煤炭开采过程中的坑道钻探是一种最直接的隐蔽致灾因素探查技术，是保障煤炭安全高效开采的重要技术手段，矿用钻杆是坑道钻探必不可少的机具，2022 年相关统计数据显示，我国矿用钻杆年消耗量约33.1 万t，市场规模约55.6 亿元。

矿用钻杆是由外径相等的公、母接头与管体摩擦焊接而成，如图1 所示，受限于煤矿井下工况环境，长度以1 m、1.5 m为主。施钻过程中，钻杆通过螺纹首尾连接将钻机输出的动力传递给钻头实现碎岩钻进，并满足钻孔深度延伸，承受转矩、弯矩、给进力、起拔力等多种复杂交变载荷，极易发生断裂，导致断点以深的钻杆及测量仪器等钻具掉入孔内，造成钻孔报废，给煤矿造成经济损失。

图1　矿用钻杆结构

部分大倾角钻孔发生掉钻，遗留孔内的钻具在重力作用下随时掉出孔外，威胁施工区域的设备和人员安全；此外，掉入孔内的钻具在煤层回采时极易被采煤机切割，存在损坏采煤机的风险和安全隐患。钻杆断裂常见形貌如图2 所示。

图2　钻杆断裂常见形貌

针对钻杆掉钻问题，现有技术手段主要采取下入丝锥、打捞筒等专用工具进行打捞，钻杆掉钻打捞流程如图3 所示，由于煤层条件复杂多变以及钻孔状况各不相同，“提钻再入”的打捞模式下，打捞工具存在碎软地层、弯曲孔段再入原孔困难，非可视环境下高效连接困难等难题，造成掉钻事故处理周期长、成功率低、劳动强度大。

图3　钻杆掉钻打捞流程

因此，要实现钻杆掉钻事故高效可靠处理，必须突破传统思维，借鉴动物“骨断筋连”结构特性，研究仿动物骨筋结构的钻杆防掉技术，以期解决钻杆断裂导致的掉钻难题。

项目内容与实施方案

技术研究对象

近几年的钻杆断裂及掉钻事故统计结果如图4所示，公接头螺纹部位断裂次数占钻杆全部断裂次数80.3%，是钻杆断裂的高发区域，因此，研究公接头螺纹部位断裂后的连接技术是解决钻杆断裂导致掉钻难题的关键。

图4　钻杆各部位断裂频次

仿生钻杆总体思路

借鉴人体颈椎骨筋双连接仿生结构特征，钻杆设计时以公母接头螺纹啮合体为连接体1 （骨连接），在公接头内孔设置防掉机构形成连接体2 （筋连接），如图5a 所示，正常施钻时，连接体1 承受各种载荷，连接体2 不受力。当公接头断裂后，连接体2 仍能够保证断点两侧的轴向连接，如图5b 所示，并在连接体1 和连接体2 的共同作用下，将断点以深的全部钻具提出，无需打捞工具，可解决接头断裂导致的掉钻问题。

图5　双连接接头结构

仿生钻杆方案设计

3 种防掉方案原理如图6 所示。3 种方案的连接体1 均为公母接头螺纹啮合体。

图6　3 种方案防掉原理

（1） 方案1 的连接体2 由内、外端盖和多根细径实心连接杆组成。

（2） 方案2 的连接体2 由内、外端盖和1 根粗径实心连接杆组成。

（3） 方案3 的连接体2 由1 根T 型空心连接杆组成。

针对上述3 个方案，从防掉机构零部件数量、机加工艺、加工时效等3 个方面进行分析评估，具体评估数据见表1−表3，最终选择方案3 为实施方案，研制的仿生钻杆如图7 所示。

表1　各方案零部件数量对比

表2　各方案机加工艺对比

表3　各方案关键工序加工时长对比

图7　仿生钻杆形貌

关键创新技术突破点

（1） 仿生接头骨筋结构参数匹配

在钻杆规格及过水截面限定的前提下，仿生接头骨筋结构参数相互影响，存在“骨强筋弱”或“骨弱筋强”现象，通过合理的参数设计，平衡骨筋性能，使仿生接头兼具良好的使用寿命和可靠的防掉能力。

（2） 公母接头危险截面弱平衡设计

钻杆设计时对公接头危险截面整体性能略低于母接头危险截面，进一步提高公接头螺纹部位发生断裂的概率，从而确保防掉技术有效。

（3） 具有骨筋结构的钻杆防掉技术

将动物骨承载特性与筋连接特性应用至钻杆接头，形成具有骨筋特性的仿生公接头，满足承受载荷与断裂后轴向连接的双重要求，实现“骨断筋连”的主动防掉效果，解决了公接头随机断裂导致的掉钻难题。

实践效果分析

现场试验

为了检验仿生钻杆应用效果，在山西省屯兰煤矿进行工业性试验，试验期间200 根钻杆累计施工405 个钻孔，总进尺43 757 m，首次断钻时钻杆进尺量40 283 m，发生5 次钻杆断裂事故均位于公接头螺纹根部，且均未导致掉钻。现场试验结果表明，仿生钻杆具有良好的使用寿命和可靠的防掉效果。钻杆断裂后防掉效果如图8 所示。

图8　仿生钻杆防掉效果

效果对比分析

与现有钻具掉落打捞技术相比，骨筋结构仿生钻杆技术具有随断随捞、无需下入打捞工具的技术优势，复杂地层掉钻事故处理成功率由20%提升至80%；因掉钻导致的钻具损耗降低75%；打捞耗时由5 天120 h 降至1 个班次8 h，下降幅度93%；起下钻次数由平均5 次减少至1 次，劳动强度降低80%。仿生钻杆技术的应用具有省心、省钱、省时、省力的效果。

经济效益

开发的仿生钻杆技术已应用至多种钻杆产品，创造产值超1 100 万元，后期随着产品种类的不断丰富，将会取得更加优异的经济效益。该技术应用减少了钻杆掉钻次数，节省了用于处理掉钻事故而耗费的时间、人工及经济成本。

社会效益

该技术的应用实现了钻杆掉钻事故处理由“被动打捞”转变为“随断随捞”的技术突破，有效解决了钻杆断裂导致掉钻的行业难题，引领了钻杆技术进步，为煤矿安全高效施工钻孔提供钻杆技术支撑，符合煤矿降本增效的发展理念，促进了煤炭安全高效绿色开采。

结 语

通过借鉴动物骨筋双连接结构，设计了具有双连接结构的仿生钻杆，现场试验表明，仿生钻杆具有良好的使用寿命和可靠的防掉效果，显著提升了钻杆掉钻事故处理效率和成功率。但是，该技术主要用于公接头断裂（断裂频次约80%） 导致的掉钻问题，目前正在研究母接头断裂（断裂频次约15%）的难题，下一步计划开发一种双螺纹公母接头与仿生公接头耦合的矿用钻杆，解决钻杆公母接头任意部位断裂导致的掉钻打捞难题。

策划：赵瑞 编辑：李雅楠