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第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY hot-pressed diamond cutting tools and plated diamond cutting tools have higher life, and plated diamond cutting tools have higher cutting efficiency. Hardness has a great influence on the two kinds of diamond cutting tools. Keywords casing; cutting tool; hot pressing; electroplating 水害是煤矿开采过程中的五大灾害之一，同时 也是影响煤矿安全生产的重要灾害之一，因此，煤 矿区水害防治尤为重要。施工注浆钻孔对井下水害 进行治理是比较常用的技术方法，在注浆钻孔施工 过程中钻孔下入套管是不可或缺的施工工序，注浆 套管的下入可以有效地提高注浆质量，进而为后期 煤矿开采提供安全保障[1-3]。但注浆完成后预留在注 浆孔内的金属套管也为后期的采掘埋下了安全隐 患。尽管钻孔施工前都进行了参数设计，但钻孔实 际施工过程中与设计参数存在偏差，因此，套管在 孔内存在一定的未知性，后期采煤过程中时常出现 采煤机刀头撞到注浆套管的情况，很容易损坏生产 设备，增加生产成本；同时影响采煤速度，降低生 产效率；碰撞极有可能产生火花，存在很大的安全 隐患，危及现场施工人员的人身安全。 地质和石油系统常采用切割器对孔内套管进行 切割[4-9]，但由于行业领域的特性差异，地质和石油 系统中应用的切割器多以施工垂直钻孔和大孔径钻 孔为主，而煤矿井下注浆钻孔多为近水平、小口径 钻孔。因此，该工艺设备难以直接用于煤矿井下。 目前，部分煤矿区采用定点爆破的方式处理注浆套 管，将煤层段注浆套管炸成若干小段，降低注浆套 ChaoXing 增刊 1 张朋等 煤矿井下套管切割刀具选型及对比分析 123 管的整体强度。该方法在具体操作时要配备专业的 放炮人员， 且放炮时要对一定区域内进行断电清人， 施工工序复杂等，存在较大的安全隐患，很难适应 煤矿安全高效生产。 中煤科工集团西安研究院有限公司设计研发了 一种新型套管切割器[10-11]，切割器采用水力伸缩式 结构原理，通过切割器中设置的切割刀具对孔内套 管进行切割，规避了使用炸药带来的安全风险，保 障了煤矿安全高效开采。在实际施工过程中，切割 刀具作为切割器的核心部件显得尤为重要，切割刀 具的选型直接决定了切割器使用效果的好坏。本文 从套管切割器的切割刀具出发，选取了 3 种不同工 艺类型的切割刀具并进行了对比试验分析，总结了 不同切割刀具的使用效果及优缺点，为切割器刀具 的优选提供一定的参考。 1 套管切割原理优选 对煤矿井下煤层段注浆切割，即将注浆留存在 煤层位置的注浆套管按照现场施工需求切割为若干 小段，注浆套管切割示意图如图 1 所示。 图 1 煤层段注浆套管切割示意图 Fig.1 Schematic diagram of grouting casing cutting in coal seam 目前常用的套管切割器切割原理主要有偏心式 和水力式 2 种。偏心式切割器如图 2 所示。该装置将 切割刀具安装在偏心接头上，连接钻杆后与钻杆呈 L 型；偏心结构可以确保切割刀具下入套管内，在钻杆 回转时，依靠偏心作用的离心力及钻杆串的弹性力带 动切割刀具对套管进行切割作业；该装置结构简单， 加工便利，目前在地质行业套管切割中有应用，而且 多用于垂直井，由于偏心距等的限制，该装置切割套 管范围比较受限， 直径过小或过大都不太适用。 因此， 该装置应用于煤矿井下直径范围较大的多层套管的一 次性切割有一定难度。 图 2 偏心式切割器原理示意图 Fig.2 Schematic diagram of eccentric principle 水压式结构原理如图 3 所示， 该结构又细分为挤 压式、 伸缩式等结构。 该装置通用特点为装置内置活 塞和压缩弹簧， 活塞在水压作用下产生位移进行推动 连接刀具或伸缩刀具张开， 完成套管切割动作， 该结 构原理适用范围广，对加工精度要求偏高。 图 3 水压式结构原理示意图 Fig.3 Schematic diagram of water pressure principle 其中挤压式结构如图 3a 所示，目前常见的有 2 种结构，垂直切割刀具和旋切刀具。垂直切割结构 受装置本体限制，刀具伸出长度有限，对切割范围 偏大的套管难以实现一次性割穿，旋切结构增大了 切割范围但刀具要依赖于扭力弹簧进行回收，存在 卡刀风险；伸缩式结构如图 3b 所示，是通过活塞移 动带动与之连接的切割刀具完成张开和回收动作， 结构简单，刀具伸缩较为灵活，同时切割范围较广。 综合对比，此次试验的切割装置选用水压伸缩 式结构，如图 4 所示。 图 4 水压伸缩式切割装置结构图 Fig.4 Structure diagram of hydraulic telescopic cutting device 2 套管切割刀具的选型 切割刀具是套管切割器的核心组件，是完成套 ChaoXing 124 煤田地质与勘探 第 47 卷 管切割的最直接要素。套管切割器的功能就是为了 快速高效地完成套管的分段切割，基于这一目的， 本次选用了 3 种不同工艺材料的切割刀具进行了现 场试验，分别为 PDC 切割刀具、热压金刚石切割刀 具和电镀金刚石切割刀具，并通过现场试验对使用 效果进行对比分析。 2.1 PDC 切割刀具 金刚石复合片PDC以其良好的耐磨性和抗冲击 韧性在钻探领域得到了广泛的推广应用，目前煤矿区 坑道钻探领域除去煤层段施工多为硬质合金钻头外， 其余大多数钻孔基本都是采用 PDC 钻头进行施工， 这 也是选取 PDC 切割刀具作为试验选择的主要原因。 在 金刚石复合片实际使用过程中，受冲击破坏是主要的 破坏形式之一，因此，抗冲击性能是衡量金刚石复合 片质量优劣的重要指标。考虑到切割刀具是对金属套 管进行切割，金刚石复合片的抗冲击韧性也是作为优 选 PDC 齿的主要指标， 采用金刚石超硬材料疲劳冲击 试验机进行测试，抗冲击韧性大于 900 J。 优选后的 PDC 齿采用钎焊工艺焊接在设计好 的切割刀翼上，钎焊温度控制在 600650℃，钎焊 后放入电炉中随炉冷却以消除应力，切割刀具加工 流程图如图 5 所示。 图 5 PDC 切割刀具加工流程图 Fig.5 Processing flow chart of PDC cutting tool 2.2 热压金刚石切割刀具 金刚石作为目前自然界最坚硬的物质，已经作 为刀具广泛应用到石油、地质、煤炭等行业的钻探 领域[12-13]，而金刚石刀具加工工艺也有多种，根据 现场切割的实际情况，本次选取了热压和电镀 2 种 工艺分别进行了切割刀具加工。 热压金刚石切割刀具是将切割部分采用热压烧 结工艺进行压制，然后将热压胎块焊接到切割刀具 基体之上。切割部分热压胎块烧结温度为 980℃， 压力 1 MPa，保温时间 45 min，刀具加工流程图如 图 6 所示。 2.3 电镀金刚石切割刀具 由于金刚石自身无法与金属直接粘结，因此， 电镀之前要对金刚石颗粒进行表面金属化处理。目 前金刚石表面金属化的基本方法主要有化学镀和电 镀、真空化学气相沉积CVD、真空物理气相沉积 PVD等， 较普遍使用的是金刚石表面化学镀和电镀 加厚的方法。通过化学镀对金刚石颗粒进行活化处理 图 6 热压金刚石刀具加工流程图 Fig.6 Processing flow chart of hot-pressed diamond tools 使金刚石表面沉积一层金属膜，然后利用电镀的方法 使活化的金刚石颗粒附着到待镀工件上[14-18]。电镀选 用瓦特镀液，镀液配方如表 1 所示。 表 1 化学镀镍基础镀液配方 Table 1 ula for base bath of electroless nickel plating 镀液组分 数值 硫酸镍 NiSO46H2O/gL–1 32 次亚磷酸钠 NaH2PO2/gL–1 30 柠檬酸钠/gL–1 30 乙酸钠/gL–1 30 温度/℃ 40 pH 8.5 3 现场切割试验 3.1 施工工况及设备 试验施工地点为赵固一矿 11291 工作面下顺槽 钻场，钻孔类型为底板注浆改造加固孔，钻孔目的 层为改造工作面底板 L8灰岩含水层，变含水层为隔 水层或弱含水层；对底板导水裂隙进行充填、闭合， 使之不导水；切断 L8灰岩以下含水层与上覆煤岩层 之间的水力联系。11291 工作面煤层赋存稳定，煤 层倾角313， 煤层总厚5.36.5 m， 平均厚度5.7 m。 该工作面地质构造较简单，总体呈单斜构造，地层 柱状图如图 7 所示。该地点水文条件较为复杂，L8 灰岩厚 8.28.5 m，隔水层平均厚度为 26.1 m，水压 约为 3.33.8 MPa， 突水系数为 0.1260.145 MPa/m， 大于突水临界值，工作面回采时底板突水可能性极 大，必须进行底板加固，对 L8灰岩含水层改造，使 其变为隔水层或弱含水层。 现场试验选用的钻机为中煤科工集团西安研究 院有限公司生产的 ZDY3200S 型分体式液压钻机， 钻具组合为 Ф73 mm1 m 外平钻杆套管切割钻头， 现场配泵为 SGB9-12 型泥浆泵。常用套管规格为 Ф108 mm、 Ф127 mm、 Ф146 mm， 套管壁厚为 4.5 mm。 3.2 钻孔结构及套管注浆 钻孔首先选用 Ф153 mm 无芯钻头开孔， 钻进至 ChaoXing 增刊 1 张朋等 煤矿井下套管切割刀具选型及对比分析 125 图 7 11291 工作面地层柱状图 Fig.7 Stratigraphic histogram of working face 11291 大于套管设计孔深 0.51.0 m，下入 Φ146 mm 一级 套管，用注浆泵压入水灰重量比 1∶1.48 的水泥浆 比重 1.65 t/m3进行管内注浆固管， 凝固时间不少于 20 h； 然后用 Ф133 mm 无芯钻头透出套管 0.71.2 m 并做耐压试验，试验压力稳定在 7.0 MPa，稳压时 间不少于 30 min，以孔壁周围不漏水、不渗水为试 压合格，否则重新补注水泥浆固管。 试压合格后， 选用 Ф133 mm 无芯钻头继续钻进 至大于二层套管设计孔深 0.51.0 m， 下入 Ф127 mm 二级套管并注浆。候凝后进行打压测试，如需下入 三级套管选用 Ф113 mm 无芯钻头重复上述工艺过 程，工艺流程图如图 8 所示。 3.3 试验情况 试验的切割刀具有 PDC 切割刀具、热压金刚 石切割刀具和电镀金刚石切割刀具 3 种， 同时分别 选取了 2 种不同参数的刀具进行自身对比，PDC 切割刀具选取了不同厂家的 PDC齿进行对比试验， PDC 齿抗冲击韧性均大于 900 J；热压金刚石切割 刀具选取了 2 种胎体硬度进行对比； 电镀金刚石切 割刀具选取了 2 种镀层硬度进行对比。 现场对壁厚 4.5 mm 的双层套管套管规格 Φ108 mm、 Φ127 mm 进行了切割，切割时钻机转速为 100120 r/min，泵 压 45 MPa，试验刀具类型和试验数据如表 2 所示。 图 8 钻孔施工工艺流程图 Fig.8 Flow chart of drilling construction process 4 试验效果对比分析 a. 3 种切割刀具均能够实现 Φ108 mm、Φ127 mm 双层注浆套管的一次性切割，其中 1 号切割刀具具 有较高的切割效率， 2-2 号和 3-2 号切割刀具具有较 高的寿命。 b. 1-1 号、1-2 号选用了 2 种厂家抗冲击韧性 接近的 PDC 齿，两者在切割过程中表现无明显差 异，均表现为 PDC 齿崩齿，在切割过程中，切割 刀具撞击金属套管是导致 PDC齿失效的主要原因。 ChaoXing 126 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 2 试验数据统计表 Table 2 Statistical table of experimental data 序号刀具类型 编号 规格 Φ/mm 切割次数 平均用 t/min 失效形式 备注 1-1 108/127 2 45 PDC 崩齿 厂家 A，抗冲击韧性大于900 J 1号PDC 刀具 1-2 108/127 2 43 PDC 崩齿 厂家 B，抗冲击韧性大于900 J 2-1 108/127 1 83 正常磨损 胎体硬度 HRC30-35 2号热压刀具 2-2 108/127 6 64 正常磨损 胎体硬度 HRC25-30 3-1 108/127 4 45 金刚石脱落 镀层硬度 HV250 3号电镀刀具 3-2 108/127 10 50 正常磨损 镀层硬度 HV400 c. 2-2 号、3-2 号均采用的金刚石颗粒作为主切 割材料，具有较高的使用寿命， 3-2 号切割效果优于 2-2 号。 分析原因为电镀金刚石切割刀具在常温下加 工而成，温度对金刚石颗粒基本没有影响，而热压 金刚石切割刀具中的胎块是在高温下压制而成，高 温影响了金刚石的性能，导致寿命相对偏低。 d. 2 号刀具切割效率明显低于 3 号刀具。电镀 金刚石切割刀具属于一种表镶形式，而热压金刚石 切割刀具属于一种孕镶形式，电镀金刚石切割刀具 金刚石颗粒出露较快，切割效率高于热压刀具。 e. 不同硬度的热压金刚石刀具和电镀金刚石 刀具切割效果差异明显。对于热压金刚石切割刀具 而言， 2-1 号刀具胎体硬度过高，确保了刀具的耐磨 性但金刚石出露慢，切割效率很低；对于电镀金刚 石切割刀具来说， 3-1 号刀具镀层硬度较低，确保了 金刚石快速出露，切割效率高，但镀层对金刚石颗 粒的把持力不够，导致金刚石颗粒脱落进而影响了 刀具的寿命。 5 结 论 a. 从煤矿井下煤层段注浆套管切割出发，选取 了 PDC 切割刀具、 热压金刚石切割刀具和电镀金刚 石 3 种不同工艺类型的切割刀具进行了对比试验。 试验表明3 种切割刀具都能够实现双层套管的一 次性切割，其中 PDC 切割刀具具有较高的切割效 率，但使用寿命偏低，最高只能完成 2 次切割；电 镀金刚石切割刀具和热压金刚石切割刀具具有较高 的使用寿命，最高能完成 10 次和 6 次切割。 b. 胎体硬度对刀具的性能影响很大，电镀金刚 石刀具切割效率与 PDC 切割刀具效率接近， 比热压 金刚石切割刀具效率高近 56，试验效果最佳，具 有推广前景。 c. 针对电镀金刚石切割刀具和热压金刚石切 割刀具，笔者只是选取了 2 种不同硬度进行对比试 验，并未考虑金刚石粒度、金刚石浓度等因素的影 响，建议后期继续进行大量对比试验进一步完善切 割刀具，更好地服务于煤矿安全高效开采。 参考文献 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