基于DEFORM的煤矿用地质钻杆端部挤压锻造模具的优化设计

为了增加煤矿用地质钻杆与钻头联接处的强度,通常会采用钻杆端部挤压锻造工艺对钻杆管端进行加厚处理,而煤矿用地质钻杆端部挤压锻造模具的结构尺寸是影响加厚成形工艺的关键因素。采用DEFORM软件仿真分析不同结构尺寸下的模具对钻杆管端挤压锻造过程中的应力应变分布规律和载荷分布规律的影响,以此为模具结构尺寸的优化提供依据。     

筛孔螺旋钻杆专用钻头设计及结构优化

筛孔螺旋钻杆对于松软突出煤层钻进具有较好的护孔效果,但因其特殊的内、外双排渣通道结构,普通的钻头破落煤体后煤渣无法在钻头处进入筛孔螺旋钻杆内排渣通道。为此,对钻头结构进行改进,设计了一种筛孔螺旋钻杆专用钻头。分析了钻头结构以及工作原理,优化了钻头柄部排渣槽结构,提高了钻头强度。钻头与筛孔螺旋钻杆联接后,排渣槽直接与钻杆内排渣通道连通,钻头破落的煤体一部分直接进入钻杆内排渣通道,提高了排渣效率。     

J-150潜孔合金齿钻头打捞器

J-150钻头打捞器(附图)上部联接钻杆螺纹,下部接J-150钻头花键,花键中部装有6个联接压缩弹簧的柱销。当需要打捞时,将打捞器装在主钻杆上,钻杆降入孔内,一旦打捞器碰到钻头时,即将钻杆向下压100～150毫米,然后开强风吹尽钻头周围碎石,再将钻杆正转或逆转数次,即能使钻头进入打捞器,钻头进入打     

钻机式采煤机工作机构关键部位设计研究

钻机式采煤机的工作机构是整机中的核心部件,是实现长距离割煤、输煤于一体的关键,也是整机设计中的难点。钻机式采煤机的长距离采煤主要通过不断添接钻杆实现,因此在换接钻杆过程中,如何高效的实现钻杆换接是提高采煤效率的关键,同时工作机构割煤通过钻头截割煤岩实现,因此,研究钻杆的幻速联接装置和优化钻头,提高截割效率至关重要。本文在分析了原有结构在使用过程中存在的问题和不足,并在此基础上提出合理的方案和设计。     

ZDY3000LG高转速钻机螺旋钻杆的研究与应用

通过对煤矿井下高转速螺旋钻进工艺进行分析,结合ZDY3000LG型钻机参数,设计了ф110/63.5 mm高转速钻进工艺用螺旋钻杆,包括螺距、螺旋头数等参数及联接结构。现场工业试验中,使用设计钻杆钻进最深钻孔深度达330 m,创国内螺旋钻进孔深最高记录,表明螺旋钻杆结构设计合理,强度可靠,能满足高转速螺旋钻进工艺的使用要求。     

组装工艺对铝合金钻杆性能的影响及自动化组装装置研制

为了满足日益增长的深部钻探对钻杆的性能要求,需要研制可以适应极端工况的轻质高强度钻杆。铝合金钻杆具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点,但耐磨性和螺纹强度不足。在实际使用过程中,铝合金钻杆需配合钢接头一起使用,主要由钢接头承受拧卸力。目前国内外的铝合金钻杆组装技术主要有预扭矩法、热组装技术和冷组装技术。热组装技术在实际应用中表现出更适合深孔钻井铝合金钻杆的特性,但组装过程中的高温会降低铝合金杆体螺纹部位的强度。本文对铝合金钻杆杆体与钢接头热组装过程中的实际温度进行了测量试验,试验结果表明外冷却可以避免铝合金钻杆杆体螺纹部位较长时间处于较高温度,而内冷却可以使螺纹部位的最高温度降低25℃左右。对螺纹连接部位做轴向拉伸有限元分析,通过公式拟合得出螺纹根部最大应力与轴向拉力之间的关系,公式计算表明热组装过程中存在的高温会使铝合金钻杆最大轴向拉力下降约65 kN。由试验与模拟结果可见内外冷却机构对于热组装装置的重要性,作者结合前期工作,介绍一套全尺寸铝合金钻杆杆体和钢接头自动化过盈热组装装置的研制。     

瓦斯抽放钻杆联接螺纹设计与有限元分析

结合瓦斯抽放钻杆的受力特点和其联接螺纹处的典型受力方式,建立了联接螺纹在扭矩、轴向拉力(起拔力)作用下的力学模型,分析了各牙螺纹的受力特点和变形特点。在此基础上设计了新型瓦斯抽放钻杆的联接螺纹参数,并用有限元法验证了设计的可行性,为进一步改进螺纹设计、提高瓦斯抽放钻杆强度提供了理论参考。     

基于数字钻孔的钻头磨损与随钻参数关系研究

通过随钻参数反演岩石力学参数是数字钻孔技术的核心问题，PDC钻头是数字钻孔技术中破岩的主要结构。为了分析PDC钻头磨损程度对随钻参数的影响，基于煤矿液压锚杆钻机建立了数字钻进系统。利用该系统进行了钻头不同磨损程度下的数字钻进试验，同时结合有限元软件对钻进过程进行模拟，研究了PDC钻头磨损条件下随钻参数的变化规律。研究结果表明：钻进过程中各随钻参数之间的相关性与岩石强度变化规律显著；随钻参数对钻头磨损程度响应明显，在相同动力以及岩石强度条件下，钻进速度随着钻头磨损程度的增大而减小，钻杆扭矩随磨损程度增加而增大。试验结果与数值计算结果变化规律一致，证明了钻头不同磨损程度对于数字钻孔技术确定岩石性质具有重要影响。该研究为PDC钻头在数字钻孔中合理调整钻进参数以及反演岩石力学参数提供了参考。     

外丝钻杆丝扣部位的折断与丝扣的结构改革

钻杆的折断会给钻探施工带来严重的影响。如果地层复杂，危害更大。因此，如何减少和消灭钻杆在孔内的折断是钻探生产中的重要课题。钻杆在钻孔的断裂情况按断裂位置分为两种：一种是属于中部断裂，一种为头部丝扣部位的断裂。钻杆丝扣部位的断裂，当热镦粗的工艺正常，其断裂的原因主要是原丝扣部位的结构不合理所造成。但是原丝扣结构有那些不足？如何改革？装配检验技术条件要达到什么样的要求？如果这些问题不搞清楚，就会造成加工上的困难，实际使用中不易收到理想的效果，为此，本文作一些分析和介绍。     

螺旋槽定向钻杆螺纹强度分析

针对螺旋槽定向钻杆的螺纹联接处在使用过程中容易出现的强度失效问题,结合钻杆的受力特点,对其螺纹强度展开研究,建立了钻杆螺纹的三维模型,应用有限元法分析了钻杆分别在受扭矩、拉力、压力工况下,螺纹的应力分布规律。依据分析结果,提出了钻杆在工作条件下的薄弱位置。研究结果表明:在不同工况下,螺纹应力分布特点各不相同。螺纹的首尾两端是强度失效更可能发生的位置。     

空气冲击钻在大口径采动井施工技术研究

针对煤层气地面大口径采动井施工中遇含水、局部塌孔地层发生井壁失稳、井内岩屑返排不净及接钻杆时井底岩粉倒灌堵塞钻头的问题。开展并形成了以改进钻具组合为核心,改变加接钻杆方式等工艺的配合。结合现场实践,成功解决了钻遇强富含水层钻头堵塞、岩屑上返的难题,在提速方面取得了良好的效果,钻井周期明显缩短,经济效益明显提高。     

钻杆螺纹失效分析及改进措施

介绍了钻杆接头螺纹的失效类型,采用弹性有限元方法建立了钻杆联接螺纹分析模型;讨论了钻杆断裂的具体失效原因,针对钻杆断裂的原因,在结构上提出了增加应力减荷槽和切削公扣大端第1牙高度的改进方案。     

基于扭矩的安全钻进控制

扭矩是钻进过程中的一个重要参数,扭矩太小时破岩效率低而影响机械钻速,扭矩太大又可能会引发钻具事故,因此需要针对不同的钻具组合,探讨井口处钻柱及钻头扭矩计算方法。本文针对提供扭矩的顶驱或者电动钻机,阐述了钻柱井口扭矩值的计算。根据底部钻具组合中是否带螺杆钻具,提出了钻头处扭矩的计算方法。研究结果得出,在电机电压和负载电阻一定的条件下,井口钻柱的扭矩随其转速变化,一旦转速确定,则扭矩就确定。如果底部钻具组合中不带螺杆,则整个钻柱的扭矩值从井口到钻头向下逐渐递减;如果底部钻具组合中带有螺杆,则钻头扭矩就是此压力降下螺杆的输出扭矩值。螺杆的输出扭矩值与其负载压力降大小成正比,钻井液排量一定的情况下,一旦螺杆的负载压力降确定,其输出扭矩值确定。只要井口与钻头处扭矩差值不超过整个钻柱任意一处的抗扭强度,钻柱就不会发生因扭矩导致的事故。研究结果表明,本文提出的方法为科学选择顶驱或转盘转速及电机功率,合理匹配钻头和螺杆钻具等方面提供了理论指导。     

煤矿井下瓦斯抽采钻孔机器人钻臂运动学研究

通过分析煤矿井下瓦斯抽采钻孔机器人钻臂机构动作过程和结构原理,建立了钻臂关节坐标系,得到了连杆D-H参数,根据建立的钻孔机器人钻臂正向运动学模型,求得钻孔机器人钻臂基坐标系与钻杆末端坐标之间位姿变换矩阵、钻臂关节变量与末端位姿关系式;运用非线性映射能力强的RBF神经网络算法,实现了钻臂运动学逆解的快速和高精度求解。采用蒙特卡洛法对钻臂工作空间求解,得到了末端集合点在钻臂工作空间的散点图,验证钻臂设计工作空间可行性。该研究可为钻孔机器人钻臂的精确定位、运动学分析、轨迹规划奠定基础。     

掘进机机载钻孔机械手多体动力学分析

为研究机械手在钻孔工作过程中的动力学响应情况,建立机械手的刚柔耦合动力学数学方程,再以有限元法和多体动力学软件为基础,建立机载钻孔机械手的刚柔耦合动力学模型。以钻头工作过程中的随机工作阻力为载荷,研究伸缩臂的大刚度小变形与钻杆的小刚度大变形对机械手的动态性能的影响。通过对比仿真结果可知,钻杆、伸缩臂的柔性变形对钻头的运动精度影响很大,但其对钻头的速度、加速度影响相对较弱。研究结果表明,利用刚柔耦合模型,能够有效模拟机械手在钻孔过程中的动力学响应过程,为机械手的智能控制研究提供依据。     

潜孔钻机接卸杆方式分析

潜孔钻机在钻孔过程中随着钻杆持续推进,需要频繁地进行接杆和卸杆作业,传统的接杆和卸杆步骤都是人工分别控制推进和回转手柄来完成上述过程的,操作过程复杂,劳动量大。随着PLC控制技术的发展,采取比例接卸杆的方式(即通过电气和液压技术的结合)理想地完成了上述过程。相比而言,采取比例接卸杆,自动化程度高,减少了操作人员的劳动强度,值得推广。     

底喷采煤钻头的使用效果

阐述了要提高底喷采煤钻头的使用效果，必须掌握正确使用金刚石钻头的方法，遵循其使用规则，并指出了使用中应注意的几个问题。     

套管钻进技术在煤矿复杂地层中的应用探讨

我国的地质条件和煤层特征差异大,复杂地层中构造煤发育,瓦斯含量高,地应力大,煤层破碎松软,易发生塑性流变。采用套管钻进技术替代传统的常规钻杆进行钻孔瓦斯抽采,可提高工作效率,防止卡钻、塌孔等事故的发生,提高瓦斯抽采的效率,并可以不起钻取出钻头等孔底钻具组合下筛管,解决在井下复杂地层中钻孔瓦斯抽采的难题。介绍了套管强度及孔底组合钻具结构,探讨了套管钻进技术在煤矿复杂地层中的应用前景。     

Preliminary estimation of rock mass strength using diamond bit drilling operational parameters

In many mining engineering applications such as prospecting, development, production and grouting, diamond bit drilling is widely used due to high penetration rate, core recovery and its ability to drill with less deviation. It has been well known that the operational parameters of diamond bit drilling are closely related with rock mass strength properties. One of the most widely discussed subjects in drilling is the possibility of using diamond drill bit operational parameters for preliminary estimation of rock mass strength and deformability properties used in many mining engineering design projects. Once such rock properties are estimated, it will be possible to make tactical planning decisions as mining progresses. In this study two different techniques, multiple regression and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) were used to develop the models for preliminary estimation of rock mass strength. The variables used in the models are widely known and recorded operational parameters of diamond bit drilling such as bit load, bit rotation and penetration rate. To develop the models, a database covering the rock properties and the machine operational parameters collected from seven different drill holes in Turkey was constructed. Results indicate that both regression and ANFIS-based models can successfully be used to predict the rock mass strength. Adaptive neuro-fuzzy inference model exhibits better performance according to statistical performance indicators. By means of the developed models it is possible to estimate the strength of rock mass during drilling operation, especially in weak and highly fractured rock masses. The estimated strength parameters can be related to further mining engineering applications such as the assessment of excavatability, blast design and even mine design studies.     

深部科学钻探钻杆接头优化措施

地球深部探测对提高我国勘探开发深部资源能力和深部地质研究水平及地位是不可或缺的,深部科学钻探是唯一准确地获取深地实物资料的工程方法。钻杆柱作为深部科学钻探技术的核心与关键,其管柱规格组合与钻杆接头选配决定着钻杆在平衡其自重后的剩余强度和应付孔内复杂情况的能力,尤其是作为连接各钻杆柱短节的钻杆接头的性能直接决定着钻杆柱的使用极限深度。本文从产品类型、结构特点等方面对国内外高性能石油钻杆接头进行了梳理,分析了现有钻杆接头存在的不足与失效的原因,提出了钻杆接头结构改进方案,对提高钻杆柱的可靠性与安全性,延长钻杆使用寿命,使其更好地应用于深部科学钻探,具有一定的科学意义与工程价值。