螺旋钻杆设计参数的计算方法与实验验证

《螺旋钻杆设计参数的计算方法与实验验证》由会员分享，可在线阅读，更多相关《螺旋钻杆设计参数的计算方法与实验验证（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、煤炭工程师 年第 期 的 问题探讨 螺旋钻杆设计参数的计算方法与实验验证 煤炭科学研究总院重庆 分院杜安平 摘 要 采用螺旋输送原理 推导出了计算螺旋钻杆排粉量的计算式 结合实 践 进一步推导和讨论 了适用 于在煤层中钻孔时 布孔俯角不大于 的钻 孔 其所用螺旋 钻杆的外径计算公式和与孔径相适应的 标准 外径 的计算方法 同时讨 论了螺旋 钻杆参数的计 算与确定 范围 关键词螺旋 钻杆参 数 计算方法 前言 螺旋钻杆为煤矿煤层钻孔中最常用的钻 具之一 但由于长期以来对螺旋 钻杆 以下 简称钻杆 设计参数研究 甚少 其结构不尽 合理 在使用过 程中常常不如人意 煤粉卡 钻 掉钻 杆的情况 时有发

2、生 往往因此而影 响钻 孔工程的效 率 甚至影 响到了钻机性能 的充 分发 挥 目前 国外如日本 法 国 德 国等国虽有 应用螺 旋钻杆钻孔的报导 但尚 未发现 有适 应我国煤层钻孔用螺旋 钻杆的设 计借鉴参数 国 内有人曾用理论的方法进行 过探讨 实际应用 时 无法满足工程要求 事实上 就螺旋钻杆设计参数的计算 现 仍 处在探讨之中 为此 有必要对螺旋钻杆参 数进行研究和讨论 螺旋钻杆排粉量 计算公式的推导 螺旋 输送的基本原 理 螺旋 输送的基本原理 是 利用旋 转的叶 片 将散料物质 推移式前进输送 散料自身 的重力 散料之 间的粘滞力 以及散料与叶 片和外壳之 间的摩擦力 阻止了它 随

3、螺旋 叶 片一起旋转 从而实现 散料在叶片推 动下挤 压式直线前进 煤层钻 孔用螺旋钻杆的排粉原理也是如 此 其外壳就是孔 壁 散料即煤粉 因此 在设计计算螺旋钻杆参数时 可借鉴有关螺 旋输送机的参数计算公式 螺旋输送机的参 数计算主要有 个公式 它们是 外径计算公式 一 叭 磊 螺旋转动的极 限转速 计算公式 于万 螺旋输送量计算公式 夕叻 上述计算公式中相关系数的确定 应按 标准查 照才能算出正确结果 由于公式是针 对标准螺旋输送机而提出的 且最小标准直 径在 以上 而煤矿用螺旋钻杆 多 数都在 以下 且工况与螺旋输送机差 别较大 条件也相对复杂 如果完全按上述 公式计算 势必带来较大的误

4、差 因此 应 根据螺旋输送的原理 结合煤层钻孔的实际 情况 导出相应的适合于煤层钻孔用的螺旋 钻杆参数计算公式 螺旋钻杆 排粉量计算公式的导出 假设钻 杆为单头螺旋叶片 外径为刀 中心杆外径为 螺距为 煤填 充率 为协 煤的密度物 钻杆 转速为 则 个 螺距 小 时的理论 输出量或钻进产粉量就应为 二公 一 钻杆每小时的实际排粉量还 受钻孔布置方式 煤炭工握师 年第 期 人 外 主要指倾斜角度 钻孔 弯 曲程度的大小等 因素的 影响 故有 二 一 沪梦 动 呀 式 中 螺旋钻杆实际排粉里 卜 螺旋钻 杆外径 螺 旋钻杆中心杆 直径 螺旋钻杆的螺距 物一一煤粉的密度 厂 砂 沪 钻杆叶 片间充填

5、率 钻杆转速 夕 钻孔倾斜 布置及 弯曲影 响 综 合系数 式 既为钻杆 排粉 量的基本计算公式 也 是螺 旋钻 杆基本参数的导 出式 如今 式中 等于钻进 时的部 份产扮 量 孔内有 残 留煤 粉 只要选取 合理 就能算出与之相适应的 钻杆 设计 计算参数 每小时的钻 进 产粉量 计算如下 厂二功 召 式中 钻 进时产粉 量 必 钻 孔孔 径 厂 钻 进速度 环 煤的松 散体积系数 群 咚 实际的充填率要比九大得多 偏 心越严重 钻 杆充填率也越高 用偏心 比口乘上钻孔充 填率 即为钻杆充填率 访一梢 一 一 少 犷必产 一 一 刃了 硬了 面二刁巧了初亏 螺旋 钻杆参数的确定 螺旋钻杆 充

6、填率与排粉 量 螺旋钻杆 充填率矽是钻孔 时 钻杆叶片 煤粉充填程度的体积反映 直接 计算钻杆 叶 片间的充填率比较困难 但可通过实验测定 或利 用钻孔充填率而间接求出 现介绍钻杆 充填率的间接计算方法如下 设钻 孔充填 率为 以钻杆螺旋 为 一 长度单位 由孔壁与中心杆 之 间 形 成 的一 个钻孔空 间 其 充填煤 粉体积与该空间的体 积 之比 即为叻 每转的钻孔空间体积为武护 一 少 故有钻 孔 充填率 由 式 可知 钻杆充填率叻随必 厂 增大而增加 随 刀增大 而减小 实验中发现 对于 钻孔俯角不大于 的煤层钻孔 叻宜取在 至 之间 一般 取在 左右 这样选定的结果 通常成孔率 高 事

7、故少 钻机工作时排粉省力 其排粉 量都能接近产粉量的 转速 与排粉量 由上面讨论可知 转速 应在钻进速度较 高或钻大孔时 才能 适当增加 以利于 降 低充填率 稳定 或提高其单位时间内的排粉 量 否则转速增高 非但不能提高 排粉率 还会因降低了充填率 将煤粉抛 出了叶片之 外 最后形成堵孔的局面 为此 转速 必须首先满足煤粉被钻杆螺 旋带动而旋转时所产生的离心力应小于其自 身的重力与煤粉间相互粘滞力之和 其计算 按 式进行 由实践得知 在煤层钻孔 中 因受推进速度的影响 式中 的取值 宜选 在 至 之间 当煤层较软 或钻进速度较 高时 由于粉煤增多 粉之间粘滞力较大 应取高限 反之 宜取低限

8、一般情况 下 取 就可 但按上式求出的 还 应该按 式进行充 填率验算 经 平衡后 的转速 才是设计所 需 转速 螺距 螺距 过大 充填率要下降 螺距过小 煤粉受挤压程度加大 粉易结团而 不易排 出 螺距增大到一定值后 如继续增加 叶 片上升角度加 大 推移煤粉的力由偏向孔 口 煤炭工程师 仑 年第 期 人 方向逐渐偏向于垂直孔口方向 向孔方向的 分力减小 粉也不易排出 经过实践 钻孔倾角不超过一 时 螺 距 可等于钻杆外径 某些情况 下 取 但煤层特别软 且瓦斯压力较大时 可取 钻杆中心杆 由公式 和 知 中心杆径 增大时 叻要增加 要减小 但中心杆径又不能太小 它的首要任务 是完成推进力及

9、旋转扭矩的传递 在其刚度 和 强度要求得到满足时 才可考虑减小中心 杆直径而提高排粉量 实践表明 由于 钻孔空间和刚度及强度 的限制 取 刀比较合理 当孔径 大时 取 当孔径较小时 取 对于煤层钻孔而言 一般取 就能满足要求 钻杆外径 由于螺距 转速 中心杆径 都与钻杆 外径成一定比例关系 因此 外径确定后 钻杆排粉能力也基本确定 故在设 计钻杆时 既应着眼于提高排粉能力 防止钻杆偏心排 不出粉 又必须注意间隙不宜太小 以免垮孔 时堵塞钻孔 据此 要求 并参照实际钻孔时测 得的排粉率 与 刀 刀 之间的关系 井 由此得钻杆外径 二 了 护 式中 为钻进时产粉量 按 式刘时了 计算 为修正系数

10、取值见表 表 钻 孔倾斜角度及弯曲影晌 的修 正 系数 取 值表 倾角 范围 一 一 一 一 一 右 一 但按 计算时 由于 随厂的 变化也要 改变 因此 要注意钻进速度犷的变化不能 太大 否则要消除钻进速度的影响 须寻求 别的方法才能进行计算 然而 在孔径必 钻 杆外径刀一定时 虽然 钻进速度 的变化会 使产粉量 发生改变 但 由于充填率也按同 一 比例随犷增减 故排粉 量 的变化趋势及比 例也应 一致 所以 无论厂怎样改变 排粉 率 不变 为此 按前所述 并结合充填 率计算式 分别代入 式和 式 令其相 等后 有 犷二价 拼 刀 犷功 产口 大尸 丈 花 去 鲤 功 由此得 标准 外径计算

11、式为 诱了 一 按该式算出刀后 求出相应 的 并代入叻计算式验算 如 与设定值差异较大 应对 作调 整 以满足充填率的要求 针对上 述推导和计算 排粉量计算式可改写为 沪护 今 卜自 附图螺距 中心杆直径及排粉率 的相互关系 一排粉率与姗距 的关 系 一排粉率 与中心杆 的关系 如 图 令其 二 亿刀 代入 5 式 有 4 应 用计算与实验验证 按公式 9 计算的钻杆的标准 外径及其 它参数和排粉率列于表2 煤炭 工程师 1995年第6期 C O A LE N G IN E E RNo 61995 表2钻杆参 数计数 表 溅 Q Q 0 功 m 犷 I n mi n 刀 m m m r m i

12、n Q t h Q t h Q Q 误差 0 0880 0520 0882020 275 1 031 37980 0 0780 0460 0782 1 40 1950 540 69 7 780 一3 498 0 1 2 注 表中为水平钻孔时的钻杆设计参 数 口 孰 i 5 护 1 t m 充 填串功计算后未进行词整 转速仍为极 限 转速 A 6 0 由表 2可知 计算所得排粉 率都在7 7 以上 表 明了如按 该计算参数设 计钻 杆是能 满足 要求的 表 1中的充填率偏低 实际设计 时 应调整转速 尤其是功 90的钻 孔 应 调整 到幼 二 0 2 5左右为宜 此外 以目前使 用较好 其外径D

13、 二0 0 7 m 中心杆 直径d 二 O O 4 2 m 螺距S 二 0 0 7 m 的钻 杆为例 通 过 1 0 式 算 出 钻杆 水 平钻孔时的排粉率 并与实际情况比较 列 于 表3 由表3可 知 计算 直与实际情况比较吻 合 最大 误差 在n 以 一 一般在6 左 右 而实际测 定时 由于系 取粉称重 而粉中有 潮湿水份 一般比实际值偏高5 以上 另外 表 3还显示 钻杆外径与孔径 匹 配越好 排粉率越高 同一孔径 的钻孔 无 论推进速度 转速怎样变化 排粉率都相同 由此证 明 公式 10 推导的基础是 正确的 需要 指出灼是 表3中 诱二 o o 7 5m 的 钻孔排粉率是在正常情况

14、下测得的 实际钻 孔 时 由于钻杆外径 一 与孔径基本接近 该类 钻 孔故障 率较 高 成孔率较其它钻 孔低5 0 左右 因此应 注忘 排扮率高 钻孔效果未 必很好 表3钻 孔排粉率计算与实测 值比较表 价 0 1 2m 价 0 09m 必二 0 075 m 犷 n mi 刀 r m in Q Q Q Q Q Q Q Q 叻劝 Q Q Q Q Q Q Q Q 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 1 8 4 二 2 3 4 0 424830 286 J 3 从 2 3e 4 80700 3 1 88 30 2 14 O 4 788 07 0 35 827 3 0 3f8 3 0 23 9 0

15、 39吕 8070 0 2 97 3 8 30 1 98 注 丧中空格系未曾测定 Q 产 系实测排粉量 实测排粉率为Q O 未扣除 水 份影响 下 转第 3 9页 煤谈工程师 1995年第6期C O A LE N O IN E E RNo 6 1 995 了1 5 2 说 明老火点复燃 趋近于 明 火的边缘 3 火区停止置气后 至7月 8 日火区内 C O浦义重新逐 渐升 高 见图5 进一步说 明 了火区内的老火点趋近明火的边缘 4 如果启封 瓦斯爆 炸的危 险性极 大 附表 附表南五40 9火区瓦斯裸 炸 系数表 时 间一级爆炸危险系数D 二级爆炸危险系数D 危险程度 6月26日10时 6月

16、26日12时 6月26日20时 6月26日2 2时 6 月2了日0 2时 6月27日0 6时 一4 10 一7 0 2 一l 85 一 4 一 49 一4 一 11 一2 一 35 一l 一 10 一 1 2 9 一3 89 一2 97 一6 23 一4 2 9 非常危险 非常危险 非常危险 非常危险 非常危险 非 常 危险 0 写 拼拼拼 而而 炸炸炸区 区 巡巡巡巡 C H 图6 沼气 一空气混合气 体爆炸界线国 从表中可知 通过第一 级判别 计算出 刀 值均小于零 火区内是具有爆炸 危 险的 又据第二级判别D Z 值均小于 零 其结果也 是 危险的 刀1与D Z的交点进 入了瓦斯爆炸三 角形 见 图 6 说 明该火区确实存在爆炸的 危险 若再继续加 大风量 火区内的气休状 态必然 由层流变 成紊流 若 有 隐火 存在 其 后果是不堪 设想的 为此 研究决定该火区 不能启封 并在 6月2 7 日停止火区置气后 为进一步提高火区的气密性 再次 喷涂堵漏 包括进 回风两侧闭外砌闭 同时 先后经 过4次调压将火区调成了均 压 历时两个月 后 火区内气体成分全部达标 到8月2 7 日 安全