CN105089499B - 煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置及导向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下自进式水力喷射树状钻孔导向装置，该装置包括钻杆、导向器、钻头、刻度盘四部分。钻杆与导向器前端通过螺纹连接，钻头与导向器尾端通过螺纹连接；连接高压软管的自进式钻头从钻杆中间穿过后再通过导向器，实现自进式钻头从垂直到水平导向的目的，最终在煤层进行自进式水平钻孔；导向器的水平转向是由钻杆的转动带动导向器转动实现的，转动角度通过刻度盘控制；刻度盘固定在钻杆和钻机前端的卡盘上。本发明主要作用是实现自进式钻头在一定的曲率半径内沿着导向器轨道进行从垂直到水平的导向，以实现自进式钻头在煤层中水平钻进。本发明结构简单，操作方便，主要适合在低透气煤层瓦斯抽采过程中钻进树状钻孔时使用。

Description

煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置及导向方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻孔导向技术，具体涉及在低透气煤层瓦斯抽采过程中自进式钻进树状钻孔时使用的导向技术。

背景技术

我国很多煤层具有低渗透率等特点，常规方法难以对低渗透率的煤层进行有效的瓦斯抽采，如何增加煤层透气性是解决低透气性煤层瓦斯抽采难题的关键。

水力化技术作为一种有效的储层增透技术，为解决煤层低渗问题提供了可行的方法，是增加煤层渗透率的有效途径。水力化技术是以高压水作为动力，使储层内原生裂隙扩大延伸或者人为形成新的孔洞、槽缝、裂隙等，促使岩体产生位移，达到储层卸压增渗的目的，如水射流割缝(或扩孔、钻孔)、水力压裂等。水力喷射树状钻孔煤层增透技术作为一种新型的水力化增透技术，以高压水为动力，使自进式钻头先在岩层母孔中钻进，在到达煤层预定位置后，通过钻凿垂直的树状子孔，从而达到使煤层增透的效果。水力喷射树状钻孔煤层增透技术是高效、安全的瓦斯预抽方式，具有缩短钻孔总长度，进而节约钻孔成本缩短钻孔时间；实现低渗透率煤层的均匀增透；钻孔不会产生火花与煤尘，增加工作的安全性，改善工作环境等优点。

水力喷射树状钻孔导向装置是整个煤矿井下水力喷射树状钻孔系统中的一个关键机构，导向器主要作用主要是使高压软管在一定的曲率半径内实现自进式钻头沿着导向孔进行垂直方向转向，以保证钻头在煤层中水平钻进，在工作过程中，要保证钻头受转向器阻力尽可能小，转向与回收方便，安全可靠。中国专利文献CN 203285334U公告的《径向水平井转向装置》结构简单，转弯半径小；CN IO3375140A公告的《径向水平井定向装置及其操作方法》和CN 102704840A公告的《自推式径向水平井转向装》定向准确。但现有导向器都存在很多问题：

①CN 203285334U公告的《径向水平井转向装置》只有一个曲率，高压软管转弯时较为困难；

②以上技术均未对转向导向轨道宽度作出研究和定义，导致在导向孔过小不能使高压软管钻头卡住，过大则不能起到实际约束作用；

③以上技术所述导向器环空面积小，排渣不便，从而影响钻头的顺利前进；

④以上技术的导向装置都是独立的，转向装置前端没有可以钻孔或者扩孔的工具，在母孔孔小或者塌孔的情况下，在母孔中下放存在困难，难以将转向装置下放到预定位置；

⑤导向装置要实现精确转向的操作复杂或者并未考虑如何转向的问题。

由于导向装置存在以上诸多问题，不利于自进式径向钻孔的发展，也限制了径向水平井在煤矿瓦斯抽采中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置，使高压软管钻头靠喷嘴自身的推力顺利通过钻杆和导向器主体并带动高压软管前进，实现高压软管由垂直到水平的顺利导向，从而进行高压软管的自进式破岩钻进。该装置尽量减少了导向器轨道内壁与高压软管之间的摩擦阻力，考虑了钻进时的排渣问题，同时方便转向与收回，安全可靠。

本发明的技术解决方案如下：

一种煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置，其包括依次连接的钻杆、导向器和钻头，在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘，导向器的转动角度通过刻度盘控制。

所述钻杆直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为73mm，内径50mm；钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接；钻杆内部为光滑的通孔，高压软管能顺利通过。

所述钻头大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于与导向器连接。

所述导向器的直径大小为100-150mm。

所述导向器上端设有具有内螺纹的钻杆连接部，下端设有具有外螺纹的钻头连接部。钻杆连接部具有上下贯通的通孔。

所述导向器内有双曲率转弯导向轨道，其宽度为高压软管前端喷嘴宽度的2倍，范围在20-50mm之间，转弯半径为75-150mm，属超短半径径向水平井导向器。

所述导向轨道的入口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从入口到出口依次包括轴向直管段、第一圆弧段、斜管段和第二圆弧段。

所述轴向直管段其长度为30-50mm，钻杆连接部的通孔下端通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段。

所述第一圆弧段的圆弧弧度α＝10°-30°，直径75-150mm。

所述斜管段与两圆弧段相切，连接第一圆弧段和第二圆弧段。

所述第二圆弧段的圆弧弧度β＝α+90°，直径75-130mm。

在所述导向轨道的壁上设有4个滚轮，其特征在于，滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁约2mm；且在第一圆弧段上布置一个滚轮、在第二圆弧段上布置三个滚轮，具体分布如图3所示；

在导向器的导向轨道出口所在的侧面，以及与该侧面相邻的两个侧面都被切为平面，形成排渣槽，如图3、图4。

本装置的导向方法如下：

在低位巷向煤层预先钻进先导孔，形成自进式水力喷射树状钻孔的母孔，母孔形成后将钻杆取出，在钻杆前端装上导向器与钻头。接着将导向装置送入母孔，到达预定位置后，使连接高压软管的自进式钻头依次通过钻杆、导向器后进入煤层自进式钻进，形成自进式树状钻孔的子孔；刻度盘在导向装置到达预定位置后安装在钻杆和钻机卡盘上，通过刻度盘的读数控制导向装置旋转角度，改变导向器位置和方向可在煤层中构造出树状抽采孔网，形成抽采瓦斯网络化。

与现有水力喷射树状钻孔导向装置相比本发明的自进式水力喷射树状钻孔导向器具有以下优点：

1、将导向器前后端与钻杆和钻头连接为一体，作为一个整体的导向装置，通过前端钻头能够在母孔成孔不够规则和有阻碍的情况下更容易将导向装置送入母孔，同时能够完成小幅度的扩孔，通过后端的钻杆有利于准确将导向器送到指定位置，并带动导向器转向。并且导向器与钻杆和钻头采用标准螺纹连接，方便加工与使用。

2、导向装置所用钻杆大小与煤矿常用钻杆大小一致，从而方便钻杆使用与加工；钻杆内径变化过渡处倾斜角度小，方便高压软管通过。

3、在导向轨道上设有滚轮，能减小高压软管通过时的摩擦力，并诱导高压软管顺利通过导向器.

4、导向器充分考虑了在钻进树状钻孔时的排渣问题，导向器导向孔出口上方和导向器两侧面切去了不起作用的部分，形成排渣槽，使钻进树状钻孔时顺利排渣以及导向器送入时更加方便，同时减小了导向器自身体积、增大了导向器的环空面积。

5、导向器装置体积小，其直径大小为100-150mm，导向轨道转弯半径75-150mm，属超短半径径向水平井导向器，适合在低透气煤层瓦斯抽采过程中钻树状钻孔时使用。

6、设置刻度盘方便控制转向器的转向监督，结构简单，方便安装与读数。

7、采用本装置，能减少钻孔数量，增加单个钻孔卸压范围，减小施工工程量，增大煤层透气性和单孔瓦斯抽采量。

可见，采用本装置可以使高压软管自进式钻头靠喷嘴自身的推力顺利通过钻杆和导向器并带动高压软管前进，实现高压软管由垂直到水平的顺利导向，从而进行自进式破岩钻进。该装置减少了导向器轨道内壁与高压软管之间的摩擦阻力，考虑了钻进时的排渣问题，同时方便高压软管的收回。

附图说明

图1所示是本发明的导向装置示意图；

图2所示是本发明的钻杆结构示意图；

图3所示是本发明的导向器结构示意图；

图4所示是本发明的导向器的横截面的俯视图

图5所示是本发明的导向器的左视图；

图6所示是本发明的钻头结构示意图；

图7所示是本发明的刻度盘主视图；

图8是图7所示的刻度盘剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，导向装置包括依次连接的钻杆(1)、导向器(2)和钻头(3)。

如图2所示，钻杆(1)的直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为73mm，内径50mm。钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接；钻杆内部为光滑的通孔，高压软管能顺利通过。该钻杆有利于准确将导向器送到指定位置，并带动导向器转向。

结合图1和图3，导向器(2)上端为钻杆连接部(2.1)，下端为钻头连接部(2.9)，它们的螺纹为标准螺纹，大小与所连接的钻杆和钻头螺纹相符。钻杆连接部(2.1)具有上下贯通的通孔。

导向器(2)内设有对高压软管导向的双曲率转弯导向轨道，导向轨道的入口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从进口到出口依次包括轴向直管段(2.2)、第一圆弧段(2.3)、斜管段(2.4)和第二圆弧段(2.5)，它们的具体设计是：

轴向直管段(2.2)长度为30-50mm，钻杆连接部(2.1)的通孔下端通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段(2.2)。

第一圆弧段(2.3)的圆弧弧度α＝10°-30°，直径75-150mm。

斜管段(2.4)与两圆弧段相切，连接第一圆弧段(2.3)和第二圆弧段(2.5)。

第二圆弧段(2.5)的圆弧弧度β＝α+90°，直径75-130mm。

同时，在导向轨道的壁上设有四个滚轮(2.6)，滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁约2mm。它们分别位于轴向直管段(2.2)、第一圆弧段(2.3)、斜管段(2.4)和第二圆弧段(2.5)，并且在轨道壁上交错相对布置，作用是辅助高压软管的钻头正确导向，同时能够有效减小高压软管通过的阻力。

如图3、图4和图5所示，考虑在钻进树状钻孔时的排渣问题，在导向器的导向轨道出口上方一侧和与该侧面相邻的两外两个都被切为平面，一直通到导向器上端，形成排渣槽(2.7)，由此减小了导向器自身体积，增大导向器的环空面积。

如图6所示，导向器前端连接的钻头(3)大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于与导向器连接。该钻头整体导向装置的一部分，能够在母孔成孔不够规则和有阻碍的情况下更容易将导向装置送入母孔，同时能够完成小幅度的扩孔。

参见图7和图8，在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘(4)，导向器(2)的转动角度通过刻度盘控制。通过刻度盘可读出钻杆旋转角度，刻度盘可在360°范围内读数，钻杆旋转角度即导向器旋转角度，合理的控制旋转角度能实现树状钻孔的均匀分布。

本发明的工作原理为：在低位巷向煤层预先钻进先导孔，形成自进式水力喷射树状钻孔的母孔，在母孔中安装转向器，钻头沿转向器进入煤层自进式钻进，形成自进式水力喷射树状钻孔的子孔，改变导向器位置和方向在煤层中构造出树状抽采孔网，形成抽采瓦斯网络化。采用该装置，可以减少钻孔数量，增加单个钻场卸压范围，减小施工工程量，增大煤层透气性和单孔瓦斯抽采量。

本发明的导向过程如下：

①使用前，首先在要进行瓦斯预抽的地方钻凿抵达瓦斯抽采层的先导孔，即母孔。

②将导向器(2)与钻杆(1)通过钻杆连接部(2.1)连接，再将钻头(3)与导向器(2)通过钻头连接部(2.9)连接，随后将导向装置送入之前钻凿好的母孔中的预定位置，钻头能够在母孔成孔不够规则和有阻碍的情况下使导向装置更容易送入母孔，同时能够完成小幅度的扩孔。

③将带高压软管的自进式钻头从钻杆(1)内部送入，并将刻度盘固定在钻杆和钻机卡盘上。

④开泵并升压，使高压软管靠自进式钻头的高压水射流提供的自进力在钻杆(1)中前进并通过导向轨道，实现对高压软管的垂直导向。

⑤径向水平钻孔的长度可由高压软管前进的长度进行估计，待钻孔达到预定的深度后，即形成一个子孔。停泵，将高压软管收回至导向装置中。

⑥旋转钻杆带动导向装置转动，旋转角度通过刻度盘控制，重复④和⑤，形成一系列均匀的树状钻孔。

⑦将刻度盘的固定螺母松开，移动导向装置到母孔的一新的位置，按同样操作在垂直于母孔轴线方向的新平面上再钻凿一系列树状钻孔；改变导向器位置和方向在煤层中构造出树状抽采孔网，形成抽采瓦斯网络化。所有孔钻好之后将高压软管和导向装置取出。

可见，本发明通过将钻杆(1)、导向器(2)和钻头(3)结合为一体，设计专门用于自进式高压软管通过的钻杆、优化导向器导向轨道的形状和宽度、在导向器导向轨道上添加滚轮等手段，使高压软管在所遇阻力尽可能小的情况下通过导向装置，从而实现对高压软管的垂直导向。本发明所设计的超短半径导向器装置方便排渣，能实现自进式高压软管在小半径内实现导向。本发明通过刻度盘使树状钻孔子孔的均匀分布，为确实提高煤层透气性提供保障。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以定本发明的范围，在本发明公开的技术及方案的基础上，本领域的技术人员能根据本专利公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些修改和变化，这些修改和变化均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置，包括钻杆（1）、导向器（2）、钻头（3）和刻度盘（4）；其特征在于：钻杆（1）、导向器（2）和钻头（3）依次连接，在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装转向刻度盘（4），导向器（2）的转动角度通过刻度盘控制；

所述钻杆（1）直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为73mm，内径50mm；钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接；钻杆内部为光滑的通孔，高压软管能顺利通过；

所述钻头（3）大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于与导向器（2）连接；

所述导向器（2）的直径大小为100-150mm；

所述导向器（2）上端为具有内螺纹的钻杆连接部（2.1），下端为具有外螺纹的钻头连接部（2.9），钻杆连接部（2.1）具有上下贯通的通孔；

所述导向器（2）内有双曲率转弯导向轨道，其宽度为高压软管前端喷嘴宽度的2倍，范围在20-50mm之间，转弯半径为75-150mm，属超短半径径向水平井导向器；

所述导向轨道的入口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出，整个导向轨道从入口到出口依次包括轴向直管段（2.2）、第一圆弧段（2.3）、斜管段（2.4）和第二圆弧段（2.5）；

所述轴向直管段（2.2）长度为30-50mm，钻杆连接部（2.1）的通孔下端通过一斜向的收缩段过渡到该轴向直管段（2.2）；

所述第一圆弧段（2.3）的圆弧弧度α=10°-30°，直径75-150mm；

所述斜管段（2.4）连接第一圆弧段（2.3）和第二圆弧段（2.5），与两圆弧段相切；

所述第二圆弧段（2.5）的圆弧弧度β=α+90°，直径75-130mm；

所述导向轨道的壁上设有4个滚轮（2.6），滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁2mm；且在第一圆弧段（2.3）上布置一个滚轮，在第二圆弧段（2.5）上布置三个滚轮；

在导向器的导向轨道出口所在的侧面，以及与该侧面相邻的两个侧面都被切为平面，形成排渣槽（2.7）。

2.权利要求1所述的煤矿井下水力喷射树状钻孔导向装置的导向方法，其特征在于：

①在使用前，首先在低位巷向煤层预先钻进先导孔，即要进行瓦斯预抽的地方钻凿抵达瓦斯抽采层的先导孔，即母孔；

②将导向器（2）与钻杆（1）通过钻杆连接部（2.1）连接，再将钻头（3）与导向器（2）通过钻头连接部（2.9）连接，随后将整个导向装置送入之前钻凿好的母孔中的预定位置，钻头能够在母孔成孔不够规则和有阻碍的情况下使导向装置更容易送入母孔，同时能够完成小幅度的扩孔；

③将带高压软管的自进式钻头从钻杆（1）内部送入，并将转向刻度盘固定在钻杆和钻机卡盘上；

④开泵并升压，使高压软管靠自进式钻头提供的自进力在钻杆（1）中前进并通过导向器的导向轨道，实现对高压软管的垂直导向；

⑤径向水平钻孔的长度可由高压软管前进的长度进行估计，待钻孔达到预定的深度后，即形成一个子孔，停泵，将高压软管收回至导向装置中；

⑥旋转钻杆带动导向器转动，旋转角度通过刻度盘控制，重复④和⑤，形成一系列均匀的树状钻孔；

⑦将刻度盘的固定螺母松开，移动导向装置到母孔的一新的位置，按同样操作在垂直于母孔轴线方向的新平面上再钻凿一系列树状钻孔；改变导向器位置和方向在煤层中构造出树状抽采孔网，形成抽采瓦斯网络化；所有孔钻好之后将带高压软管的自进式钻头和导向装置取出。