0 引 言

煤矿井下随钻测量定向钻进技术具有钻进效率高、轨迹可控、可施工分支等诸多优点，井下定向长钻孔已成为煤矿瓦斯高效抽采的重要技术途径[1-4]。随着井下定向钻进工艺及配套装备的发展完善，已成功推广应用于井下水害防治和隐蔽致灾地质异常体探查等领域[5-8]。井下高位瓦斯抽采定向长钻孔、顶板水探放定向钻孔、地质异常体探查定向钻孔主要在岩层中延伸[7-12]，当钻遇硬度较大的灰岩、砂岩层时，尚存在钻进效率低、施工周期长等问题，一定程度上限制了定向钻进技术的进一步推于应用，制约了井下定向长钻孔技术优势的发挥。

总之，柳树因其外在形象和对生存环境的适应能力，引发了人们的联想，成为坚韧、友谊、离愁、相思、女性等多元意象的集合，成为中华儿女普遍情感的寄托，并经过千百年的积淀，文化意蕴愈加丰富。

2011年，中煤科工集团西安研究院申请的专利“一种煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔的钻具及其施工方法”[13]，采用单弯螺杆马达与潜孔锤2种不同孔底动力钻具组合、钻进工艺分段、交替施工，充分发挥单弯螺杆马达的可定向特性和潜孔锤钻进岩石地层的高效性。但也存在需要频繁更换钻具的缺点：当实钻轨迹倾角或方位角偏离设计值超过4°时则停止钻进,提钻更换钻具组合，下入单弯螺杆马达钻具组合,实施滑动定向钻进工艺纠正实钻轨迹的延伸方向，实钻轨迹回归正常后更换钻具组合，再次下入潜孔锤钻具组合继续实施冲击回转钻进工艺，根据需要重复更换钻具组合的操作。

因此，根据上述专利的思路，针对煤矿井下顶底板硬岩高效钻进需求，将螺杆马达钻具与潜孔锤钻具组合起来形成复合钻具，同时发挥单弯螺杆钻具的轨迹可控性和潜孔锤钻进的高效性，不需要频繁起下钻操作，进一步提高了钻进效率。

1 单弯螺杆马达与液动潜孔锤复合钻具的组成及原理

单弯螺杆马达与液动潜孔锤复合钻具连接方式如图1所示。

  

1—专用钻头；2—液动潜孔锤；3—接头；4—单弯螺杆马达；5—减振短节；6—下无磁；7—测量探管；8—上无磁；9—通缆钻杆；10—通缆水便；11—孔口监视器；12—泥浆泵图1 单弯螺杆马达与液动锤复合钻具连接示意Fig.1 Connection diagram of composite drilling tool ofsingle-bending screw motor and hydraulic DTH hammer

其主要组成包括：专用钻头、液动潜孔锤、接头、单弯螺杆马达、减振短节、下无磁、测量探管、上无磁、通缆钻杆、通缆水便。复合钻具是将随钻测量设备、单弯螺杆马达、液动潜孔锤结合在一起，充分发挥这3种工具的功能，以单弯螺杆马达和随钻测量探管实现轨迹可调、可控的定向钻进；充分发挥液动潜孔锤高效碎岩功能，最终实现在煤矿井下顶底板硬岩层中的高效定向钻进。

2 关键技术

2.1 螺杆马达与液动潜孔锤组合形式

队长听我这么一说，咧嘴就笑，说我是一位唯物主义者，很实在嘛，并且告诉我在不耽误工作的情况下是可以看书学习的，这一点学校非常支持。

原则上以上型号外径尺寸一致的钻具都可以组合，但是液动潜孔锤要求的转速都比较低，为20～60 r/min，而螺杆马达是为PDC钻头设计，转数大多在100 r/min以上，为解决转数匹配问题，定制低转数的专用螺杆马达。

2.2 液动潜孔锤及螺杆马达选型

1)液动潜孔锤选型。螺杆马达与液动潜孔锤选型应以煤矿井下常用钻孔孔径为依据，煤矿井下常规钻孔直径范围大多为65～153 mm，液动潜孔锤选型也在这个范围内选取。中国地质科学院勘探技术研究所生产YZX系列液动潜孔锤是目前市场上比较成熟的产品，性能稳定，可以用于煤矿井下的型号相关参数见表1。

 

表1 YZX系列液动潜孔锤

 

Table 1 YZX series DTH hammer

  

型号参数YZX54YZX73YZX89YZX98YZX127锤体外径/mmø54ø73ø89ø98ø127钻孔直径/mmø56^65ø75^85ø91^105ø112^120ø136^158单次冲击功/J10^5015^7020^9080^120120^250冲击频率/Hz25^4520^4520^4020^407^15工作泵量/(L·min-1)60^9090^150120^190250^320350^550工作泵压/MPa0.5^2.00.8^3.01.0^3.01.5^4.02.0^5.0总长/mm8631 0001 0001 6001 950总质量/kg12253572120

2)螺杆马达选型。相同直径的螺杆马达与液动潜孔锤相比，排量会相对大一些，要使两者的排量尽量一致，在范围上有所重叠的型号，一般尽量选择头数较少的型号，现将天津立林机械集团产品样本中符合要求的型号见表2。

脑胶质瘤是最常见的脑部肿瘤。根据2016年WHO标准[1]，胶质瘤被分为低级别胶质瘤(WHO Ⅰ和Ⅱ)和高级别胶质瘤(WHO Ⅲ和Ⅳ)。约90%脑胶质母细胞瘤患者无低级别胶质瘤病史被诊断为原发性胶母WHO Ⅳ级[2]。当前除了手术治疗、放射治疗、化疗外无其他公认的治疗方法[3-4]，虽然手术治疗、放射治疗、化疗的治疗方法取得了一些进展[5]，但胶质瘤整体预后并不乐观，尤其是胶母细胞瘤，中位生存期只有14个月[6]。因此研究影响胶质瘤侵袭迁移等功能的分子机制有重要意义。

螺杆马达与液动潜孔锤连接后，螺杆马达弯点以下的长度增加1 000 mm，如果还使用常用的1.25°单弯螺杆马达，则在定向时，由于钻头径向偏移较大，角度难以调节，为此采用可调弯外壳螺杆马达代替目前常用的弯角1.25°的单弯螺杆马达，根据实际情况可以将弯角调整为0.62°或者0.93°。以1 000 mm长的液动潜孔锤为例，1.25°单弯螺杆马达前端长度为700 mm，钻头径向偏移量为15.3 mm；将可调弯外壳螺杆马达弯角调节为0.62°，然后将1 000 mm长液动潜孔锤连接在螺杆马达前端，弯点以下长度达到1 700 mm，钻头径向偏移量为18.4 mm，与1.25°单弯螺杆马达相当。

1.4 血脂及脂肪因子检测 分娩1周前，采集两组孕妇晨起空腹静脉血，测量血脂因子包括空腹血糖(FPG)、总胆固醇(TC)、三酰甘油(TG)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)，低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)。脂肪因子的检测指标包括血清视黄醇结合蛋白-4(RBP-4)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、脂联素(APN)和内脂素(VF)。

 

表2 拟选用的螺杆马达

 

Table 2 Screw motor to be selected

  

型号5LZ54×3.5L-3-3604LZ73×7.0L-3-4804LZ89×7.0L-5-5604LZ95×7.0L-5-6004LZ127×7.0L-5-725外径尺寸/mmø54ø73ø89ø98ø127钻孔直径/mmø60^89ø95^121ø107^121ø118^149ø149^200螺旋线头数5∶64∶54∶54∶54∶5级数33555工作排量/(L·min-1)106^240113^303190^570270^720495^990工作压降/MPa2.42.44.04.04.0输出转矩/(N·m)13046072611901780转速/(r·min-1)282^638154^410140^420129^340150^300总长/mm1 7203 2104 0804 9506 560总质量/kg2278110160520

定制的螺杆马达排量小于液动潜孔锤排量，则应使用中空转子螺杆马达，中空转子中心通孔喷嘴直径按照下式计算[17]：

2.3 螺杆马达与液动锤流量匹配

流量匹配问题分以下3种情况进行设计：

1)第1种情况：螺杆马达流量与潜孔锤一致，只需要1个双公接头将螺杆马达与潜孔锤连在一起即可，如图2所示，这种情况最简单。

  

图2 螺杆马达排量与潜孔锤一致时的匹配方案Fig.2 Flow distribution scheme when screw motordisplacement and DTH hammer are consistent

定制的低转数螺杆马达与液动潜孔锤排量相近，则直接用接头将二者连接即可。

2)第2种情况：螺杆马达所需流量大，液动潜孔锤所需流量小，可采用在连接头上设计分流孔，分流孔内安装背压喷嘴的方法，如图3所示，一部分循环介质驱动液动潜孔锤做功，将多余的循环介质排出到钻具与钻孔的环空间隙中。

根据应用流体力学知识，喷嘴直径计算公式如下[16]：

 

(1)

式中：d为喷嘴直径，mm；p为喷射压力，MPa，此处取液动潜孔锤工作压力降与排渣所需压力之和；q为喷射流量，L/min，此处取需要分流的流量，用泥浆泵流量减去液动锤工作流量；n为喷嘴数量，个；η为喷嘴系数，一般取1.05～1.10。

目前能够选用的螺杆马达与液动潜孔锤，直径相同的螺杆马达排量大于液动潜孔锤排量，比如YZX89液动潜孔锤和4LZ89×7.0L-5-560螺杆马达钻具组合的流量匹配，就属于第2种情况。

  

图3 螺杆马达排量大于液动潜孔锤时的匹配方案Fig.3 Flow distribution scheme when screw motordisplacement is higher than hydraulic DTH hammer

以使用400 L/min排量的泥浆泵为例计算，工作压力降3 MPa，排渣压力取2 MPa，则p=5 MPa；q为泥浆泵流量400 L/min与液动潜孔锤工作排量190 L/min之差，为210 L/min；喷嘴数量n取4个，喷嘴系数η取1.05，则可得

 

所以可以设计4个6.27 mm的喷嘴安装于连接短节上。

3)第3种情况：螺杆马达所需流量小，而潜孔锤所需流量大，可采用中空转子螺杆马达，如图4所示，将螺杆马达的转子加工成带喷嘴的中空转子，使流经马达的循环介质，一部分通过密封容腔做功，一部分通过转子的中心通孔直接进入潜孔锤。

  

图4 螺杆马达排量小于潜孔锤时的匹配方案Fig.4 Flow distribution scheme when screw motordisplacement is lower than hydraulic DTH hammer

液动潜孔锤的结构比较复杂，参数调节不易实现，而螺杆马达原理和结构相对简单，制造低转速螺杆马达相对容易，目前市场上虽没有直接可用的螺杆马达，但是可以定制低转数(20～60 r/min)的可调弯外壳螺杆马达。

对节水立法工作中的重点问题进行分析，找出存在的问题，给出改进对策，可以使节水立法中的重点条款更科学、更规范、更精细且可操作性强，为节约用水管理部门提供参考，推动节水工作的顺利进行。

 

(2)

式中：d为喷嘴直径，mm；ρ为循环介质的密度，kg/L；q取泥浆泵排量与螺杆马达工作排量之差；ΔP为螺杆马达工作压降,MPa。

2.4 随钻测量系统防振

液动锤高频冲击会对随钻测量系统的结构造成损坏，同时影响随钻测量精度。采用增加减振短节的方法，可以解决这个问题。钻进所产生的振动是纵向和扭转的复合振动[18-19]，具有轴向和扭转双重减振作用的双向减振短节具有更好的减振效果[20]。

根据《数据结构》课程特点，依托移动网络教学平台，利用翻转课堂这一教育创新理念对课程教学模式进行改革以弥补传统教学模式的不足就成为我们关注的课题。

考虑到如果液动潜孔锤在螺杆马达后面，高频冲击必然导致螺杆马达损坏，因此将液动锤放在螺杆马达与钻头之间的位置[14-15]。

2.5 专用钻头设计

设计的钻头模型如图6所示，钻头与液动潜孔锤相连接，因此钻头尾部采用花键连接、卡环吊挂的结构，钻头唇面由锥形柱齿和PDC复合片组成，锥形柱齿齿顶高出PDC复合片2 mm，2种不同的布齿方式如图6a和图6b所示。冲击时由锥形柱齿碎岩，回转时靠PDC复合片切削岩层，并且钻头具有较强的抗冲击能力。钻头分两体加工，然后用摩擦焊接的方式结合为一体。

“七零三”，在十四团有着特殊的意义，它是每一个生活在此军垦人的魂之归处，在这块被浓密的胡杨林覆盖的地块上，一块块开裂的胡杨木板、一节节水泥残柱散落其中，但更多的还是一个个隆起的土丘，唯有胡杨作伴，“这下面有十四团已故的政委、团长、营长、连长、排长，还有普通战士，在地底下，他们的编制也是完整的”，在此执行守墓任务的李栓柱讲道。

  

图5 柱-片混合型钻头唇面设计方案Fig.5 Lip design of column-chip hybrid drill

柱-片混合型钻头，目的是利用柱齿降低PDC片所承受的冲击力，即冲击回转钻进时，柱齿先承担前期较大冲击力，并压入岩层一定深度后，PDC片才会切削岩层钻进。钻头唇面结构计划采用柱-片相间或者柱-片平行2种结构，如图5所示。其共同特点是：①柱齿的布置全覆盖孔底，且柱齿采用尖型结构。②PDC片布置全覆盖孔底。③柱齿高于PDC片1～2 mm，根据试验情况进行调整。

  

图6 椎形柱齿和PDC片混合型钻头结构示意Fig.6 Structure diagram of column gear andPDC chip hybrid bit

3 结论与展望

螺杆马达与液动锤复合钻具兼具两者的优点，在两者复合的连接顺序、选型、流量匹配问题、随钻测量系统减振问题以及专用钻头设计上进行了探究，并给出了以下方案。

1)连接顺序：钻头+液动锤+螺杆马达+减振短节+下无磁+随钻测量系统+上无磁+钻杆等。

The trajectory parameter equation is in the following

进气压力和进气温度影响压缩终点压力和温度，进而影响柴油机发火性能和燃烧性能；其压力大小影响缸内扫气效率和新鲜空气进气量，从而影响燃烧效率。进气工况参数可作为参考依据，协同排除故障。[10]

2)为匹配液动锤的转速和满足单弯螺杆马达调角需要，须定制低转速、可调弯外壳的螺杆马达。

3)根据螺杆马达与液动潜孔锤的实际工作排量，给出了流量匹配的3种实施方法。

4)通过增加双向减振短节解决随钻测量系统防振问题。

5)设计了专用的抗冲击柱-片混合型钻头。

通过以上研究，实现了煤矿井下冲击回转定向钻进工艺，但也存在以下问题：①液动潜孔锤安装在钻头与螺杆马达之间，使螺杆马达弯点以下长度变长，工具的调角能力会有所减弱；②增加的液动潜孔锤和减振短节使随钻测量控管距离钻头更远，随钻测量滞后更严重。

通过研制长度更短的液动潜孔锤和减振短节可以在一定限度内减轻这些问题对钻具性能的影响；将长度更短的冲击机构内置于螺杆马达，研制新型冲击螺杆是另一个解决问题的方案。

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