[发明专利]一种蚯蚓体表仿生结构的钻杆

说明书

技术领域

本发明属于采矿技术领域，尤其涉及一种蚯蚓体表仿生结构的钻杆。

背景技术

煤炭资源是我国最主要也是最重要的能源，煤矿的安全和高效生产对保障我国能源供给安全和我国工业和经济发展具有重要影响。

在含水量高，松软内聚性较差的松软煤层中钻孔作业时，钻孔在地应力的作用下容易垮塌。塌孔后，普通钻杆由于受周围湿润煤层和土壤的大面积包裹和挤压，受力面积增大，导致其受到的摩擦力大大增加，会被煤层抱死从而形成抱钻卡钻现象。而钻杆一旦被抱死后，将无法进退与旋转，不但严重影响作业进度，而且极大增加了煤矿事故的风险。

目前，针对普通钻杆松软煤层钻孔的抱钻卡钻问题，国内外相关科研机构进行了大量的研究，但一直都没有得到理想效果，亟需一种有效的方法解决该问题，从而提高煤炭生产效率保障我国的煤炭产业的安全稳定发展。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种能够防抱死、易退杆的蚯蚓体表仿生结构的钻杆。

本发明所采用的技术方案是：一种蚯蚓体表仿生结构的钻杆，包括杆体，其特征在于：所述的钻杆还包括螺旋弹簧圈，所述的螺旋弹簧圈紧密地缠绕在所述的杆体圆周面上。这种表面结构在煤体垮落包覆钻杆时降低了钻杆与煤层间的接触面积，减小了钻杆与煤层间的摩擦力，不易被抱死，也使钻杆容易退出。

作为优选，所述的螺旋弹簧圈为聚氨酯弹性体注塑而成，所述的聚氨酯弹性体弹性好、强度高、耐磨性好、自润滑性好、经济性好。

作为优选，所述的螺旋弹簧圈的半径R=2mm。

作为优选，所述的螺旋弹簧圈用胶固定在所述的杆体圆周面上，在不破坏钻杆强度的情况下，使钻杆表面塑性提高，摩擦力和粘附性减小，并且此复合层在损坏之后易于更换。

作为优选，所述的螺旋弹簧圈的旋向为正螺旋。

相对于现有技术，本发明的蚯蚓体表仿生结构的钻杆，能够有效防止松软煤层钻进过程出现钻杆抱死现象，使钻杆容易退出。

附图说明

图1：本发明具体实施例的外形效果图。

图2：本发明具体实施例的螺旋弹簧圈的外形效果图。

图3：本发明具体实施例的蚯蚓体表的环节特征图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步的说明。

请见图1、图2，本发明所采用的技术方案是：一种蚯蚓体表仿生结构的钻杆，包括杆体和螺旋弹簧圈，螺旋弹簧圈紧密正螺旋地缠绕在杆体圆周面上，然后用胶固定；螺旋弹簧圈为聚氨酯弹性体注塑而成；螺旋弹簧圈的半径R=2mm；螺旋弹簧圈用胶固定在杆体圆周面上。

本发明采用蚯蚓体表仿生结构，从能量守恒角度来分析可知，蚯蚓和土壤相互作用时构成一个界面粘附系统，在外力作用下，此系统的能量转换模型为：

W+Gs=W′+Gs′+Gp

其中：W为外力所做的功，Gs为蚯蚓和土粒间的表面自由能，W′为土壤粘附功，Gs′为界面自由能，Gp为蚯蚓体壁变形能；

若动物体壁为刚性或刚性很大，外力做的功W几乎不能使动物体壁产生变形，能量主要转换为土壤粘附功W′；若动物体壁有较好的弹性，外力的作用使体壁产生一定的弹性变形，即能量大部分转化为体壁弹性变形的变形能Gp，使得动物与土壤构成的粘附系统具有较小的粘附功W′，从而减少了土壤对柔性非光滑表面的粘附力，达到了减粘脱土的效果。

另一方面，其环形结构也构成了凸包结构，不仅会产生“引导效应”，还能减少与土壤的接触面积。

假设土壤与钻杆之间的压强一定，则由摩擦力公式：

F=μA·p

其中：F为最大静摩擦力；μ为摩擦系数；A为接触面积；p为压强；

可以看出，在压强与摩擦系数不变的情况下，最大静摩擦力与接触面积成正比，则这种结构能有效地减少摩擦力。

请见图3，为蚯蚓体表的环节特征图，其表面结构为环状排列结构，具有很好的弹性，与土壤的接触面积也很小。

蚯蚓的外形细长类似钻杆，平时在湿润的土壤里钻行也跟钻杆抱死退出时相似，故选择蚯蚓体表仿生结构作为本发明的研究方向，得到的蚯蚓体表仿生结构的钻杆，能有效防抱死，起到易退杆的技术效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。