CN103556944B - 用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法，包括旋转密封供水装置或供风装置、双层内排渣防堵钻杆、中心回流钻头，旋转密封供水装置或供风装置与钻机上的双层内排渣防堵钻杆连接，中心回流钻头安装在双层内排渣防堵钻杆的前端。其使用方法：启动钻进***，风流或水流进入双层内排渣防堵钻杆外层通道到达钻孔底部，风流或水流将钻头破煤形成的钻屑沿双层内排渣防堵钻杆内层通道返出进入与钻杆尾部连接的放渣除尘器，完成排渣和除尘。本发明设计新颖，排渣在钻杆腔体内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响，排渣在钻杆内层通道完成，使除尘更为有效，实现了钻进、防塌、除尘一体化作业。

Description

用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术领域，具体涉及一种用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法。

背景技术

矿井瓦斯治理依靠瓦斯抽采技术，受煤层地质条件影响，安全可靠的地面井抽采应用受到限制，当前，瓦斯抽采仍然以井工瓦斯抽采为主要措施，而瓦斯抽采以成孔技术为前提，长期以来，突出煤层打钻技术是国内外公认的瓦斯治理难题。突出煤层钻孔施工尤以软煤层钻进最为困难，受地应力、瓦斯压力影响，软煤钻孔收缩严重，局部易失稳破坏形成塌孔，钻进过程中，卡钻、断钻现象频发，钻孔深度浅，钻进效率低，成孔率低，直接影响瓦斯的抽采范围和抽采效率，间接影响煤层的开采效率、安全生产及经济效益。我国绝大多数突出煤层为透气性相对较差的软煤层，煤层钻进工艺体系研究是瓦斯防治技术领域的研究热点之一。目前常用的钻具，排渣动力通常为流体排渣方式和机械排渣方式，由于流体排渣效率高，因此，在软煤层钻进中应用较为广泛，流体排渣通常从钻杆腔体进入钻孔孔底，排渣空间为钻孔孔壁与钻杆之间的环状空间，因此，孔壁变形及破坏情况，对排渣空间大小的变化影响较大，钻孔易发生堵塞，对钻孔的深度和钻进效率影响较大，这也是软煤钻进困难的根本原因。因此，对于软煤层钻进，应围绕孔内钻具及排渣***两个技术层面，开发一种新的孔内钻具及钻进工艺***。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法，该钻进工艺***使供风或供水、排渣在钻杆腔体内完成，排渣在钻杆内层通道完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响，同时，使除尘更为方便有效，实现了钻进、防塌、除尘一体化作业。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，包括双层内排渣防堵钻杆、中心回流钻头、旋转密封供水装置或供风装置，所述旋转密封供水装置或供风装置与钻机上的双层内排渣防堵钻杆连接，中心回流钻头安装在双层内排渣防堵钻杆的前端，双层内排渣防堵钻杆由外钻杆体、内连接管和焊接在内连接管内壁的多孔管组成。

所述的外钻杆体由外螺纹接头、杆体和内螺纹接头组成，外螺纹接头、内螺纹接头可设计为锥形丝扣或平扣，外钻杆体外表面设置为光面、螺旋凹槽或螺旋凸棱。

所述的内连接管结构与外钻杆体类似，接头连接可设计为丝扣连接或插接式连接，且其外径小于外钻杆体内径，保证内连接管外径与外钻杆体内径之间形成气流或水流进入的外层通道，内连接管的中空腔体为钻进***的内层通道，钻头破煤形成的钻屑依靠风流或水流沿内层通道排出。

所述的多孔管焊接在内连接管的内壁，其直径较小，且每隔一定间距设置小孔。

所述的中心回流钻头由钻头外钻杆体内螺纹接头、通孔芯管内螺纹接头、胎体和合金刀片组成，接头可设计为锥形丝扣或平扣。钻头外钻杆体内螺纹接头与双层内排渣防堵钻杆外螺纹接头连接，钻头外钻杆体内螺纹接头与钻头胎体连接并形成与双层内排渣防堵钻杆相同的进气通道。通孔芯管内螺纹接头设置于钻头中心一端内连接管连接，另一端沿与钻头胎体中心通孔连接，形成中心回流通道。

所述的旋转密封供水装置或供风装置由排渣芯管接头、旋转密封接头和密封导气室组成，排渣芯管与内连接管连接，工作中排渣芯管不旋转，旋转轴与外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进，密封导气室一端连接井下风管或水管，实现气流或水流沿钻杆外层通道进入，气固耦合的钻屑沿内层通道排出。

一种用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具的使用方法，包括以下步骤：

①.完成钻机、钻具及其排渣***安装与连接，利用旋转密封供水装置或供风装置将风流或水流送入双层内排渣防堵钻杆外层通道，工作中排渣芯管不旋转，旋转轴与外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进，密封导气室一端连接风管或水管，实现气流或水流沿钻杆外层通道进入；

②.带压风流或水流通过中心回流钻头到达孔底，将钻头破煤形成的钻屑送入双层内排渣防堵钻杆内层通道，该方式与常规钻进的排渣路线相反，排渣在钻杆腔体内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响；

③.风流或水流将钻头破煤形成的钻屑沿双层内排渣防堵钻杆内层通道返出进入与钻杆尾部连接放渣除尘器，完成排渣和除尘，钻屑在封闭空间运移，避免了漏气和漏尘通道。

附图说明

图1是本发明工作状态的结构示意图；

图2是本发明双层内排渣防堵钻杆实施例一的三维结构剖视图；

图3是本发明实施例一的轴向剖视图；

图4是图3当中A-A剖视图；

图5是本发明中心回流钻头结构剖视图；

图6是本发明旋转密封供水装置或供风装置结构图；

图7是本发明实施时排渣原理示意图；

图8是本发明实施时预防钻杆内层通道发生堵塞原理示意图；

图9是本发明双层内排渣防堵钻杆实施例二的三维结构剖视图；

图10是本发明实施例二的轴向剖视图；

图11是图10当中B-B剖视图；

图12是本发明双层内排渣防堵钻杆实施例三的三维结构剖视图；

图13是本发明实施例三的轴向剖视图；

图14是图13当中C-C剖视图。

具体实施方式

实施例一：如图1～图8所示，本发明一种用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法，包括双层内排渣防堵钻杆5、中心回流钻头6、旋转密封供水装置或供风装置3，所述旋转密封供水装置或供风装置3与钻机上的双层内排渣防堵钻杆5连接，中心回流钻头6安装在双层内排渣防堵钻杆5的前端。双层内排渣防堵钻杆5由外钻杆体9、内连接管10和焊接在内连接管内壁的多孔管11组成。外钻杆体由内螺纹接头12、杆体13和外螺纹接头14组成，外螺纹接头、内螺纹接头可设计为锥形丝扣或平扣。内连接管10结构与外钻杆体9类似，接头连接可设计为丝扣连接或插接式连接，且其外径小于外钻杆体内径，保证内连接管10外径与外钻杆体9内径之间形成气流或水流进入的外层通道，内连接管10的中空腔体为钻进***的内层通道，钻头破煤形成的钻屑依靠风流或水流沿内层通道排出。多孔管11焊接在内连接管10的内壁，其直径较小，且每隔一定间距设置小孔17。中心回流钻头6由钻头外钻杆体内螺纹接头21、通孔芯管内螺纹接头22、胎体23和合金刀片24组成，接头可设计为锥形丝扣或平扣。钻头外钻杆体内螺纹接头21与外钻杆体9外螺纹接头14连接，钻头外钻杆体内螺纹接头21与钻头胎体23连接并形成与双层内排渣防堵钻杆相同的进气通道19。通孔芯管内螺纹接头22设置于钻头中心一端内连接管10连接，另一端与钻头胎体23中心通孔连接，形成中心回渣通道20。旋转密封供水装置或供风装置3由排渣芯管接头25、旋转密封接头26和密封导气室27组成，排渣芯管接头25与内连接管10连接，工作中排渣芯管不旋转，旋转密封接头26与双层内排渣防堵钻杆5外钻杆体内螺纹接头12连接并保持同步旋转，实现回转钻进，密封导气室27一端连接井下风管或水管，实现气流或水流沿钻杆外层通道15进入，气固耦合的钻屑沿内层通道16排出。

下面介绍一下本发明实施例一的具体使用方法：

参照图1、图7，完成钻机、钻具及其排渣***安装与连接，先利用旋转密封供水装置或供风装置3将风流或水流送入双层内排渣防堵钻杆5外层通道15。工作中内连接管10不旋转，旋转密封接头26与双层内排渣防堵钻杆5连接并保持同步旋转，实现回转钻进，密封导气室27一端连接风管或水管，实现气流或水流沿钻杆外层通道15进入；

带压风流或水流通过中心回流钻头6到达孔底，将钻头破煤形成的钻屑送入双层内排渣防堵钻杆内层通道16，该方式与常规钻进的排渣路线相反，排渣在钻杆腔体内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏对钻孔排渣空间的影响；

风流或水流将钻头破煤形成的钻屑沿双层内排渣防堵钻杆内层通道16返出进入与钻杆尾部连接放渣除尘器1，完成排渣和除尘，钻屑在封闭空间运移，避免了漏气和漏尘通道，由于外接设置简单，应用常规的除尘装置，便可实现高效除尘。

下面介绍一下本发明实施例一钻具防钻孔堵塞原理：

参照图7、图8，对于松软突出煤层钻进，钻孔开挖后，煤岩流变现象严重，钻孔孔壁易失稳破坏，短时间内钻孔收缩变形严重，钻屑易在孔内形成堆积，孔内排渣空间易发生堵塞，当孔内形成堵塞段时，钻孔将失去排渣通道，钻进将被迫停止，堵塞段未疏通，强行钻进或退钻时，易发生断钻、丢钻、钻孔瓦斯燃烧及钻孔CO中毒等事故。当应用双层内排渣防堵钻具施工钻孔时，如图7所示，带压风流或水流通过由外钻杆体9和内连接管10形成的环状间隙经由中心回流钻头6到达孔底，将钻头破煤形成的钻屑送入双层内排渣防堵钻杆内层通道16，排渣在钻杆腔体内完成，避免了钻孔收缩、孔壁失稳破坏塌孔对钻孔排渣空间的影响，可有效预防钻孔发生堵塞；如图8所示，受排渣动力不稳定或大块煤渣阻挡，在双层内排渣防堵钻杆内层通道16形成堵塞时，由于在内连接管10的内壁焊接了多孔管11，堵塞段内部的风流或水流将沿多孔管11的小孔17-1进入多孔管，并从堵塞区域多孔管11的其它小孔高速流出，例如孔17-2、17-3，这样在堵塞区域形成了强紊流，有利于堵塞段的疏通，本发明通过在内连接管10的内壁设置多孔管11，可有效预防钻杆内层通道16发生堵塞。

实施例二：如图9～图11所示，与实施例一不同的在于，外钻杆体9的外表面设置了螺旋凹槽28，在钻孔严重收缩区或钻穴区，钻杆旋转时，钻杆表面钻屑形成螺旋输送状态，有利于钻杆表面散热，避免热量聚集形成的钻具高温。实施例二的使用方法与实施例一相同。

实施例三：如图12～图14所示，与实施例一、实施例二不同的在于，外钻杆体9的外表面设置了螺旋凸棱29，与实例二具有同样的功能，同时螺旋凸棱采用等离子熔涂工艺，有效提高了外钻杆体9的强度，提高了钻杆的整体强度，间接延长了钻杆的使用寿命。实施例三的使用方法与实施例一、实施例二相同。

Claims (7)

1.用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，包括双层内排渣防堵钻杆、中心回流钻头、旋转密封供水装置或供风装置，其特征在于：所述旋转密封供水装置或供风装置与钻机上的双层内排渣防堵钻杆连接，中心回流钻头安装在双层内排渣防堵钻杆的前端，双层内排渣防堵钻杆由外钻杆体、内连接管和焊接在内连接管内壁的多孔管组成。

2.根据权利要求1所述的用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，其特征在于：所述的外钻杆体由外螺纹接头、杆体和内螺纹接头组成，外螺纹接头、内螺纹接头可设计为锥形丝扣或平扣，外钻杆体外表面设置为光面、螺旋凹槽或螺旋凸棱。

3.根据权利要求2所述的用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，其特征在于：所述的内连接管结构与外钻杆体类似，接头连接可设计为丝扣连接或插接式连接，且其外径小于外钻杆体内径，保证内连接管外径与外钻杆体内径之间形成气流或水流进入的外层通道，内连接管的中空腔体为钻进***的内层通道，钻头破煤形成的钻屑依靠风流或水流沿内层通道排出。

4.根据权利要求3所述的用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，其特征在于：所述的多孔管焊接在内连接管的内壁，其直径较小，且每隔一定间距设置小孔。

5.根据权利要求4所述的用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，其特征在于：所述的中心回流钻头由钻头外钻杆体内螺纹接头、通孔芯管内螺纹接头、胎体和合金刀片组成，接头可设计为锥形丝扣或平扣；钻头外钻杆体内螺纹接头与双层内排渣防堵钻杆外螺纹接头连接，钻头外钻杆体内螺纹接头与钻头胎体连接并形成与双层内排渣防堵钻杆相同的进气通道；通孔芯管内螺纹接头设置于钻头中心一端内连接管连接，另一端沿与钻头胎体中心通孔连接，形成中心回流通道。

6.根据权利要求5所述的用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，其特征在于：所述的旋转密封供水装置或供风装置由排渣芯管接头、旋转密封接头和密封导气室组成，排渣芯管与内连接管连接，工作中排渣芯管不旋转，旋转轴与外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进，密封导气室一端连接井下风管或水管，实现气流或水流沿钻杆外层通道进入，气固耦合的钻屑沿内层通道排出。

7.一种用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具的使用方法，采用如权利要求6所述的用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具，其特征在于：包括以下步骤：

①.完成钻机、钻具及其排渣***安装与连接，利用旋转密封供水装置或供风装置将风流或水流送入双层内排渣防堵钻杆外层通道，工作中排渣芯管不旋转，旋转轴与外钻杆体连接并保持同步旋转，实现回转钻进，密封导气室一端连接风管或水管，实现气流或水流沿钻杆外层通道进入；

②.带压风流或水流通过中心回流钻头到达孔底，将钻头破煤形成的钻屑送入双层内排渣防堵钻杆内层通道，该方式与常规钻进的排渣路线相反，排渣在钻杆腔体内完成，可有效避免钻孔收缩、孔壁失稳破坏塌孔对钻孔排渣空间的影响；

③.风流或水流将钻头破煤形成的钻屑沿双层内排渣防堵钻杆内层通道返出进入与钻杆尾部连接放渣除尘器，完成排渣和除尘，钻屑在封闭空间运移，避免了漏气和漏尘通道。