要：目前煤矿在松软煤层进行瓦斯抽放孔钻孔时，现有螺旋钻杆无法满足作业需求，综合分析各种螺旋钻杆的优缺点，取之长处，研制出了锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆。经在厂内及工业性试验表明：此锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆性能可靠，能快速实现螺纹连接、正反转功能、快速排渣，是一款具有创新性的新式锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆。

关键词：松软煤层；锥螺纹连接；双顶结构；正反转；螺旋钻杆；

前 言

瓦斯预抽是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本性措施，瓦斯钻孔预抽作为瓦斯抽放的基本手段，在煤矿瓦斯防治中得到了广泛地应用，但在松软煤层中，由于煤质松软，瓦斯含量高，容易出现喷孔、塌孔、抱钻、卡钻等异常现象，钻孔施工非常困难。松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工一直是困扰我国坑道钻探技术发展的难题，通常采用具有自排渣功能的螺旋钻杆进行钻孔施工［1］。

一、螺旋钻杆现状及问题

目前螺旋钻杆的连接方式主要有两种连接方式：

1）锥螺纹连接方式——锥螺纹连接式螺旋钻杆（详见图1），是在地质钻杆外圆缠绕带钢而成，靠锥螺纹实现连接，由于相邻钻杆之间通过螺纹连接，因此能够保持各节钻杆之间轴心的一致性，笔直度较好，钻孔时螺旋钻杆不易跑偏。锥螺纹连接式螺旋钻杆由于密封性好，可以在内管内通入高压水或高压风，钻头旋转钻进时形成旋转高压水射流，不但能辅助钻头破碎岩层，还能辅助螺旋叶片输出煤屑，所以锥螺纹连接式螺旋钻杆相对于插销式排屑效率高，钻进速度快，在松软煤层瓦斯预抽螺旋钻孔中被广泛采用，易与配套钻车实现自动智能化。

但是由于其在钻孔塌孔抱钻或卡钻时，由于锥螺纹的连接性质所致不能反转，反转时易松脱，从而易导致钻杆丢失，只能靠钻机拉力拉出，但很多情况下由于卡钻严重或抱钻过紧导致钻杆及钻头抽不出，只能丢弃在煤层或岩石中，不仅大大降低了瓦斯预抽效率，延误煤炭开采，而且由于成批的钻杆与钻头被丢弃，造成严重的经济损失。

2）方接头插销连接方式［2］——方接头插销连接方式螺旋钻杆（详见图2），是在地质钻杆外圆缠绕带钢而成，靠外四方（六方）、内四方（六方）插接，然后用销轴固定，防止脱开。方接头插销连接式螺旋钻杆借由方平面配合传扭，插销传递拉力，实现螺旋钻杆正反转和起拔功能。采用方接头插销式连接方式连接而成的螺旋钻杆，其可以反转，因此可以轻松地拔出螺旋钻杆，近年来，很多矿井使用插销连接式螺旋钻杆进行松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工，在很大程度上提高了松软突出煤层瓦斯抽采钻孔的成孔率和成孔深度。

但是，这种螺旋钻杆由于在接头处采用的是外四方接头与内四方孔之间的连接，因此接头处间隙较大，使得钻杆与钻杆之间具有一定的摆动角度，从而影响其同心性，钻孔时螺旋钻杆容易跑偏。其次采用的插销连接式螺旋钻杆接头承扭配合面为直棱柱配合，单个螺栓或弹性 U 型连接销连接。由于煤矿井下钻杆使用条件差，受力复杂，直棱柱配合面一旦夹入杂质，很难插拔配合；单销连接可靠性较差，且不能实现钻杆密封功能，无法满足风压钻进对钻杆的需求；弹性 U 型连接销仅依靠销腿之间的弹性张力与接头固定连接，使用时易脱落，造成钻杆脱连，且弹性 U 型连接销露出母接头部位较多，对排屑通道阻碍较大，影响螺旋钻杆排粉，从而制约了螺旋钻杆的推广使用。

随着煤矿智能化设备发展，越来越趋向于智能化、无人化，这种方接头插销连接方式螺旋钻杆，需要在续接钻杆时要求方方对正，这就需要高精度的钻机来实现，由于受钻杆连接方式、固定方式及工作环境的限制，这种钻杆很难实现智能化、无人化，从而制约了煤矿设备智能化、无人化。

综上所述，为了解决松软煤层中，钻孔施工非常困难难题，急需研发创新一款锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆。

二、锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆整体结构

锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆，由钻杆体1、滑动牙嵌2、圆柱销3、滑轴4、弹簧5组成（见图1）。

钻杆体1由公螺纹接头1-1、无缝管1-2、窄螺旋叶片1-3、宽螺旋叶片1-4、母螺纹牙嵌（固定牙嵌）1-5组成，公螺纹接头1-1、母螺纹牙嵌1-5分别与无缝管1-2由摩擦焊焊接而成，保证整体焊接强度；窄螺旋叶片1-3、宽螺旋叶片1-4分别缠绕焊接在无缝管1-2、母螺纹牙嵌（固定牙嵌）1-5。窄螺旋叶片1-3、宽螺旋叶片1-4将钻头切削下的煤排出孔外。其中母螺纹牙嵌（固定牙嵌）1-5的牙嵌为棘轮形式，利于拧扣和反转；公螺纹接头1-1圆柱面存在多个长键槽，用于滑键2-2的导向及传递扭矩；宽螺旋叶片1-4加宽利用钻车夹持器夹持。

滑动牙嵌2由滑动牙嵌体2-1、滑键2-2、宽螺旋叶片组成2-3，宽螺旋叶片2-3缠绕焊接在滑动牙嵌体2-1上，滑键2-2安装在滑动牙嵌体2-1上，并焊接在一起，其中滑动牙嵌体2-1的牙嵌为棘轮形式，利于拧扣和反转。

为了降低螺旋钻杆锥螺纹过早失效［3］，采用双顶式结构，能大大提高了钻杆接头的抗扭强度和疲劳强度，降低了螺纹粘扣、母螺纹接头胀大和公螺纹接头断裂等风险。

图1

三、原理及动作说明

在续接钻杆时，钻车夹持器将螺旋钻杆2滑动牙嵌2缩回，然后，钻机回转器正转并向前推进，使两个螺旋钻杆1和螺旋钻杆2的螺纹扣拧紧，然后，夹持器松开，滑轴4在弹簧5的作用下带动圆柱销3向前移动，再由圆柱销3带动滑动牙嵌2向前移动，使牙嵌伸出和前一根螺旋钻杆进行牙嵌啮合，进入锁死状态（见图2）

图2

在正常钻进时，钻车回转器带动螺旋钻杆回转，并推进，由于螺纹扣已经拧死，此时，滑动牙嵌2和母螺纹牙嵌虽然啮合，但是不受力，和普通地质钻杆一样钻进，螺旋钻杆由于是右旋，在旋转及螺旋叶片的作用下将煤粉排出孔外，滑动牙嵌由于受煤粉的反作用力，一直处于锁死状态，防止滑动牙嵌失效。

当遇到塌孔抱钻卡钻现象时，钻车回转器反转，回转器将反扭矩传至钻杆体1，钻杆体1通过滑键将反扭矩传至滑动牙嵌2，此时滑动牙嵌2和母螺纹牙嵌处于啮合状态，由于啮合面为直面，牙嵌无法脱开，进而将反扭矩传至前一根螺旋钻杆，依次类推，就将钻车的反转扭矩传到每根螺旋钻杆和钻头，从而实现了真正意义上的反转功能。

当拆卸钻杆时，钻车夹持器将螺旋钻杆2滑动牙嵌2缩回，然后，钻车打反转，将螺纹扣拧开，此时，滑动牙嵌2，处于锁死缩回状态，待下次续接钻杆时伸出。

四、结束语

经过在厂内多次试验验证没有问题，然后发至煤矿进行工业性试验，经过3个月的试验，充分表明此款锥螺纹连接式正反转螺旋钻杆极大满足矿方需求，得到矿方一致好评，较现有螺旋钻杆有以下特点：

1、锥螺纹连接形式，可以快速续接、拆卸钻杆，利于实现钻车智能化、无人化；

2、牙嵌形式反转功能可靠；

3、减少浪费，节约成本；

4、保证钻孔质量，提高工程进度。

参考文献：

[1] 马沈岐，汪芸．煤矿瓦斯地质钻探用钻杆工作机理探讨［J］． 探矿工程（岩石钻掘工程），2008，9: 11 －15．

[2] 桑鹏，王斌，郭益辉．插接式螺旋钻杆结构及制造工艺的改进［J］． 煤矿机电，2011，3: 79 －81．

[3] 王玉吉，王建华，李庆彬．地质钻探外丝钻杆的失效形式分析［J］． 探矿工程（岩石钻掘工程），2012，39: 34 －36．

作者简介：谷志强（1984-），男，河北石家庄人，本科，工程师，目前在冀凯河北机电科技有限公司从事支护机具研究与开发，