煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台的制作方法

本发明涉及一种煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台，具体涉及一种可以根据井下煤岩壁在不同埋深受到的实际地应力的情况，对煤岩壁施加相应的围压的煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台。

背景技术：

煤炭是我国的重要基础能源，各种工业部门每年都要消耗大量的煤炭。尽管煤炭消费比重在未来几年内会有所下降，但煤炭消费在一次能源消费中仍然占据着巨大的比例，依然是我国不可或缺的基础能源之一。煤炭工业在保障我国经济快速增长的同时，煤炭的开采条件也在不断恶化，突出表现为开采深度的增加、瓦斯压力和瓦斯含量的增大、地质构造条件复杂，瓦斯灾害、特别是煤与瓦斯突出灾害日益严重，这使我国成为全世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家，瓦斯突出灾害的发生次数和突出强度都排在世界之首。瓦斯抽采是降低开采过程中的瓦斯涌出量、防止瓦斯超限和积聚，预防瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的重要措施。瓦斯抽采既是一项保障矿工安全的生命工程，也是一项重要的资源工程，更是根治瓦斯灾害的治本之策。钻具在煤岩壁钻进过程中的钻削扭矩和钻削进给力的变化直接影响到钻具对煤岩壁的钻削性能和钻进效率。因此，根据井下煤岩壁在不同埋深受到的实际地应力的情况，对煤岩壁施加相应的围压，模拟钻具钻削煤岩壁的过程，测试煤岩壁钻孔钻具的钻削性能，对煤岩壁钻孔钻具选型，钻具和钻削参数优化具有指导意义。

技术实现要素：

为了提高煤岩壁钻孔钻具在钻削煤岩壁过程中的钻削扭矩和钻削进给力的测试数据的可靠性，本发明提供一种煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台。该实验台可以根据井下煤岩壁在不同埋深受到的实际地应力的情况，对煤岩壁施加相应的围压，模拟钻具钻削煤岩壁的过程，可对不同型号规格的钻具在钻削煤岩壁过程中的钻削性能进行测试。

技术方案：煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台，包括钻削动力装置、煤岩壁围压加载装置、液压系统和信号采集系统。钻削动力装置包括钻机、风机和钻具（包括钻杆和钻头）。钻机的回转器后端通过动密封接头与风机的风管连接，回转器前端夹紧钻杆，钻杆末端装有钻头。煤岩壁围压加载装置包括煤岩壁、围压支架和围压油缸，围压油缸分别固定在围压支架上方、左侧、右侧，分别从上面、左面和右面对煤岩壁施加围压。液压系统包括液压泵站和控制台，控制台连接到液压泵站，液压泵站通过液压软管连接到回转器、进给油缸、围压油缸，为钻削动力装置和煤岩壁围压加载装置提供动力。信号采集系统包括压力传感器、流量传感器、转速传感器、数据采集仪和计算机，压力传感器、流量传感器、转速传感器分别与数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接，信号采集系统对钻具钻削煤岩壁过程中的液压油压力、液压油流量和钻杆转速的信号进行采集并处理。

所述的煤岩壁围压加载装置的围压支架的上方、左侧和右侧分别设有围压油缸，围压油缸分别从上面、左面和右面对煤岩壁施加围压。

所述的煤岩壁围压加载装置的围压油缸由液压泵站提供动力，控制台进行调节控制，根据井下煤岩壁在不同埋深受到的实际地应力的情况，对煤岩壁施加相应的围压。

所述的钻削动力装置的钻机的回转器后端通过动密封接头与风机的风管连接。

所述的钻削动力装置的钻具，包括钻杆和钻头可更换为不同直径规格的钻杆和不同型号规格的钻头；所述的钻杆和钻头有中心气孔。

所述的煤岩壁是以42.5#普通硅酸水泥和煤粉为主要材料，水为粘合剂，根据不同配比研制的具有不同硬度的人工煤岩壁。

所述的钻机回转器进油口设有压力传感器和流量传感器，回转器的出油口设有压力传感器；所述的钻机进给油缸进油口设有压力传感器；所述的钻杆设有转速传感器。

本发明的煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台结构简单，配置灵活；可以根据井下煤岩壁在不同埋深所受到的实际地应力的情况，利用煤岩壁围压加载装置对煤岩壁施加相应的围压，模拟钻具钻削煤岩壁的过程，对钻具在钻削煤岩壁过程中的钻削扭矩和钻削阻力进行测试，保证了测试数据的可靠性。

附图说明

图1为本发明的煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台结构示意图。

图2为本发明的煤岩壁围压加载装置结构示意图。

图3为本发明信号采集系统示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步地描述。

本发明的煤岩壁钻孔钻具钻削性能实验台，包括钻削动力装置、煤岩壁围压加载装置、液压系统和数据采集系统。钻削动力装置包括钻机1、风机2和钻具（包括钻杆5和钻头6）。钻机1的回转器3前端夹紧钻杆5，钻杆5末端装有钻头6，通过回转器3的回转带动钻具钻削煤岩壁；钻机1的进给油缸4与回转器3的底部联接，通过进给油缸4的伸缩实现回转器3和钻具的钻削进给运动。钻机1的回转器3后端通过动密封接头10与风机2的风管11连接，钻机1在钻削煤岩壁9过程中，风机2的高压空气通过钻杆5和钻头6的中心气孔22进入孔底，将从煤岩壁上钻削下来的煤岩渣冲出钻孔。钻杆5和钻头可以更换为不同直径规格的钻杆5和不同型号规格的钻头6。

煤岩壁围压加载装置包括围压支架7、煤岩壁9和围压油缸8、23、24，煤岩壁9放置在围压支架7的平台上，围压油缸8、23、24分别固定在围压支架7上方、左侧、右侧，分别从上面、左面和右面对煤岩壁9施加围压。煤岩壁9是以42.5#普通硅酸水泥和煤粉为主要材料，水为粘合剂，根据不同配比研制的具有不同硬度的人工煤岩壁。

液压系统包括液压泵站12和控制台13，控制台13连接到液压泵站12，液压泵站12通过液压软管连接到回转器3、进给油缸4、围压油缸8、23、24，为回转器3、进给油缸4、围压油缸8、23、24提供动力。通过调节控制台13可改变钻削动力装置的回转速度、进给速度，并根据井下煤岩壁9在不同埋深受到的实际地应力的情况，对煤岩壁9施加相应的围压。

信号采集系统包括压力传感器15、18、20、，流量传感器16，转速传感器21，数据采集仪25和计算机26，压力传感器15、18、20、流量传感器16、转速传感器21分别与数据采集仪25连接，数据采集仪25与计算机26连接。当钻具钻削有围压的煤岩壁9时，数据采集仪25采集液压油压力、液压油流量和钻杆5转速数据并将数据传输给计算机26，由计算机26整理分析数据，将数据代入钻具钻削扭矩公式和钻具钻削进给阻力公式，从而计算出钻具在钻削煤岩壁过程中的钻削扭矩和钻削进给力。其中，钻具钻削扭矩计算公式为：（式中：钻削扭矩；：回转器进油口14与回转器出油口18的液压油压力差；：回转器进油口14的流量；：钻杆5转速；：钻机效率，取0.95）；钻具钻削进给力计算公式为：（式中：钻削进给力；：进给油缸进油口19的液压油压力；：进给油缸4的内缸半径）。