CN102041966A - 一种顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置及方法，装置主要由高压泵站、钻机、中空钻杆、压力调节阀、双动力钻头构成，利用矿井高压泵站和双动力钻头形成高压水射流，在钻机给进力的作用下，双动力钻头前方刀具配合高压水射流共同弱化破碎其周围煤岩体进行钻进作业，形成双重动力协同作业，有效提高了机械钻进破碎煤岩体的能力，解决了钻进速度慢，深长钻孔施工困难的问题，钻进速度可提高2~5倍，钻孔成孔率提高20%~40%；通过改变双动力钻头高压喷嘴与双动力钻头中轴线的夹角，实现了双动力钻进和扩孔一体化作业，充分发挥了高压水射流破碎煤岩体的能力，大大简化了扩孔施工工艺和操作工序，降低了施工过程中粉尘，效果显著。

Description

一种顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种顺层或穿层打钻和扩孔方法，尤其适用于高瓦斯松软煤层深长钻孔的快速钻进和扩孔作业。

技术背景

从20世纪50年代开始，我国就将瓦斯抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿井推广，采用穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯是突出煤层回采工作面一种重要的区域防突措施。对于松软突出煤层，由于受煤层起伏、地质构造、煤层瓦斯、煤岩力学性质、煤层厚度、钻机具能力、施工工艺等因素影响，在顺层钻孔施工中，钻孔深度往往达不到设计深度，钻进效率和成孔率低，钻孔有效抽放影响范围及抽放距离小，不能对工作面前方较大范围煤体卸压，致使采煤工作面经常出现预抽“空白区”，防突效果受到一定的限制，给回采带来极大的突出危险，另外由于煤巷掘进速度慢，造成采掘比例失调，影响煤矿效益提高。目前在松软突出煤层打钻中主要存在卡钻和成孔率低等问题，针对这些问题采用不同方法和工艺进行解决，如打钻排渣过程中采用风压排粉方法；采用先进的钻进设备，如煤炭总院西安分院的MK系列钻机，澳大利亚VLD公司VLD1000型钻机，虽然在一定程度上解决了问题，但同时也大大增加了煤层打钻成本，恶化了施工环境，加重了煤矿防突投入，危害了矿工身体健康。采用新工艺、新技术解决煤层打钻中的问题，对简化操作工艺，降低成本投入十分必要。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种方法简单、钻进速度快、操作方便、成孔率高的顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置及方法。

技术方案：本发明的顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置，包括钻机、与钻机相连接的中空钻杆，在所述的钻机上设有与高压泵站相连的高压管路，高压管路上设有压力调节阀，与钻机相连接的中空钻杆上连接有带高压喷嘴的双动力钻头，高压喷嘴成120°分布在双动力钻头上，高压喷嘴的轴心线与双动力钻头轴心线之间成夹角。

所述的高压喷嘴轴心线与双动力钻头轴心线之间的夹角为5°～30°；所述的高压喷嘴的出口内径为1.5mm～2.5mm。

本发明的顺层或穿层双动力快速钻进及钻扩一体化方法，包括如下步骤：

a、在井下工作面内，通过高压管路分别连接高压泵站、压力调节阀和前端连接有高压喷嘴的双动力钻头的中空钻杆；

b、启动高压泵站，使高压喷嘴形成高压水射流后启动钻机低速空挡，调节压力调节阀使高压水射流的压力达到设计要求；

c、启动钻机，双动力钻头在高压水射流的助推下快速钻进，实施顺层或穿层钻孔，直至设计深度，停止钻进； 

d、关闭高压泵站，通过钻机退钻，完成一个顺层或穿层双动力的快速钻孔，重复步骤b、c、d，进行下一孔位的施钻。

所述高压水射流的压力为1 0MPa～40MPa。

有益效果：本发明通过利用高压水射流结合钻机实现双动力破碎煤岩系统，不仅克服了顺层或穿层打钻过程中只能采用单一动力破碎煤岩的缺点，还避免了钻进速度慢，工艺繁琐，操作复杂及成孔率低等缺点。在施工大直径钻孔或扩孔过程中，传统工艺是直接用大直径钻头钻进或者先用小直径钻头施工再用大直径钻头进行扩孔，不但钻进速度慢，工艺、操作复杂，增加了劳动强度，更由于大直径钻头的使用，加大了钻孔排粉渣难度，增加了卡钻、抱钻的风险，单孔钻进深度有限，提高了单个钻孔的施工的经济和时间投入，由于采用了高压水射流力同时进行煤岩破碎，实现了利用小直径钻头施工大直径的优点，大大提高了钻进过程中破碎煤岩的能力和排粉渣能力，简化了施工工艺和操作工序，实现了快速钻进和扩孔一体化工艺，钻进速度可以提高2~5倍，钻孔成孔率提高20~40%，由于高压水射流的利用抑制了施工过程中粉尘飞扬，给作业空间创造良好环境，效果十分显著。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是图1中的A—A剖视图。

图中：1-高压泵站，2-高压管路，3-钻机，4--中空钻杆，5-压力调节阀，6-双动力钻头，7-高压喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置，主要由高压泵站1、钻机3、中空钻杆4、压力调节阀5、双动力钻头6构成，中空钻杆4连接钻机3上，钻机3经高压管路2与高压泵站1相连接，高压管路2上装有调节钻机3压力的压力调节阀5，与钻机3相连接的中空钻杆4上连接有带高压喷嘴7的双动力钻头6，高压喷嘴7成120°分布在双动力钻头6上，高压喷嘴7的轴心线与双动力钻头6轴心线之间成夹角分布，其夹角为5°～30°；高压喷嘴7的出口内径为1.5mm～2.5mm。

本发明的顺层双动力快速钻进及钻扩一体化方法：在井下工作面通过高压管路2连接高压泵站1、压力调节阀5和中空钻杆4，中空钻杆4前端连接带有高压喷嘴7的双动力钻头6；启动高压泵站1，使高压喷嘴7形成高压水射流后启动钻机3低速空挡，调节压力调节阀5使高压水射流的压力达到设计要求，通常情况下压力调节阀5使高压水射流的压力保持在10MPa~30MPa，当煤层的坚固性系数较小，地应力较大时，高压水射流的压力通常需要调低，当煤层的坚固性系数较大，地应力较小时，高压水射流的压力通常需要调高，根据钻进过程中破煤岩的效果具体调节高压水射流的压力。启动钻机3的钻进挡，双动力钻头6在高压水射流的助推下，沿煤层方向快速钻进，实施顺层或穿层钻孔，按常规钻进方法，钻进一根中空钻杆4后，调控钻机3为空挡，停止钻进，调节压力调节阀5关闭高压喷嘴7的出水流，续接安装下一根的中空钻杆，然后调节压力调节阀5，待钻孔内有水流出时，再次启动钻机3钻进档，如此循环，直至钻进到设计深度，通常情况下顺层快速钻进及扩孔速度为1m/min ~3m/min；钻进完成后，关闭高压泵站1，启动钻机3后退档，逐根推卸中空钻杆4，退卸完毕后，关闭钻机3；重复上述步骤进行下一孔位的施钻。

本发明的穿层双动力快速钻进及钻扩一体化方法，与顺层双动力快速钻进及钻扩一体化方法类似，由于在穿层钻进过程中岩石硬度比煤层大，与顺层钻进作业相比，穿层钻进速度相对要慢些，因此高压水射流的压力要更高，通常情况下穿层快速钻进及扩孔速度为0.3m/min ~1m/min，压力调节阀5调节的高压水射流的压力为15MPa~40MPa，根据钻进过程中破煤岩的效果具体调节高压水射流的压力，当钻进作业进入煤层后，方法与顺层双动力快速钻进及钻扩一体化方法基本相同。

Claims (5)

1.一种顺层或穿层双动力快速钻进及扩孔一体化装置，包括钻机（3）、与钻机（3）相连接的中空钻杆（4），其特征在于：在所述的钻机（3）上设有与高压泵站（1）相连的高压管路（2），高压管路（2）上设有压力调节阀（5），与钻机（3）相连接的中空钻杆（4）上连接有带高压喷嘴（7）的双动力钻头（6），高压喷嘴（7）成120°分布在双动力钻头（6）上，高压喷嘴（7）的轴心线与双动力钻头（6）轴心线之间成夹角。

2.根据权利要求1所述的一种顺层或穿层双动力快速钻进和钻扩一体化装置，其特征在于：所述的高压喷嘴（7）轴心线与双动力钻头（6）轴心线之间的夹角为5°～30°。

3.根据权利要求1或2所述的一种顺层或穿层双动力快速钻进和钻扩一体化装置，其特征在于：所述的高压喷嘴（7）的出口内径为1.5mm～2.5mm。

4.根据权利要求1所述装置的一种顺层或穿层双动力快速钻进及钻扩一体化方法，其特征在于包括如下步骤：

a、在井下工作面内，通过高压管路分别连接高压泵站（1）、压力调节阀（5）和前端连接有高压喷嘴（7）的双动力钻头（6）的中空钻杆（4）；

b、启动高压泵站（1），使高压喷嘴（7）形成高压水射流后启动钻机（3）低速空挡，调节压力调节阀（5）使高压水射流的压力达到设计要求；

c、启动钻机（3），双动力钻头（6）在高压水射流的助推下快速钻进，实施顺层或穿层钻孔，直至设计深度，停止钻进； 

d、关闭高压泵站（1），通过钻机（3）退钻，完成一个顺层或穿层双动力的快速钻孔，重复步骤b、c、d，进行下一孔位的施钻。

5.根据权利要求4所述的顺层或穿层双动力快速钻进和钻扩一体化方法，其特征在于：所述高压水射流的压力为1 0MPa～40MPa。

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