煤礦用錨桿鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

       我國是采煤大國，大多數(shù)煤礦以井工開采為主，煤礦巷道掘進(jìn)和支護(hù)的工程量很大，巷道支護(hù)鉆孔施工需要消耗大量錨桿鉆頭，錨桿鉆頭的設(shè)計和制造技術(shù)也得到了快速發(fā)展。介紹了錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對我國煤礦現(xiàn)用的錨桿鉆頭的技術(shù)特點、適用性進(jìn)行了分析，并結(jié)合煤礦巷道支護(hù)的實際需求，提出了施工硬巖和復(fù)雜地層時錨桿鉆頭存在的問題，最后從錨桿鉆頭設(shè)計、加工工藝等方面，闡述了錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢。

      中國是一個煤炭開采大國。大多數(shù)煤礦以地下開采為主，需要在地下開挖大型隧道。根據(jù)煤炭行業(yè)協(xié)會2012年的統(tǒng)計，中國煤巷的平均總進(jìn)尺約為 1.5×10的7次方年，煤巖和半煤巖巷道總進(jìn)尺約占84%。巷道支護(hù)是直接影響礦山安全、產(chǎn)量和效益的關(guān)鍵技術(shù)。錨桿（錨索）支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。國有重點煤礦煤巷錨桿支護(hù)率達(dá)到85%以上?？梢哉f，巷道的開挖量和支護(hù)量取決于司鉆             工作量巨大，相應(yīng)的錨頭消耗量也非常大在介紹錨桿鉆頭的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦巷道支護(hù)的實際需要，提出了錨桿鉆頭存在的問題，闡述了錨桿鉆頭的發(fā)展趨勢。

      1. 我國礦用錨桿鉆頭的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，我國對錨桿支護(hù)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時的錨桿鉆機(jī)和錨桿鉆頭主要是進(jìn)口的，受進(jìn)口設(shè)備價格高和國產(chǎn)設(shè)備處于研發(fā)階段的影響，錨桿支護(hù)技術(shù)推廣緩慢。直到20世紀(jì)90年代，隨著錨桿鉆機(jī)技術(shù)的不斷成熟和煤礦開采強度的提高，錨桿支護(hù)技術(shù)在煤礦井下巷道支護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用它得到了大力推廣。
   早期，錨桿支護(hù)鉆孔施工中使用的錨桿鉆頭主要是硬質(zhì)合金鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種鉆頭的切削齒是由碳化鎢制成的。受硬質(zhì)合金性能的影響，該鉆頭僅適用于軟中硬地層鉆進(jìn)，耐磨性差，保徑能力差，鉆頭使用壽命短。然而，由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，在煤層（軟弱地層）錨桿鉆孔施工中仍被廣泛應(yīng)用。 隨著我國超硬材料技術(shù)的發(fā)展，２０世紀(jì)７０年代末國內(nèi)掀起了聚晶金剛石復(fù)合片（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
ＤｉａｍｏｎｄＣｏｍｐａｃｔ，以下簡稱：ＰＤＣ）制造和應(yīng)用技術(shù)20世紀(jì)80年代初，PDC復(fù)合材料被用于石油和地質(zhì)鉆頭的設(shè)計。起初，PDC主要是進(jìn)口的，許多國內(nèi)制造商也與美國和日本企業(yè)合作生產(chǎn)PDC。PDC不僅具有金剛石高耐磨性的特點，還具有硬質(zhì)合金高沖擊韌性的優(yōu)點。PDC鉆頭在軟、中硬巖石中使用壽命長、效率高。PDC最初主要用于石油鉆頭，因為其加工難度大、技術(shù)含量高、價格高。20世紀(jì)90年代，美國、英國等發(fā)達(dá)國家開始在硬件上使用PDC鑿巖用錨鉆頭的制造[7]             并取得了良好的應(yīng)用效果。隨著我國PDC制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)口錨桿鉆機(jī)及配套鉆具在我國的應(yīng)用，我國錨固技術(shù)的發(fā)展速度加快。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限責(zé)任公司（原煤炭研究總院西安分院）借鑒了國內(nèi)PDC制造地質(zhì)和石油鉆頭的成功經(jīng)驗，率先在中國取得了成功             雙翼PDC錨定鉆頭[9-11]已在我國研制成功             ，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，并制定了“金剛石復(fù)合錨桿鉆頭”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填補了國內(nèi)PDC錨桿鉆頭研究的空白。目前，國內(nèi)煤礦巷道支護(hù)中常用的PDC錨桿鉆頭主要是雙翼結(jié)構(gòu)。根據(jù)PDC齒的不同形狀，主要分為三種類型：整體式、薄片式和半片式（見圖3）。螺紋聯(lián)接應(yīng)用廣泛，鉆頭直徑大多為27～32mm。PDC錨桿鉆頭在中硬巖層鉆進(jìn)中具有鉆進(jìn)效率高、使用壽命長的優(yōu)點，在巷道支護(hù)鉆進(jìn)施工中起著主導(dǎo)作用。             近年來，隨著進(jìn)口巷道掘進(jìn)和錨固設(shè)備在我國的普及進(jìn)口錨定鉆頭也在中國推廣。
進(jìn)口錨頭無

從使用效果和材料性能來看，它比國產(chǎn)鉆頭有明顯的優(yōu)勢，當(dāng)然價格也相對昂貴。進(jìn)口設(shè)備自動化程度高。由于錨定鉆頭的更換頻率大于大型鉆頭，因此快速裝卸是提高整體施工效率的要求。為了便于裝卸，進(jìn)口錨桿鉆頭大多采用插入式連接

主要公式[12-15]

，根據(jù)插入式接頭的不同類型，有外方（陽接頭）插入式和內(nèi)六角（陰接頭）插入式。根據(jù)鉆井工藝的不同，可分為濕式（水鉆式）和干式（風(fēng)鉆式），如圖4所示。此外，進(jìn)口鉆桿和鉆頭的規(guī)格比目前國內(nèi)規(guī)格大1~2級。例如，美國六角空心鉆桿的最大直徑為25mm，而國內(nèi)六角鉆桿的最大直徑一般為19或22mm；美國錨定鉆頭的直徑大多為32~44mm，而國內(nèi)錨定鉆頭的直徑相對較小

目前大多為27~32mm

［１６－２０］

.圖4插入式錨定鉆頭

錨桿鉆頭作為鉆井和錨固設(shè)備的配套工具，受國內(nèi)鉆井和錨固的制約

由于受設(shè)備整體技術(shù)發(fā)展的影響，其技術(shù)進(jìn)步緩慢或?qū)ζ浒l(fā)展重視不夠。我國對錨固技術(shù)的研究主要集中在錨桿、錨固劑、錨桿鉆機(jī)和錨桿檢測儀器和技術(shù)方面。
   目前，國內(nèi)市場上使用的錨定鉆頭采用早期開發(fā)的制造工藝、結(jié)構(gòu)形式和連接方式。與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國牙輪鉆頭技術(shù)創(chuàng)新明顯不足。

     2.錨定鉆頭存在問題分析

經(jīng)過多年對錨桿鉆頭加工技術(shù)和應(yīng)用方法的不懈研究，我國在技術(shù)和施工領(lǐng)域也取得了一定的進(jìn)展。然而，與歐美主要產(chǎn)煤國相比，錨定鉆頭的制造和使用仍存在一些問題。特別是近年來，隨著開采深度的增加、支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和支護(hù)工程量的提高，現(xiàn)有錨桿鉆頭在使用過程中暴露出許多亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
    2.1#硬巖鉆探效率低

煤系地層一般為軟-中-硬（f系數(shù)≤ 8). 煤巷錨桿支護(hù)孔施工一般選用硬質(zhì)合金鉆頭或PDC鉆頭進(jìn)行旋挖，可滿足要求；當(dāng)煤層頂板堅硬或煤層含有大量煤矸石時，硬質(zhì)合金鉆頭一般難以適應(yīng)，PDC鉆頭也難以保證鉆進(jìn)效率；對于以沖擊鉆進(jìn)為主的直齒、十字齒或球齒硬質(zhì)合金鉆頭（見圖5），遇到此類地層時，鉆進(jìn)效率一般較低。要解決硬巖鉆進(jìn)效率低的問題，不僅要考慮鉆頭結(jié)構(gòu)，還要從設(shè)備、工藝、材料等方面綜合考慮和制定解決方案。

圖5沖擊鉆進(jìn)用硬質(zhì)合金鉆頭.
    2.2#復(fù)雜地層中鉆頭使用壽命短

隨著礦山開采深度的增加，工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，對鉆頭的耐磨性、抗沖擊性和效率提出了更高的要求。目前，PDC錨桿鉆頭主要用于復(fù)雜地層。遇到軟硬互層時，經(jīng)常出現(xiàn)塌邊、掉屑、護(hù)徑失效等現(xiàn)象（見圖6），導(dǎo)致鉆頭使用壽命不能滿足深孔鉆探的需要。尤其是深錨索孔（單孔深度>8m）施工時，遇到堅硬、斷裂或裂縫時

在鉆探新地層時，一個鉆頭往往無法完成一個完整孔的施工，這不僅影響成孔效率，而且增加了勞動強度和支護(hù)成本。為解決鉆頭壽命問題，應(yīng)結(jié)合成孔工藝方法，從材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造工藝等方面綜合提高鉆頭性能。
    2.3. 錨頭拆裝不方便

煤巷支護(hù)錨桿安裝密度大，間距一般為0.6~0.8m，錨桿孔深一般為2~3M。因此，據(jù)估計，中國錨桿支護(hù)孔的總進(jìn)尺為數(shù)億米。在這樣一個龐大的工程中，需要更換1000多萬個錨定鉆頭。現(xiàn)有的錨桿鉆頭和錨桿主要以螺紋形式連接。由于鉆頭直徑小，施工鉆機(jī)容量大，鉆頭在使用過程中遇到的阻力越大，螺紋連接強度越大。當(dāng)需要更換鉆頭時，通常手動加載和卸載鉆頭。螺紋的旋擰和卸載非常困難，增加了工人的勞動強度，影響了錨孔的施工效率。其次，目前煤礦行業(yè)中，錨桿與鉆桿的連接需要連接套筒的連接過渡。當(dāng)鉆孔過程中扭矩過大時，連接套筒和鉆頭無法分離，導(dǎo)致鉆頭和連接套筒的更換，這實際上造成了連接套筒的浪費，增加了施工成本。解決了鉆頭裝卸不方便的問題，由于裝卸過程中的諸多不便和工人的誤操作，原完好鉆頭在更換過程中經(jīng)常損壞。由此可見，這種螺紋連接方式不僅難以裝卸鉆頭，而且容易損壞鉆頭b