贯通式潜孔锤反循环钻探工艺既具有钻进效率高、成孔质量好的特点^{[1, 2, 3]}，又具有排渣不受孔径大小限制^[4]、地层适应能力强、环境污染小的特点^{[5, 6]}.如今，在贯通式潜孔锤反循环钻探施工中普遍使用的都是双排内喷孔反循环钻头，它具有喷射速度高、导流效果好、对孔底岩屑抽吸效果显著等优点^[7].

本文对150 mm反循环钻头双排内喷孔的结构参数进行正交试验设计，找出参数的主次排序，并运用计算流体动力学(CFD)分析软件^[8]对钻头孔底流场进行模拟分析，最后将优化后的双排内喷孔式反循环钻头进行野外试验.

本文主要针对150 mm反循环钻头中双排内喷孔的4个主要结构参数进行模拟分析并优化(见图 1)，这4个结构参数分别为垂直间距L、水平间距S、水平偏角θ_d以及倾角θ_s.

图 1(Figure 1)

Fig.1

图 1 双排内喷孔结构参数示意图 Fig.1 Structural parameters of double row suction nozzle

采用Solidworks软件建立钻头在孔底的流场几何模型，然后再利用Hypermesh软件对模型进行四面体非结构化网格划分.划分好的钻头网格模型的单元总数为44万～46万个，单元最大尺寸为3 mm，可以满足计算精度需要.

进口采用质量入口，输入的压缩空气质量流量为0.49 kg/s，湍流强度为3.42%和水力直径为0.03 m；出口采用压力出口边界条件，出口压力设为大气压，湍流强度为2.781%，水力直径为0.038 m；钻头与孔壁间隙出口采用压力出口，湍流强度为4.135%，水力直径为0.01 m.

在前处理中，采用基于密度的隐式求解器，湍流模型采用RNG k-ε，可以更好地分析处理高应变率和弯曲程度较高的湍流运动问题^[9].采用SIMPLEC算法中的二阶迎风格式离散黏性项和对流项，中心差分格式离散扩散项.采用监测残差曲线及中心贯通孔出口与外环间隙出口的质量流量变化曲线相结合的方式对整个求解过程进行收敛性的判定.当残差曲线低于预设值10^-6并且中心贯通孔出口和外环间隙出口的质量流量变化曲线平稳时，可认定整个迭代求解过程收敛.

在双排内喷孔钻头的结构优化设计中，采用正交试验设计的方法来安排CFD模拟分析：不考虑双排内喷孔4个结构参数间的交互作用，进行4因素4水平CFD模拟分析(见表 1)，并选用L₁₆(4⁵)正交表对模拟数据进行统计分析计算(见表 2).

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 双排内喷孔结构参数因素水平表 Table 1 Orthogonal factor level table for structural parameters of double row suction nozzles 水平 因素 垂直方向间距/mm 水平方向间距/mm 水平偏角/(°) 倾角/(°) 1 -30 0 5 30 2 -10 4 10 40 3 10 8 15 50 4 30 12 20 60 水平间隔 20 4 5 10 平均水平 0 6 12.5 45 注：垂直方向间距负号表示左孔高于右孔，正号表示右孔高于左孔.

表 1 双排内喷孔结构参数因素水平表 Table 1 Orthogonal factor level table for structural parameters of double row suction nozzles

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 双排内喷孔结构参数L16(45) 正交表 Table 2 L16(45) orthogonal table for structural parameters of double row suction nozzles 试验号 因素 误差列 指标Q/(kg·s-1) L S θd θs 1 1 1 1 1 1 0.183 7 2 1 2 2 2 2 0.158 6 3 1 3 3 3 3 0.089 8 4 1 4 4 4 4 -0.027 9 5 2 1 2 3 4 0.122 1 6 2 2 1 4 3 0.025 6 7 2 3 4 1 2 0.175 8 8 2 4 3 2 1 0.157 1 9 3 1 3 4 2 0.003 6 10 3 2 4 3 1 0.065 8 11 3 3 1 2 4 0.166 1 12 3 4 2 1 3 0.185 9 13 4 1 4 2 3 0.125 6 14 4 2 3 1 4 0.176 1 15 4 3 2 4 1 0.036 1 16 4 4 1 3 2 0.108 5 K1 0.404 2 0.435 0 0.483 9 0.721 5 0.442 7 K2 0.480 6 0.426 1 0.502 7 0.607 4 0.446 5 K3 0.421 4 0.467 8 0.426 6 0.386 2 0.426 9 K4 0.446 3 0.423 6 0.339 3 0.037 4 0.436 4 k1 0.101 1 0.108 8 0.121 0 0.180 4 0.110 7 k2 0.120 2 0.106 5 0.125 7 0.151 9 0.111 6 k3 0.105 4 0.117 0 0.106 7 0.096 6 0.106 7 k4 0.111 6 0.105 9 0.084 8 0.009 4 0.109 1 极差R 0.019 1 0.011 1 0.040 9 0.171 0 0.004 9 优水平 2 3 2 1 2 主次因素排序 3 4 2 1 5

表 2 双排内喷孔结构参数L16(45) 正交表 Table 2 L16(45) orthogonal table for structural parameters of double row suction nozzles

此外，引入“外环间隙抽吸气体质量流量Q”作为试验指标.Q<0表示压缩气体经底喷孔喷出后从外环间隙出口泄露从而出现正循环；Q=0表示外环间隙吸入气体质量流量与泄露的气体质量流量相互抵消；Q>0表示钻头能够将外环间隙中的流体介质抽吸入钻头中心孔内形成稳定反循环，且Q值越大，表示从钻头与孔壁之间的环状间隙吸入的流体越多，反循环形成效果越好.

采用极差分析法(也称直观分析法)讨论因素的主次排序.从表 2的极差分析结果可知：双排内喷孔的4个结构参数中，倾角θ_s对钻头的反循环抽吸量Q影响最大;其次依次是水平偏角θ_d和垂直间距L;而水平间距S对钻头的抽吸量Q影响最小.主次因素排序依次为θ_s＞θ_d＞L＞S.

采用方差分析法来讨论双排内喷孔的4个主要结构参数对试验指标Q影响的显著性水平.从表 3的方差分析结果可知：

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 双排内喷孔结构参数方差分析结果 Table 3 Variance analysis for structural parameters of double row suction nozzles 差异源 偏差平方和SS 自由度df 均方MS F比 显著性水平a L 0.000 825 40 3 0.000 275 13 15.00 显著* S 0.000 311 49 3 0.000 103 83 5.66 不显著 θd 0.004 041 12 3 0.001 347 04 73.46 高度显著** θs 0.068 058 04 3 0.022 686 01 1 237.15 高度显著** 误差θm 0.000 058 04 3 0.000 018 34 总和 0.073 291 06 15 注：查F分布表得F0.1(3,3)=5.46，F0.05(3,3)=9.55，F0.01(3,3)=29.46.

表 3 双排内喷孔结构参数方差分析结果 Table 3 Variance analysis for structural parameters of double row suction nozzles

1) 倾角θ_s对反循环抽吸量Q影响最为显著，其次依次为水平偏角θ_d和垂直间距L，而水平间距S对钻头抽吸量Q影响不显著.

2) 倾角θ_s及水平偏角θ_d均属于高度显著因素，对钻头抽吸量Q影响较大；垂直间距L属于显著因素，对钻头抽吸量Q有一定影响；水平间距S则属于不显著因素，对钻头抽吸量Q影响较小.

由图 2可知：1)当L和θ_d不变时，Q随着θ_s的增大而减小，且降幅不断增大；2)当L和θ_s不变时，θ_d=10°的Q最大，其次是θ_d=5°和θ_d=15°，而θ_d=20°的Q最小.

图 2(Figure 2)

Fig.2

图 2 L和θd变化时，Q随θs的变化规律 Fig.2 Variation of suction capability Q with θs while L and θd are changing (a)—L=-10 mm； (b)—L=-20 mm； (c)—L=-30 mm.

由图 3可知：1)当S和θ_s不变时，Q随着θ_d的增大而先增大后减小，在θ_d=10°时达到最大；2)当S和θ_d不变时，Q随着θ_s的增大而减小，且幅度不断增大.

图 3(Figure 3)

Fig.3

图 3 S和θs变化时，Q随θd的变化规律 Fig.3 Variation of suction capability Q with θd while S and θs are changing (a)—S=8 mm； (b)—S=10 mm； (c)—S=12 mm.

由图 4可知：1)当θ_d和S不变时，Q随着L的增大而先增大后减小，在L=-15 mm时达到最大；2)当θ_d和L不变时，S=10 mm时的Q最大，其次是S=8 mm和S=12 mm，而S=14 mm时的Q最小.

图 4(Figure 4)

Fig.4

图 4 θd和S变化时，Q随L的变化规律 Fig.4 Variation of suction capability Q with L while θd and S are changing (a)—θd=10°； (b)—θd=15°； (c)—θd=20°.

由图 5可知：1)当θ_s和L不变时，Q随着S的增大而先增大后减小，在S=10 mm时达到最大；2)当θ_s和S不变时，L=-15 mm时的Q最大，其次是L=-20 mm和L=-10 mm，而L=-25 mm时的Q最小.

图 5(Figure 5)

Fig.5

图 5 θs和L变化时，Q随S的变化规律 Fig.5 Variation of suction capability Q with S while θs and L are changing (a)—θs=30°； (b)—θs=45°； (c)—θs=60°.

从CFD结果分析得出双排内喷孔最优的参数组合为θ_s=30°，θ_d=10°，L=-15 mm和S=10 mm.将该参数组合的双排内喷孔式反循环钻头在太钢集团某露天矿区进行钻孔试验.

从钻进效果看，穿过第一层空区空腔并在第一层空区底板继续钻进，仍能形成稳定的全孔反循环，且钻进效果良好，连续排出大颗粒岩块，最大直径达到55 mm.钻进过程中无卡钻、埋钻等现象出现.

1) 倾角θ_s对钻头抽吸量Q的影响最大，其次是水平偏角θ_d，二者对抽吸量Q影响均属于高度显著，垂直间距L对抽吸量Q影响则属于显著，而水平间距S对抽吸量Q的影响最小，属于不显著.且最优参数组合为：θ_s=30°,θ_d=10°,L=-15 mm和S=10 mm，该组合下的抽吸量Q=0.191 1 kg/s.

2) 将最优参数组合的双排内喷孔式反循环钻头在太钢集团某露天矿区进行钻孔试验.从钻进效果看，钻头反循环抽吸力强，穿过第一层空区继续实现反循环钻进，钻头依然能够形成良好的反循环抽吸效果.