煤矿安全钻机钻杆断损原因分析

1、矿业安全与环保󰀂1999年第2期󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION󰀂NO.21999煤矿安全钻机钻杆断损原因分析江苏镇江煤矿专用设备厂󰀂夏维玉󰀂󰀂摘󰀂要󰀂分析了煤矿安全钻机所使用的直径42mm钻杆加工质量问题和现场使用时产生断损的原因。提出了稳定钻杆质量、减少断损事故的措施。关键

2、词󰀂煤矿安全钻机󰀂钻杆󰀂断损原因󰀂改进途径直径42mm钻杆设计要求是由󰀁42mm 4.5无缝地质管和两只45钢的接头焊接加工而成。这两种材料机械性能相近,焊接性能也相近。但因管理或其它原因,接头下料时发生混料或错料,这样不但达不到设计要求,而且直接影响钻杆加工过程中后续工序的工艺质量。现场使用中,因材质问题导致屡次发生钻杆扭曲变形,焊缝断裂、内锥螺纹端部扩胀、外锥螺纹接头大径处断裂等现象。3.2󰀂加工工艺原因3.2.1󰀂内、外锥螺纹接头与杆体(无缝地质管)联接1󰀁内锥

3、螺纹接头;2󰀁无缝地质钢管;3󰀁外锥螺纹接头1󰀂概述煤矿安全钻机由于它重量轻、能解体、操作简单、使用可靠,在煤矿已被广泛使用。该类钻机主要使用直径42mm钻杆,其结构见图1。钻杆由󰀁42mm 4.5的无缝地质钢管2和两工艺方法不当。目前󰀁42mm钻杆内外锥螺纹接头与杆体的联接方式有两种:(1)摩擦焊机直接焊接而成。其焊缝结构见图2。这种工艺方法的机理是两种材料在高压力作用下接触并相向旋转,摩擦产生高温,将接触部分的材图1󰀂直径42mm钻杆结构图只材质为45钢的内、外锥螺纹接头1、3焊接而成。由于煤矿

4、安全钻机是目前煤矿瓦斯抽放和煤层注水钻孔的主要设备,显然直径42mm钻杆用量和消耗量较大(据不完全统计直径42mm钻杆全国煤矿年用量约5万余米)。当前由于质量上存在一些问题,断损率较高。因此正确分析钻杆质量和断损原因,采取有效措施,提高钻杆质量,降低钻孔事故率,保证瓦斯排放孔,煤层注水孔正常钻进,有着十分重要的意义。2󰀂钻杆断损的主要形式直径42mm钻杆在使用中发生断损有以下几种形式:(1)焊缝开裂;(2)内锥螺纹接头端部扩胀变形(喇叭口);(3)外锥螺纹接头大端螺纹尾部断裂;(4)内锥螺纹接头端铣方处环状断裂。3󰀂断损原因分析3.1󰀂材质原因图

5、2󰀂直接焊接焊缝结构图料加热到塑性状态(如钢在锻造温度的上限),而且使其紧紧地压接在一起。在接缝处里外都形成两道直径约为5mm左右的园环(外环在后续工序中被去掉)。这就增加了焊缝面积(焊缝承载能力提高),而且无焊接缺陷,焊缝机械强度与母材相同,焊接质量也稳定。在现场使用中,用这种焊接工艺加工成的钻杆未曾出现过因焊缝质量问题而发生断裂事故。矿业安全与环保󰀂1999年第2期󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂MININGSAFETY&

6、ENVIRONMENTALPROTECTION󰀂NO.21999󰀂󰀂(2)母体与接头先采用螺纹联接而后加焊的工艺方法。其焊缝结构见图3。内螺纹接头端部外园扩涨变形(即成喇叭口)。3.2.4󰀂钻杆危险断面应力集中钻杆外螺纹接头大端与󰀁42mm外表面交界处的台肩面根部应有R>0.5的园角。但许多钻杆此处园角过小或者没有园角,应力集中现象严重。另外内螺纹端头与螺纹大端交界处的台肩面根部也应有园角,内螺纹的大端应有4560的倒角,许多钻杆也没有这样做,引起应力集中,致使端部扩涨成喇叭口。3.3󰀂钻杆不

7、合理使用3.3.1󰀂钻柱弯曲对钻杆断损的影响钻机在井下进行瓦斯抽放或煤层注水钻孔作业时,一般情况下多为近水平或有一定倾斜度钻孔。钻进时造成钻柱弯曲的因素很多:岩层不均质、钻杆自重、钻头破碎岩石时产生的偏斜力,都能使钻杆弯曲。况且钻进时钻杆迥转还有离心力,特别是钻杆还承受大到1030kN的轴向钻压力。在这些力的作用下(主要是轴向力),钻柱在钻孔中就失去了直线状态而发生弯曲形变。钻柱越长,产生弯曲变形的钻杆临界应力就越低,这就使钻杆易于发生断损。据调查,钻孔时不采用稳定器杆时,钻杆折断时的孔深多数发生在3040m之间。3.3.2󰀂钻进参数不匹配钻进时,作用于钻头的扭

8、矩可由下式计算󰀂压mh0.75FCfC压(R+r)M=#+/975 1.36225000143000式中󰀂󰀂压󰀁󰀁󰀁岩石抗压强度;󰀂m󰀁󰀁󰀁钻头切削组数;󰀂h󰀁󰀁󰀁钻进时给进量,cm;󰀂F󰀁󰀁󰀁孔底环状面积,cm2;󰀂C󰀁󰀁󰀁钻头与井壁摩擦系数;&

9、#983042;f󰀁󰀁󰀁钻头与井底摩擦系数;󰀂C压󰀁󰀁󰀁钻进时给进压力,(kN);󰀂R󰀁󰀁󰀁切削钻具外径,cm;󰀂r󰀁󰀁󰀁切削钻具内径,cm。由上式可以看出,作用于钻头的扭矩与岩石的抗压强度,钻头几何尺寸、切削具数量、给进量、给进压力都有关系。钻头直径增大,切削具数量增多,给进量与给进压力增高均会增大作用于钻头上的扭矩。从而也就增加了作用于钻杆的扭矩。如果这

10、些钻进参数选配不当也会使钻杆发生折损。(下转第47页)图3󰀂后加焊接焊缝结构图这是目前不少钻杆生产单位采用的方法。该形式的接头焊缝截面积小,承载能力较低。加之中碳钢可焊性差,手工焊接夹渣、气孔等焊接缺陷难以避免,致使焊缝质量难以保证。再则联接螺纹并不能起到加强接头焊缝承载能力的作用。一旦焊缝因承载过大出现裂纹时,联接螺纹只能起到加快焊缝裂纹扩大的作用。3.2.2󰀂内、外锥螺纹同轴度超差按照设计图样规定,钻杆两端的内、外锥螺纹同轴度要求是0.12mm。但是由于材料(特别是钢管)、工艺方法等等原因,实际同轴度往往超差。这对钻杆使用寿命影响较大。由于两端联接螺纹同轴度

11、超差过大,导致钻杆在连接处发生弯曲。在钻进过程中,钻杆不但要承受正常的轴向负荷(可达1030kw甚至更大),而且螺纹连接处还要受到很大的横向载荷。另外数十米甚至超百米弯曲的钻柱,沿其轴线快速回转时产生的离心力在螺纹联接处还会产生交变的弯曲应力。几种应力的迭加最终导致钻杆的最薄弱处外锥螺纹尾部(即大径处)发生疲劳裂纹而折断或在焊缝处断裂。3.2.3󰀂联接螺纹加工精度达不到要求直径42mm钻杆接头螺纹为地质钻杆专用锥度螺纹:锥度1!8,锥面长度38mm,大端直径为34mm,1in5牙。由于螺纹锥度和牙形的加工误差,导致两钻杆联接时,尽管内、外锥螺纹端面已接触,而横向仍有松动。这样,

12、在钻进过程中,由于横向松动,钻柱快速迥转时承横向冲击载荷,易于发生外螺纹接头折断。其二钻杆内外锥螺纹在加工中,由于螺纹中径公差控制不住,导致两钻杆联接时内、外两螺纹端面间隙达不到技术要求。钻杆受载后,两端面不能接触,钻杆所承受的弯曲、扭转载荷全部由螺蚊承受,这样钻杆在螺纹联接处也容易发生疲劳折损,或者矿业安全与环保󰀂1999年第2期󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTIONb

13、3042;NO.21999󰀂󰀂制动钢带的改进方法,就是在丁字板和制动钢带之间加一薄钢板(即下面叙述的中间钢板),使截面变化有一过渡,如图6所示。现有设备使用的丁字板的弧形板厚度为510mm,改进后,选用厚度为5mm,中间钢板厚度为3mm,其它尺寸如图6所示。丁字板、中间钢板、制动钢带的连接,中间为铆接,边缘为焊接。󰀂󰀂制动器改进后,焊缝分为二层,每一层焊接量较小,此时的变形可能比原来的要小,因此,由焊接所产生的不良影响有所降低。由于丁字板与制动钢带的连接采取了过渡办法,其各连接点的应力集中比原来要小得多。7󰀂结束语

14、JD-11.4型调度绞车制动器改进后,其原有制动性能并不受影响,却可使制动钢带的断裂现象大为减少,使用更加安全,从而可有效地保障煤矿的安全生产。参󰀂考󰀂文󰀂献1󰀂张德润,工程力学.北京:机械工业出版社,19931󰀁制动钢带;2󰀁中间钢板;3󰀁丁字板2󰀂盛善权,机械制造基础.北京:高等教育出版社,1993(收稿时期:1998-04-02;责任编辑:唐自强)图6(上接第34页)4󰀂结语根据以上分析论述,要减少或者防止钻杆断损,应从加工与使用两方面采取措施:

15、(1)保证制造钻杆使用的材料质量和正确的热处理工艺措施,使钻杆的机械强度合符承载要求;(2)严格按照设计图样加工钻杆,加强检验,不断改进工艺手段和工艺方法,稳定钻杆质量。(3)钻孔作业时正确合理地使用稳定器杆,减少钻孔偏斜量。(4)针对不同岩性与钻孔深度、钻孔倾角与钻孔直径的要求,合理选用钻进参数,防止钻杆过载。参󰀂考󰀂文󰀂献1󰀂杜庆华等编著.材料力学.北京:人民教育出版社,19932󰀂国家地质总局生产组.钻孔弯曲与测量经验选编,北京:地质出版社,1975作者简介:夏维玉󰀂男,高级工程师。1968年

16、毕业于北京矿业学院,现任镇江煤矿专用设备厂总工程师,曾发表论文2篇,获部、局科技进步奖各一项。地址:镇江市朱方路209#;邮编:212005。(收稿日期:1998-12-07;责任编辑:唐自强)刊误更正󰀂󰀂1999年1期第31页在%总结教训加大投入提高矿井通风系统可靠性&一文中,因校对错误,有以下内容需要更正:32页第2行,全公司通风阻力在300pa以上(应更正为3000pa以上(;)32页第19行,八矿西二风井更换成100kw电机,应更正为1000kw电机;32岁第26行,(4)简化通风系统,92个采区(应更正为42个采区(。特向作者致歉。ABSTRA

17、CTSINENGLISHOFTHISISSUE󰀂󰀂󰀂TheFeaturesofwastewaterafterwashingcoalandthecauseofitsdifficultdisposalareanalyzed.Ahadlingmethodisproposedofsettlingbymixingandcoagu󰀁latingwithlimestoneandpolyacylamide.Briefintroductionandanalysisaremadeonthepracticalengineeringapplicab

18、3041;tionandthemixingandcoagulatingmechanism.)󰀂GIStechniquewasusedforsyntheticalanalysisofallfactorsaffectinggascontentinNantunCoalMine.Azoningmodelofdifferentgascontentintheminingareawassetup,whichprobedanewwaytostudythedistributingruleofgascontentinminingarea.󰀂Itwasshownthroughobse

19、rvationandresearchongroundpressureofU󰀁shapesteelyieldingsupportswithfill󰀁ingwallbackthatwallbackfillingcanmadethecontactbetweensurroundingrockofroadwayandsupportsmoreclosely,thusimprovingtheforceloadingconditionandraisingthebearingcapacityofthesupportswithbettersup󰀁portresult

20、oftheroadwaywithonly2.05%convergencerateofroadwaysection.Soitwasarelativelyidealsup󰀁portingmodeinroadwayroadwayfrequentlyaffectedbyminingactivities.+󰀂Theexperimentalresearchesrevealedthatambi󰀁enttemperature,atmospherichumidityandgravityacceler󰀁ationwerekeyfactorstoinf

21、luencetheprecisionofventila󰀁tors'pneumaticbehaviortest.Soaproposalwasputforwardforimprovement,whicnraisedthetestprecisionby1.36%forfullpressureeffciencyofventilators.,󰀂TheclassificationprogramswereoptimizedinoverallsituationbyusinglargesttreeoffuzzygroupingandISODATAcombinedclass

22、ificationmethod.Multiparametersurroundingrockclassifieddrawingwasmadebyintroduc󰀁ingcompoundindexofgroundpressurecoefficient,bywhichitwaseasytojudgethecategoryofsurroundingrockofanewroadway.Soitissuitabletoengineeringapplica󰀁tion.󰀂Thepaperdealswiththefeatures,technicalpa♦

23、41;rameterandworkingprincipleofthenewlydevelopedMod󰀁elKG9501roofpressureandroofactivitiessensor,aswellasitsapplicationandextension.󰀂Theresultoftri󰀁axialcompressiontestofcoalunderdifferentsurroundingpressuresandporousgaspres󰀁suresshowedthatequivalentporouspressurecoeff

24、icient(d)wasabilinearfunctionofvolumestressandporouspressure.Theempiricfunctioncandepictthedynamicde󰀁formationbehaviorofgassycoalundertheactionofporouspressureandmakethenumericalanalysisapproachactualconditionmoreclosely./󰀂Theoperationprinciple,technicalparameters,functionsofallcompo

25、sitionsandconstructionoftypeKFBhole󰀁sealingpumpofmineuseweredescribedindetailinthispaperincludingtheperformancetestofholepackagewithdensecementslurryandfieldapplicationresults0󰀂Thispaperdescribesthedirectdirectdisplayofcalculationresultofventilationnetworkontheventilationsystemdrawin

26、gbycomputertechnique,andthemethodofinvisiblecalculationofventilationnetworkaswell.1󰀂Takingthebutterfly󰀁shapePalletasexample,theloadingconditionofthebutterfly󰀁shapePalletwasana󰀁lyzed,andthewaytoincreasebearingcapacityofthepal󰀁letundersimilarconditionwasprobed.&

27、#983042;󰀂Porousstructurecharacteristicsofcoalinout󰀁󰀁󰀁burstzonewasstudiedbypressurizedmercurymethodandCO2absorptionmethod.Itwasshownbytheresultsthatporosity,porevolume,specificsurfaceareaofcoalinout󰀁burstzoneincreasedwiththeincreaseofitscarbonatommolefraction,a

28、ndtheabovementionedparameterswererelatedtothepositionofcoalsampled.Throughresearchitwasknownthattherearetwofractaldimensions,D2andD3existingincoalsamples,D2increaseswiththeincreaseofXcandporosity,theconditionofD3andDiscontrarytotheformer.Itcanbeconsideredfromthecoalsamplinglo󰀁cationandthepra

29、cticalconditioninminingthatthelargerthecoalporosity,delaydegreeofpressurizedmercurycurve,volumeofmediumpores,fractaldimensionsD2,absorbedvolumeofCO2,andspecificareaofpores,thesmallerofD3andD,thegreatertheoutburstriskofcoal.󰀂Thepaperdescribestheoperatingprinciple,󰀁󰀁controlcircuitandapplicationconditionofanewtypeauto󰀁maticspraydevicewhichcaneffectivelysuppressairbornecoaldustgeneratedinblastingminingincoalmines!󰀂Basedonthedescriptionofevaluatingmethodsof󰀁󰀁reliabilityofpredictionindexforgasandcoaloutburst♦