煤礦用錨桿鉆頭的應用現(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，煤礦巷道掘進和支護的工程量很大，巷道支護鉆孔施工需要消耗大量錨桿鉆頭，錨桿鉆頭的設計和制造技術也得到了快速發(fā)展。介紹了錨桿鉆頭的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，對我國煤礦現(xiàn)用的錨桿鉆頭的技術特點、適用性進行了分析，并結合煤礦巷道支護的實際需求，提出了施工硬巖和復雜地層時錨桿鉆頭存在的問題，最后從錨桿鉆頭設計、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尺約為 1.5×10的7次方年，煤巖和半煤巖巷道總進尺約占84%。巷道支護是直接影響礦山安全、產量和效益的關鍵技術。錨桿（錨索）支護是煤礦巷道支護中應用最廣泛的技術之一。國有重點煤礦煤巷錨桿支護率達到85%以上?？梢哉f，巷道的開挖量和支護量取決于司鉆             工作量巨大，相應的錨頭消耗量也非常大在介紹錨桿鉆頭的發(fā)展和應用現(xiàn)狀的基礎上，結合煤礦巷道支護的實際需要，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)展與應用現(xiàn)狀，我國對錨桿支護技術的研究始于20世紀60年代，當時的錨桿鉆機和錨桿鉆頭主要是進口的，受進口設備價格高和國產設備處于研發(fā)階段的影響，錨桿支護技術推廣緩慢。直到20世紀90年代，隨著錨桿鉆機技術的不斷成熟和煤礦開采強度的提高，錨桿支護技術在煤礦井下巷道支護中得到了廣泛應用它得到了大力推廣。
   早期，錨桿支護鉆孔施工中使用的錨桿鉆頭主要是硬質合金鉆頭，其結構如圖1所示。這種鉆頭的切削齒是由碳化鎢制成的。受硬質合金性能的影響，該鉆頭僅適用于軟中硬地層鉆進，耐磨性差，保徑能力差，鉆頭使用壽命短。然而，由于其結構簡單、制造成本低，在煤層（軟弱地層）錨桿鉆孔施工中仍被廣泛應用。 隨著我國超硬材料技術的發(fā)展，２０世紀７０年代末國內掀起了聚晶金剛石復合片（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
ＤｉａｍｏｎｄＣｏｍｐａｃｔ，以下簡稱：ＰＤＣ）制造和應用技術20世紀80年代初，PDC復合材料被用于石油和地質鉆頭的設計。起初，PDC主要是進口的，許多國內制造商也與美國和日本企業(yè)合作生產PDC。PDC不僅具有金剛石高耐磨性的特點，還具有硬質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、技術含量高、價格高。20世紀90年代，美國、英國等發(fā)達國家開始在硬件上使用PDC鑿巖用錨鉆頭的制造[7]             并取得了良好的應用效果。隨著我國PDC制造技術的發(fā)展和進口錨桿鉆機及配套鉆具在我國的應用，我國錨固技術的發(fā)展速度加快。中煤科工集團西安研究院有限責任公司（原煤炭研究總院西安分院）借鑒了國內PDC制造地質和石油鉆頭的成功經驗，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             ，其結構如圖2所示，并制定了“金剛石復合錨桿鉆頭”行業(yè)標準，填補了國內PDC錨桿鉆頭研究的空白。目前，國內煤礦巷道支護中常用的PDC錨桿鉆頭主要是雙翼結構。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)接應用廣泛，鉆頭直徑大多為27～32mm。PDC錨桿鉆頭在中硬巖層鉆進中具有鉆進效率高、使用壽命長的優(yōu)點，在巷道支護鉆進施工中起著主導作用。             近年來，隨著進口巷道掘進和錨固設備在我國的普及進口錨定鉆頭也在中國推廣。
進口錨頭無

從使用效果和材料性能來看，它比國產鉆頭有明顯的優(yōu)勢，當然價格也相對昂貴。進口設備自動化程度高。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（風鉆式），如圖4所示。此外，進口鉆桿和鉆頭的規(guī)格比目前國內規(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，而國內錨定鉆頭的直徑相對較小

目前大多為27~32mm

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.圖4插入式錨定鉆頭

錨桿鉆頭作為鉆井和錨固設備的配套工具，受國內鉆井和錨固的制約

由于受設備整體技術發(fā)展的影響，其技術進步緩慢或對其發(fā)展重視不夠。我國對錨固技術的研究主要集中在錨桿、錨固劑、錨桿鉆機和錨桿檢測儀器和技術方面。
   目前，國內市場上使用的錨定鉆頭采用早期開發(fā)的制造工藝、結構形式和連接方式。與國外發(fā)達國家相比，我國牙輪鉆頭技術創(chuàng)新明顯不足。

     2.錨定鉆頭存在問題分析

經過多年對錨桿鉆頭加工技術和應用方法的不懈研究，我國在技術和施工領域也取得了一定的進展。然而，與歐美主要產煤國相比，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、支護技術的發(fā)展和支護工程量的提高，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). 煤巷錨桿支護孔施工一般選用硬質合金鉆頭或PDC鉆頭進行旋挖，可滿足要求；當煤層頂板堅硬或煤層含有大量煤矸石時，硬質合金鉆頭一般難以適應，PDC鉆頭也難以保證鉆進效率；對于以沖擊鉆進為主的直齒、十字齒或球齒硬質合金鉆頭（見圖5），遇到此類地層時，鉆進效率一般較低。要解決硬巖鉆進效率低的問題，不僅要考慮鉆頭結構，還要從設備、工藝、材料等方面綜合考慮和制定解決方案。

圖5沖擊鉆進用硬質合金鉆頭.
    2.2#復雜地層中鉆頭使用壽命短

隨著礦山開采深度的增加，工程地質條件越來越復雜，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雜地層。遇到軟硬互層時，經常出現(xiàn)塌邊、掉屑、護徑失效等現(xiàn)象（見圖6），導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成本。為解決鉆頭壽命問題，應結合成孔工藝方法，從材料優(yōu)化、結構優(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，中國錨桿支護孔的總進尺為數(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?，F(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。當鉆孔過程中扭矩過大時，連接套筒和鉆頭無法分離，導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