CN114033315B - 一种突出煤层盾护卸压孔内钻具及其孔外封闭*** - Google Patents

一种突出煤层盾护卸压孔内钻具及其孔外封闭*** Download PDF

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Abstract

本发明公开突出煤层盾护卸压孔内钻具及其孔外封闭***，孔内钻具包括筛孔钻头、多根筛孔钻杆和多根供流管，孔外封闭***包括封孔防尘组件和滑移式内封闭管；筛孔钻杆外径接近钻头直径，筛孔钻杆的外壁对钻孔具有盾护作用；筛孔钻杆外表设置螺旋凹槽或螺旋凸筋或平面，沿螺旋凹槽或螺旋凸筋或平面设置泄渣筛孔，泄渣筛孔对钻杆具有卸压作用；封孔防尘组件和滑移式内封闭管用来封闭孔外筛孔钻杆的裸露筛孔，防止瓦斯流、水流或粉尘通过筛孔外泄，滑移式内封闭管还具有扶正和定位供流管的作用。该发明孔内钻具可以用于保直钻进或定向钻进，内排渣通道一旦发生堵塞，可通过旋转供流管来疏通内排渣通道。

Description

一种突出煤层盾护卸压孔内钻具及其孔外封闭***
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯抽采钻孔钻进技术领域，特别涉及一种突出煤层盾护卸压孔内钻具及其孔外封闭***，用于突出煤层和软硬复合煤层瓦斯抽采钻孔的施工，该钻具可用于保直钻进和无缆定向直孔钻进。
背景技术
突出煤层瓦斯抽采钻孔施工存在三个有待解决的问题：一是打钻喷孔，由于突出煤层打钻的过程中普遍发生孔内煤炮等动力现象，钻孔壁极易崩落坍塌，导致外排渣通道间歇性堵塞，外排渣通道的间歇性堵塞和疏通会导致喷孔瓦斯超限，不完全统计，突出矿井打钻喷孔导致的瓦斯超限占总瓦斯超限次数的60%至80%；二是钻孔偏斜严重，由于外排渣通道需要有足够几何空间，钻杆的直径小于钻头的直径20mm至50mm，百米钻孔的偏斜距离高达15m至20m，终孔位置一般在煤层的顶板或底板；三是打钻深度受限，由于钻孔塌孔、外排渣通道堵塞和钻孔偏斜等因素导致钻孔深度受限。
为解决突出煤层钻进难题，本申请人2013年之后相继提出了护孔卸压的钻进理念并设计了若干双通道筛孔钻杆，专利号分别为ZL201310568692.5，ZL201810488587.3，ZL201810488034.8，其供流管均需通过支撑装置与外杆体同轴固定，排渣通道为供流管与外杆体之间的环形内排渣通道，钻杆对钻孔围岩具有盾护卸压的功能，但是，上述专利在结构和使用方面也存在一定的缺陷，主要体现在以下四点：第一，内管的两端通过支撑装置使内管与钻杆外管同轴固定，对外管、内管的同轴度要求较高，且支撑装置对排渣通道的煤渣运移具有阻挡作用，对内排渣通道的排渣不利，增加了内排渣通道堵塞的概率；第二，内排渣通道为外杆体内表面与供流管外表面的环形排渣通道，环状排渣通道的最小几何尺寸和圆通径的排渣通道几何尺寸相比成倍减小，使得外杆体上的筛孔进渣口尺寸也将成倍减小，泄渣筛孔过小将影响泄渣卸压效率，增大钻杆被抱死的概率；第三，由于钻杆外杆体与中心供流管固定于一体结构，钻杆对进入内排渣通道的煤渣无扰动破碎功能，煤渣在尺寸较小的环形排渣通道内易发生搭桥堵塞；第四，对于松软突出煤层，提钻之后钻孔很容易塌孔阻塞，导致抽采效果的下降，很多矿区需要实施提钻时通过钻杆中心的通孔向钻孔内下护孔筛管，若采用固定式中心供流的筛孔钻杆，由于支撑装置的阻碍，在提钻时无法给钻孔下护孔筛管。
发明内容
本发明目的是为解决上述现有问题本发明提供了一种突出煤层盾护卸压孔内钻具及其孔外封闭***，旨在解决突出煤层打钻喷孔问题，提高钻孔直度、钻孔深度和成孔质量。
为达到上述目的所采取的技术方案是：
一种突出煤层盾护卸压孔内钻具，包括筛孔钻头、多根筛孔钻杆和多根供流管，所述筛孔钻杆外壁设有多个贯穿杆体壁厚的泄渣筛孔，所述筛孔钻头与首根筛孔钻杆丝扣连接，相邻筛孔钻杆之间采用丝扣连接，多根供流管连接并穿过筛孔钻杆的内孔形成向筛孔钻头提供排渣气流或水流的供流通道，供流管外表与筛孔钻杆内壁之间的环状空间为内排渣通道；首根供流管连接在筛孔钻头的旋转供流短节上，后端的供流管插装在滑移式内封闭管中，所述滑移式内封闭管插装在钻孔口外的筛孔钻杆内孔。
进一步，所述筛孔钻头包括钻头壳体，所述钻头壳体一端设有与筛孔钻杆连接的丝扣，所述钻头壳体另一端开设有出流孔，所述钻头壳体内沿筛孔钻杆轴向转动安装有旋转供流短节，所述旋转供流短节一端连通出流孔，所述旋转供流短节另一端与供流管连接；所述钻头壳体上设置有螺旋凹槽和筛孔；所述旋转供流短节与钻头壳体之间安装有支撑架。
进一步，所述筛孔钻杆两端设置有公扣和母扣，所述筛孔钻杆外表设置有螺旋凹槽或螺旋凸筋或轴向平面，所述泄渣筛孔沿螺旋凹槽或螺旋凸筋或轴向平面设置。泄渣筛孔的中心线指向筛孔钻杆横截面圆心或偏向筛孔钻杆的旋转方向，泄渣筛孔为圆孔、变径圆孔或子母组合孔。筛孔钻杆外表螺旋凹槽和泄渣筛孔的结构形态及参数数量设置需要根据筛孔钻杆尺寸、所用钢材强度和煤层地质条件进行优化设计。为提高钻杆外表的聚渣、碎渣效果，筛孔钻杆外表设置轴向凸筋或轴向凹槽。
进一步，所述供流管两端设置有公扣和母扣，用于和筛孔钻头的供流短节连接及相邻供流管连接；为提高钻杆的内部扰动碎渣和运渣功能，所述供流管的外表设置有螺旋凹槽或螺旋凸筋或螺旋叶片或轴向凸筋。
进一步，钻孔内供流管和钻孔内筛孔钻杆之间不设任何连接装置，可给供流管施加扭矩使供流管与筛孔钻杆之间发生相对旋转，在内排渣通道意外堵塞的情况下利用供流管外表的螺旋凹槽或螺旋凸筋疏通内排渣通道。
与一种突出煤层盾护卸压孔内钻具配套安装的一种孔外封闭***，包括安装在钻孔开口处的封孔防尘组件和插装在钻孔口外的筛孔钻杆内孔的滑移式内封闭管。所述封孔防尘组件包括封孔器和防尘部，所述封孔器包括安装在钻孔开口处的封孔管，所述封孔管的外壁包裹有单囊袋并插装在钻孔开口内，所述防尘部包括安装筒和安装在安装筒内壁的防尘毛刷，所述封孔管与安装筒连接为一体，且安装筒位于钻孔开口外，所述筛孔钻杆分别穿过封孔管的中心孔和安装筒的中心孔，所述防尘毛刷与筛孔钻杆接触配合。
进一步，所述滑移式内封闭管包括外管、内管和支撑构成，支撑使外管和内管保持同轴，外管的外径等于或小于筛孔钻杆的内径，内管的内径等于或大于供流管的外径。
进一步，所述滑移式内封闭管***筛孔钻杆的内孔，滑移式内封闭管的外管封闭裸露于钻孔外筛孔钻杆的泄渣筛孔；供流管***滑移式内封闭管的内管中，供流管与筛孔钻杆同轴布置。滑移式内封闭管的长度等于或大于钻机导轨长度与钻机前夹持器距离巷道壁之间的距离之和。
为便于装卸供流管，筛孔钻杆对接后可使供流管尾部外露出筛孔钻杆尾部一段距离。
钻机夹持筛孔钻杆钻进时，供流管与筛孔钻杆既可同步旋转，也可不同步旋转。
本发明所具有的有益效果为：
1、本发明钻具的浮动式供流管无需与筛孔钻杆同轴固定安装，省去了支撑装置，加工工艺简单，制造成本降低，而且和固定式中心供流筛孔钻杆相比，本发明钻具避免了供流管支撑装置对内排渣通道内部煤渣运移的阻碍作用。
2、本发明钻具的供流管可在钻杆中心浮动，内排渣通道的截面动态变化，可避免煤渣在钻杆内排渣排渣通道发生搭桥堵塞，泄渣筛孔直径可以更大，筛孔泄渣效果更好。
3、本发明钻具的浮动式供流管对钻杆排渣通道内部的大直径煤渣颗粒具有扰动破碎作用，流体排渣更加畅通；当钻杆内排渣通道发生意外堵塞时，可给供流管施加扭矩使其与筛孔钻杆相对旋转，利用供流管外表螺旋槽或螺旋凸筋的螺旋输送功能疏通堵塞段，也可使供流管短距离往复抽插对堵塞段进行疏通。
4、本发明钻具的供流管与筛孔钻杆之间无支撑装置，更利于在孔口对钻杆的裸露筛孔进行内封闭，防止排渣风流或水流逸散。
5、更容易实现通过钻具内孔向钻孔下护孔筛管。
附图说明
图1为本发明钻具的筛孔钻头结构示意图
图2为本发明钻具的筛孔钻杆结构示意图；
图3为本发明钻具的供流管结构示意图；
图4为本发明钻具的结构及连接示意图；
图5为本发明钻具的封孔防尘组件结构示意图；
图6为本发明钻具的滑移式内封闭管结构示意图；
图7为本发明钻具及孔外封闭***的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
图1为突出煤层盾护卸压孔内钻具的筛孔钻头结构示意图，筛孔钻头1包括钻头壳体11、支撑架12和可旋转供流短节13，支撑架12与钻头壳体11同轴固定，可旋转供流短节13穿越支撑架12的中心孔与钻头壳体11同轴布置，旋转供流短节13在支撑架12中可自由旋转；钻头壳体11上设置有螺旋凹槽14、轴向筛孔15、径向筛孔16、出流孔17，钻头壳体11的尾部设置有母扣，用于和筛孔钻杆连接；可旋转供流短节13的一端通向筛孔钻头1终端的出流孔17，可旋转供流短节13的另一端设置母扣，用于和供流管连接。
图2为本发明钻具的筛孔钻杆2结构示意图，筛孔钻杆2两端设置有公扣和母扣，用于和筛孔钻头1连接及相邻筛孔钻杆2连接；筛孔钻杆2外表设置有螺旋凹槽21或螺旋凸筋或轴向平面，沿螺旋凹槽21或螺旋凸筋或轴向平面设置穿透钻杆壁厚的泄渣筛孔22；泄渣筛孔22的中心线指向筛孔钻杆2横截面圆心或偏向筛孔钻杆2的旋转方向，泄渣筛孔22为圆孔、变径圆孔或子母组合孔。筛孔钻杆22的外表结构形态及螺旋凹槽21、泄渣筛孔22的参数、数量等需要根据泄渣筛孔22尺寸、所用钢材强度和煤层地质条件进行优化设计。
图3为本发明钻具的供流管结构示意图，供流管3的两端设置有公扣31和母扣32，用于和筛孔钻头1连接及相邻两根供流管3连接；为提高钻杆的内部扰动碎渣和运渣功能，供流管3的外表可设置有螺旋凹槽33或螺旋凸筋或螺旋叶片或轴向凸筋，供流管外表的螺旋凹槽33或螺旋凸筋或螺旋叶片或轴向凸筋的形状和数量不受本实施例限制，供流管可为圆管、多边形管等形状。
图4为本发明钻具的结构及连接示意图，孔内钻具包含筛孔钻头1、多根筛孔钻杆2和多根供流管3，筛孔钻头1与首根筛孔钻杆2采用丝扣连接，后续筛孔钻杆2与筛孔钻杆2之间采用丝扣连接，供流管3与供流管3连接，多根供流管3穿过多根筛孔钻杆2的内孔向筛孔钻头1提供排渣气流或水流；供流管3中心孔为供流通道4，供流管3外表与筛孔钻杆2内壁之间的环状间隙为内排渣通道5。孔内供流管3和孔内筛孔钻杆2之间不设任何连接装置，可给供流管3施加扭矩使供流管3与筛孔钻杆2之间发生相对旋转，在内排渣通道5意外堵塞的情况下利用供流管3外表的螺旋凹槽33或螺旋凸筋疏通内排渣通道5。为便于装卸供流管3，筛孔钻杆2连接后可使供流管3尾部外露出筛孔钻杆2尾部一段距离。
为防止瓦斯流、水流或粉尘通过孔外筛孔钻杆的裸露筛孔外泄使煤渣失去排渣动力，突出煤层盾护卸压孔内钻具使用时需配套安装孔外封闭***，孔外封闭***包括安装在钻孔开口处的封孔防尘组件6和插装在钻孔口外的筛孔钻杆内孔的滑移式内封闭管7。
图5为本发明钻具的孔口封孔防尘组件结构示意图，封孔防尘组件6包括封孔器和防尘部，所述封孔器包括安装在钻孔开口处的封孔管，所述封孔管的外壁包裹有单囊袋61并插装在钻孔开口内，所述防尘部包括安装筒和安装在安装筒内壁的防尘毛刷62，所述封孔管与安装筒连接为一体，且安装筒位于钻孔开口外，所述筛孔钻杆2分别穿过封孔管的中心孔和安装筒的中心孔，所述防尘毛刷62与筛孔钻杆2接触配合。孔口处钻孔扩孔后使用封孔防尘组件6对钻孔口进行封堵。
图6为本发明钻具在孔口处所用的滑移式内封闭管结构示意图，滑移式内封闭管7由外管71、内管72和支撑73构成，支撑73使外管71和内管72保持同轴固定，支撑73的数量长度及形状不受本实施例限制；外管71的外径等于或小于筛孔钻杆2的内径，内管72的内径等于或大于供流管3的外径。滑移式内封闭管7的长度等于或大于钻机导轨长度与钻机前夹持器距离巷道壁之间的距离之和。
滑移式内封闭管7***筛孔钻杆2的内孔，利用滑移式内封闭管7的外管71封闭钻孔外的筛孔钻杆2的泄渣筛孔；供流管3***滑移式内封闭管7的内管72内，并使供流管3位于筛孔钻杆2的同轴中心位置。内封闭管7可在筛孔钻杆2内孔滑移，随着打钻的进行，每次加接钻杆后，将内封闭管滑移至末端的筛孔钻杆内孔中；滑移式内封闭管7具有封闭孔外筛孔钻杆2的裸露筛孔和扶正供流管3的作用，供流管3与筛孔钻杆2同轴便于加接供流管3。
图7为本发明钻具及孔外封闭***的整体结构示意图。所述筛孔钻头1与首根筛孔钻杆2丝扣连接，相邻筛孔钻杆2之间采用丝扣连接，多根供流管3连接并穿过筛孔钻杆2的内孔形成向筛孔钻头1提供排渣气流或水流的供流通道4，供流管3外表与筛孔钻杆2内壁之间的环状空间为内排渣通道5；首根供流管3连接在筛孔钻头1的旋转供流短节13上，后端供流管3插装在滑移式内封闭管7中，所述滑移式内封闭管7插装在钻孔口外的筛孔钻杆2内孔。
由于钻孔内的供流管3和筛孔钻杆2之间不设任何连接装置，钻进施工过程中，供流管3与筛孔钻杆2既可同步旋转，也可不同步旋转。在钻杆内排渣通道5意外堵塞的情况下可给供流管3施加扭矩使供流管3与筛孔钻杆2之间发生相对旋转，利用供流管3外表的螺旋凹槽33或螺旋凸筋疏通内排渣通道5。
供流管3可在钻杆中心浮动，可避免煤渣在钻杆内排渣排渣5中发生搭桥堵塞，泄渣筛孔22的直径可以更大，筛孔泄渣效果更好；浮动式供流管3对钻杆内排渣通道5中的大直径煤渣颗粒具有扰动破碎作用，流体排渣更加畅通。
钻孔外的筛孔钻杆2和供流管3的末端分别与供流器的钻杆接头、供流接头相连。
筛孔钻杆2内表面和供流管3外表之间的环形空间是用于排渣的内排渣通道5，煤渣颗粒在内排渣通道5中高速输送，且供流管3在筛孔钻杆2内孔中浮动、摩擦，为了使钻具能够符合煤矿井下阻燃、抗静电、防火花等要求，本发明钻具需选择符合煤矿井下使用要求的材料加工，例如供流管3由铜管或抗静电尼龙管等工程塑料加工，或在钻具的摩擦面喷涂特殊材料或镶套薄壁管材来提高钻杆的使用性能，钻具的这些特殊处理工艺变化也在本专利的保护范围。
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。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种突出煤层盾护卸压孔内钻具，其特征在于，包括筛孔钻头、多根筛孔钻杆和多根供流管，所述筛孔钻杆外壁设有多个贯穿杆体壁厚的泄渣筛孔，所述筛孔钻头与首根筛孔钻杆丝扣连接，相邻筛孔钻杆之间采用丝扣连接，多根供流管连接并穿过筛孔钻杆的内孔形成向筛孔钻头提供排渣气流或水流的供流通道，供流管外表与筛孔钻杆内壁之间的环状空间为内排渣通道；首根供流管连接在筛孔钻头上，后端的供流管插装在滑移式内封闭管中，所述滑移式内封闭管插装在钻孔口外的筛孔钻杆内孔；
所述筛孔钻头包括钻头壳体，所述钻头壳体一端设有与筛孔钻杆连接的丝扣，所述钻头壳体另一端开设有出流孔，所述钻头壳体内沿筛孔钻杆轴向转动安装有旋转供流短节，所述旋转供流短节一端连通出流孔，所述旋转供流短节另一端与供流管连接；所述钻头壳体上设置有螺旋凹槽和筛孔；所述旋转供流短节与钻头壳体之间安装有支撑架。
2.根据权利要求1所述的一种突出煤层盾护卸压孔内钻具，其特征在于，所述筛孔钻杆两端设置有公扣和母扣，所述筛孔钻杆外表设置有螺旋凹槽或螺旋凸筋或轴向平面，所述泄渣筛孔沿螺旋凹槽或螺旋凸筋或轴向平面设置。
3.根据权利要求1所述的一种突出煤层盾护卸压孔内钻具，其特征在于，所述供流管两端设置有公扣和母扣，所述供流管的外表设置有螺旋凹槽或螺旋凸筋。
4.与权利要求1-3任一所述的一种突出煤层盾护卸压孔内钻具配套安装的一种孔外封闭***，其特征在于，包括安装在钻孔开口处的封孔防尘组件和插装在钻孔口外的筛孔钻杆内孔的滑移式内封闭管；
所述封孔防尘组件包括封孔器和防尘部，所述封孔器包括安装在钻孔开口处的封孔管，所述封孔管的外壁包裹有单囊袋并插装在钻孔开口内，所述防尘部包括安装筒和安装在安装筒内壁的防尘毛刷，所述封孔管与安装筒连接为一体，且安装筒位于钻孔开口外，所述筛孔钻杆分别穿过封孔管的中心孔和安装筒的中心孔，所述防尘毛刷与筛孔钻杆接触配合；
所述滑移式内封闭管包括外管、内管和支撑，支撑使外管和内管保持同轴，外管的外径等于或小于筛孔钻杆的内径，内管的内径等于或大于供流管的外径；
所述滑移式内封闭管***筛孔钻杆的内孔，滑移式内封闭管的外管封闭裸露于钻孔外筛孔钻杆的泄渣筛孔；供流管***滑移式内封闭管的内管中，供流管与筛孔钻杆同轴布置。
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