CN102230363B - 构造带内煤岩钻孔成孔装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构造带内煤岩钻孔成孔装置，包括动力装置、钻杆机构和注水机构；钻杆机构包括外钻杆，外钻杆包括同心套设在一起的外壁和内壁，所述外壁和所述内壁之间形成外钻杆空腔；所述内壁内同心套设有空心设置的内钻杆；所述内钻杆的外径小于所述内壁的内径从而在两者之间形成环形流道；所述外钻杆的前端设有环形的外钻头，所述内钻杆的前端设有圆盘状内钻头，注水机构包括内钻杆注水装置和外钻杆注水装置；所述动力装置通过传动机构与所述外钻杆和所述内钻杆传动连接。本发明能够解决构造区煤岩易塌孔、成孔难，瓦斯抽放难度大的问题，从而提高构造带内和构造带附近的成孔率、有效地进行瓦斯预抽，进而提高煤炭开采的安全性。

Description

构造带内煤岩钻孔成孔装置与方法

技术领域

本发明涉及煤层气开发技术领域，尤其涉及构造带内煤岩钻孔成孔技术。

背景技术

煤与瓦斯突出一直是影响煤矿安全生产的主要因素之一，这不仅严重制约了煤炭工业的快速发展，最重要的是严重威胁到了煤矿工人的生命安全。随着经济的发展和人们生活水平的提高，煤矿的开采强度正在不断加大，开采过程中瓦斯的涌出量也正在越来越大，存在的潜在危险性也随之加大。因此就必须通过一定措施降低采区瓦斯，打钻成孔进行瓦斯抽放是目前井下解决瓦斯突出的重要手段之一。

打钻抽放瓦斯就是在煤炭开采之前或在开采过程中通过在煤壁或岩壁上打一系列的密集钻孔，进行钻孔、封孔，连接管路，最后进行瓦斯抽放。这种措施从一定程度上减少了掘进和采煤过程中的瓦斯涌出量，降低了煤与瓦斯突出的危险性，同时又可把抽放出的瓦斯加以利用，是一举几得的事情。但煤与瓦斯突出经常发生在构造带附近或构造带内，在这些区域内的煤岩一般都受到了构造扰动，煤岩体受到了一定的破坏，煤岩体强度变低、应力发生改变，因此在这些区域内，煤岩破碎、煤体松软，成孔难度大，几乎不能成孔，这样也就不可能对构造区进行瓦斯预抽，使得这些区域内发生煤与瓦斯突出的危险性大大提高，成为煤矿安全的“定时炸弹”。要想解除这颗“定时炸弹”，必须解决构造带附近或构造带内钻孔成孔的难题，只有这样才能促进煤炭产业快速发展，保障煤矿工人的人身安全。目前，市场上没有出现适于在构造带内进行煤岩钻孔成孔的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种构造带内煤岩钻孔成孔装置。

为实现上述目的，本发明的构造带内煤岩钻孔成孔装置包括动力装置，还包括有钻杆机构和注水机构；钻杆机构包括外钻杆，外钻杆包括同心套设在一起的的外壁和内壁，所述外壁包括两段以上连接在一起的筒状外壁段，所述外壁上设有裂缝；所述内壁包括两段以上连接在一起的筒状内壁段，所述外壁的前部和内壁的前部通过连接体连接在一起，所述连接体的外端固连在所述外壁上，所述连接体的内端螺接在所述内壁上；所述外壁和所述内壁之间形成外钻杆空腔；所述内壁内同心套设有空心设置的内钻杆；所述内钻杆包括两段以上连接在一起的内钻杆段，所述内钻杆的外径小于所述内壁的内径从而在两者之间形成环形流道；所述外钻杆的前端设有环形的外钻头，所述外钻头的环面上设有通水孔；所述外壁外表面上设有排屑螺纹，所述内钻杆的前端设有圆盘状内钻头，所述内钻头位于所述外钻头的后方且所述内钻头的盘面上均布有内水孔；注水机构包括内钻杆注水装置和外钻杆注水装置；内钻杆注水装置包括设在地面上的水箱和水泵，水泵进水管与水箱相连通，水泵出水管的前端伸入内钻杆，水泵出水管伸入内钻杆的部分固连设有控制体，控制体与第一轴承的轴承内壁固定连接，所述第一轴承的轴承外壁固连在内钻杆的内表面上；第一轴承后方的水泵进水管上转动密封连接有密封板，所述密封板的外缘与所述内钻杆的内壁固定连接一起；外钻杆注水装置包括开孔轴承，开孔轴承装设在内钻杆后方的所述水泵进水管上，开孔轴承处的水泵进水管上设有开口，开孔轴承内壁上设有流水孔，开孔轴承的外壁和内壁之间设有流水腔，开孔轴承外壁上径向连通设有外钻杆进水管，外钻杆进水管的前端伸入所述外钻杆空腔内；所述动力装置通过传动机构与所述外钻杆和所述内钻杆传动连接。

所述外钻杆空腔的中部设有固连在所述外壁上的环形防偏装置。

所述外钻头上径向焊接设有环形的保径体。

所述外钻头和所述内钻头上皆设有金刚石牙齿。

所述外钻杆进水管在所述开孔轴承外壁上对称设有两根。

所述传动机构包括固连在所述外壁后端部的外转盘以及固连在内钻杆后端部的内转盘，外转盘和内转盘分别通过外传动轴和内传动轴与所述动力装置传动连接。

所述外壁上滑动支撑连接有固定装置。

所述外钻杆外壁段之间以螺接的方式连接在一起，所述外钻杆内壁段之间以卡接的方式连接在一起，所述内钻杆段之间通过螺接的方式连接在一起；所述通水孔在所述外钻头的环面上均匀分布，所述密封板设有两块，两块密封板之间紧压设有橡胶垫。

除末段外钻杆内壁段外，所述各外钻杆内壁段的后端均设有卡接凹槽；除首段外钻杆内壁段外，所述各外钻杆内壁段的前端均设有与所述卡接凹槽相适配的卡接凸起。

本发明具有如下的优点：

1. 所述内钻头位于所述外钻头的后方，便于在外钻头先在煤（岩）体内钻出环形空间后，内钻头再对环形空间内的煤（岩）体进行钻进，从而使内钻头钻进时可以利用内钻杆与外钻杆内壁之间的环形流道进行顺利排屑。

所述外壁上设有裂缝，便于钻孔完毕、将内钻杆和外钻杆的内壁拔出后，利用所述外壁围成的孔形空腔作为瓦斯抽采孔，使煤（岩）层中的瓦斯气体能够通过裂缝和圆孔进入瓦斯抽采孔内，从而顺利完成瓦斯抽采。

钻孔时需要具有有效的冷却和排屑结构。现有技术中在煤（岩）质较硬的区域钻进时，不容易出现钻孔扩径段塌孔的现象，也不易因塌孔而出现煤（岩）挤压钻杆、阻塞岩屑上排通道的现象，因此可以利用扩径处形成的环空进行水力排屑（水流经钻头时对钻头起到冷却作用）；由于构造带及其附近的煤（岩）质地较为松软，钻孔扩径段很容易出现塌孔、阻塞扩径处形成的环空的现象，因此对于构造带及其附近区域来说，不能利用现有技术中的排屑结构和方法。

本发明的构造带内煤岩钻孔成孔装置在外钻杆外壁上设有螺旋状的螺纹，外钻头钻进时，水通过外钻杆空腔流入，冲刷孔底以后水携带着岩屑沿排屑螺纹的凹陷处向上排出（水流经钻头时对钻头起到冷却作用）。虽然这种冷却、排屑结构和方法的排屑量比较少，但是由于外钻头只是钻出与以往相比体积大大减小的环形空间，因此产生岩屑很少，使得本发明中的排屑结构和排屑方法可以满足钻进的需要。排屑时，即使破碎岩体挤压钻杆，也只是先接触螺纹凸起部分，不会堵塞作为排屑通道的螺纹凹陷部分。内钻头钻进时，水经过内钻杆内部流入孔底，冲洗孔底以后经过环形流道排出，这种排屑原理与现有技术相同，排屑结构和方法与现有技术相类似（环形流道相当于现有技术中扩径段形成的环空），此处不赘述。岩屑排出后能够避免重复钻进。

第一轴承和控制体的设置，解决了水泵进水管在所述内钻杆内的转动支撑问题，这种结构使内钻杆旋转时，第一轴承的轴承外壁随钻杆一起旋转，第一轴承的轴承内壁及其上固连的控制体、水泵进水管得以不随之旋转，从而避免钻杆旋转时影响注水。

密封板和水泵进水管转动密封连接，使密封板随内钻杆一起旋转时，进水管得以不随之一同旋转。密封板的设置防止了水泵进水管中的水由钻杆末端倒流出去，保证了内钻杆中的水有效地对内钻头起到冷却作用，同时利用水流完成排屑功能。

综上所述，本发明能够解决构造区煤岩易塌孔、成孔难，瓦斯抽放难度大的问题，从而提高构造带内和构造带附近的成孔率、有效地进行瓦斯预抽，进而提高煤炭开采的安全性，为煤矿工人的生命安全提供更可靠的保障，促进煤炭产业又快又好的发展。

2. 环形防偏装置的设置具有如下的效果：在水平方向或倾斜方向钻孔时，内钻杆的前端由连接体固定，内钻杆的中部及后部在重力的作用下会向下偏移并被防偏装置所阻挡和支撑，即防偏装置的作用就是支撑在重力的作用下向下偏移的内钻杆。

3. 所述外钻头上径向焊接设有环形的保径体，可以防止长时间使用后钻头磨损，钻孔缩径。

4. 所述外钻头和所述内钻头上皆设有金刚石牙齿具有如下的优点：金刚石的硬度很高，能够减少钻进过程中内、外钻头的磨损，提高其使用寿命。

5. 所述外钻杆进水管在所述开孔轴承外壁上对称设有两根，不但可以加大注水量，而且在旋转时也因为结构对称而更加稳定。

6.传动机构的设置简单方便，便于内、外钻杆在动力装置的带动下一同旋转。

7.固定装置在钻进过程中紧贴钻孔开口处的煤（岩）层，固定装置的下端或者直接支撑在地面上，或者通过支撑装置支撑在地面上，从而使固定装置在钻进过程中对所述外壁起到支撑和稳定作用。

8. 橡胶垫的设置进一步防止了水泵进水管中的水由钻杆末端倒流出去，更可靠地保证了内钻杆中的水有效地对内钻头直到冷却作用，同时利用水流完成排屑功能。外钻杆外壁段、外钻杆内壁段以及内钻杆段之间的连接方式结构简单，易于安装、使用和拆卸。

9. 外钻杆内壁段之间的卡接结构简单可靠，易于制造、使用和拆卸。

本发明的目的还在于提供一种上述构造带内煤岩钻孔成孔装置的施工方法。

为实现上述发明目的，本发明的构造带内煤岩钻孔成孔装置的施工方法包括如下步骤：

一、将构造带内煤岩钻孔成孔装置运送到施工地点，检查该装置是否能正常工作，并准备好足量的水；二、开启构造带内煤岩钻孔成孔装置的动力装置以及水泵，启动时以较小的钻速进行钻进，并逐渐将钻速增大至正常钻速；三、完成钻孔以后拔出内钻杆；四、反向旋转外钻杆内壁，并将其拔出；五、在外钻杆外壁所围成的孔形空腔内安装常规瓦斯抽放装置进行瓦斯抽采，煤（岩）层中的瓦斯气体通过所述外壁上的裂缝进入瓦斯抽采孔内被抽出；六、完成瓦斯抽采后旋转、震动外钻杆外壁，并将其拔出。

上述施工方法步骤简便，能够可靠地在构造带内完成钻孔和抽采瓦斯气体的任务。

附图说明

图1是本发明成孔装置的结构示意图；

图2是图1的A－A剖视图；

图3是图1的B－B剖视图；

图4是图1的C－C剖视图；

图5是图1的D－D剖视图；

图6是外钻杆内壁段之间的卡接结构示意图；

图7是裂缝处外壁段的展开示意图。

具体实施方式

本实施例中的方向以钻进方向为前向，即外钻头位于本构造带内煤岩钻孔成孔装置的前端。图1中标号33为各部件间的螺纹连接处。

如图1至图7所示，本发明的构造带内煤岩钻孔成孔装置包括动力装置1、钻杆机构和注水机构。

如图1至图7所示，钻杆机构包括外钻杆，外钻杆包括同心套设在一起的的外壁2和内壁3，所述外壁2包括两段以上通过螺接的方式连接在一起的筒状外壁段，如图7所示，所述外壁2上割设有平行于钻杆轴向的裂缝4（当然，出于抽采瓦斯的需要，仅需在外壁2上靠前的、有可能接触煤岩层的外壁段上设置裂缝4）。如图1至图7所示，所述内壁3包括两段以上通过卡接的方式连接在一起的筒状内壁段（图1中的标号20所指为相邻两段内壁3之间的卡接连接处），所述外壁2的前部和内壁3的前部通过连接体5连接在一起，所述连接体5的外端固连在所述外壁2上，所述连接体5的内端螺接在所述内壁3上；所述连接体5与所述内壁3的拧紧旋转方向与钻杆机构的钻进旋转方向相同； 所述外壁2和所述内壁3之间形成外钻杆空腔6；所述内壁3内同心套设有空心设置的内钻杆7；所述内钻杆7包括两段以上通过螺接的方式连接在一起的内钻杆段（螺接处在图中的标号为33），所述内钻杆7的外径小于所述内壁3的内径从而在两者之间形成环形流道8；所述外钻杆的前端设有环形的外钻头9，如图2所示，所述外钻头9的环面上均布有通水孔41；如图1所示，所述外壁2外表面上设有排屑螺纹11。如图1和图3所示，所述内钻杆7的前端以螺接的方式设有圆盘状内钻头12，所述内钻头12位于所述外钻头9的后方且所述内钻头12的盘面上均布有三个内水孔42；内水孔42的设置不仅可以冷却钻头、而且可以利用流水排屑。

如图1所示，注水机构包括内钻杆注水装置和外钻杆注水装置。

如图1和图4所示，内钻杆注水装置包括设在地面上的水箱12和水泵13（最好采用高压水泵），水泵进水管14与水箱12相连通，水泵出水管15的前端伸入内钻杆7，水泵出水管15伸入内钻杆7的部分固连设有控制体16，控制体16与第一轴承17的轴承内壁固定连接，所述第一轴承17的轴承外壁固连在内钻杆7的内表面上。这种结构使内钻杆7旋转时，第一轴承17的轴承外壁随钻杆一起旋转，第一轴承17的轴承内壁及其上固连的控制体16、水泵进水管14得以不随之旋转，从而避免钻杆旋转时影响注水。第一轴承17后方的水泵进水管14上转动密封连接有两块密封板18，两块密封板18之间穿设有紧压螺钉48并紧压设有橡胶垫19，所述两块密封板18的外缘皆与所述内钻杆7的内钻杆内壁固定连接一起；这种结构使密封板18和橡胶垫19随内钻杆7一起旋转时，水泵进水管14得以不随之一同旋转。

如图1和图5所示，外钻杆注水装置包括开孔轴承21，开孔轴承21装设在内钻杆7后方的所述水泵进水管14上，开孔轴承21处的水泵进水管14上设有开口43，开孔轴承21内壁上设有流水孔44，开孔轴承21的外壁21A和内壁21B之间设有流水腔45，开孔轴承21外壁21A上径向连通设有外钻杆进水管23，外钻杆进水管23的前端伸入所述外钻杆空腔6内；所述外钻杆进水管23在所述开孔轴承21外壁21A上对称设有两根，不但可以加大注水量，而且在旋转时也因为结构对称而更加稳定。

如图1所示，所述动力装置1通过传动机构与所述外钻杆和所述内钻杆7传动连接。所述传动机构包括固连在所述外壁2后端部的外转盘24以及固连在内钻杆7后端部的内转盘25，外转盘24和内转盘25分别通过外传动轴26和内传动轴27与所述动力装置1传动连接。启动动力装置1时，外转盘24和内转盘25同时带动外钻杆和内钻杆7转动。动力装置1可以采用传统的钻机。

如图1所示，在所述外钻杆空腔6的中部设有固连在所述外壁2上的环形防偏装置28。在水平方向或倾斜方向钻孔时，内钻杆7的前端由连接体5固定，内钻杆7的中部及后部在重力的作用下会向下偏移并被防偏装置28所阻挡和支撑，防偏装置28的作用就是支撑在重力的作用下向下偏移的内钻杆7。

如图1所示，所述外钻头9上径向焊接设有环形的保径体29，从而能够防止长时间使用后外钻头9磨损，钻孔缩径。

如图1至图3所示，所述外钻头9和所述内钻头12上皆设有金刚石牙齿10。金刚石的硬度很高，能够减少钻进过程中内钻头12、外钻头9的磨损，提高其使用寿命。

如图1所示，所述外壁2上滑动支撑连接有固定装置31，固定装置31在钻进过程中紧贴钻孔开口处的煤（岩）层，固定装置31的下端或者直接支撑在地面上，或者如图1所示通过支撑装置32支撑在地面上，从而使固定装置31在钻进过程中对所述外壁2起到支撑和稳定作用。 

如图1和图6所示，除末段外钻杆内壁段外，所述各外钻杆内壁段的后端均设有卡接凹槽51；除首段外钻杆内壁段外，所述各外钻杆内壁段的前端均设有与所述卡接凹槽51相适配的卡接凸起52。这种外钻杆内壁段之间的卡接结构简单可靠，易于制造和使用。

    本发明还公开了上述构造带内煤岩钻孔成孔装置的施工方法，包括如下步骤：

一、将构造带内煤岩钻孔成孔装置运送到施工地点，检查该装置是否能正常工作，并准备好足量的水。

二、  开启构造带内煤岩钻孔成孔装置的动力装置1以及水泵13，启动时以较小的钻速进行钻进，并逐渐将钻速增大至正常钻速。

钻进时，内钻杆7和外钻杆在动力装置1的带动下同时旋转钻进，由于外钻头9的位置靠前，因此环形的外钻头9会首先钻出一个环形的孔，随着外钻头9持续钻进，内钻头12随之前进时将中间的煤岩体钻掉。钻进时，水通过水泵进水管14进入内钻杆7内，同时通过外钻杆进水管23进入外钻杆空腔6内。内钻杆7内的水通过内钻头12的盘面上的内水孔42流至孔底，水在孔底处携带煤（岩）屑后沿所述环形流道8流出。外钻杆空腔6内的水通过外钻头9上的通水孔41流至环形孔底，然后沿排屑螺纹11的凹陷部分流出。水通过内钻头12和外钻头9时对内钻头12、外钻头9起到冷却作用。

三、  完成钻孔以后拔出内钻杆7。

四、  反向旋转（与钻进时的旋转方向相反）外钻杆内壁3，并将其拔出。

五、  在外钻杆外壁2所围成的孔形空腔内安装常规瓦斯抽放装置进行瓦斯抽放。

六、  完成瓦斯抽采后旋转、震动外钻杆外壁2，并将其拔出，施工结束。

由于采用了内钻杆、外钻杆两次钻进成孔、并能够利用外钻杆外壁2围成的孔形空腔作为瓦斯抽采孔，因此本发明能够解决构造区煤岩易塌孔、成孔难，瓦斯抽放难度大的问题，从而提高构造带内和构造带附近的成孔率、有效地进行瓦斯预抽，进而提高煤炭开采的安全性，为煤矿工人的生命安全提供更可靠的保障，促进煤炭产业又快又好的发展。

Claims (10)

1.构造带内煤岩钻孔成孔装置，包括动力装置，其特征在于：还包括有钻杆机构和注水机构；

钻杆机构包括外钻杆，外钻杆包括同心套设在一起的的外壁和内壁，所述外壁包括两段以上连接在一起的筒状外壁段，所述外壁上设有裂缝；所述内壁包括两段以上连接在一起的筒状内壁段，所述外壁的前部和内壁的前部通过连接体连接在一起，所述连接体的外端固连在所述外壁上，所述连接体的内端螺接在所述内壁上；所述外壁和所述内壁之间形成外钻杆空腔；所述内壁内同心套设有空心设置的内钻杆；所述内钻杆包括两段以上连接在一起的内钻杆段，所述内钻杆的外径小于所述内壁的内径从而在两者之间形成环形流道；所述外钻杆的前端设有环形的外钻头，所述外钻头的环面上设有通水孔；所述外壁外表面上设有排屑螺纹，所述内钻杆的前端设有圆盘状内钻头，所述内钻头位于所述外钻头的后方且所述内钻头的盘面上均布有内水孔；

注水机构包括内钻杆注水装置和外钻杆注水装置；

内钻杆注水装置包括设在地面上的水箱和水泵，水泵进水管与水箱相连通，水泵出水管的前端伸入内钻杆，水泵出水管伸入内钻杆的部分固连设有控制体，控制体与第一轴承的轴承内壁固定连接，所述第一轴承的轴承外壁固连在内钻杆的内表面上；第一轴承后方的水泵进水管上转动密封连接有密封板，所述密封板的外缘与所述内钻杆的内壁固定连接一起；

外钻杆注水装置包括开孔轴承，开孔轴承装设在内钻杆后方的所述水泵进水管上，开孔轴承处的水泵进水管上设有开口，开孔轴承内壁上设有流水孔，开孔轴承的外壁和内壁之间设有流水腔，开孔轴承外壁上径向连通设有外钻杆进水管，外钻杆进水管的前端伸入所述外钻杆空腔内；

所述动力装置通过传动机构与所述外钻杆和所述内钻杆传动连接。

2.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述外钻杆空腔的中部设有固连在所述外壁上的环形防偏装置。

3.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述外钻头上径向焊接设有环形的保径体。

4.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述外钻头和所述内钻头上皆设有金刚石牙齿。

5.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述外钻杆进水管在所述开孔轴承外壁上对称设有两根。

6.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述传动机构包括固连在所述外壁后端部的外转盘以及固连在内钻杆后端部的内转盘，外转盘和内转盘分别通过外传动轴和内传动轴与所述动力装置传动连接。

7.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述外壁上滑动支撑连接有固定装置。

8.根据权利要求1所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：所述外钻杆外壁段之间以螺接的方式连接在一起，所述外钻杆内壁段之间以卡接的方式连接在一起，所述内钻杆段之间通过螺接的方式连接在一起；所述通水孔在所述外钻头的环面上均匀分布，所述密封板设有两块，两块密封板之间紧压设有橡胶垫。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的构造带内煤岩钻孔成孔装置，其特征在于：

除末段外钻杆内壁段外，所述各外钻杆内壁段的后端均设有卡接凹槽；除首段外钻杆内壁段外，所述各外钻杆内壁段的前端均设有与所述卡接凹槽相适配的卡接凸起。

10.权利要求9中所述构造带内煤岩钻孔成孔装置的施工方法，其特征在于包括如下步骤：

一、将构造带内煤岩钻孔成孔装置运送到施工地点，检查该装置是否能正常工作，并准备好足量的水；

二、开启构造带内煤岩钻孔成孔装置的动力装置以及水泵，启动时以较小的钻速进行钻进，并逐渐将钻速增大至正常钻速；

三、   完成钻孔以后拔出内钻杆；

四、   反向旋转外钻杆内壁，并将其拔出；

五、   在外钻杆外壁所围成的孔形空腔内安装常规瓦斯抽放装置进行瓦斯抽采，煤岩层中的瓦斯气体通过所述外壁上的裂缝进入瓦斯抽采孔内被抽出；

六、   完成瓦斯抽采后旋转、震动外钻杆外壁，并将其拔出。

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