CN106988776B - 松软破碎煤层钻孔护孔施工方法 - Google Patents
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Abstract
松软破碎煤层钻孔护孔施工方法，在煤层巷道的钻孔处安装松软破碎煤层钻孔扩孔装置；本发明在进行钻进扩孔作业的同时，对钻孔进行支撑，避免坍塌收缩，影响钻具的抽出。旋转密封供水供风装置的高压气流推动水流到达中心回流钻头处，水渣通过内排屑钻杆向外排出。本发明避免了外排屑水流破外成孔以及拔出钻头时钻头破坏成孔，可有效地解决松软破碎煤层中成孔易坍塌收缩及瓦斯不易排出的问题，提高了瓦斯抽采的质量。本发明提高了瓦斯抽采孔施工的速度，保证施工的安全性，是松软破碎煤层钻孔扩孔装置的创新。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采钻孔施工技术领域，尤其涉及一种松软破碎煤层钻孔护孔施工方法。
背景技术
瓦斯抽采技术是矿井瓦斯安全治理的必要保障，受煤层自身因素的影响，安全可靠的瓦斯抽采必须以成孔技术为前提。长久以来，松软破碎煤层的成孔难是一直制约其瓦斯高效抽取的主要技术难题。目前，瓦斯抽采成孔是利用钻头与钻杆接长来实现钻孔工作。而松软破碎煤层具有煤质松软、渗透性差、瓦斯压力较大等特点，导致成孔易发生收缩坍塌，从而引起煤层卡孔卡钻的问题，使钻具无法拔出，甚至在抱钻时破坏钻具性能。因此需要采取措施对成孔进行保护。传统的做法是在成孔后下套管，但是在抽出钻孔设备时会出现煤层坍塌收缩的问题，并且在成孔过程中排屑水流冲刷成孔煤层，破坏煤层结构，也会引起成孔坍塌，这些问题都会导致套管无法下到预想深度，卡孔卡钻的问题依然会出现。而在发明专利“铰链型内心可开闭式钻头”（CN102704852.A）中，采用一种铰链型内心可开闭式钻头，在钻进后沿钻杆钻头内腔***套管，钻进后拔出钻具依靠套管对成孔进行保护。这种装置可以做到钻孔后对成孔进行保护，但是无法解决松软破碎煤层前钻后塌的问题。在发明专利“松软破碎煤层瓦斯抽采孔跟管钻进扩孔装置”（CN103726791.A）以及“松软破碎煤层瓦斯抽采孔跟管钻进方法”（CN103726869）中，钻杆外部连接有可收缩型扩孔刀具，钻进的同时实现扩孔。扩孔的作用在于下放护管，使用护管对成孔进行保护，避免卡孔卡钻问题。但是，扩孔刀具的刮刀仅由一个较薄构件构成，刚性较差，加工过程中易出现轴线偏移。并且安装刮刀的钻杆内腔尺寸有限，刮刀可活动的行程比较短，伸出刮刀槽的部分较少，导致最终扩孔的尺寸相对钻进孔的尺寸没增大多少，进而使护管与钻杆之间的间隙较小，护管不易下放。而该套工艺采用外排屑，水流携带钻渣沿护管与钻杆间隙流出，间隙较小会影响排屑的速度，可能出现排屑堵塞的问题。在外排屑方式下，护管用来抽采瓦斯的小孔很容易被钻渣堵塞，从而影响瓦斯抽采质量。因此，对于软煤层的钻进，应着重考虑钻具、排渣***以及成孔保护的三个层面，开发一种新的钻孔工艺及钻进***。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供松软破碎煤层钻孔护孔施工方法，其使用管实现防坍塌抽采瓦斯的目的，同时使用全新的排渣***，从而有效成解决了成孔的问题，提高了钻进防塌除渣的效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：松软破碎煤层钻孔护孔施工方法，所述的钻孔护孔施工方法采用松软破碎煤层钻孔扩孔装置，松软破碎煤层钻孔扩孔装置包括支架、动力驱动装置、旋转密封供水供风装置、导向支撑架、钻头连接件、护孔管、中心回流钻头、内排屑钻杆和集渣容器，护孔管套在内排屑钻杆外部，护孔管和内排屑钻杆均设置有若干根，相邻两根护孔管之间以及相邻两根内排屑钻杆之间均螺纹连接，护孔管内壁与内排屑钻杆之间形成环形通道，以钻进的方向为由后到前的方向，内排屑钻杆的后端与集渣容器连接，旋转密封供水供风装置的进水进风口与护孔管的后端连接，动力驱动装置和导向支撑架固定设置在支架上，动力驱动装置的动力输出端与内排屑钻杆传动连接，内排屑钻杆穿过并支撑在导向支撑架上，钻头连接件同轴向安装在内排屑钻杆的前端，中心回流钻头后端同轴向安装在钻头连接件的前端部，护孔管的管壁上均布有若干瓦斯排放孔；
中心回流钻头包括头部和杆部，头部的外径大于杆部的外径，头部的前端面沿圆周方向均匀设置有一圈金刚石钻孔刀片，杆部内开设有后端敞口的中心回流腔，杆部前端沿圆周方向以及头部的中心处开设有与中心回流腔连通的回流孔；
钻头连接件为圆管状结构，钻头连接件后端内壁设置有与内排屑钻杆前端外壁螺纹连接的内螺纹，钻头连接件外壁由后向前依次为第一圆柱段和第二圆柱段，第二圆柱段的外径等于杆部的内径，第一圆柱段的外径等于杆部的外径，第二圆柱段与第一圆柱段的连接处具有环形台阶，第二圆柱段的前部伸入到杆部内，杆部后端与钻头连接件外壁之间设置有轴向滑动变径扩孔机构；
轴向滑动变径扩孔机构包括压缩弹簧、前连板和后连板，前连板和后连板均设置有两个，第一圆柱段的外壁关于第一圆柱段中心线对称开设有两个安装槽，每个安装槽内均固定设置有一个后连接耳，杆部的后端外壁关于杆部中心线对称固定设置有两个前连接耳，两个后连接耳和两个前连接耳位于同一平面上，后连接耳与后连板后端铰接，前连接耳与前连板前端铰接，同侧的后连板前端与前连板后端铰接，前连板外表面沿前后方向设置有金刚石扩孔刀片，压缩弹簧套装在第二圆柱段上，压缩弹簧前端和后端分别与杆部的后端面和环形台阶顶压配合；
钻头连接件的第一圆柱段前侧与中心回流钻头的杆部之间设置有扭矩传递及导向结构。
所述的钻孔护孔施工方法包括以下步骤：
（1）、在煤层巷道的钻孔处安装松软破碎煤层钻孔扩孔装置；
（2）、启动动力驱动装置和旋转密封供水供风装置，动力驱动装置驱动内排屑钻杆，内排屑钻杆通过钻杆连接件以及限位柱与导向孔的配合驱动中心回流钻头旋转对指定位置的煤层进行钻孔，旋转密封供水供风装置将高压水和高压风沿护孔管内壁与内排屑钻杆之间形成的环形通道进入到头部的金刚石钻孔刀片处，金刚石钻孔刀片旋转切割煤层，切割后煤粉与高压水混合后水渣混合物通过回流孔进入到中心回流腔内；水渣混合物沿着内排屑钻杆的内孔排到集渣容器内暂存；
（3）、钻孔的同时进行扩孔和护孔；
（4）、钻孔达到预定孔深后，将中心回流钻头、内排屑钻杆后撤一小段距离，中心回流钻头在压缩弹簧的作用下恢复到初始位置，即导向孔的后端侧壁与限位柱顶压接触，将内排屑钻杆以及中心回流钻头抽出钻孔外，护孔管留在钻孔内，可有效避免钻孔垮孔、塌孔对瓦斯抽放的影响，护孔管上设置的瓦斯排放孔用于煤层内瓦斯的溢出。
扭矩传递及导向结构包括限位柱，杆部关于中心线对称开设有两道导向孔，导向孔的长度方向与杆部的中心线平行，第一圆柱段沿径向方向开设有与两道导向孔内外对应的螺孔，限位柱螺纹连接在螺孔内，限位柱两端分别位于导向孔内，限位柱的外径与导向孔的宽度相等。
步骤（3）的具体过程为：随着内排屑钻杆和中心回流钻头由后向前的钻进，内排屑钻杆和护孔管均在钻孔的孔口处进行添加对接，当金刚石钻孔刀片在旋转钻孔作业遇到较大阻力时，头部与杆部向后顶压压缩弹簧，克服压缩弹簧的弹力杆部沿第一圆柱段外壁向后移动，导向孔沿限位柱向后移动，前连接耳和后连接耳之间的距离变小，前连板和后连板的铰接处向外伸出，前连板外表面的金刚石扩孔刀片的旋转半径增大，直到导向孔的前端侧壁与限位柱顶压接触，金刚石扩孔刀片的旋转半径达到最大值，金刚石扩孔刀片进一步将钻孔扩大，护孔管也跟随同步向前移动，实现护孔作用。
采用上述技术方案，内排屑钻杆内壁与钻头连接件内壁直径相等，连接处内壁光滑利于排渣；由于护孔管的设置，钻孔内侧煤层不会发生坍塌收缩等问题，不会对钻具的拔出产生影响，拔出钻具后，留下的护孔管加工的瓦斯排放孔，利用进行瓦斯抽采工作。
本发明在进行钻进扩孔作业的同时，对钻孔进行支撑，避免坍塌收缩，影响钻具的抽出。旋转密封供水供风装置的高压气流推动水流到达中心回流钻头处，水渣通过内排屑钻杆向外排出。本发明避免了外排屑水流破外成孔以及拔出钻头时钻头破坏成孔，可有效地解决松软破碎煤层中成孔易坍塌收缩及瓦斯不易排出的问题，提高了瓦斯抽采的质量。本发明提高了瓦斯抽采孔施工的速度，保证施工的安全性，是松软破碎煤层钻孔扩孔装置的创新。
附图说明
图1是本发明中松软破碎煤层钻孔扩孔装置整体结构示意图；
图2是本发明的中心回流钻头和内排屑钻杆在工作状态下的结构示意图；
图3是本发明的中心回流钻头和内排屑钻杆在退钻状态下的结构示意图；
图4是本发明中中心回流钻头和钻头连接件的外形结构示意图；
图5是图4中钻头连接件的俯视图；
图6是中心回流钻头的轴向剖视图；
图7是前连板和后连板的立体结构示意图。
具体实施方式
如图1-图7所示，本发明中的松软破碎煤层钻孔扩孔装置，包括支架1、动力驱动装置2、旋转密封供水供风装置3、导向支撑架4、钻头连接件5、护孔管6、中心回流钻头7、内排屑钻杆8和集渣容器9，护孔管6套在内排屑钻杆8外部，护孔管6和内排屑钻杆8均设置有若干根，相邻两根护孔管6之间以及相邻两根内排屑钻杆8之间均螺纹连接，护孔管6内壁与内排屑钻杆8之间形成环形通道10，以钻进的方向为由后到前的方向，内排屑钻杆8的后端与集渣容器9连接，旋转密封供水供风装置3的进水进风口与护孔管6的后端连接，动力驱动装置2和导向支撑架4固定设置在支架1上，动力驱动装置2的动力输出端与内排屑钻杆8传动连接，内排屑钻杆8穿过并支撑在导向支撑架4上，钻头连接件5同轴向安装在内排屑钻杆8的前端，中心回流钻头7后端同轴向安装在钻头连接件5的前端部，护孔管6的管壁上均布有若干瓦斯排放孔11。
中心回流钻头7包括头部12和杆部13，头部12的外径大于杆部13的外径，头部12的前端面沿圆周方向均匀设置有一圈金刚石钻孔刀片14，杆部13内开设有后端敞口的中心回流腔15，杆部13前端沿圆周方向以及头部12的中心处开设有与中心回流腔15连通的回流孔16；
钻头连接件5为圆管状结构，钻头连接件5后端内壁设置有与内排屑钻杆8前端外壁螺纹连接的内螺纹，钻头连接件5外壁由后向前依次为第一圆柱段17和第二圆柱段18，第二圆柱段18的外径等于杆部13的内径，第一圆柱段17的外径等于杆部13的外径，第二圆柱段18与第一圆柱段17的连接处具有环形台阶19，第二圆柱段18的前部伸入到杆部13内，杆部13后端与钻头连接件5之间设置有轴向滑动变径扩孔机构。
轴向滑动变径扩孔机构包括压缩弹簧20、前连板21和后连板22，前连板21和后连板22均设置有两个，第一圆柱段17的外壁关于第一圆柱段17中心线对称开设有两个安装槽23，每个安装槽23内均固定设置有一个后连接耳24，杆部13的后端外壁关于杆部13中心线对称固定设置有两个前连接耳25，两个后连接耳24和两个前连接耳25位于同一平面上，后连接耳24与后连板22后端铰接，前连接耳25与前连板21前端铰接，同侧的后连板22前端与前连板21后端铰接，前连板21外表面沿前后方向设置有金刚石扩孔刀片26，压缩弹簧20套装在第二圆柱段18上，压缩弹簧20前端和后端分别与杆部13的后端面和环形台阶19顶压配合；
钻头连接件5的第一圆柱段17前侧与中心回流钻头7的杆部13之间设置有扭矩传递及导向结构。
扭矩传递及导向结构包括限位柱27，杆部13关于中心线对称开设有两道导向孔28，导向孔28的长度方向与杆部13的中心线平行，第一圆柱段17沿径向方向开设有与两道导向孔28内外对应的螺孔，限位柱27螺纹连接在螺孔内，限位柱27两端分别位于导向孔28内，限位柱27的外径与导向孔28的宽度相等。
本发明当中的动力驱动装置2、旋转密封供水供风装置3、导向支撑架4和集渣容器9均为现有成熟技术，具体构造不再赘述。
采用松软破碎煤层钻孔扩孔装置进行松软破碎煤层钻孔护孔施工方法，包括以下步骤：
（1）、在煤层巷道的钻孔处安装松软破碎煤层钻孔扩孔装置；
（2）、启动动力驱动装置2和旋转密封供水供风装置3，动力驱动装置2驱动内排屑钻杆8，内排屑钻杆8通过钻杆连接件以及限位柱27与导向孔28的配合驱动中心回流钻头7旋转对指定位置的煤层29进行钻孔，旋转密封供水供风装置3将高压水和高压风沿护孔管6内壁与内排屑钻杆8之间形成的环形通道10进入到头部12的金刚石钻孔刀片14处，金刚石钻孔刀片14旋转切割煤层29，切割后煤粉与高压水混合后水渣混合物通过回流孔16进入到中心回流腔15内；水渣混合物沿着内排屑钻杆8的内孔排到集渣容器9内暂存；
（3）、随着内排屑钻杆8和中心回流钻头7由后向前的钻进，内排屑钻杆8和护孔管6均在钻孔的孔口处进行添加对接，当金刚石钻孔刀片14在旋转钻孔作业遇到较大阻力时，头部12与杆部13向后顶压压缩弹簧20，克服压缩弹簧20的弹力杆部13沿第一圆柱段17外壁向后移动，导向孔28沿限位柱27向后移动，前连接耳25和后连接耳24之间的距离变小，前连板21和后连板22的铰接处向外伸出，前连板21外表面的金刚石扩孔刀片26的旋转半径增大，直到导向孔28的前端侧壁与限位柱27顶压接触，金刚石扩孔刀片26的旋转半径达到最大值，金刚石扩孔刀片26进一步将钻孔扩大，护孔管6也跟随同步向前移动，实现护孔作用；
（4）、钻孔达到预定孔深后，将中心回流钻头7、内排屑钻杆8后撤一小段距离，中心回流钻头7在压缩弹簧20的作用下恢复到初始位置，即导向孔28的后端侧壁与限位柱27顶压接触，将内排屑钻杆8以及中心回流钻头7抽出钻孔外，护孔管6留在钻孔内，可有效避免钻孔垮孔、塌孔对瓦斯抽放的影响，护孔管6上设置的瓦斯排放孔11用于煤层29内瓦斯的溢出。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.松软破碎煤层钻孔护孔施工方法，其特征在于：
所述的钻孔护孔施工方法采用松软破碎煤层钻孔扩孔装置，松软破碎煤层钻孔扩孔装置包括支架、动力驱动装置、旋转密封供水供风装置、导向支撑架、钻头连接件、护孔管、中心回流钻头、内排屑钻杆和集渣容器，护孔管套在内排屑钻杆外部，护孔管和内排屑钻杆均设置有若干根，相邻两根护孔管之间以及相邻两根内排屑钻杆之间均螺纹连接，护孔管内壁与内排屑钻杆之间形成环形通道，以钻进的方向为由后到前的方向，内排屑钻杆的后端与集渣容器连接，旋转密封供水供风装置的进水进风口与护孔管的后端连接，动力驱动装置和导向支撑架固定设置在支架上，动力驱动装置的动力输出端与内排屑钻杆传动连接，内排屑钻杆穿过并支撑在导向支撑架上，钻头连接件同轴向安装在内排屑钻杆的前端，中心回流钻头后端同轴向安装在钻头连接件的前端部，护孔管的管壁上均布有若干瓦斯排放孔；
中心回流钻头包括头部和杆部，头部的外径大于杆部的外径，头部的前端面沿圆周方向均匀设置有一圈金刚石钻孔刀片，杆部内开设有后端敞口的中心回流腔，杆部前端沿圆周方向以及头部的中心处开设有与中心回流腔连通的回流孔；
钻头连接件为圆管状结构，钻头连接件后端内壁设置有与内排屑钻杆前端外壁螺纹连接的内螺纹，钻头连接件外壁由后向前依次为第一圆柱段和第二圆柱段，第二圆柱段的外径等于杆部的内径，第一圆柱段的外径等于杆部的外径，第二圆柱段与第一圆柱段的连接处具有环形台阶，第二圆柱段的前部伸入到杆部内，杆部后端与钻头连接件外壁之间设置有轴向滑动变径扩孔机构；
轴向滑动变径扩孔机构包括压缩弹簧、前连板和后连板，前连板和后连板均设置有两个，第一圆柱段的外壁关于第一圆柱段中心线对称开设有两个安装槽，每个安装槽内均固定设置有一个后连接耳，杆部的后端外壁关于杆部中心线对称固定设置有两个前连接耳，两个后连接耳和两个前连接耳位于同一平面上，后连接耳与后连板后端铰接，前连接耳与前连板前端铰接，同侧的后连板前端与前连板后端铰接，前连板外表面沿前后方向设置有金刚石扩孔刀片，压缩弹簧套装在第二圆柱段上，压缩弹簧前端和后端分别与杆部的后端面和环形台阶顶压配合；
钻头连接件的第一圆柱段前侧与中心回流钻头的杆部之间设置有扭矩传递及导向结构；扭矩传递及导向结构包括限位柱，杆部关于中心线对称开设有两道导向孔，导向孔的长度方向与杆部的中心线平行，第一圆柱段沿径向方向开设有与两道导向孔内外对应的螺孔，限位柱螺纹连接在螺孔内，限位柱两端分别位于导向孔内，限位柱的外径与导向孔的宽度相等；
所述的钻孔护孔施工方法包括以下步骤：
（1）、在煤层巷道的钻孔处安装松软破碎煤层钻孔扩孔装置；
（2）、启动动力驱动装置和旋转密封供水供风装置，动力驱动装置驱动内排屑钻杆，内排屑钻杆通过钻杆连接件以及限位柱与导向孔的配合驱动中心回流钻头旋转对指定位置的煤层进行钻孔，旋转密封供水供风装置将高压水和高压风沿护孔管内壁与内排屑钻杆之间形成的环形通道进入到头部的金刚石钻孔刀片处，金刚石钻孔刀片旋转切割煤层，切割后煤粉与高压水混合后水渣混合物通过回流孔进入到中心回流腔内；水渣混合物沿着内排屑钻杆的内孔排到集渣容器内暂存；
（3）、钻孔的同时进行扩孔和护孔；
（4）、钻孔达到预定孔深后，将中心回流钻头、内排屑钻杆后撤一小段距离，中心回流钻头在压缩弹簧的作用下恢复到初始位置，即导向孔的后端侧壁与限位柱顶压接触，将内排屑钻杆以及中心回流钻头抽出钻孔外，护孔管留在钻孔内，可有效避免钻孔垮孔、塌孔对瓦斯抽放的影响，护孔管上设置的瓦斯排放孔用于煤层内瓦斯的溢出。
2.根据权利要求1所述的松软破碎煤层钻孔护孔施工方法，其特征在于：步骤（3）的具体过程为：随着内排屑钻杆和中心回流钻头由后向前的钻进，内排屑钻杆和护孔管均在钻孔的孔口处进行添加对接，当金刚石钻孔刀片在旋转钻孔作业遇到较大阻力时，头部与杆部向后顶压压缩弹簧，克服压缩弹簧的弹力杆部沿第一圆柱段外壁向后移动，导向孔沿限位柱向后移动，前连接耳和后连接耳之间的距离变小，前连板和后连板的铰接处向外伸出，前连板外表面的金刚石扩孔刀片的旋转半径增大，直到导向孔的前端侧壁与限位柱顶压接触，金刚石扩孔刀片的旋转半径达到最大值，金刚石扩孔刀片进一步将钻孔扩大，护孔管也跟随同步向前移动，实现护孔作用。
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