CN219587502U - 一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置。该用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，通过钻头进行钻进，同时带动一级套管、二级套管向钻孔中运动，通过套管间隙输送浆液，以改进传统疏放水只钻进不加固的缺点；通过外喷液孔，在钻进至离层水体下方软弱隔水层时，向因钻进而导致的软岩破坏缝隙进行注浆，加固隔水层；若离层水体突然大量溃入疏放水，则增大浆液泵注浆压力，使浆液由内喷液孔进入一级内管与钻杆之间的间隙，及时进行封孔处理，从而有效防止钻进造成的隔水层破裂，避免人为造成离层水害。

Description

一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置

技术领域

本申请涉及岩层钻进技术领域，特别涉及一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置。

背景技术

煤矿在地下开采过程中，煤层覆岩产生离层，一部分充水离层空间在受静水压力、应力或开采扰动作用等因素影响下，离层水体破裂并在短时间内溃入井下造成灾害。

对于离层水害的预防主要是对离层水体进行超前疏放水，现有的超前疏放水钻孔设备在钻进过程中主要对孔壁进行水泥浆加固，以保证成孔完整，对于煤层顶板较为坚硬的岩层进行钻孔时，对离层水体下覆隔水层破坏较小，不会造成因钻孔导致的隔水层破坏，进而引起离层水体突然溃入回采工作面的情况。

但是，在离层水体下覆岩层较软时，现有的钻孔设备会在钻进过程中，对隔水层进行扰动，破坏原有岩层间的力学平衡状态，使得隔水层产生裂隙，并随着钻头的不断侵入而扩大，最终在离层水体静水压力作用下，离层水体突破隔水层从而人为导致离层水害的发生，且面对超出预期的排水量时无法及时封孔造成水淹工作面的情况。

因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，包括：钻头、旋转连接单元、一级套管、二级套管和钻杆；所述钻头的底面设置有安装凹槽，所述安装凹槽内安装所述旋转连接单元；所述旋转连接单元包括：旋转环、固定环和钢球，所述旋转环有两个，两个所述旋转环分别对称布置于所述固定环的两侧，所述旋转环与所述固定环正对的端面均设置有旋转滑槽，所述旋转滑槽内安装多个钢球；所述一级套管包括：一级内管、一级外管、封孔盖板和薄膜隔板，所述一级内管和所述一级外管的上端均可拆卸同轴连接于所述封孔盖板底面，且所述一级外管的内侧壁和/或所述一级内管的外侧壁上设置有阶梯凸台；所述薄膜隔板位于所述阶梯凸台上，且薄膜隔板与所述封孔盖板之间设置有压紧弹簧；其中，所述旋转环的外侧壁与所述安装凹槽紧配合，所述固定环的内侧壁与所述一级外管的外侧壁连接；所述一级外管的侧壁设置有多个外喷液孔，所述一级内管的侧壁上设置有多个内喷液孔，所述外喷液孔和所述内喷液孔分别位于所述薄膜隔板的两侧；所述二级套管可拆卸连接于所述一级套管的下端，且所述二级套管的外管侧壁设置有多个所述外喷液孔，所述二级套管的底端沿轴向设置有过液孔，所述过液孔位于所述二级套管的外管和内管之间；所述钻杆依次穿过所述二级套管的内管、所述一级内管后与所述钻头连接。

优选的，所述钻头的底部可拆卸连接有压紧端盖，所述压紧端盖的上端面设置有压紧凸台，所述压紧凸台沿轴向顶紧所述旋转连接单元。

优选的，所述安装凹槽的底面设有螺纹连接盲孔，所述螺纹连接盲孔内安装所述钻杆的端部。

优选的，所述封孔盖板的底面沿周向均布多个第一弹簧槽，对应的，所述薄膜隔板的顶面沿轴向均布多个第二弹簧槽，多个所述第一弹簧槽与多个所述第二弹簧槽一一对应，且每个所述第一弹簧槽及相对应的所述第二弹簧槽内分别与一个所述压紧弹簧的两端适配连接。

优选的，所述一级套管还包括：导向螺栓，所述导向螺栓由所述薄膜隔板的底面依次穿过所述薄膜隔板、所述压紧弹簧后，连接于所述封孔盖板的下端。

优选的，所述一级外管的外侧壁的下端设置有第一连接凸台，所述二级套管的外管的内侧壁的上端设置有第二连接凸台，所述第一连接凸台与所述第二连接凸台螺纹适配连接。

优选的，所述二级套管的内管的上端面与所述第二连接凸台的底面齐平。

优选的，所述二级套管的外管的外侧壁的下端设置有第三连接凸台，所述第三连接凸台沿轴向的长度与所述第二连接凸台沿轴向的长度相等，且所述第三连接凸台的外表面设置有连接外螺纹。

有益效果：

本申请实施例提供的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置中，在钻头的底面设置有安装凹槽，安装凹槽内安装旋转连接单元，旋转连接单元中，旋转环的外侧壁与安装凹槽紧配合，固定环的内侧壁与一级外管的外侧壁连接；由于一级套管中的以及内管和一级外管的上端均同轴连接于封孔盖板的底面，进而，实现钻头与一级外管之间的相对旋转，同时，钻头在钻进过程中，带动一级套管随之向前运动。

在一级套管中，一级外管的内侧壁和/或一级内管的外侧壁上设置有阶梯凸台，在阶梯凸台上布置有通过压紧弹簧压紧的薄膜隔板；同时，在一级内管上设置有多个位于薄膜隔板上方的内喷液孔，当钻头钻进至离层水体时，若离层水体突然大量溃入疏放水，可通过增大浆液泵注浆压力，在一级套管中的浆液的压力作用下，使薄膜隔板向上运动，进而，使浆液由内喷液孔进入一级内管与钻杆之间的间隙，及时进行封孔处理。

在一级外管的外侧壁设置有位于薄膜隔板下方的外喷液孔，一级套管中的浆液通过外喷液孔祥隔水层裂隙中喷射浆液，加固隔水层，若未发生离层水体大量溃入疏放水，则完成钻孔时逐级旋出套管，退出钻头；若离层水体突然大量溃入疏放水，则使浆液由内喷液孔进入一级内管与钻杆之间的间隙，及时进行封孔处理，钻头、钻杆及一级套管留在钻孔中，逐级退出其它各级二级套管，从而有效避免人为造成离层水害。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置的结构示意图；

图2为图1所示实施例的轴剖视图；

图3为图2所示视图中B处的局部视图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的一级外管与一级内管的套装示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的薄膜隔板在封孔盖板上的装配示意图；

图6为根据本申请的一些实施例提供的封孔盖板的结构示意图；

图7为根据本申请的一些实施例提供的钻头的结构示意图；

图8为根据本申请的一些实施例提供的薄膜隔板的轴剖视图；

图9为根据本申请的一些实施例提供的旋转连接单元的装配示意图；

图10为根据本申请的一些实施例提供的二级套管的轴剖视图。

附图标记说明：

100、钻头；200、一级套管；300、二级套管；400、旋转连接单元；

201、一级外管；202、一级内管；203、封孔盖板；204、薄膜隔板；205、压紧弹簧；212、内喷液孔；

301、过液孔；

401、固定环；402、旋转环；403、钢球。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

为克服离层水体进行超前疏放水对软弱岩层隔水层的破坏，本申请通过一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，在钻进至预估隔水层时，向钻孔内释放流动性好、凝固时间快的凝固液，以充填钻进时在隔水层中产生的裂隙，及时加固隔水层，从而有效防止钻进造成的隔水层破裂，避免人为造成离层水害。

如图1至图10所示，该用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，包括：钻头100、旋转连接单元400、一级套管200、二级套管300和钻杆。其中，钻头100和一级套管200之间通过旋转连接单元400可拆卸连接，一级套管200的下端与二级套管300之间可拆卸连接，钻杆可拆卸连接于钻头100的底部，且穿过一级套管200、二级套管300。

驱动单元带动钻杆转动，钻杆带动钻头100旋转，钻头100与一级套管200之间通过旋转连接单元400实现相对旋转，籍此，在钻杆、钻头100向前钻进的同时，带动一级套管200、二级套管300沿钻孔前进，在钻进至预估隔水层时，向钻孔内释放流动性好、凝固时间快的凝固液，以充填钻进时在隔水层中产生的裂隙，及时加固隔水层。

本申请中，在钻头100的底部设置有安装凹槽，安装凹槽内安装旋转连接单元400，具体的，旋转连接单元400的外径与安装凹槽的径向尺寸相适配，使得旋转连接单元400与安装凹槽之间为紧配合；同时，在钻头100的底部端面可拆卸连接有压紧端盖，具体的，压紧端盖与钻头100之间通过紧固螺栓（内六角圆柱头螺栓）进行紧固连接，在压紧端盖的上端面设置有压紧凸台，压紧凸台沿轴向顶紧旋转连接单元400，将旋转连接单元400压紧在安装凹槽内。

安装凹槽的底面设置有用于连接钻杆上端的螺纹连接盲孔，使得钻杆与钻头100之间通过螺纹连接实现动力传递。此外，与钻头100连接的钻杆还可以通过焊接等其它固定连接方式，与钻头100进行固定连接，以进一步增强钻杆与钻头100的连接牢固程度。

本申请中，旋转连接单元400包括：旋转环402、固定环401和钢球403。其中，旋转环402有两个，两个旋转环402分别对称布置于固定环401的两端面，在旋转环402与固定环401正对的端面上均设置有旋转滑槽，旋转滑槽内安装有多个钢球403。

旋转环402的外侧壁与安装凹槽紧配合，同时，在压紧端盖的作用下，使得旋转连接单元400整体压紧固定在安装凹槽内；固定环401的内侧壁与一级套管200连接，具体的，可以采用螺纹连接等可拆卸连接方式，也可以采用焊接等固定连接方式。籍此，实现旋转环402与固定环401之间的相对旋转运动，同时，通过钢球403实现旋转环402与固定环401之间轴向力的传递，使一级套管200能够随钻头100向钻孔内移动，同时，又不随着钻头100进行转动。

本申请中，一级套管200包括：一级内管202、一级外管201、封孔盖板203和薄膜隔板204。其中，一级外管201、一级内管202均为管状结构，一级外管201、一级内管202的上端均可拆卸同轴连接于封孔盖板203的底面，具体的，通过螺纹连接方式连接于封孔盖板203上。

在一级外管201的内侧壁、一级内管202的外侧壁均设置有阶梯凸台，正常钻进时，阶梯凸台上放置有薄膜隔板204。具体的，薄膜隔板204与封孔盖板203之间设置有压紧弹簧205，当一级外管201、一级内管202的上端螺纹拧紧在封孔盖板203上后，在压紧弹簧205的作用下，将薄膜隔板204压紧在阶梯凸台上。

进一步的，封孔盖板203的底面沿周向均布有多个第一弹簧槽，对应的，薄膜隔板204的顶面沿轴向均布多个第二弹簧槽，多个第一弹簧槽与多个第二弹簧槽一一对应，且每个第一弹簧槽及相对应的第二弹簧槽内分别与一压紧弹簧205的两端相适配。也就是说，一根压紧弹簧205的两端分别位于相对应布置的第一弹簧槽和第二弹簧槽内，籍此，使得压紧弹簧205的压紧作用力能够均布作用于薄膜隔板204上，将薄膜隔板204均匀压紧在阶梯凸台上，避免了薄膜隔板204承受偏载，增强薄膜隔板204的稳定性。

在一具体的例子中，通过导向螺栓由薄膜隔板204的底面依次穿过薄膜隔板204、压紧弹簧205后，连接于封孔盖板203的下端。具体的，在薄膜隔板204的底面沿轴向设置有安装沉孔及同轴的安装通孔，在封孔盖板203的底面沿轴向设置有压紧螺纹盲孔，安装沉孔、安装通孔、压紧螺纹盲孔均与相对应的第一弹簧槽、第二弹簧槽同轴，导向螺栓的杆部穿过安装通孔后，由压紧弹簧205中穿出，螺纹连接于压紧螺纹盲孔中。通过调节导向螺栓即可实现压缩弹簧对薄膜隔板204的预压紧力的调整。

本申请中，一级外管201的侧壁上设置有多个外喷液孔，一级内管202的侧壁上设置有多个内喷液孔212，外喷液孔和内喷液孔212分别位于薄膜隔板204的两侧。也就是说，在一级外管201的侧壁上的外喷液孔位于薄膜隔板204的下方，在一级内管202的侧壁上的内喷液孔212位于薄膜隔板204的上方。籍此，在钻进至预估隔水层时，通过外喷液孔向钻孔内释放流动性好、凝固时间快的凝固液，以充填钻进时在隔水层中产生的裂隙，及时加固隔水层；当钻头100钻进至离层水体时，若未发生离层水体大量溃入疏放水，则完成钻孔时逐级旋出套管，退出钻头100；若离层水体突然大量溃入疏放水，可通过增大浆液泵注浆压力，使薄膜隔板204向上运动，进而，浆液由内喷液孔212进入一级内管202与钻杆之间的间隙，及时进行封孔处理。

若离层水体突然大量溃入疏放水，可通过增大浆液泵注浆压力，在一级套管200中的浆液的压力作用下，使薄膜隔板204向上运动，进而，使浆液由内喷液孔212进入一级内管202与钻杆之间的间隙，及时进行封孔处理，钻头100、钻杆及一级套管200留在钻孔中，逐级退出其它各级二级套管300，从而有效避免人为造成离层水害。

本申请中，二级套管300可拆卸连接于一级套管200的下端，具体的，一级外管201的外侧壁的下端设置有第一连接凸台，二级套管300的外管的内侧壁的上端设置有第二连接凸台，第一连接凸台与第二连接凸台螺纹适配连接。也就是说，第一连接凸台的外侧壁设置有外螺纹，第二连接凸台的内侧壁设置有内螺纹，通过螺纹连接，将一级外管201与二级套管300连接在一起。

进一步的，二级套管300的内管的上端面与第二连接凸台的底面齐平，也就是说，当第一连接凸台与第二连接凸台通过螺纹连接到位后，一级内管202的下端面与二级套管300的内管的上端面抵接，籍此，通过一级内管202的下端面与二级套管300的内管的上端面之间的抵接，即对第一连接凸台与第二连接凸台的螺纹连接进行限位，同时，有效隔离钻杆与套管，使浆液沿套管进行流动。

随着钻头100带动一级套管200相钻孔内移动，在二级套管300下端（尾部）通过螺纹连接另一二级套管300，以此循环直至钻进至目标隔水层。二级套管300之间的连接，通过二级套管300上端设置的第二连接凸台，与二级套管300的外管的外侧壁的下端设置的第三连接凸台之间的螺纹连接实现。其中，第三连接凸台沿轴向的长度与第二连接凸台沿轴向的长度相等，且第三连接凸台的外表面设置有连接外螺纹，与第二连接凸台的内螺纹进行螺纹连接。

二级套管300的外管侧壁设置有多个外喷液孔，二级套管300的底端沿轴向设置有过液孔301，过液孔301位于二级套管300的外管和内管之间，籍此，使得浆液能够通过过液孔301进入二级套管300的外管与内管之间的间隙，并向一级套管200进行输送。

本申请中，通过钻头100进行钻进，同时带动一级套管200、二级套管300向钻孔中运动，通过套管间隙输送浆液，以改进传统疏放水只钻进不加固的缺点；通过外喷液孔，在钻进至离层水体下方软弱隔水层时，向因钻进而导致的软岩破坏缝隙进行注浆，加固隔水层；若离层水体突然大量溃入疏放水，则增大浆液泵注浆压力，使浆液由内喷液孔212进入一级内管202与钻杆之间的间隙，及时进行封孔处理，籍此，有效防止水量过大超出预期排水能力造成水淹工作面的情况。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，包括：钻头、旋转连接单元、一级套管、二级套管和钻杆；

所述钻头的底面设置有安装凹槽，所述安装凹槽内安装所述旋转连接单元；

所述旋转连接单元包括：旋转环、固定环和钢球，所述旋转环有两个，两个所述旋转环分别对称布置于所述固定环的两侧，所述旋转环与所述固定环正对的端面均设置有旋转滑槽，所述旋转滑槽内安装多个钢球；

所述一级套管包括：一级内管、一级外管、封孔盖板和薄膜隔板，所述一级内管和所述一级外管的上端均可拆卸同轴连接于所述封孔盖板底面，且所述一级外管的内侧壁和/或所述一级内管的外侧壁上设置有阶梯凸台；所述薄膜隔板位于所述阶梯凸台上，且薄膜隔板与所述封孔盖板之间设置有压紧弹簧；

其中，所述旋转环的外侧壁与所述安装凹槽紧配合，所述固定环的内侧壁与所述一级外管的外侧壁连接；所述一级外管的侧壁设置有多个外喷液孔，所述一级内管的侧壁上设置有多个内喷液孔，所述外喷液孔和所述内喷液孔分别位于所述薄膜隔板的两侧；

所述二级套管可拆卸连接于所述一级套管的下端，且所述二级套管的外管侧壁设置有多个所述外喷液孔，所述二级套管的底端沿轴向设置有过液孔，所述过液孔位于所述二级套管的外管和内管之间；

所述钻杆依次穿过所述二级套管的内管、所述一级内管后与所述钻头连接。

2.根据权利要求1所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述钻头的底部可拆卸连接有压紧端盖，所述压紧端盖的上端面设置有压紧凸台，所述压紧凸台沿轴向顶紧所述旋转连接单元。

3.根据权利要求1所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述安装凹槽的底面设有螺纹连接盲孔，所述螺纹连接盲孔内安装所述钻杆的端部。

4.根据权利要求1所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述封孔盖板的底面沿周向均布多个第一弹簧槽，对应的，所述薄膜隔板的顶面沿轴向均布多个第二弹簧槽，多个所述第一弹簧槽与多个所述第二弹簧槽一一对应，且每个所述第一弹簧槽及相对应的所述第二弹簧槽内分别与一个所述压紧弹簧的两端适配连接。

5.根据权利要求4所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述一级套管还包括：导向螺栓，所述导向螺栓由所述薄膜隔板的底面依次穿过所述薄膜隔板、所述压紧弹簧后，连接于所述封孔盖板的下端。

6.根据权利要求1所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述一级外管的外侧壁的下端设置有第一连接凸台，所述二级套管的外管的内侧壁的上端设置有第二连接凸台，所述第一连接凸台与所述第二连接凸台螺纹适配连接。

7.根据权利要求6所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述二级套管的内管的上端面与所述第二连接凸台的底面齐平。

8.根据权利要求6所述的用于软弱岩层离层水体超前疏放水的钻孔装置，其特征在于，所述二级套管的外管的外侧壁的下端设置有第三连接凸台，所述第三连接凸台沿轴向的长度与所述第二连接凸台沿轴向的长度相等，且所述第三连接凸台的外表面设置有连接外螺纹。