研发一种智能钻屑处理方法钻机，以解决吸附和卡钻现象：现场实验

《International Journal of Mining Science and Technology》：Development of an intelligent drilling cuttings method drill rig for addressing suction and sticking phenomena: Field experiment

　　雷翠|尹山潘|詹卓张|艾文王|连鹏戴| Cancan刘|盛良卢
东北大学智能深部金属采矿与装备国家重点实验室，沈阳110819，中国

**摘要**
在钻孔取屑方法的操作过程中，吸吮和粘附现象的频繁发生导致钻具丢失，无法达到设计的孔深，从而影响到煤层瓦斯突出的风险评估的准确性。为了解决这些问题，对螺旋钻杆中的岩屑输送进行了机械分析。该分析确定了导致螺旋钻杆吸吮和粘附现象的主要因素，并提出了一种针对性的解决方法。基于这一分析，开发了一种智能钻孔取屑方法钻机（IDCMDR），并进行了现场试验。实验结果表明，当出现吸吮现象时，调整IDCMDR的旋转速度和钻进速度可以有效控制这一现象；当出现粘附现象时，可以通过螺旋钻杆的中空结构向孔底注入高压气体或反转钻杆来解决问题。在操作过程中，IDCMDR上的推力和扭矩液压仪表的针形指针运动特征可以帮助识别吸吮和粘附现象。IDCMDR的研发和现场验证证明了理论提出的缓解方法的可行性。

**1. 引言**
瓦斯突出是一种由煤矿地下工作面或巷道周围煤岩体突然释放弹性能量引起的动态灾害。其突发性、破坏性和复杂性使其成为全球煤矿安全面临的重大挑战[1]、[2]、[3]、[4]。评估瓦斯突出风险对于预防和控制瓦斯突出至关重要[5]、[6]、[7]、[8]。由于瓦斯突出表现为工作面或巷道周围煤体的破坏，因此检测巷道或煤壁中的应力状态是评估瓦斯突出风险的最直接方法[9]、[10]、[11]。钻孔取屑方法是通过在煤壁钻孔，根据单位钻进深度收集的岩屑变化模式及相关动态现象来评估煤应力集中程度、峰值大小和位置，从而确定瓦斯突出风险等级。因此，钻孔取屑方法是所有易发生瓦斯突出矿井中常用的直接检测技术[12]、[13]。

全球许多学者对钻孔取屑方法进行了理论研究。苏联学者Petukhov[14]研究了孔洞周围非弹性变形区发生的膨胀现象，并建立了岩屑质量与煤体应力之间的关系。西德学者Brona等人[15]根据Kastner公式或改进的Fenner公式计算了非弹性区的半径，然后在塑料区体积恒定的条件下确定了孔壁的径向位移，从而推导出岩屑质量与煤体应力之间的关系。中国学者赵等人[16]在完全应力-应变曲线的一般弹塑性假设下提出了一个以岩屑质量表示的围岩压力公式，为使用钻孔取屑方法定量测量围岩压力提供了理论基础。潘等人[17]、[18]进一步考虑了非弹性区形成后煤的应变软化特性和膨胀特性，建立了煤体应力与岩屑质量之间更全面的关系。各国学者的这些理论研究为在煤层中应用钻孔取屑方法进行瓦斯突出风险预测奠定了坚实基础。

为了提高钻孔取屑方法检测瓦斯突出风险的准确性，学者们进行了大量研究，重点改进岩屑测量的精度并开发多参数判别指标。例如，尹等人[19]、[20]独立开发了一种自动岩屑测量装置，通过测量钻孔过程中的物料流量来确定岩屑质量。这种方法可以在大直径孔洞中同时进行强力岩屑排放和煤粉测量。朱等人[21]、[22]、[23]在水富集条件下对钻孔取屑方法进行了实验研究，为含水煤层提供了校正因子和关键指标。高等人[24]、郝等人[25]研究了钻杆扭矩、推力、钻进速度和煤应力等参数之间的关系，阐明了这些参数对煤应力影响的方式。潘等人[26]、[27]提出了钻孔取屑温度方法，研究表明钻孔取屑温度与岩屑质量和煤应力之间存在强相关性。顾等人[28]探讨了岩屑粒径、岩屑质量和煤应力之间的关系，发现岩屑粒径分布可以提供更深入的煤应力状态信息。这些研究为提高钻孔取屑方法的测量精度和多样化其检测指标提供了技术支持。目前，手持钻机是地下煤矿中钻孔取屑方法操作的常用设备，但这些设备存在功率低、需要多人操作和劳动强度高等局限性。此外，在使用手持钻机的操作过程中，经常会出现吸吮和粘附等动态现象[29]、[30]，手动提取卡住的钻杆往往较为困难，导致钻具丢失、无法达到要求的孔深以及作业延误。尽管存在这些实际问题，但针对这些问题的研究仍然相对有限。

**2. 螺旋钻杆中吸吮和粘附现象的机械机制分析**
**2.1. 钻孔取屑方法操作中遇到的问题**
根据中华人民共和国国家标准和现场调查，钻孔取屑方法的年工作量非常大。这些操作主要集中在矿门通道和开拓巷道中。在每个易发生瓦斯突出的矿井中，钻孔取屑方法的年累计钻进深度约为10,000至20,000米，排出的岩屑质量约为20至30吨（见表1），表明其年工作量非常庞大。这强调了钻孔取屑方法在瓦斯突出风险预测中的重要性。因此，提高钻孔取屑方法的操作效率和瓦斯突出风险评估的准确性至关重要。

**表1. 钻孔取屑方法的年工作量统计**
| 煤矿名称 | 孔洞数量 | 总孔深（米） | 总岩屑质量（吨） |
| -------- | ---------- | ------------ | ---------- |
| 库沟煤矿 | 210 | 21,000 | 37.8 |
| 武东煤矿 | 180 | 18,000 | 32.4 |
| 悦wu煤矿 | 732 | 10,300 | 24.6 |

如图1a所示，钻孔取屑方法的现场操作流程如下：首先使用手持钻机在煤壁钻孔，孔径约为50至60毫米，深度约为300毫米，以便安装岩屑收集器；然后插入直径42毫米的钻头和直径38毫米的螺旋钻杆开始取屑操作；最后，对每米钻进深度收集的岩屑进行单独称重、记录和分析。岩屑收集器的主要功能是收集螺旋钻杆排出的岩屑。如图1a和b所示，手持钻机通常用于钻孔取屑操作。这些操作需要多名工人协调配合，劳动强度高，并且受到手持钻机功率有限的限制。在操作过程中，经常会出现吸吮和粘附等动态现象，导致螺旋钻杆和钻头在孔内卡住，从而中断工作并严重影响操作效率。为了避免这些问题，工人通常会钻到低于设计规格的深度，导致钻孔取屑方法的“测量不可靠”，进而影响瓦斯突出风险评估的准确性。如图1c所示，在煤矿作业中，常规液压钻机通常用于钻探瓦斯排放孔、水探孔和压力释放孔等关键任务，但这些钻机体积较大，需要较大的操作空间。由于钻孔取屑操作通常在煤壁变形严重且空间有限的区域进行，液压钻机不适合这一特定任务[31]。如图1d所示，单柱或双柱钻机通过伸缩柱固定在顶板和底板之间，但由于地下巷道顶板和底板条件不规则复杂，这些钻机在发生吸吮或粘附现象时容易翻倒，存在安全隐患。此外，它们的稳定性较差，运输也较为困难[25]。这导致了适合钻孔取屑方法的设备短缺。因此，开发能够解决吸吮和粘附现象的IDCMDR是解决现有挑战的最佳方案。

**结论**
基于螺旋钻杆岩屑输送的机械机制，本研究分析了钻孔取屑方法操作过程中遇到的吸吮和粘附现象，提出了有效的解决方法，为开发能够解决这些问题的智能钻孔取屑方法钻机（IDCMDR）提供了技术指导。使用IDCMDR进行的现场操作验证了所提出解决方案的有效性，彻底解决了由于吸吮和粘附现象导致的工具丢失、无法达到所需孔深、操作效率低和设备短缺等问题。对手持钻机和IDCMDR的操作效率进行了比较分析，研究结果对提高钻孔取屑方法评估瓦斯突出风险的准确性和实用性具有重要意义。这种现象被称为“粘附”，其机械表现可以用方程式（4）来表示。(3)Fz-Fr> 0 (4)Mn
2.3. 螺旋钻杆输送钻屑的力学分析为了简化螺旋钻杆输送钻屑的力分析，选取了一个单一螺旋结构进行解析。基本假设如下：（1）钻屑对螺旋结构施加的法向力和剪向力都是恒定值；（2）单个螺旋结构切线投影中积累的钻屑高度始终等于螺旋结构的高度；（3）单个螺旋结构内的钻屑积累高度是均匀的；（4）每个螺旋结构中的钻屑积累量和高度是相同的。在钻机的扭矩mn作用下，螺旋钻杆将钻屑从钻孔内部输送到外部。钻屑对螺旋结构施加一个反作用力，该反作用力可以分解为两个分量：一个是切向钻屑排出扭矩mz，另一个是轴向钻屑排出力fz。为了便于螺旋钻杆的力分析，如图3所示，单个螺旋结构表面被分解为沿螺旋钻杆切向的矩形投影表面和沿轴向的环形投影表面。

下载：下载高分辨率图像（237kb）下载：下载全尺寸图像图3. 螺旋钻杆单个螺旋结构的投影图。如图4所示，单个螺旋结构表面沿螺旋钻杆切向投影，形成一个矩形投影表面。螺旋钻杆的螺距为2πb，螺旋结构的高度为d，螺旋结构的平均半径为（r ? d/2），螺旋结构的厚度为a，单个螺旋结构的螺旋长度为l。参数x1表示钻屑积累高度。螺旋的参数方程由方程式（5）给出。将螺旋投影到xoz平面上，得到螺旋的投影方程，由方程式（6）表示。不同钻屑积累高度x1在[0, 2r]范围内的螺旋结构切向投影面的宽度lz由方程式（7）给出。根据假设（2），可以确定不同积累高度x1的螺旋结构切向投影面积s1，如方程式（8）所示。这表明切向投影面积s1随着钻屑积累高度x1的增加而增加。单个螺旋结构的侧表面面积s2的表达式由方程式（9）给出。下载：下载高分辨率图像（92kb）下载：下载全尺寸图像图4. 单个螺旋结构切向投影面积的示意图。螺旋的参数方程：(5)x=-rcosθ+ry=rsinθ z=bθ螺旋在xoz平面上的投影方程：(6){z=bcos-1-xr+1 y=0 (0≤x≤2r) (0≤z≤πb) 切向矩形投影面上钻屑的宽度：(7)lz=2 z=2bcos-1(-xr+1) 切向矩形投影面上钻屑的面积：(8)s1=d×lz=2dbcos-1(-x1r+1) 单个螺旋结构的侧表面面积：(9)s2=a×l=2πab2+r2如图5所示，单个螺旋结构表面沿螺旋钻杆轴向投影，形成一个环形投影表面。环的外径为2r，内径为2r。根据假设（3），可以绘制不同钻屑积累高度在环上的投影面积，钻屑在环上的投影面积表示为s3(x1)，由方程式（10）确定。这里，fr(x)表示半径为r的圆的公式，fr(x)表示半径为r的圆的公式，x1的范围是[0, 2r]。根据x1的值，fr(x)的积分分段表示，如方程式（11）所示。下载：下载高分辨率图像（192kb）下载：下载全尺寸图像图5. 单个螺旋结构轴向投影面积的示意图。沿轴向投影的钻屑面积：(10)s3(x1)=2∫0x1fr(x)-fr(x)dx函数fr(x)的分段积分定义如下：(11)∫0x1fr(x)dx={0 x1≤r-r∫r-rx1r2-x-r2dx r-r≤x1≤r+rπr2 r+r≤x1将方程式（11）代入方程式（10）得到：(12)s3(x1)={2∫0x1fr(x)dx=x1-r2r2-(x1-r)2+πr22+r22sin-1(x1-rr) (0≤x1≤r-r)2∫0x1fr(x)dx-∫r-rx1fr(x)dx=x1-r2r2-(x1-r)2+2πr2-πr24+r22sin-1(x1-rr)-r22sin-1(x1-rr)-x1-r2r2-(x1-r)2(r-r≤x1≤r+r)2∫0x1fr(x)dx-πr2=x1-r2r2-(x1-r)2+πr22-πr2+r22sin-1(x1-rr)(r+r≤x1≤2r)如图6所示，在螺旋钻杆将钻屑从钻孔中输送出来的过程中，钻屑单元对螺旋结构表面施加法向應力和剪應力。同时，钻孔壁也对螺旋结构的侧表面施加剪應力。钻屑在螺旋钻杆上的力分析可以用方程式（13）和（14）表示。

下载：下载高分辨率图像（90kb）下载：下载全尺寸图像图6. 螺旋钻杆排屑力fz的示意图。螺旋钻杆的钻屑排出力fz：(13)fz(x1)=h2πb+a[σz-τnzs3x1+τqzs2]=hπb[σz-τnz∫0x1frx-frxdx+τqzπab2+r2]螺旋钻杆的钻屑排出扭矩mz：(14)mz(x1)=h2πb+a(r-d2)[τnθ+σθs1+τqθs2]=2h2πb+a(r-d2)[τnθ+σθdbcos-1-x1r+τqθπab2+r2]当钻井深度h为15米时，钻屑质量m0与钻屑积累高度x1之间的关系为：(15)m0x1=h2πb+a2πbρs3x1=h2πb+a2πbρ∫0x1frx-frxdx其中h是钻孔深度；τn是钻屑对螺旋结构表面施加的剪應力，τnθ和τnz分别是其切向和轴向分量；σ是钻屑对螺旋结构表面施加的法向應力，σθ和σz分别是其切向和軸向分量；τq是钻孔壁对螺旋结构侧表面施加的剪應力，τqθ和τqz分别是其切向和軸向分量。根据建立的力学模型和参数定义，定义了螺旋钻杆的具体尺寸和煤样的属性。常用的螺旋钻杆外径（2r）为38毫米，螺距（2πb）为70毫米，b约为11.15毫米，螺旋结构高度d为8毫米。中心杆的半径r为11毫米，螺旋结构厚度a为2毫米。煤样的密度（ρ）取为1400千克/立方米，钻孔深度h为15米。根据方程式（15）给出的钻屑质量m0与钻屑积累高度x1之间的关系，结果变化模式如图7所示。

下载：下载高分辨率图像（123kb）下载：下载全尺寸图像图7. 钻孔内钻屑积累高度与钻屑质量的曲线。如方程式（13）和（14）所示，螺旋钻杆的钻屑排出力fz和钻屑排出扭矩mz都与钻屑积累高度x1呈增加关系。图7表明，积累高度x1与钻孔内的钻屑量成正比。因此，fz和mz都随着钻屑质量的增加而增加。根据文献[32]，钻屑质量与煤应力呈线性增加关系。在钻屑方法作业过程中，随着煤应力的增加，产生的钻屑质量逐渐提高。同时，螺旋钻杆与钻孔壁之间的摩擦也增加。方程式（13）表明，钻屑排出力fz随之增加。当作用在钻头上的fz逐渐增加并超过切割所需的破岩力fr时，钻速加快。这导致钻推力fn显著减小，表现为吸附现象。当钻孔通过高应力区时，煤应力减小，从而产生的钻屑质量逐渐下降并最终稳定。排屑力fz随之减小，钻推力fn逐渐增加并稳定，这解释了文献中报道的现场实验结果。如果煤应力继续增加，吸附现象会变得更加严重，进一步加速钻屑的生成速度。根据方程式（14），螺旋钻杆的钻屑排出扭矩mz进一步增加。由于钻机提供的功率是恒定的，mz的增加会导致钻机的旋转速度下降，从而降低螺旋钻杆的输送速度。这导致钻屑在钻孔底部堆积。当mz超过钻机的最大扭矩mn时，会发生粘附现象。另一方面，如果煤应力过高，突然的钻孔坍塌也可能导致mz超过mn，从而导致粘附。基于上述理论分析，当发生吸附现象时，可以通过以下方法缓解其发展，并在某种程度上避免由此引起的后续粘附：控制钻推力（fn）：平衡螺旋钻杆产生的钻屑排出力（fz），增加破岩时间，并保持恒定的破岩力（fr）；提高螺旋钻杆的旋转速度：提高螺旋钻杆的排屑能力，从而减少钻孔内的钻屑量。当螺旋钻杆发生粘附时，根据螺旋结构的特性，在反向旋转的同时施加拉力可以产生额外的外向拉力。此外，使用外部力量（如注入高压气体）分散钻孔内的积聚钻屑，将进一步有助于解困卡住的钻杆。这种分析为解决吸附和粘附现象以及开发idcmdr提供了方法和见解。

3. 开发用于解决吸附和粘附现象的idcmdr基于理论上提出的解决吸附和粘附现象的方法，开发了一种idcmdr来解决这些问题。idcmdr主要包括钻井机构、升降和旋转系统、前部组合支撑、后部组合支撑、燃料箱、控制系统、泵组件和履带底盘。图8展示了idcmdr的建模图。idcmdr使用防爆电机驱动液压泵组件，为履带、钻井机构和组合支撑等系统提供动力。这使得钻机能够执行移动、支撑以及调整动作，如钻杆旋转和进给等功能。下载：下载高分辨率图像（76kb）下载：下载全尺寸图像图8. 智能钻屑方法钻机（idcmdr）的整体示意图。3.1. 用于解决吸附和粘附现象的idcmdr的动力系统设计如理论分析所示，提高排屑速度——即螺旋钻杆的旋转速度，可以在一定程度上防止吸附和粘附现象的发生。因此，idcmdr配备了22千瓦的防爆电机，使钻井机构能够达到最大旋转速度430转/分钟和最大扭矩315牛顿·米。为了确保钻机在狭窄空间中的机动性，履带底盘设计有±20°的爬坡能力。如图9a和b所示，钻机在移动时的尺寸为2500毫米×1100毫米×2000毫米（长度×宽度×高度）。根据可用的地下移动空间，这些尺寸可以灵活调整。如图9c所示，最小移动长度可以减少到2150毫米，最小移动宽度可以减少到800毫米。idcmdr的特点是动力充沛、结构紧凑且机动性出色。下载：下载高分辨率图像（726kb）下载：下载全尺寸图像图9. idcmdr的尺寸示意图。3.2. 2.3. 螺旋钻杆输送钻屑的力学分析为了简化螺旋钻杆输送钻屑的力分析，选取了一个单一螺旋结构进行解析。基本假设如下：（1）钻屑对螺旋结构施加的法向力和剪向力都是恒定值；（2）单个螺旋结构切线投影中积累的钻屑高度始终等于螺旋结构的高度；（3）单个螺旋结构内的钻屑积累高度是均匀的；（4）每个螺旋结构中的钻屑积累量和高度是相同的。在钻机的扭矩mn作用下，螺旋钻杆将钻屑从钻孔内部输送到外部。钻屑对螺旋结构施加一个反作用力，该反作用力可以分解为两个分量：一个是切向钻屑排出扭矩mz，另一个是轴向钻屑排出力fz。为了便于螺旋钻杆的力分析，如图3所示，单个螺旋结构表面被分解为沿螺旋钻杆切向的矩形投影表面和沿轴向的环形投影表面。 下载：下载高分辨率图像（237kb）下载：下载全尺寸图像图3. 螺旋钻杆单个螺旋结构的投影图。如图4所示，单个螺旋结构表面沿螺旋钻杆切向投影，形成一个矩形投影表面。螺旋钻杆的螺距为2πb，螺旋结构的高度为d，螺旋结构的平均半径为（r ? d 2），螺旋结构的厚度为a，单个螺旋结构的螺旋长度为l。参数x1表示钻屑积累高度。螺旋的参数方程由方程式（5）给出。将螺旋投影到xoz平面上，得到螺旋的投影方程，由方程式（6）表示。不同钻屑积累高度x1在[0, 2r]范围内的螺旋结构切向投影面的宽度lz由方程式（7）给出。根据假设（2），可以确定不同积累高度x1的螺旋结构切向投影面积s1，如方程式（8）所示。这表明切向投影面积s1随着钻屑积累高度x1的增加而增加。单个螺旋结构的侧表面面积s2的表达式由方程式（9）给出。下载：下载高分辨率图像（92kb）下载：下载全尺寸图像图4. 单个螺旋结构切向投影面积的示意图。螺旋的参数方程：(5)x=-Rcosθ+Ry=Rsinθ z=bθ螺旋在xoz平面上的投影方程：(6){z=bcos-1-xR+1 y=0 (0≤x≤2r) (0≤z≤πb) 切向矩形投影面上钻屑的宽度：(7)lz=2 z=2bcos-1(-xR+1) 切向矩形投影面上钻屑的面积：(8)s1=d×Lz=2dbcos-1(-x1R+1) 单个螺旋结构的侧表面面积：(9)s2=a×L=2πab2+R2如图5所示，单个螺旋结构表面沿螺旋钻杆轴向投影，形成一个环形投影表面。环的外径为2R，内径为2r。根据假设（3），可以绘制不同钻屑积累高度在环上的投影面积，钻屑在环上的投影面积表示为S3(x1)，由方程式（10）确定。这里，fR(x)表示半径为R的圆的公式，fr(x)表示半径为r的圆的公式，x1的范围是[0, 2r]。根据x1的值，fr(x)的积分分段表示，如方程式（11）所示。下载：下载高分辨率图像（192kb）下载：下载全尺寸图像图5. 单个螺旋结构轴向投影面积的示意图。沿轴向投影的钻屑面积：(10)s3(x1)=2∫0x1fR(x)-fr(x)dx函数fr(x)的分段积分定义如下：(11)∫0x1fr(x)dx={0 x1≤r-r∫r-rx1r2-x-r2dx r-r≤x1≤r+rπr2 r+r≤x1将方程式（11）代入方程式（10）得到：(12)s3(x1)={2∫0x1fR(x)dx=x1-R2R2-(x1-R)2+πR22+R22sin-1(x1-RR) (0≤x1≤r-r)2∫0x1fr(x)dx-∫r-rx1fr(x)dx=x1-R2R2-(x1-R)2+2πR2-πr24+R22sin-1(x1-RR)-r22sin-1(x1-Rr)-x1-R2r2-(x1-R)2(R-r≤x1≤R+r)2∫0x1fR(x)dx-πr2=x1-R2R2-(x1-R)2+πR22-πr2+R22sin-1(x1-RR)(R+r≤x1≤2R)如图6所示，在螺旋钻杆将钻屑从钻孔中输送出来的过程中，钻屑单元对螺旋结构表面施加法向應力和剪應力。同时，钻孔壁也对螺旋结构的侧表面施加剪應力。钻屑在螺旋钻杆上的力分析可以用方程式（13）和（14）表示。 下载：下载高分辨率图像（90kb）下载：下载全尺寸图像图6. 螺旋钻杆排屑力fz的示意图。螺旋钻杆的钻屑排出力fz：(13)fz(x1)=H2πb+a[σz-τnzS3x1+τqzS2]=Hπb[σz-τnz∫0x1fRx-frxdx+τqzπab2+R2]螺旋钻杆的钻屑排出扭矩Mz：(14)Mz(x1)=H2πb+a(R-d2)[τnθ+σθS1+τqθS2]=2H2πb+a(R-d2)[τnθ+σθdbcos-1-x1R+τqθπab2+R2]当钻井深度H为15米时，钻屑质量M0与钻屑积累高度x1之间的关系为：(15)M0x1=H2πb+a2πbρS3x1=H2πb+a2πbρ∫0x1fRx-frxdx其中H是钻孔深度；τn是钻屑对螺旋结构表面施加的剪應力，τnθ和τnz分别是其切向和轴向分量；σ是钻屑对螺旋结构表面施加的法向應力，σθ和σz分别是其切向和軸向分量；τq是钻孔壁对螺旋结构侧表面施加的剪應力，τqθ和τqz分别是其切向和軸向分量。根据建立的力学模型和参数定义，定义了螺旋钻杆的具体尺寸和煤样的属性。常用的螺旋钻杆外径（2R）为38毫米，螺距（2πb）为70毫米，b约为11.15毫米，螺旋结构高度d为8毫米。中心杆的半径r为11毫米，螺旋结构厚度a为2毫米。煤样的密度（ρ）取为1400千克/立方米，钻孔深度H为15米。根据方程式（15）给出的钻屑质量M0与钻屑积累高度x1之间的关系，结果变化模式如图7所示。 下载：下载高分辨率图像（123kb）下载：下载全尺寸图像图7. 钻孔内钻屑积累高度与钻屑质量的曲线。如方程式（13）和（14）所示，螺旋钻杆的钻屑排出力fz和钻屑排出扭矩mz都与钻屑积累高度x1呈增加关系。图7表明，积累高度x1与钻孔内的钻屑量成正比。因此，fz和mz都随着钻屑质量的增加而增加。根据文献[32]，钻屑质量与煤应力呈线性增加关系。在钻屑方法作业过程中，随着煤应力的增加，产生的钻屑质量逐渐提高。同时，螺旋钻杆与钻孔壁之间的摩擦也增加。方程式（13）表明，钻屑排出力fz随之增加。当作用在钻头上的fz逐渐增加并超过切割所需的破岩力fr时，钻速加快。这导致钻推力fn显著减小，表现为吸附现象。当钻孔通过高应力区时，煤应力减小，从而产生的钻屑质量逐渐下降并最终稳定。排屑力fz随之减小，钻推力fn逐渐增加并稳定，这解释了文献中报道的现场实验结果。如果煤应力继续增加，吸附现象会变得更加严重，进一步加速钻屑的生成速度。根据方程式（14），螺旋钻杆的钻屑排出扭矩mz进一步增加。由于钻机提供的功率是恒定的，mz的增加会导致钻机的旋转速度下降，从而降低螺旋钻杆的输送速度。这导致钻屑在钻孔底部堆积。当mz超过钻机的最大扭矩mn时，会发生粘附现象。另一方面，如果煤应力过高，突然的钻孔坍塌也可能导致mz超过mn，从而导致粘附。基于上述理论分析，当发生吸附现象时，可以通过以下方法缓解其发展，并在某种程度上避免由此引起的后续粘附：控制钻推力（fn）：平衡螺旋钻杆产生的钻屑排出力（fz），增加破岩时间，并保持恒定的破岩力（fr）；提高螺旋钻杆的旋转速度：提高螺旋钻杆的排屑能力，从而减少钻孔内的钻屑量。当螺旋钻杆发生粘附时，根据螺旋结构的特性，在反向旋转的同时施加拉力可以产生额外的外向拉力。此外，使用外部力量（如注入高压气体）分散钻孔内的积聚钻屑，将进一步有助于解困卡住的钻杆。这种分析为解决吸附和粘附现象以及开发idcmdr提供了方法和见解。 3. 开发用于解决吸附和粘附现象的idcmdr基于理论上提出的解决吸附和粘附现象的方法，开发了一种idcmdr来解决这些问题。idcmdr主要包括钻井机构、升降和旋转系统、前部组合支撑、后部组合支撑、燃料箱、控制系统、泵组件和履带底盘。图8展示了idcmdr的建模图。idcmdr使用防爆电机驱动液压泵组件，为履带、钻井机构和组合支撑等系统提供动力。这使得钻机能够执行移动、支撑以及调整动作，如钻杆旋转和进给等功能。下载：下载高分辨率图像（76kb）下载：下载全尺寸图像图8. 智能钻屑方法钻机（idcmdr）的整体示意图。3.1. 用于解决吸附和粘附现象的idcmdr的动力系统设计如理论分析所示，提高排屑速度——即螺旋钻杆的旋转速度，可以在一定程度上防止吸附和粘附现象的发生。因此，idcmdr配备了22千瓦的防爆电机，使钻井机构能够达到最大旋转速度430转 分钟和最大扭矩315牛顿·米。为了确保钻机在狭窄空间中的机动性，履带底盘设计有±20°的爬坡能力。如图9a和b所示，钻机在移动时的尺寸为2500毫米×1100毫米×2000毫米（长度×宽度×高度）。根据可用的地下移动空间，这些尺寸可以灵活调整。如图9c所示，最小移动长度可以减少到2150毫米，最小移动宽度可以减少到800毫米。idcmdr的特点是动力充沛、结构紧凑且机动性出色。下载：下载高分辨率图像（726kb）下载：下载全尺寸图像图9.>
2.3. 螺旋钻杆输送钻屑的力学分析为了简化螺旋钻杆输送钻屑的力分析，选取了一个单一螺旋结构进行解析。基本假设如下：（1）钻屑对螺旋结构施加的法向力和剪向力都是恒定值；（2）单个螺旋结构切线投影中积累的钻屑高度始终等于螺旋结构的高度；（3）单个螺旋结构内的钻屑积累高度是均匀的；（4）每个螺旋结构中的钻屑积累量和高度是相同的。在钻机的扭矩mn作用下，螺旋钻杆将钻屑从钻孔内部输送到外部。钻屑对螺旋结构施加一个反作用力，该反作用力可以分解为两个分量：一个是切向钻屑排出扭矩mz，另一个是轴向钻屑排出力fz。为了便于螺旋钻杆的力分析，如图3所示，单个螺旋结构表面被分解为沿螺旋钻杆切向的矩形投影表面和沿轴向的环形投影表面。

下载：下载高分辨率图像（237kb）下载：下载全尺寸图像图3. 螺旋钻杆单个螺旋结构的投影图。如图4所示，单个螺旋结构表面沿螺旋钻杆切向投影，形成一个矩形投影表面。螺旋钻杆的螺距为2πb，螺旋结构的高度为d，螺旋结构的平均半径为（r ? d/2），螺旋结构的厚度为a，单个螺旋结构的螺旋长度为l。参数x1表示钻屑积累高度。螺旋的参数方程由方程式（5）给出。将螺旋投影到xoz平面上，得到螺旋的投影方程，由方程式（6）表示。不同钻屑积累高度x1在[0, 2r]范围内的螺旋结构切向投影面的宽度lz由方程式（7）给出。根据假设（2），可以确定不同积累高度x1的螺旋结构切向投影面积s1，如方程式（8）所示。这表明切向投影面积s1随着钻屑积累高度x1的增加而增加。单个螺旋结构的侧表面面积s2的表达式由方程式（9）给出。下载：下载高分辨率图像（92kb）下载：下载全尺寸图像图4. 单个螺旋结构切向投影面积的示意图。螺旋的参数方程：(5)x=-rcosθ+ry=rsinθ z=bθ螺旋在xoz平面上的投影方程：(6){z=bcos-1-xr+1 y=0 (0≤x≤2r) (0≤z≤πb) 切向矩形投影面上钻屑的宽度：(7)lz=2 z=2bcos-1(-xr+1) 切向矩形投影面上钻屑的面积：(8)s1=d×lz=2dbcos-1(-x1r+1) 单个螺旋结构的侧表面面积：(9)s2=a×l=2πab2+r2如图5所示，单个螺旋结构表面沿螺旋钻杆轴向投影，形成一个环形投影表面。环的外径为2r，内径为2r。根据假设（3），可以绘制不同钻屑积累高度在环上的投影面积，钻屑在环上的投影面积表示为s3(x1)，由方程式（10）确定。这里，fr(x)表示半径为r的圆的公式，fr(x)表示半径为r的圆的公式，x1的范围是[0, 2r]。根据x1的值，fr(x)的积分分段表示，如方程式（11）所示。下载：下载高分辨率图像（192kb）下载：下载全尺寸图像图5. 单个螺旋结构轴向投影面积的示意图。沿轴向投影的钻屑面积：(10)s3(x1)=2∫0x1fr(x)-fr(x)dx函数fr(x)的分段积分定义如下：(11)∫0x1fr(x)dx={0 x1≤r-r∫r-rx1r2-x-r2dx r-r≤x1≤r+rπr2 r+r≤x1将方程式（11）代入方程式（10）得到：(12)s3(x1)={2∫0x1fr(x)dx=x1-r2r2-(x1-r)2+πr22+r22sin-1(x1-rr) (0≤x1≤r-r)2∫0x1fr(x)dx-∫r-rx1fr(x)dx=x1-r2r2-(x1-r)2+2πr2-πr24+r22sin-1(x1-rr)-r22sin-1(x1-rr)-x1-r2r2-(x1-r)2(r-r≤x1≤r+r)2∫0x1fr(x)dx-πr2=x1-r2r2-(x1-r)2+πr22-πr2+r22sin-1(x1-rr)(r+r≤x1≤2r)如图6所示，在螺旋钻杆将钻屑从钻孔中输送出来的过程中，钻屑单元对螺旋结构表面施加法向應力和剪應力。同时，钻孔壁也对螺旋结构的侧表面施加剪應力。钻屑在螺旋钻杆上的力分析可以用方程式（13）和（14）表示。

下载：下载高分辨率图像（90kb）下载：下载全尺寸图像图6. 螺旋钻杆排屑力fz的示意图。螺旋钻杆的钻屑排出力fz：(13)fz(x1)=h2πb+a[σz-τnzs3x1+τqzs2]=hπb[σz-τnz∫0x1frx-frxdx+τqzπab2+r2]螺旋钻杆的钻屑排出扭矩mz：(14)mz(x1)=h2πb+a(r-d2)[τnθ+σθs1+τqθs2]=2h2πb+a(r-d2)[τnθ+σθdbcos-1-x1r+τqθπab2+r2]当钻井深度h为15米时，钻屑质量m0与钻屑积累高度x1之间的关系为：(15)m0x1=h2πb+a2πbρs3x1=h2πb+a2πbρ∫0x1frx-frxdx其中h是钻孔深度；τn是钻屑对螺旋结构表面施加的剪應力，τnθ和τnz分别是其切向和轴向分量；σ是钻屑对螺旋结构表面施加的法向應力，σθ和σz分别是其切向和軸向分量；τq是钻孔壁对螺旋结构侧表面施加的剪應力，τqθ和τqz分别是其切向和軸向分量。根据建立的力学模型和参数定义，定义了螺旋钻杆的具体尺寸和煤样的属性。常用的螺旋钻杆外径（2r）为38毫米，螺距（2πb）为70毫米，b约为11.15毫米，螺旋结构高度d为8毫米。中心杆的半径r为11毫米，螺旋结构厚度a为2毫米。煤样的密度（ρ）取为1400千克/立方米，钻孔深度h为15米。根据方程式（15）给出的钻屑质量m0与钻屑积累高度x1之间的关系，结果变化模式如图7所示。

下载：下载高分辨率图像（123kb）下载：下载全尺寸图像图7. 钻孔内钻屑积累高度与钻屑质量的曲线。如方程式（13）和（14）所示，螺旋钻杆的钻屑排出力fz和钻屑排出扭矩mz都与钻屑积累高度x1呈增加关系。图7表明，积累高度x1与钻孔内的钻屑量成正比。因此，fz和mz都随着钻屑质量的增加而增加。根据文献[32]，钻屑质量与煤应力呈线性增加关系。在钻屑方法作业过程中，随着煤应力的增加，产生的钻屑质量逐渐提高。同时，螺旋钻杆与钻孔壁之间的摩擦也增加。方程式（13）表明，钻屑排出力fz随之增加。当作用在钻头上的fz逐渐增加并超过切割所需的破岩力fr时，钻速加快。这导致钻推力fn显著减小，表现为吸附现象。当钻孔通过高应力区时，煤应力减小，从而产生的钻屑质量逐渐下降并最终稳定。排屑力fz随之减小，钻推力fn逐渐增加并稳定，这解释了文献中报道的现场实验结果。如果煤应力继续增加，吸附现象会变得更加严重，进一步加速钻屑的生成速度。根据方程式（14），螺旋钻杆的钻屑排出扭矩mz进一步增加。由于钻机提供的功率是恒定的，mz的增加会导致钻机的旋转速度下降，从而降低螺旋钻杆的输送速度。这导致钻屑在钻孔底部堆积。当mz超过钻机的最大扭矩mn时，会发生粘附现象。另一方面，如果煤应力过高，突然的钻孔坍塌也可能导致mz超过mn，从而导致粘附。基于上述理论分析，当发生吸附现象时，可以通过以下方法缓解其发展，并在某种程度上避免由此引起的后续粘附：控制钻推力（fn）：平衡螺旋钻杆产生的钻屑排出力（fz），增加破岩时间，并保持恒定的破岩力（fr）；提高螺旋钻杆的旋转速度：提高螺旋钻杆的排屑能力，从而减少钻孔内的钻屑量。当螺旋钻杆发生粘附时，根据螺旋结构的特性，在反向旋转的同时施加拉力可以产生额外的外向拉力。此外，使用外部力量（如注入高压气体）分散钻孔内的积聚钻屑，将进一步有助于解困卡住的钻杆。这种分析为解决吸附和粘附现象以及开发idcmdr提供了方法和见解。

3. 开发用于解决吸附和粘附现象的idcmdr基于理论上提出的解决吸附和粘附现象的方法，开发了一种idcmdr来解决这些问题。idcmdr主要包括钻井机构、升降和旋转系统、前部组合支撑、后部组合支撑、燃料箱、控制系统、泵组件和履带底盘。图8展示了idcmdr的建模图。idcmdr使用防爆电机驱动液压泵组件，为履带、钻井机构和组合支撑等系统提供动力。这使得钻机能够执行移动、支撑以及调整动作，如钻杆旋转和进给等功能。下载：下载高分辨率图像（76kb）下载：下载全尺寸图像图8. 智能钻屑方法钻机（idcmdr）的整体示意图。3.1. 用于解决吸附和粘附现象的idcmdr的动力系统设计如理论分析所示，提高排屑速度——即螺旋钻杆的旋转速度，可以在一定程度上防止吸附和粘附现象的发生。因此，idcmdr配备了22千瓦的防爆电机，使钻井机构能够达到最大旋转速度430转/分钟和最大扭矩315牛顿·米。为了确保钻机在狭窄空间中的机动性，履带底盘设计有±20°的爬坡能力。如图9a和b所示，钻机在移动时的尺寸为2500毫米×1100毫米×2000毫米（长度×宽度×高度）。根据可用的地下移动空间，这些尺寸可以灵活调整。如图9c所示，最小移动长度可以减少到2150毫米，最小移动宽度可以减少到800毫米。idcmdr的特点是动力充沛、结构紧凑且机动性出色。下载：下载高分辨率图像（726kb）下载：下载全尺寸图像图9. idcmdr的尺寸示意图。3.2.>IDCMDR的功能设计用于解决抽吸和卡钻现象问题

如图8、图9、图10所示，履带底盘的前后部分分别装有前组合支撑装置和后组合支撑装置。通过前组合支撑装置、后组合支撑装置以及前立柱组合支撑装置的协同作用，IDCMDR实现了稳定的“从地面到天花板”的支撑配置。这确保了在正常钻屑方法作业以及解决抽吸和卡钻现象时设备的稳定性。如图10所示，提升和旋转系统包括提升机构、提升缸、水平旋转机构以及垂直旋转机构。提升机构可以沿前立柱组合支撑装置垂直滑动，滑动距离约为700毫米，从而使水平钻井高度可以在1100毫米到1800毫米的范围内进行调整。

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图10. 提升和旋转系统结构示意图。

根据理论分析，当螺旋钻杆发生卡钻事件时，可以通过反转螺旋钻杆的旋转或向孔内注入高压气体来帮助解决卡钻问题。如图11所示，钻井机构包括动力头、钻臂、倍速机构、供给缸和辅助供给缸。动力头的后部装有液压油进出口；通过改变这些端口中的流体方向，动力头可以驱动螺旋钻杆正向或反向旋转。动力头还设计有高压气体进口，允许高压气体通过动力头和螺旋钻杆的内部通道到达孔底。在钻屑方法作业过程中，通过供给缸和辅助供给缸的协同作用，钻杆的进给行程可达1800毫米，从而方便进行跨输送带钻屑方法作业。每个供给缸可以提供最大40千牛顿的推力和拉力。供给缸和辅助供给缸的同步伸缩使作用在螺旋钻杆上的推力和拉力加倍，进一步有助于在抽吸和卡钻现象发生时回收钻杆。通过水平旋转机构、垂直旋转机构和钻井机构的协同操作，可以在钻机的前半球范围内的任何方向进行钻井，显著提高了IDCMDR的操作灵活性。

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图11. 钻井机构示意图。

3.3. IDCMDR的多参数监测系统设计用于解决抽吸和卡钻现象问题

如图12所示，IDCMDR配备了多个传感器，在钻屑方法作业过程中收集多参数数据。具体来说，通过霍尔元件非接触式测量钻杆的旋转速度；通过辅助供给缸和供给缸内的内置位移传感器获取钻杆的位移，从而间接得出钻井速度；通过使用液压压力传感器测量动力头的液压油进出口处的压力差来间接获得钻杆的扭矩；通过安装在倍速机构和动力头之间的压力传感器获取钻杆的推力。此外，还安装了推力和扭矩压力表，以便实时观察钻屑方法作业过程中的推力和扭矩变化。这种设置验证了关于抽吸和卡钻现象期间钻机推力（Fn）和排屑扭矩（Mz）变化的理论分析，从而提供了识别这些现象发生的方法。总之，IDCMDR满足了理论分析提出的所有解决抽吸和卡钻现象的功能要求。

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图12. IDCMDR及其多参数传感器分布图。

4. 用于解决抽吸和卡钻现象的现场实验

为了验证IDCMDR在钻屑方法作业过程中解决抽吸和卡钻现象的可行性，在山西省某煤矿的S5207回风道进行了现场测量，该区域发生了显著的变形。根据国家标准，测量并计算了测试巷道的标记钻屑质量和临界钻屑质量。在发生抽吸和卡钻现象的位置，使用了螺纹连接的螺旋钻杆和销连接的螺旋钻杆进行了验证测试。分析了这两种类型钻杆在遭受抽吸和卡钻现象时的逃逸能力。

4.1. IDCMDR的机动性测试

钻屑方法作业是在靠近工作面的巷道中进行的，该区域典型的特点是巷道变形严重且工作空间受限。因此，IDCMDR的移动和机动能力至关重要。在距离S5207工作面200米的范围内进行了移动能力测试。测试结果表明，IDCMDR完全适应了测试巷道的道路条件，并成功到达距离S5207工作面大约10米的先进支撑区域进行钻屑方法作业。如图13a所示，先进支撑区域两侧的液压单支柱之间的距离约为2000毫米。为了进一步评估其移动能力，如图13b所示，选择了一段坡度约为10到15度的S5207回风道，并在其中人工制造了一个大约400毫米深的坑。现场实验证实，IDCMDR可以轻松跨越此类障碍物。这验证了该设备在复杂和不利条件下的出色机动性，为钻屑方法作业提供了强大的支持。

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图13. 钻屑机器人吞吐量的实际测量结果。

4.2. 在S5207回风道中的钻屑方法实验

如图14所示，在S5207回风道中布置了六个钻孔，深度从16米到19米不等。钻孔1#至3#位于距离工作面210米到230米的区域，该区域未受到采矿活动或地质结构的影响。这些钻孔用于测量标记钻屑质量并计算临界钻屑质量。钻孔4#至6#位于距离工作面10米到30米的区域，用于测量实际钻屑质量并评估煤炭应力状态。

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图14. 钻孔示意图。

如图15所示，钻孔1#至3#的实际深度为19米。钻屑方法作业的钻孔深度通常是巷道高度的3到4倍。由于作业现场的巷道高度为3.8米，因此只需分析1米到16米范围内的临界钻屑质量。根据国家标准，当钻孔深度为1米到5米时，临界钻屑质量是标记钻屑质量的1.5倍；当钻孔深度为6米到11米时，是标记钻屑质量的2倍；当钻孔深度为12米到16米时，是标记钻屑质量的3倍。据此确定了作业点的临界钻屑质量。图16显示了钻孔4#至6#的钻屑质量分布。

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图15. 钻孔1#至3#的钻屑质量统计图表。
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图16. 钻孔4#至6#的切屑质量统计图表。

图15和图16的对比显示，钻孔4#至6#的钻屑质量有显著提高。在图16中，钻孔6#在10米到12米深度处的钻屑质量迅速增加，超过了临界钻屑质量。在现场作业中，该位置的抽吸现象非常明显，并且在13米处发生了突然的卡钻现象，表明钻孔6#附近煤炭应力较高。如图16所示，钻孔6#附近观察到了严重的地面隆起和巷道肋变形。这表明，通过测量钻屑质量反映的应力状态与实际现场条件一致。现场实验表明，在钻孔1#至5#产生高钻屑质量的区域，IDCMDR的推力液压仪表读数显著下降，而扭矩液压仪表读数增加，表明发生了抽吸现象。这与理论分析中关于螺旋钻杆在抽吸现象期间的推力和扭矩变化相符。在这种情况下，通过提高旋转速度和降低螺旋钻杆的钻井速度，有效控制了抽吸现象，防止了卡钻的发生，确保了钻屑方法作业的连续性。这验证了解决抽吸现象的可行性。

4.3. 卡钻钻杆处理的实验分析

现场实验表明，钻孔6#附近存在较高的煤炭应力，并伴有抽吸和卡钻现象的发生。因此，在钻孔6#附近使用了螺纹连接的螺旋钻杆和销连接的螺旋钻杆进行了多次钻屑方法实验。如图17所示，这些实验是为了验证理论分析提出的解决卡钻现象方法的可行性。

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图17. 用于解决卡钻钻杆的IDCMDR。

如图17a所示，在钻屑方法作业过程中发生卡钻现象时，辅助供给缸伸出以驱动钻臂朝向钻孔开口，从而帮助回收卡住的钻杆。在此过程中，供给缸和辅助供给缸同步收回，以增加作用在螺旋钻杆上的拉力。同时，激活IDCMDR的“从地面到天花板”的支撑，以确保其在处理卡钻钻杆时的稳定性。当使用螺纹连接的螺旋钻杆发生卡钻时，由于螺纹连接的原因，无法反转旋转。因此，通过动力头的高压气体进口向孔底注入高压气体。在供给缸和辅助供给缸同步收回产生的拉力作用下，并通过多次尝试将螺旋钻杆向前驱动，最终可以从孔中取出卡住的螺纹连接螺旋钻杆，如图17b所示。反复驱动钻杆旋转的目的是松动积累的钻屑，为高压气体流出孔洞创造空间，从而实现分散积累钻屑的效果。销连接的螺旋钻杆通过销 coupling 连接，它可以承受相对较低的拉力，但可以在正向和反向传递相等的扭矩。当销连接的螺旋钻杆发生卡钻时，根据螺旋结构的特点，动力头驱动销连接的螺旋钻杆反向旋转。在供给缸和辅助供给缸同步收回产生的拉力的辅助下，无论是否向孔内注入高压气体，都可以轻松从孔中取出卡住的钻杆，如图17c所示。现场实验表明，在卡钻过程中，推力和扭矩液压仪表的读数迅速增加。这一现象可以作为识别卡钻现象的指标。

基于IDCMDR在解决螺旋钻杆卡钻现象方面的实验结果，进一步验证了理论分析提出的卡钻钻杆回收方法的可行性。这表明，开发出的IDCMDR完全能够执行钻屑方法所需的现场作业。

5. 讨论

5.1.**导致吸附和粘卡现象的主要因素分析**

通过一项关于解决钻杆卡住的现场实验，发现注入高压气体或反向旋转钻杆都可以解决钻杆卡住的问题。当钻臂不施加拉力时，可以通过反向旋转来转动螺纹连接的螺旋钻杆，但正向旋转非常困难。同时，注入高压气体可以将大量钻屑从孔洞中排出，而反向旋转钻杆可以将大量钻屑输送到孔洞底部——这两种方法都有助于分散积累的钻屑。由此可以推断，导致粘卡的主要因素是煤粉的积累，而孔洞坍塌引起粘卡的可能性相对较低。现场实验还显示，通过动力头反向旋转来解决粘卡现象的螺旋钻杆通常会出现表面温度升高的情况，这主要是由于积累的钻屑与螺旋钻杆之间的高压摩擦所致。

## 5.2 IDCMDR开发的必要性分析

钻屑方法的现场实验表明，手持钻机所能达到的孔洞深度大约为10米至13米，主要是由于手持钻机的功率有限。在钻探过程中，随着孔洞深度的增加，排屑扭矩也随之增加，导致旋转速度下降，排屑速度降低。这会导致孔洞内钻屑的质量增加，从而容易发生吸附和粘卡现象。为了防止钻具丢失，现场操作人员通常在达到一定深度后停止钻探，无法达到目标孔洞深度。开发的IDCMDR可以通过监测螺旋钻杆的推力和扭矩变化来识别这些现象的发生，并能够及时采取措施来缓解吸附或解决粘卡问题，消除了对钻具丢失的担忧，使得钻洞深度可以达到19米或更高。

在钻屑方法的现场实验中观察到，当IDCMDR达到19米的孔洞深度时，即使没有吸附或粘卡现象，多人协作也无法将钻杆从孔洞中拔出。然而，IDCMDR可以轻松抽出钻杆。IDCMDR显著减少了由吸附现象引起的粘卡现象的发生，防止了由于粘卡导致的螺旋钻杆丢失，并解决了钻屑方法操作中的“测量困难”和“设备短缺”问题。这确保了使用钻屑方法进行岩爆风险预测的准确性，并提高了钻屑方法的操作效率。

## 5.3 IDCMDR的操作效率分析

为了比较IDCMDR和手持钻机的操作效率，在IDCMDR的测试现场附近使用手持钻机进行了钻屑方法的操作，如图14所示。记录了IDCMDR和手持钻机每米孔洞钻探的平均时间消耗。如图2所示，IDCMDR的平均时间约为54秒/米，而手持钻机的平均时间约为82秒/米。与手持钻机相比，IDCMDR将每米孔洞钻探的平均时间消耗降低了约34%。手持钻机需要两人来持钻和操作，另需一人负责称量和记录钻屑，总共需要三人。相比之下，IDCMDR只需一名操作员在控制台操作，另需一人负责钻杆的组装/拆卸和钻屑的称量/记录，总共需要两人。与手持钻机相比，IDCMDR减少了一名操作员，降低了钻屑方法操作的劳动强度。

## 5.4 识别螺旋钻杆中吸附和粘卡现象发生的方法

根据第2.3节的分析，了解到排屑扭矩\(M_z\)和排屑力\(F_z\)都是由钻机的扭矩\(M_n\)提供的。结合现场实验结果，表明钻机的扭矩是识别吸附和粘卡现象的关键参数，因此提出了一种识别螺旋钻杆中吸附和粘卡现象的方法。具体步骤如下：
(1) IDCMDR在给定的旋转速度和钻探速度下进行现场钻屑方法操作，同时持续获取和监控多参数数据，如钻杆扭矩、推力、钻探速度和旋转速度。这些多参数数据与孔洞深度的关系曲线实时绘制出来。当螺旋钻杆的扭矩和推力变化相对稳定时，操作继续进行，直到钻屑方法操作完成。
(2) 当螺旋钻杆的扭矩值增加且钻探速度上升时，说明发生了吸附现象。通过控制钻机的推力来降低螺旋钻杆的钻探速度，同时增加其旋转速度。如果螺旋钻杆的扭矩逐渐减小并稳定下来，且钻探速度也趋于稳定，则说明吸附现象已经得到缓解。然后可以逐渐恢复螺旋钻杆的钻探速度和旋转速度。如果钻探速度降至接近零而扭矩仍未得到缓解，则说明螺旋钻杆发生了粘卡。此时钻机会发出警报并启动解决钻杆卡住的程序。
(3) 当螺旋钻杆的扭矩突然超过钻机的最大扭矩时，钻探速度会急剧下降，推力值会迅速增加。这表明发生了粘卡现象。钻机会发出警报并启动解决钻杆卡住的程序。
(4) 在成功解决螺旋钻杆的吸附和粘卡现象后，可以重复步骤(1)至(3)，直到钻屑方法操作完成。同时，通过分析多参数数据与孔洞深度的关系曲线，可以进一步了解测试现场附近的煤应力状态。如图19所示，展示了IDCMDR中处理螺旋钻杆吸附和粘卡现象的处理过程。

## 6. 结论

(1) 通过对螺旋钻杆吸附和粘卡现象的机械分析，证明钻屑排屑力(\(F_z\))和排屑扭矩(\(M_z\))是分析这些现象的关键指标。钻屑的质量是影响\(F_z\)和\(M_z\)变化模式的主要因素。随着钻屑质量的提高，当\(F_z\)超过钻头所需的破岩力(\(Fr\)时，会发生吸附现象，导致钻速加快。当\(M_z\)与破岩扭矩(\(Mr\))之和超过钻机的最大扭矩(\(M_n\))时，会发生粘卡现象。还提出了解决这些现象的方法。
(2) 基于为解决钻屑方法中的吸附和粘卡现象提出的理论方法，开发了IDCMDR来缓解这些问题。在钻屑方法的现场操作中，当发生吸附现象时，推力和扭矩液压仪表的读数会显著下降和上升，伴随着钻屑质量的相应提高。通过调整螺旋钻杆的旋转速度和钻探速度，有效控制了吸附现象，确保了钻屑方法操作的连续性。
(3) 当发生粘卡现象时，推力和扭矩液压仪表的读数会迅速增加。IDCMDR同步收缩进给缸和辅助进给缸，使其提取力增大；可以通过注入高压气体或反向旋转螺旋钻杆来解决钻杆卡住的问题，验证了解决吸附和粘卡现象的理论方法的可行性。还观察到，现场操作中的粘卡现象主要是由煤粉积累造成的。
(4) 螺纹连接的螺旋钻杆更适合用于钻屑方法的操作。与手持钻机相比，IDCMDR显著减少了由吸附引起的粘卡现象的发生，防止了由于粘卡导致的钻杆丢失，并解决了钻屑方法操作中的“测量困难”和“设备短缺”问题。此外，IDCMDR将每米钻探所需的时间减少了约34%，减少了操作人员数量，并降低了钻屑方法操作的劳动强度。

**作者贡献声明**

- 崔磊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源获取，数据整理，概念化。
- 潘毅山：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，调查，资金获取，概念化。
- 张建卓：可视化，项目管理，数据整理，概念化。
- 王艾文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源获取，项目管理，资金获取。
- 戴连彭：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
- 刘灿灿：验证，监督，数据整理，概念化。
- 陆胜亮：资源获取，项目管理，数据整理，概念化。