CN101586441B - 高压水射流煤层钻扩孔***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层高压水射流钻扩孔***，包括高压水射流发生***、钻机、钻杆钻具***，高压水射流发生***包括依次相连的储水箱、高压水泵、高压胶管，钻机包括钻机操纵台和钻机本体，钻杆钻具***包括高压旋转密封装置、高压密封钻杆、具有高压水射流喷嘴的射流机械叶片组合塔式钻头，本发明通过高压水射流对孔底和孔壁煤体的旋转切割和机械叶片的切削研磨联合作用实现煤层孔的钻进和扩孔，可以有效地避免煤层钻孔过程中的卡钻和夹钻现象，在高地应力、松软煤层中形成大孔径的长钻孔，增大钻孔周围煤体的透气性和卸压范围，提高煤层钻孔的瓦斯抽放效果和防突效果，另外，本发明还公开了一种煤层高压水射流钻扩孔方法。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全生产矿用设备技术领域，特别涉及一种高压水射流煤层钻扩孔***以及一种高压水射流煤层钻扩孔的方法。
背景技术
随着我国煤炭行业的发展以及国民经济对煤炭需求的增大，煤炭产量不断提高。这样，一方面现有的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井面临提高产量的压力，另一方面生产矿井的延深使得原来的矿井越来越多地逐渐变为高瓦斯、突出矿井。对于突出煤层和高瓦斯煤层而言，瓦斯抽放是防治突出和治理瓦斯的治本措施，而钻孔抽放瓦斯是可行而且较为经济的一种抽放方法，已得到了越来越广泛的应用。
我国是煤与瓦斯突出灾害最严重的国家，据不完全统计，平均每年突出次数在600次以上，防突是煤矿安全生产的主要任务。这些煤矿的地应力大、煤层松软，而且突出煤层瓦斯压力大。常规机械钻机具施工顺层钻孔非常困难，常常会出现卡钻、夹钻、喷孔，甚至突出等现象，造成施工深度不大，甚至发生安全事故。另外，由于钻孔的直径越大，瓦斯抽放效果越好，采用传统的机械钻机施工大直径钻孔就更加困难。但是，如果仅采用非接触式的射流钻机具，在钻孔过程中容易出现大块煤渣，堵塞钻孔造成排渣不畅，使得钻孔成孔深度非常有限，大大限制了它的应用。
针对我国有很大比例的高地应力、松软、高瓦斯煤层，而且这些煤层的顺层机械式钻孔施工非常困难以及穿层钻孔煤层段孔径较小的具体情况，克服机械钻机具和射流钻机具的缺点，研究开发射流机械联合破煤钻扩孔的施工技术，即高压水射流煤层钻扩孔***和方法显得尤为急迫和必要。
鉴于以上情况，为了增大高瓦斯、突出煤层瓦斯抽放钻孔的成孔深度和孔径，开发能同时适用于顺煤层钻孔和穿层钻孔扩孔施工的高压水射流煤层钻扩孔技术和装备，无疑将具有非常广阔的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高压水射流煤层钻扩孔***和一种高压水射流煤层钻扩孔方法，通过运用高压水射流煤层钻扩孔技术，可以解决在我国高地应力、松软煤层中，常规机械钻机施工顺层钻孔难和穿层钻孔煤层段孔径小的问题，实现煤层顺层钻孔和扩孔同步实施，以及穿层钻孔扩孔的目的。
本发明的目的之一是提供一种高压水射流煤层钻扩孔***，包括高压水射流发生***、钻机、钻杆钻具***，所述高压水射流发生***包括依次相连的储水箱、高压水泵、高压胶管，所述钻机包括钻机操纵台和钻机本体，钻杆钻具***包括高压旋转密封装置、高压密封钻杆和射流机械叶片组合塔式钻头，所述射流机械叶片组合塔式钻头的前端设置有至少一个高压水射流喷嘴，所述高压胶管通过高压旋转密封装置与高压密封钻杆的尾部相连且与高压密封钻杆的内腔相通，所述高压密封钻杆的另一端与射流机械叶片组合塔式钻头相连的尾部相连，所述高压密封钻杆的内腔与高压水射流喷嘴相连通。
进一步，所述射流机械叶片组合塔式钻头的前端面按中心对称均匀设置多个机械叶片，在高压密封钻杆的旋转带动作用下，所述射流机械叶片组合塔式钻头可实现轴向旋转；
进一步，所述高压水射流喷嘴包括直向喷嘴，所述直向喷嘴沿轴向布置在射流机械叶片组合塔式钻头的旋转中心位置；
进一步，所述高压水射流喷嘴包括至少两个斜向喷嘴，所述斜向喷嘴设置在机械叶片之间，所述斜向喷嘴的轴线与喷头装置的轴线之间存在夹角，沿出水方向，该夹角的角度范围为30°～75°；
进一步，在射流机械叶片组合塔式钻头的中部，以等间距的方式在同一横截面圆周上对称设置有至少两个侧向喷嘴；
进一步，所述射流机械叶片组合塔式钻头的后部设置有可拆卸的后置增大叶片；
进一步，所述射流机械叶片组合塔式钻头与高压射流钻杆之间的连接，以及高压射流钻杆之间的连接均采用内置挤压密封连接方式；
进一步，所述高压旋转密封装置包括中空的旋转轴、高压密封圈和外部壳体，连接处采用高压密封圈进行密封，所述旋转轴设置在外部壳体内部且可在外力作用下实现轴向旋转；所述旋转轴的一端与高压射流钻杆的杆身相连接，另一端与高压胶管固定连接，所述旋转轴的内部空腔与高压射流钻杆及高压水射流喷嘴相通。
本发明的目的之二是提供一种高压水射流煤层钻扩孔方法，包括以下步骤：
1)用快速接头固定连接好高压胶管和高压旋转密封装置的一端，高压旋转密封装置的另一端与高压射流钻杆连接，在高压射流钻杆端部安装射流机械叶片组合塔式钻头；
2)开启钻机，带动高压射流钻杆旋转，用射流机械叶片组合塔式钻头的机械叶片沿设计的钻孔角度在煤层中磨削钻进一段距离；
3)开启高压水射流发生设备，产生的高压水流经高压旋转密封装置和高压射流钻杆从射流机械叶片组合塔式钻头上的高压水射流喷嘴喷出，在高压射流钻杆带动钻头旋转作用下形成旋转射流，射流对孔底和孔壁煤体进行旋转切割，在射流的旋转切割和机械叶片磨削组合作用下钻杆带动钻头钻进并扩孔；
4)在向煤层钻孔内钻进预定长度后关闭控制阀，逐步增加高压射流钻杆的数量，以进行下一步的钻进，直至达到设计孔深；
5)关闭高压水射流发生***，由钻机驱动逐步起拔高压射流钻杆，完成煤层钻扩孔施工。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用高压水射流联合机械破煤钻扩孔技术，不同于常规的靠钻杆旋转带动钻头旋转切割煤壁实现钻进的纯机械钻孔技术，常规的机械钻头与钻孔之间是紧密接触的，当钻孔垮孔时很容易出现卡钻现象，造成无法钻进；本技术也不同于纯粹的射流钻孔技术，纯粹的射流钻孔容易产生大块煤渣，导致排渣补偿堵塞钻孔；而高压水射流煤层钻扩孔技术是通过联合高压水射流对煤壁旋转切割和机械叶片的切削研磨来实现钻进和扩孔的，钻孔中的大块煤渣可被研磨分解顺利排出，从而可以有效地避免卡钻和夹钻，解决在高地应力、松软高瓦斯煤层中的钻扩孔施工难的问题；
2.本发明在使用时可以适应各种地质条件，且没有机械钻头的发热、磨损、受命短等缺陷，可以降低运行费用并可缩短维护、更换钻头的停机时间。与常规机械钻机***相比，其运行费用低廉；
3.在施工煤层钻孔的直径增大时，常规机械钻机的负荷将成几何级数增长，因此施工大直径钻孔非常困难，而本发明的***可以通过设计适宜的具有喷嘴的射流机械叶片组合塔式钻头来施工大直径长钻孔，实现煤层钻进和扩孔同步实施的目标。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明结构示意图；
图2为射流机械叶片组合塔式钻头结构示意图；
图3为图2沿A-A向结构示意图；
图4为图2沿B-B向结构示意图；
图5为钻杆的内置挤压密封结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的实施例进行详细的描述。应当理解，实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
1-钻机***；2-高压密封钻杆；3-储水箱；4-高压水泵；5-高压胶管；6-旋转密封装置；7-射流机械叶片组合塔式钻头；8-机械叶片；9-后置增大叶片；10-直向喷嘴；11-侧面喷嘴；12-斜向喷嘴；13-快速接头；14-控制阀。
如图1所示，本发明的高压水射流煤层钻扩孔******，包括钻机1，钻机1包括液压泵、操纵台和钻机本体，本钻扩孔***还包括高压水射流***，高压水射流***包括依次相连的储水箱3、高压水泵4和高压胶管5，本发明还包括钻杆钻具***，主要由高压旋转密封装置6、高压密封钻杆2、射流机械叶片组合塔式钻头7组成，高压胶管5通过高压旋转密封装置6与高压射流钻杆2的尾部相连且与钻杆2的内腔相通，水量通过控制阀14进行控制，高压射流钻杆2的端部连接有射流机械叶片组合塔式钻头7。高压旋转密封装置包括中空的旋转轴、高压密封圈和外部壳体，连接处通过高压密封圈进行密封，旋转轴设置在外部壳体内部且可在外力作用下实现轴向旋转；旋转轴的一端与高压射流钻杆的杆身相连接，另一端与高压胶管固定连接，旋转轴的内部空腔与高压射流钻杆的射流内腔相通。
如图2所示，在射流机械叶片组合塔式钻头7中按中心对称均匀设置有多个机械叶片8，机械叶片8的对称中心设置一个直向喷嘴10，直向喷嘴10与射流机械叶片组合塔式钻头7的轴线重合，该直向喷嘴10的主要作用是在钻头前方预先使孔底煤体破碎，降低了机械叶片8的磨削难度，提高了钻进效率；在钻头装置上还采用了数量与钻头机械叶片的数量相同的斜向喷嘴12，斜向喷嘴12设置在相邻的机械叶片8之间且在钻头装置的前端面上均匀分布，斜向喷嘴12的轴线与射流机械叶片组合塔式钻头7的轴线之间存在夹角，沿出水方向，该夹角的角度范围为30°～75°，斜向喷嘴12的主要作用是在钻头旋转带动作用下形成具有轴向、径向和切向三维速度的旋转射流，钻孔孔底和孔壁煤体在旋转射流施加的径向“张”力、切向“剪”力和轴向冲击产生的综合破碎力作用下使煤体产生破坏，同时达到了钻进和扩孔的效果；在射流机械叶片组合塔式钻头7的后方设置有可拆卸的后置增大叶片9，与前端面的机械叶片8形成不同直径的塔式结构，后置增大叶片9的主要作用是研磨大块煤渣和孔周煤体，在扩大孔径的同时细化煤渣便于孔内煤渣的顺利排出；在机械叶片8与后置增大叶片9之间的钻头中部的同一横截面圆周上，沿射流机械叶片组合塔式钻头的径向，以等间距的方式设置有多个侧向喷嘴11，该喷嘴的主要作用是切削孔周煤体增大钻孔直径；根据不同的钻扩孔情况，直向喷嘴10、侧向喷嘴11和后置增大叶片9可以有选择性的设置，在坚固性系数较高的煤层中钻深孔时，在达到要求孔径的条件下，可以不设置侧向喷嘴11和后置增大叶片9，在以增大孔径为目的的扩孔施工中，可以不设置直向喷嘴10，而侧向喷嘴11和后置增大叶片9都应设置，对于其它情况，也可根据实际选择不同的组合设置方式。
如图3所示，射流机械叶片组合塔式钻头7与高压射流密封钻杆2之间的连接，以及高压射流密封钻杆2之间的连接均采用内置挤压密封连接方式。在进行高压水射流煤层钻孔时，工作介质的压力较高，钻孔时多数地方都是采用人工操作，因而要求高压钻杆要有足够的抗压强度、其接头的焊接及密封都有严格要求，通过采用挤压密封，钻杆整体结构采用重庆研究院定型生产的钻杆结构，加工质量得到保证，密封性能能够达到理想的效果。
本发明的高压水射流煤层钻扩孔***是通过联合高压水射流对煤壁旋转切割和机械叶片的切削研磨来实现钻进和扩孔的，克服了纯粹的射流钻孔排渣不畅和机械钻孔阻力大的缺点，使钻孔中的大块煤渣可被研磨分解顺利排出，从而可以有效地避免卡钻和夹钻，解决在高地应力、松软高瓦斯煤层中的钻扩孔施工难的问题，在成孔深度和直径增加的基础上，增大了煤层钻孔的卸压范围和渗透性，提高了钻孔的瓦斯抽放效果和突出防治效果。
本发明的高压水射流煤层钻扩孔方法，包括以下步骤：
1)用快速接头固定连接好高压胶管和高压旋转密封装置的一端，高压旋转密封装置的另一端与高压射流钻杆连接，在高压射流钻杆端部安装射流机械叶片组合塔式钻头；
2)开启钻机，带动高压射流钻杆旋转，通过射流机械叶片组合塔式钻头的机械叶片沿设计的钻孔角度在煤层中磨削钻进一段距离；
3)开启高压水射流发生设备，产生的高压水流经高压旋转密封装置和高压射流钻杆从射流机械叶片组合塔式钻头上的高压水射流喷嘴喷出，在高压射流钻杆带动钻头旋转作用下形成旋转射流，射流对孔底和孔壁煤体进行旋转切割，在射流的旋转切割和机械叶片磨削组合作用下钻杆带动钻头钻进并扩孔；
4)在向煤层钻孔内钻进预定长度后关闭控制阀，逐步增加高压射流钻杆，以进行下一步的钻进；
5)在钻进深度达到设计孔深后，关闭高压水射流发生***，由钻机驱动逐步起拔高压射流钻杆，完成煤层钻扩孔施工。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.高压水射流煤层钻扩孔***，包括高压水射流发生***、钻机、钻杆钻具***，所述高压水射流发生***包括依次相连的储水箱、高压水泵、高压胶管，所述钻机包括钻机操纵台和钻机本体，其特征在于：钻杆钻具***包括高压旋转密封装置、高压密封钻杆和射流机械叶片组合塔式钻头，所述射流机械叶片组合塔式钻头的前端设置有至少一个高压水射流喷嘴，所述高压胶管通过高压旋转密封装置与高压密封钻杆的尾部相连且与高压密封钻杆的内腔相通，所述高压密封钻杆的首端与射流机械叶片组合塔式钻头的尾部相连，所述高压密封钻杆的内腔与高压水射流喷嘴相连通。
2.根据权利要求1所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：所述射流机械叶片组合塔式钻头的前端面按中心对称均匀设置多个机械叶片，在高压密封钻杆的旋转带动作用下，所述射流机械叶片组合塔式钻头可实现轴向旋转。
3.根据权利要求2所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：所述高压水射流喷嘴包括直向喷嘴，所述直向喷嘴沿轴向布置在射流机械叶片组合塔式钻头的旋转中心位置。
4.根据权利要求2或3所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：所述高压水射流喷嘴包括至少两个斜向喷嘴，所述斜向喷嘴设置在机械叶片之间，所述斜向喷嘴的轴线与射流机械叶片组合塔式钻头的轴线之间存在夹角，沿出水方向，该夹角的角度范围为30°～75°。
5.根据权利要求4所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：在射流机械叶片组合塔式钻头的中部，以等间距的方式在同一横截面圆周上对称设置有至少两个侧向喷嘴。
6.根据权利要求5所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：所述射流机械叶片组合塔式钻头的后部设置有可拆卸的后置增大叶片。
7.根据权利要求1或2所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：所述射流机械叶片组合塔式钻头与高压射流钻杆之间的连接，以及加长钻杆长度时，多根高压射流钻杆首尾之间的依次连接均采用内置挤压密封连接方式。
8.根据权利要求1所述的高压水射流煤层钻扩孔***，其特征在于：所述高压旋转密封装置包括中空的旋转轴、高压密封圈和外部壳体，所述旋转轴与外部壳体的连接处通过高压密封圈进行密封，所述旋转轴设置在外部壳体内部且可在外力作用下实现轴向旋转；所述旋转轴的一端与高压射流钻杆的杆身相连接，另一端与高压胶管固定连接，所述旋转轴的内部空腔与高压射流钻杆及高压水射流喷嘴相通。
9.应用如权利要求1所述的高压水射流煤层钻扩孔***的高压水射流煤层钻扩孔方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)用快速接头固定连接好高压胶管和高压旋转密封装置的一端，高压旋转密封装置的另一端与高压射流钻杆连接，在高压射流钻杆端部安装射流机械叶片组合塔式钻头；
2)开启钻机，带动高压射流钻杆旋转，通过射流机械叶片组合塔式钻头的机械叶片沿设计的钻孔角度在煤层中磨削钻进一段距离；
3)开启高压水射流发生设备，产生的高压水流经高压旋转密封装置和高压射流钻杆从射流机械叶片组合塔式钻头上的高压水射流喷嘴喷出，在高压射流钻杆带动钻头旋转作用下形成旋转射流，射流对孔底和孔壁煤体进行旋转切割，在射流的旋转切割和机械叶片磨削组合作用下高压射流钻杆带动射流机械叶片组合塔式钻头钻进并扩孔；
4)在向煤层钻孔内钻进预定长度后关闭控制阀，逐步增加高压射流钻杆的数量，以进行下一步的钻进，直至达到设计孔深；
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