王海钢

（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 045400）

0 引言

煤钻机是薄煤层采用的一种新型采煤设备，实现了无工作面采煤和支护，具有广阔的应用前景，其整体结构和钻井现场如图1所示。?

图1 实际工程案例中煤炭钻机的工作示意图

然而，由于钻机自身结构、钻井深度、钻井负荷、与煤壁的碰撞、实际钻井过程中的摩擦阻力等因素，煤钻的恶劣工况会导致严重的变形，问题严重时会影响钻井深度和钻井效率。另外，钻具偏转后的复杂载荷力和严重形变，容易造成钻具粘连，钻杆脱落等危险事故，这是煤钻应用开发的严重制约因素［1-3］。因此，本文在钻进过程中对三钻钻具的挠度和振动进行了实验和模拟，提出了一种新型的三钻钻具稳定器，以减弱和控制挠度和振动，为定向钻进提供了科学依据。

目前国内外学者关注煤矸石钻机的研究较少，但在相关领域研究较多，可为本文的研究提供指导和参考。Du⁃nayevsky和Abbassian首先提出，钻杆不仅围绕自身轴旋转，而且产生旋转运动，其旋转频率远小于其固有频率，为钻杆动力学分析开辟了新的方向［4］。另外，目前还没有有效的控制挠度的措施，稳定器布置形式的研究仅限于理论分析，很少关注相应的仿真研究。针对这种情况，本文首先构建了三位煤钻钻具的钻井试验台，并进行了实验，研究了它们的振动和挠度性能；其次建立了三位煤钻钻具的刚柔耦合仿真模型，分析了不同钻深下的振动和挠度性能；最后设计了一种新型的钻杆稳定器，利用该稳定器构建了三位煤钻的仿真模型，研究了稳定器布置形式的振动和挠度性能，为有效控制钻具的振动和挠度提供了科学依据。

1 矿井煤层煤钻机的优化仿真

1.1 模拟模型

钻凿工具的作用是在煤凿钻过程中，通过自身重量的复杂推进力，推动阻力，钻井扭矩，与井壁的冲击接触力和来自煤的摩擦阻力。本文重点介绍钻井工具并提出以下基本假设：

（1）单钻杆钻孔横截面为圆形，其尺寸不随时间变化；

（2）切割头，切割头和齿轮箱连接件为刚体，钻杆为柔性体，钻具中心轴在钻孔初始位置和轴线重合；

（3）施加在孔壁上的钻杆摩擦碰撞很可能是多方向，无规律的，那么钻杆会被孔壁等力推回；

（4）钻具的横向运动分解为水平方向x和垂直方向y两部分；

（5）合理简化钻具的部分构造，包括连接件，箱体，销轴，轴承等［5］。

基于上述假设，将钻具的三维实体模型导入到AD⁃AMS多体动力学软件中，然后设置属性，添加约束，施加驱动力和载荷，定义接触，最后得到一个三刚体的刚柔耦合模型如图2所示，接收煤钻机的钻孔工具。

图2 仿真模型

1.2 模拟结果与分析

在煤钻钻孔过程中，随着钻杆和气管逐段增加，钻孔深度不断增大，导致钻具整体刚度降低。因此，在相同的载荷条件下，钻具的变形阻力会下降，导致变形现象变得更加复杂［6］。煤钻钻具的挠度和振动实验测量和分析，钻杆的钻削深度为1，2，3，4段，实际生产应用中的钻削深度远远大于四根钻杆。为了探索煤钻远距离钻进过程中的挠度和振动，本部分模拟分析了不同钻深下的挠度和振动，以期获得三钻头钻具的钻削深度和挠度性能之间的关系。

例如，对钻杆的一段、二段、三段、四段、九段、十二段和十五段长度的钻削深度进行了模拟和分析，获得了相应的钻削工具的偏转和振动。根据进一步统计，左、右钻杆和气管在x、y方向上的最大挠度和振动，得到偏差，振动和钻深的关系，与试验结果比较可以看出，左右钻杆的偏差和振动趋势与空气管道非常相似。左右钻杆和气管在x方向上的偏差随着钻孔深度的增加先增加后减小，偏差值达到最大时x方向上的钻杆数量可达12根；而随着钻孔深度的增加，沿x方向的振动不断增加，至7根钻杆后气管的振动趋于稳定。随着钻孔深度的增加，左右钻杆和气管在y方向上的偏差和振动不断增加，在振动值达到最大值的y方向上达到12根钻杆，然后变得稳定。鉴于空气管道的截面尺寸和空气管道与煤壁之间的空间，空气管道沿x和y方向的偏差和振动小于钻杆。结合以往的研究推断，当钻孔深度达到一定值时，气管的偏差和振动趋势逐渐趋于稳定。最后，根据上述分析和实验结果，仿真结果与实验结果基本一致，证明了其合理性和正确性。

2 稳定器设计

如图3所示，三位钻进工具的稳定器现在设计成以三位煤钻为研究对象，主要由左右稳定环，空心管和连接片构成。

图3 三钻头钻具的稳定器部件

其中，稳定环直径略大于钻杆外缘，且分别配置同心圆钻杆，对于限制钻具侧向变形起着重要作用。稳定器将限制钻杆在一定范围内的变形，通过连接销钉固定在风洞的宽边，最终达到提高钻具整体刚度和稳定性的目的，为定向钻进提供保证。

三位钻具的稳定器属于刚性结构，用两个稳定的环限制钻杆的位移，作为刚性位移限制器，进一步达到限制钻杆与气管之间挠度的目的［7］。在图4中示出了在三个钻管间隔处布置稳定器的三钻头钻具。

3 稳定器对偏转和振动的影响

钻井工具的钻井工具的偏差正在增加。钻杆稳定器可用于控制和减弱长距离钻进下钻具的挠度和振动。稳定器合理安置，钻井工具的振动可以显着降低，而不会损失煤的传递效率，同时可以减少能量损失，提高钻井效率。为了更直观地发挥稳定器的作用，更合理地布置稳定器，为了获得稳定器布置形式对钻具偏转、振动和钻具与煤壁作用力的影响，本文着重研究了三位钻具如图4所示。

图4 三钻头钻具结构在三个钻管间隔处布置了一个稳定器

采用12根钻杆和3根、4根、5根和6根钻杆间距分别安装稳定器，研究稳定器布置形式对钻具偏转、振动的影响规律。根据本文的仿真结果，分析了不同稳定器布置形式下钻具的挠度和振动情况，得到了不同稳定器布置形式下三钻头钻具的挠度，振动和偏转力的规律，其中稳定器的布置形成“0”意味着没有稳定器，“1”到“4”意味着以3到6个钻杆间隔布置。

随着稳定器数量的增加，三位钻具在x，y方向上的最大挠度和振动逐渐减小；在安装稳定器后分别隔开五根钻杆后增加的稳定器的数量对三位钻具在y方向上的最大偏转和振动几乎没有影响。因此，稳定器“2”、“3”和“4”的排列方式能够有效地控制三位钻具的偏转和振动。三位钻具在x方向上的偏转力MV（平均值）随着稳定器数量的增加而正负交替，而y方向上的偏转力由于稳定器的排列形式和数量而逐渐增加对钻具的整体重量和应力产生重大影响。随着稳定器的增加，x，y方向的偏转力的MSE（均方误差）有减小的趋势，并且在稳定器的布置形式“2”处达到最小的均方误差。因此，稳定器“2”和“4”的布置形式能够有效地控制三位钻具的偏转力，但是稳定器过量的布置形式“4”会影响钻具的整体重量，输煤效率［8］。

此外，稳定器很好地抑制了每排钻杆之间的挠曲不平衡，整个钻具的抗偏转能力和稳定性得到显着改善。

4 结论

综上所述，本文以三位煤钻为研究对象，对钻具进行合理简化和假设的基础上，建立了三位煤钻的仿真模型，分析了不同钻深下的振动和挠度性能。然后设计了一种新型的钻杆稳定装置，并与普通煤钻相比，构造了一种三位煤矸石稳定器的仿真模型，研究了钻具的振动和挠度性能，为稳定器的布置形式提供了科学依据。