CN114033312B - 水力联合机械扩孔增透装置及方法 - Google Patents

水力联合机械扩孔增透装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水力联合机械扩孔增透装置，其包括：钻机；钻杆，通过螺纹啮合作用套接固定在所述钻机的输出端；以及扩孔设备，扩孔设备由旋转体、扩孔装置、三翼钻头组成，钻机、钻杆、旋转体、扩孔装置、三翼钻头依次连接，其中扩孔装置分为两个部分，左部两侧开有凹槽并连接有带切削齿链条，右部两侧开有喷嘴；本装置依靠钻机旋转带动三翼钻头旋转破煤钻孔，当到达指定位置后提2‑10Mpa水压，由扩孔前部上喷嘴水射流提供扭力，带动扩孔装置旋转，带切削齿链条与孔壁磨挫破煤扩孔。能够达到钻孔、扩孔增透一体化的目的，本发明采用水力作为动力，射流可将煤渣排出钻孔，解决了排渣的问题。

Description

水力联合机械扩孔增透装置及方法
技术领域
本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，具体是水力联合机械扩孔增透装置及方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的不断增加，地应力不断增加，使煤层与围岩的透气性变差，瓦斯含量增加，相对瓦斯涌出量增高，瓦斯突出危险性增大。煤层瓦斯抽采可以从根本上减少或消除矿井瓦斯灾害事故。随着透气性的变差，不利于气体流动，严重影响抽放效果，增加煤层透气性是解决我国瓦斯治理难题的关键。
针对这一问题，储层增透技术发展起来，一般可分为力学方法和物理化学方法。力学方法通过改变应力分布产生新裂隙，从而提高储层渗透性，其中有造穴技术、水力压裂、水射流扩孔(或割缝)等；如申请号为CN202110278502.0，名为“一种超长工作面中部煤体定向钻孔水力增透抽采瓦斯方法”的发明专利，其通过将定向长钻孔与水力割缝工艺结合，对煤体进行水力割缝增透，适用于坚硬煤层，但水资源利用率低，系统功率高，安全性差，应用于松软煤层易引起抱钻、塌孔。申请号为CN202110427278.7，名为“一种后撤式煤层液压扩孔造穴增透装置及增透方法”的发明专利，其利用液压杆机械扩孔，避免了松软煤层水射流扩孔易抱钻、塌孔的问题，但其扩孔效率低，装备回收困难，难应用于坚硬煤层。申请号为CN201910796409.1，名为“一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法”的发明专利，利用高压气体和扩张钻头对煤体耦合冲击，完成扩孔造穴。虽避免了水力化增透的塌孔问题，但煤渣排放存在困难，且会生成大量煤尘，影响员工的工作环境。
因此，本领域技术人员提供了水力联合机械扩孔增透装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：水力联合机械扩孔增透装置，其包括：
钻机；
钻杆，通过螺纹啮合作用套接固定在所述钻机的输出端；以及
扩孔设备，可相对转动的设置在所述钻杆的末端；
其中，所述扩孔设备包括位于左端的旋转体、与所述旋转体右端固定连接的扩孔装置以及位于所述扩孔装置右端的三翼钻头，所述三翼钻头通过钻机带动旋转进行破煤钻孔，所述扩孔装置采用水力提供扭力进行中段旋转并与钻孔内壁磨挫破煤，以达到扩孔作用；且所述钻杆内同轴设置有钻杆中心杆，所述钻杆中心杆依次穿过所述旋转体、扩孔装置和三翼钻头。
进一步，作为优选，所述扩孔装置包括：
扩孔前部，被构造成带有连接头的圆柱体结构，所述扩孔前部与所述钻杆中心杆之间还设置有第一轴承；
扩孔后部，通过螺纹啮合作用同轴套接固定在所述扩孔前部上，所述扩孔后部被构造成空心圆柱体结构，且所述扩孔后部远离所述扩孔前部的一端与所述旋转体相螺纹连接；
喷嘴，对称设置在所述扩孔前部的前端外圆周内壁上；
圆台，为对称设置的两个，所述扩孔后部的圆周侧壁上对称开设有凹槽，各所述圆台嵌入固定在所述凹槽内；以及
带切削齿链条，与所述圆台一一对应设置，所述带切削齿链条的一端焊接固定在所述圆台上。
进一步，作为优选，所述喷嘴的喷射方向为所述三翼钻头外壁的圆周切向，所述扩孔前部内设有容纳腔，所述容纳腔与喷嘴之间设有流通通道，且位于容纳腔内的钻杆中心杆上设有出口；
且所述三翼钻头中心设有中心喷嘴，所述中心喷嘴与钻杆中心杆出水端口相连通。
进一步，作为优选，所述钻杆中心杆内位于扩孔前部处限位滑动设置有导流管，所述导流管的一侧上下对称连设有内弹簧，所述内弹簧的一端与所述钻杆中心杆内壁相连接；
且所述导流管上开设有与出口相对应的排流侧孔，所述导流管的另一侧设有封堵球，所述封堵球固定在钻杆中心杆内部，所述导流管上位于靠近所述封堵球的一侧设有弧形导口。
进一步，作为优选，所述旋转体包括：
入口连接螺母；
圆柱形壳体，通过螺纹连接作用套接固定在所述入口连接螺母上；
内部轴芯，通过螺纹啮合作用与所述扩孔后部相同轴连接；
第二轴承，对称设置在所述内部轴芯两端并位于圆柱形壳体内，所述内部轴芯与入口连接螺母相接触的一端还设有旋转密封座；以及
限速组件，设置在所述内部轴芯与圆柱形壳体之间。
进一步，作为优选，所述限速组件包括：
套筒，同轴套设在所述内部轴芯外端；
环形重量块，位于所述套筒与内部轴芯之间；以及
限位弹簧，设置在位于内部轴芯右端的第二轴承与环形重量块之间。
进一步，作为优选，所述带切削齿链条的外部设有多个齿状切削齿。
进一步，作为优选，所述旋转密封座内设有O形密封圈，位于内部轴芯左侧的第二轴承左侧设有左侧唇密封，位于所述内部轴芯右侧的第二轴承右侧设有右侧唇密封。
进一步，作为优选，所述入口连接螺母上还设有溢流孔，所述溢流孔末端与左侧唇密封联通，所述溢流孔外侧还设有密封板。
水力联合机械扩孔增透装置的使用方法，其包括以下步骤：
S1.将设备连接完毕，将钻杆与旋转体、扩孔装置、三翼钻头连接；
S2.调整钻杆角度，将三翼钻头对准煤体指定位置；
S3.钻杆带动三翼钻头旋转破煤钻进，达到指定深度暂停旋转；
S4.增大水压，扩孔装置开始带动带切削齿链条旋转扩孔，当孔径达到孔深后降低水压，扩孔装置暂停旋转，带切削齿链条失去破煤动力；
S5.重复S3～S4，直至整个钻孔施工完毕；
S6.一个煤孔扩孔增透结束后，退出扩孔设备，并准备施工其他钻孔；
S7.重复步骤S2～S6，直至全部钻孔扩孔增透完毕。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对解决目前低透气性煤层的瓦斯抽采中，煤孔透气性低严重影响瓦斯抽采效果、松软煤层塌孔，硬煤层扩孔效率低的问题，以水力机械联合的方式进行扩孔增透，装置分为三段，后部为旋转体与钻杆连接；中部为扩孔装置，扩孔装置分为两个部分，扩孔后部两侧开有凹槽并连接有带切削齿链条，扩孔前部开有喷嘴；前部设有三翼钻头，前部三翼钻头通过钻杆中心杆与钻杆连接，通过钻机带动其破煤钻孔，本装置依靠钻机旋转带动前部三翼钻头钻孔，在到达指定位置后提供2-10Mpa水压，由中部喷嘴水射流提供扭力，带动中段旋转，带切削齿链条与孔壁磨挫破煤扩孔，本发明采用水力作为动力，射流可将煤渣排出钻孔，保证了排渣的问题；需要的水压远小于水力割缝水压，避免了应用高压水力措施使松软煤层塌孔的问题；应用机械链条破煤，解决了水力化破坚硬煤层效率低、纯机械装置回收困难得问题。故本发明既可适用于松软煤层，又适用于坚硬煤层，有水资源利用率高，操作简便，价格低廉，易于回收的优点；采用本发明，可以有效的对煤层进行扩孔增透，并且施工简单，操作简便，可以为施工人员提供一个方便安全的作业环境，并且加快了施工效率，节省了时间。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中扩孔装置的结构示意图；
图3为本发明中带切削齿链条的结构示意图；
图4为本发明中导流管的结构示意图；
图5为本发明中左端的旋转体与限速组件的结构示意图；
图6为本发明中左侧唇密封与右唇密封的结构示意图；
图中：1钻机、2钻杆、21钻杆中心杆、3扩孔设备、4左端的旋转体、41圆柱形壳体、42入口连接螺母、43旋转密封座、44内部轴芯、45第二轴承、46左侧唇密封、47右侧唇密封、5扩孔装置、51扩孔前部、52扩孔后部、53第一轴承、54凹槽、55喷嘴、56带切削齿链条、6三翼钻头、7导流管、71内弹簧、72弧形导口、73封堵球、8限速组件、81套筒、82环形重量块、83限位弹簧。
具体实施方式
请参阅图1，本发明实施例中，水力联合机械扩孔增透装置，其包括：
钻机1；
钻杆2，通过螺纹啮合作用套接固定在所述钻机1的输出端；以及
扩孔设备3，可相对转动的设置在所述钻杆2的末端；
其中，所述扩孔设备3包括位于左端的旋转体4、与所述旋转体4右端固定连接的扩孔装置5以及位于所述扩孔装置5右端的三翼钻头6，所述三翼钻头6通过钻机2带动旋转进行破煤钻孔，所述扩孔装置5采用水力提供扭力进行中段旋转并与钻孔内壁磨挫破煤，以达到扩孔作用；且所述钻杆2内同轴设置有钻杆中心杆21，所述钻杆中心杆21依次穿过所述旋转体4、扩孔装置5和三翼钻头6。
本实施例中，所述扩孔装置5包括：
扩孔前部51，被构造成带有连接头的圆柱体结构，所述扩孔前部51与所述钻杆中心杆21之间还设置有第一轴承53；
扩孔后部52，通过螺纹啮合作用同轴套接固定在所述扩孔前部51上，所述扩孔后部52被构造成空心圆柱体结构，且所述扩孔后部52远离所述扩孔前部51的一端与所述旋转体4相螺纹连接；
喷嘴55，对称设置在所述扩孔前部51的前端外圆周内壁上；
圆台，为对称设置的两个，所述扩孔后部52的圆周侧壁上对称开设有凹槽54，各所述圆台嵌入固定在所述凹槽54内；以及
带切削齿链条56，与所述圆台一一对应设置，所述带切削齿链条56的一端焊接固定在所述圆台上。
作为较佳的实施例，所述喷嘴55的喷射方向为所述三翼钻头6外壁的圆周切向，所述扩孔前部51内设有容纳腔，所述容纳腔与喷嘴55之间设有流通通道，且位于容纳腔内的钻杆中心杆21上设有出口；该出口用于将钻杆中心杆内的高压水喷出输送到喷嘴处，从而提供扭矩，带动扩孔装置旋转，从而使带切削齿链条与孔壁磨挫破煤扩孔，能够达到钻孔、扩孔增透一体化的目的；
且所述三翼钻头6中心设有中心喷嘴，所述中心喷嘴与钻杆中心杆21出水端口相连通，钻头由两端的锥形扇面和位于中间的圆柱弧面组成，所述钻头的前端锥形扇面上沿其圆周方向均匀设有三个翼板，每个翼板前端均设有两个圆形突出的切削齿，中心喷嘴形成的射流用于降温。
本实施例中，所述钻杆中心杆21内位于扩孔前部处限位滑动设置有导流管7，所述导流管7的一侧上下对称连设有内弹簧71，所述内弹簧71的一端与所述钻杆中心杆21内壁相连接；
且所述导流管7上开设有与出口相对应的排流侧孔，所述导流管7的另一侧设有封堵球73，所述封堵球73固定在钻杆中心杆21内部，所述导流管7上位于靠近所述封堵球73的一侧设有弧形导口72，尤其在中段旋转破煤中，当水压持续增大，此时，导流管能够进行横向滑动使得排流侧孔与出口相对应连通，而导流管的一端通过封堵球进行封堵，从而使得水流从出口排出，以提供旋转扭力；而在水压逐步减小后，导流管由内弹簧弹力作用滑动复位，此时排流侧孔与出口相错开断流。
本实施例中，所述旋转体4包括：
入口连接螺母42；
圆柱形壳体41，通过螺纹连接作用套接固定在所述入口连接螺母42上；
内部轴芯44，通过螺纹啮合作用与所述扩孔后部52相同轴连接；
第二轴承45，对称设置在所述内部轴芯44两端并位于圆柱形壳体41内，所述内部轴芯44与入口连接螺母42相接触的一端还设有旋转密封座43；以及
限速组件8，设置在所述内部轴芯44与圆柱形壳体41之间，所述限速组件8用于降低旋转体4的旋转速度，以便调节旋转体4的旋转速度。
本实施例中，所述限速组件8包括：
套筒81，同轴套设在所述内部轴芯44外端；
环形重量块82，位于所述套筒81与内部轴芯44之间；以及
限位弹簧83，设置在位于内部轴芯44右端的第二轴承45与环形重量块82之间。
作为较佳的实施例，所述带切削齿链条56的外部设有多个齿状切削齿。
本实施例中，所述旋转密封座43内设有O形密封圈，位于内部轴芯左侧44的第二轴承45左侧设有左侧唇密封46，位于所述内部轴芯44右侧的第二轴承45右侧设有右侧唇密封47。
本实施例中，所述入口连接螺母42上还设有溢流孔，所述溢流孔末端与左侧唇密封46联通，所述溢流孔外侧还设有密封板。
水力联合机械扩孔增透装置的方法，其包括以下步骤：
S1.将设备连接完毕，将钻杆2与旋转体4、扩孔装置5、三翼钻头6连接；
S2.调整钻杆2角度，将三翼钻头6对准煤体指定位置；
S3.钻杆2带动三翼钻头6旋转破煤钻进，达到指定深度暂停旋转；
S4.增大水压，扩孔装置5开始带动带切削齿链条56旋转扩孔，当孔径达到孔深后降低水压，扩孔装置5暂停旋转，带切削齿链条56失去破煤动力；
S5.重复S3～S4，直至整个钻孔施工完毕；
S6.一个煤孔扩孔增透结束后，退出扩孔设备3，并准备施工其他钻孔；
S7.重复步骤S2～S6，直至全部钻孔扩孔增透完毕。
水力联合机械扩孔增透装置的设计与应用以理论计算为前提，理论计算如下：
1)链条截割阻力：
在旋转喷头带动链条旋转扩孔过程中，链条以磨搓截割的形式破煤。
截割阻力Z：Z＝ah(0.3+0.35×10-3b)
式中：a为煤岩体截割阻抗，单位：kN/m；h为链条截齿截割厚度，单位：m；b为链条截齿宽度，单位：m。
2)扩孔过程：在扩孔初始阶段链条紧贴旋转喷头，随着孔径的曾加，链条逐渐展开。
(1)当链条紧贴旋转喷头时(带动链条旋转的力等于截割阻力)：
Z＝1.57Ad2Pcosβ
式中：A为喷嘴数量；d为喷嘴直径，单位：mm；P为水压，单位：MPa；β为喷嘴与钻头外壁切线夹角，单位：°。
(2)当链条展开时，由动能定理：
Figure GDA0004175394800000071
得：
Figure GDA0004175394800000072
/>
即：
Figure GDA0004175394800000073
其中
Figure GDA0004175394800000074
式中：M为射流提供扭矩，单位：N·m；Mr为摩擦扭矩，单位：N·m；m0为链条重量，单位：kg；δ为链条节数，每节链条重量相等；m为链条末端重量，单位：kg；l为喷嘴距旋转轴距离，单位：m；r为链条距旋转轴距离，单位：m。
根据上述1)、2)可推算扩孔过程中需要的水压和链条重量、长度。
以松软煤体为例，根据理论公式计算链条切削齿破煤时的截割阻力Z。
取软煤截割阻抗a＝100kN/m；h为链条切削齿截割厚度取0.001m；b为链条切削齿计算宽度取0.002m。
计算得截割阻力Z为100N。基本参数A为2，d为2mm；l为0.045m；β为0°；Mr与水力联合机械旋转体限速装置结构有关，取4.3N·m；r为0.3225m；δ为300。
在(1)阶段时，根据Z＝1.57Ad2Pcosβ计算得水压P为8MPa。
即在初始阶段，水压8MPa可满足链条磨挫破煤。
在(2)阶段水压8MPa下，此时由扭矩公式M＝1.57Ad2Plcosβ计算扭矩M为4.5N·m。
根据得m为0.1237g，m0为0.037kg的链条。
根据转速公式n＝30ω/π得n为592.1r/min。
即在此例条件下，由8Mpa的水压带动0.037kg重量的链条破煤，扭矩为4.5N·m，转速为592.1r/min。
本发明可依据上述公式，针对不同煤层条件，选取不同的水压进行扩孔增透。
上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.水力联合机械扩孔增透装置，其特征在于：其包括：
钻机(1)；
钻杆(2)，通过螺纹啮合作用套接固定在所述钻机(1)的输出端；以及
扩孔设备(3)，可相对转动的设置在所述钻杆(2)的末端；
其中，所述扩孔设备(3)包括位于左端的旋转体(4)、与所述旋转体(4)右端固定连接的扩孔装置(5)以及位于所述扩孔装置(5)右端的三翼钻头(6)，所述三翼钻头(6)通过钻机(2)带动旋转进行破煤钻孔，所述扩孔装置(5)采用水力提供扭力进行中段旋转并与钻孔内壁磨挫破煤，以达到扩孔作用；且所述钻杆(2)内同轴设置有钻杆中心杆(21)，所述钻杆中心杆(21)依次穿过所述旋转体(4)、扩孔装置(5)和三翼钻头(6)；
所述扩孔装置(5)包括：
扩孔前部(51)，被构造成带有连接头的圆柱体结构，所述扩孔前部(51)与所述钻杆中心杆(21)之间还设置有第一轴承(53)；
扩孔后部(52)，通过螺纹啮合作用同轴套接固定在所述扩孔前部(51)上，所述扩孔后部(52)被构造成空心圆柱体结构，且所述扩孔后部(52)远离所述扩孔前部(51)的一端与所述旋转体(4)相螺纹连接；
喷嘴(55)，对称设置在所述扩孔前部(51)的前端外圆周内壁上；
圆台，为对称设置的两个，所述扩孔后部(52)的圆周侧壁上对称开设有凹槽(54)，各所述圆台嵌入固定在所述凹槽(54)内；以及
带切削齿链条(56)，与所述圆台一一对应设置，所述带切削齿链条(56)的一端焊接固定在所述圆台上；
所述喷嘴(55)的喷射方向为所述三翼钻头(6)外壁的圆周切向，所述扩孔前部(51)内设有容纳腔，所述容纳腔与喷嘴(55)之间设有流通通道，且位于容纳腔内的钻杆中心杆(21)上设有出口；
且所述三翼钻头(6)中心设有中心喷嘴，所述中心喷嘴与钻杆中心杆(21)出水端口相连通。
2.根据权利要求1所述的水力联合机械扩孔增透装置，其特征在于：所述钻杆中心杆(21)内位于扩孔前部处限位滑动设置有导流管(7)，所述导流管(7)的一侧上下对称连设有内弹簧(71)，所述内弹簧(71)的一端与所述钻杆中心杆(21)内壁相连接；
且所述导流管(7)上开设有与出口相对应的排流侧孔，所述导流管(7)的另一侧设有封堵球(73)，所述封堵球(73)固定在钻杆中心杆(21)内部，所述导流管(7)上位于靠近所述封堵球(73)的一侧设有弧形导口(72)。
3.根据权利要求2所述的水力联合机械扩孔增透装置，其特征在于：所述旋转体(4)包括：
入口连接螺母(42)；
圆柱形壳体(41)，通过螺纹连接作用套接固定在所述入口连接螺母(42)上；
内部轴芯(44)，通过螺纹啮合作用与所述扩孔后部(52)相同轴连接；
第二轴承(45)，对称设置在所述内部轴芯(44)两端并位于圆柱形壳体(41)内，所述内部轴芯(44)与入口连接螺母(42)相接触的一端还设有旋转密封座(43)；以及
限速组件(8)，设置在所述内部轴芯(44)与圆柱形壳体(41)之间，所述限速组件(8)用于降低旋转体(4)的旋转速度，以便调节旋转体(4)的旋转速度。
4.根据权利要求3所述的水力联合机械扩孔增透装置，其特征在于：所述限速组件(8)包括：
套筒(81)，同轴套设在所述内部轴芯(44)外端；
环形重量块(82)，位于所述套筒(81)与内部轴芯(44)之间；以及
限位弹簧(83)，设置在位于内部轴芯(44)右端的第二轴承(45)与环形重量块(82)之间。
5.根据权利要求1所述的水力联合机械扩孔增透装置，其特征在于：所述带切削齿链条(56)的外部设有多个齿状切削齿。
6.根据权利要求3所述的水力联合机械扩孔增透装置，其特征在于：所述旋转密封座(43)内设有O形密封圈，位于内部轴芯左侧(44)的第二轴承(45)左侧设有左侧唇密封(46)，位于所述内部轴芯(44)右侧的第二轴承(45)右侧设有右侧唇密封(47)；所述入口连接螺母(42)上还设有溢流孔，所述溢流孔末端与左侧唇密封(46)联通，所述溢流孔外侧还设有密封板。
7.根据权利要求3、4、6任意一项所述的水力联合机械扩孔增透装置的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1.将设备连接完毕，将钻杆(2)与旋转体(4)、扩孔装置(5)、三翼钻头(6)连接；
S2.调整钻杆(2)角度，将三翼钻头(6)对准煤体指定位置；
S3.钻杆(2)带动三翼钻头(6)旋转破煤钻进，达到指定深度暂停旋转；
S4.增大水压，扩孔装置(5)开始带动带切削齿链条(56)旋转扩孔，当孔径达到孔深后降低水压，扩孔装置(5)暂停旋转，带切削齿链条(56)失去破煤动力；
S5.重复S3～S4，直至整个钻孔施工完毕；
S6.一个煤孔扩孔增透结束后，退出扩孔设备(3)，并准备施工其他钻孔；
S7.重复步骤S2～S6，直至全部钻孔扩孔增透完毕。
8.根据权利要求7所述的水力联合机械扩孔增透装置的方法，其特征在于，水力联合机械扩孔增透装置的设计与应用以理论计算为前提，理论计算如下：
1)带切削齿链条截割阻力：
在旋转喷头带动带切削齿链条旋转扩孔过程中，带切削齿链条以磨搓截割的形式破煤；
截割阻力Z：Z＝ah(0.3+0.35×10-3b)
式中：a为煤岩体截割阻抗，单位：kN/m；h为链条截齿截割厚度，单位：m；b为链条截齿宽度，单位：m；
2)扩孔过程：在扩孔初始阶段带切削齿链条紧贴旋转喷头，随着孔径的增加，带切削齿链条逐渐展开；
(1)当带切削齿链条紧贴旋转喷头时：Z＝1.57Ad 2Pcosβ
式中：A为喷嘴数量；d为喷嘴直径，单位：mm；P为水压，单位：MPa；β为喷嘴与钻头外壁切线夹角，单位：°；
(2)当带切削齿链条展开时，由动能定理：
Figure QLYQS_1
得：/>
Figure QLYQS_2
即：
Figure QLYQS_3
其中
Figure QLYQS_4
式中：M为射流提供扭矩，单位：N·m；M r为摩擦扭矩，单位：N·m；m 0为链条重量，单位：kg；δ为链条节数，每节链条重量相等；m为链条末端重量，单位：kg；
l为喷嘴距旋转轴距离，单位：m；r为链条距旋转轴距离，单位：m；F表示：合力v1表示：初速度；v2表示：末速度；ω表示：角速度；ρ表示：带切削齿链条密度。
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