CN106958418A - 松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具 - Google Patents

Abstract

松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，包括支架、动力驱动装置、导向支撑架、空心内排渣可变径钻头、空心光面钻杆、PVC护孔管、第一缓冲箱、第二缓冲箱、供水装置、供风装置和集渣容器；本发明在钻孔作业过程中时，钻头前部受力从而顶压内部的压缩弹簧，使伸缩柱向外滑动，达到预定行程后，使空心内排渣可变径钻头的钻孔直径变大并最终保持定值，PVC护孔管渐渐的跟进。当钻头前端受力消失时，伸缩柱会恢复到初始位置，此时可抽出空心内排渣可变径钻头、空心光面钻杆，将PVC护孔管留在孔内使瓦斯顺利排出。本发明提高了瓦斯抽采孔施工的速度，保证施工的安全性，是松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具的创新。

Description

松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采钻孔施工技术领域，尤其涉及松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具。

背景技术

瓦斯一直是影响煤矿安全生产的重要问题，目前采取的主要防治措施是钻孔施工后下放筛管从而进行瓦斯抽采。我国的大部分煤层属于松软煤层，用普通钻头进行钻孔施工时，由于松软煤层成孔性差，孔壁极不稳定，极易发生钻孔垮塌，造成钻头无法取出，为后续的机械化采煤增加了安全隐患。即使能成功取出，也会影响后续的筛管下放，不仅耽误生产，而且会造成不必要的经济损失。中国专利（专利号：CN 202596582 U）公开了一种可变径钻头，可以实现退钻扩孔的功能，有效的防止了卡钻的现象，但是采用此钻头施工后仍然要退钻后下放筛管，不可避免的会造成筛管无法下放或下放深度不够理想。另一个中国专利（专利号：CN 102877791 A）公开了一种钻头及钻孔装置，通过活动钻芯跨设在钻头主体上，套管可以穿过钻头主体的轴向通孔，利用套管的本身的重力打开钻头主体一端的活动钻芯，从而实现钻头内部下套管，避免了撤出钻头后再下套管的种种弊端，但是由于钻头孔内空间有限，下放的套管直径比较小，影响瓦斯的抽采效率。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，其可使排渣过程在钻杆腔体内完成，同时护孔管及时的跟进护住孔壁，可有效避免钻孔垮孔、塌孔对卡钻现象、筛管下放问题的影响，也利于瓦斯的抽放。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，包括支架、动力驱动装置、导向支撑架、空心内排渣可变径钻头、空心光面钻杆、PVC护孔管、第一缓冲箱、第二缓冲箱、供水装置、供风装置和集渣容器； PVC护孔管套在空心光面钻杆外部，PVC护孔管内壁与空心光面钻杆之间形成环形通道，以钻进的方向为由后到前的方向，空心光面钻杆的后端与第一缓冲箱连接，第一缓冲箱下部与集渣容器连接，第一缓冲箱顶部与供风装置的供风口连接，第一缓冲箱、动力驱动装置和导向支撑架由后向前依次固定设置在支架上，动力驱动装置的动力输出端与空心光面钻杆传动连接，空心光面钻杆穿过并设置在导向支撑架上，空心内排渣可变径钻头安装在空心光面钻杆的前端，PVC护孔管的管壁上均布有若干瓦斯排放孔；第二缓冲箱的前端面固定在煤层钻孔的孔口外侧，第二缓冲箱与PVC护孔管后端连接，第二缓冲箱顶部与供水装置的供水口连接，空心光面钻杆穿过第二缓冲箱并与第二缓冲箱之间密封连接。

空心内排渣可变径钻头包括具有中心通道的头部和杆部，头部前端固定设置有金刚石刀头，头部前端开设有与中心通道连通的排渣孔，杆部包括内套管和同轴套装在内套管外的外套管，内套管外壁由后向前依次为第一圆柱段、扁平段和第二圆柱段，扁平段包括中心对称的两个平面结构和两个弧面结构，平面结构和弧面结构沿圆周方向交替设置，弧面结构的外径与第二圆柱段的外径相等，第二圆柱段的外径大于第一圆柱段的外径，第二圆柱段后端中心对称开设有两个安装槽，每个安装槽的后端对应与一个平面结构的前侧边衔接贯通；第二圆柱段外壁设置有外花键结构，第二圆柱段前端内壁设置有内螺纹结构，头部的后端伸入并螺纹连接在内螺纹结构内；

外套管前端外壁设置有与空心光面钻杆前端同轴向连接的外螺纹结构，外套管内壁由后向前依次为第一圆柱孔、第二圆柱孔和内花键结构，第一圆柱段的外径与第一圆柱孔的内径相等，第二圆柱段的外径与第二圆柱孔的内径相等，第二圆柱孔的后端与第一圆柱孔的前端之间形成环形台阶结构，第一圆柱段后部插设在第一圆柱孔内，外花键结构和内花键结构啮合装配，外套管前端螺纹连接有限位螺母，限位螺母的内壁安装有与第二圆柱段密封并滑动配合的密封圈，限位螺母前端面设置有金刚石固定刀片；

外套管与内套管之间设置有作业端径向伸出外套管的弹性变径切割机构。

弹性变径切割机构包括压缩弹簧、两个伸缩柱和两个导向孔，压缩弹簧套装在第一圆柱段外，压缩弹簧的前端和后端分别与扁平段后端面和环形台阶结构顶压配合，假定沿内套管的径向方向指向内套管中心的方向为由外向内的方向，导向孔开设在外套管上并与安装槽内外对应，第二圆柱段在安装槽的左侧和右侧对称设置有导向槽，导向槽后端边沿与安装槽内壁前端边沿通透并齐平，导向槽与内套管中心线的距离由前端到后端逐渐减小，伸缩柱内端左侧和右侧分别设置有装配在导向槽内的导柱，伸缩柱沿径向方向穿过导向孔，导向孔和伸缩柱的横断面均为矩形结构，伸缩柱外端侧部设置有刀片槽，刀片槽处设置有与伸缩柱焊接的金刚石伸缩刀片。

采用本发明进行钻孔护孔作业的方法，包括以下步骤：

（1）、在煤层巷道的钻孔处安装松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具；

（2）、启动动力驱动装置和供水装置，动力驱动装置驱动空心光面钻杆和空心内排渣可变径钻头旋转对指定位置的煤层进行钻孔，供水装置将高压水先送入到第二缓冲箱内，高压水再由第二缓冲箱内沿PVC护孔管内壁与空心光面钻杆之间形成的环形通道进入到头部的金刚石刀头处，金刚石刀头对煤层进行切割后煤粉与高压水混合后水渣混合物通过排渣孔进入到中心通道内；水渣混合物沿着空心光面钻杆的内孔排到第一缓冲箱内，最后进入到集渣容器暂存；

（3）、随着空心光面钻杆和空心内排渣可变径钻头由后向前的钻进，第二缓冲箱的后端也向前移动缩入到第二缓冲箱的前部内，与此同时金刚石固定刀片的旋转先进行一定半径的扩孔，金刚石伸缩刀片的旋转进一步扩孔，当金刚石钻头遇到较大阻力时，头部向后顶压内套管，内套管克服压缩弹簧的弹力沿外套管内壁向后移动，由于导向槽也随着向后移动，并且导向槽与内套管中心线的距离由前端到后端逐渐减小，伸缩柱的位置在导向孔的限定下只能径向移动，导向槽驱动位于安装槽内的伸缩柱上的导柱向外移动，伸缩柱就向外伸出外套管一段距离并保持定值进行扩孔钻进作业，PVC护孔管也跟随同步向前移动，实现护孔作用；

（4）、钻孔达到预定孔深后，将空心内排渣可变径钻头、空心光面钻杆后撤一小段距离，内套管、伸缩柱在压缩弹簧的作用下恢复到初始位置，将空心光面钻杆以及空心内排渣可变径钻头抽出钻孔外，PVC护孔管留在钻孔内，可有效避免钻孔垮孔、塌孔对瓦斯抽放的影响，PVC护孔管上设置的瓦斯排放孔用于煤层内瓦斯的溢出。

所述步骤（2）中的供水装置关闭，启动供风装置，高压风由第一缓冲箱依次通过空心光面钻杆的内孔、空心内排渣可变径钻头的中心通道，由排渣孔吹入到金刚石刀头作业处，煤渣或煤屑沿PVC护孔管内壁与空心光面钻杆之间形成的环形通道向后排入到第二缓冲箱内暂存。

采用上述技术方案，本发明在钻孔作业过程中时，钻头前部受力从而顶压内部的压缩弹簧，使伸缩柱向外滑动，达到预定行程后，使空心内排渣可变径钻头的钻孔直径变大并最终保持定值，PVC护孔管渐渐的跟进。水流通过PVC护孔管和空心光面钻杆之间空隙到达钻孔底部或者高压风通过空心光面钻杆内部到达钻孔底部。当钻头前端受力消失时，伸缩柱会恢复到初始位置，此时可抽出空心内排渣可变径钻头、空心光面钻杆，将PVC护孔管留在孔内使瓦斯顺利排出。本发明提高了瓦斯抽采孔施工的速度，保证施工的安全性，是松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具的创新。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中空心内排渣可变径钻头和空心光面钻杆的装配示意图；

图3是图2中内套管的结构示意图；

图4是图3中A-A剖视图；

图5是图3中B-B剖视图；

图6是图3中C-C剖视图；

图7是图3中外套管的结构示意图；

图8是图7中D-D剖视图；

图9是图2中伸缩柱的结构示意图；

图10是图2中头部的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1-图10所示，本发明的松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，包括支架1、动力驱动装置2、导向支撑架3、空心内排渣可变径钻头4、空心光面钻杆5、PVC护孔管6、第一缓冲箱7、第二缓冲箱8、供水装置9、供风装置10和集渣容器11； PVC护孔管6套在空心光面钻杆5外部，PVC护孔管6内壁与空心光面钻杆5之间形成环形通道12，以钻进的方向为由后到前的方向，空心光面钻杆5的后端与第一缓冲箱7连接，第一缓冲箱7下部与集渣容器11连接，第一缓冲箱7顶部与供风装置10的供风口连接，第一缓冲箱7、动力驱动装置2和导向支撑架3由后向前依次固定设置在支架1上，动力驱动装置2的动力输出端与空心光面钻杆5传动连接，空心光面钻杆5穿过并设置在导向支撑架3上，空心内排渣可变径钻头4安装在空心光面钻杆5的前端，PVC护孔管6的管壁上均布有若干瓦斯排放孔13；第二缓冲箱8的前端面固定在煤层14钻孔的孔口外侧，第二缓冲箱8与PVC护孔管6后端连接，第二缓冲箱8顶部与供水装置9的供水口连接，空心光面钻杆5穿过第二缓冲箱8并与第二缓冲箱8之间密封连接。

空心内排渣可变径钻头4包括具有中心通道17的头部15和杆部，头部15前端固定设置有金刚石刀头16，头部15前端开设有与中心通道17连通的排渣孔18，杆部包括内套管19和同轴套装在内套管19外的外套管20，内套管19外壁由后向前依次为第一圆柱段21、扁平段22和第二圆柱段23，扁平段22包括中心对称的两个平面结构24和两个弧面结构25，平面结构24和弧面结构25沿圆周方向交替设置，弧面结构25的外径与第二圆柱段23的外径相等，第二圆柱段23的外径大于第一圆柱段21的外径，第二圆柱段23后端中心对称开设有两个安装槽26，每个安装槽26的后端对应与一个平面结构24的前侧边衔接贯；第二圆柱段23外壁设置有外花键结构27，第二圆柱段23前端内壁设置有内螺纹结构28，头部15的后端伸入并螺纹连接在内螺纹结构28内。

外套管20前端外壁设置有与空心光面钻杆5前端同轴向连接的外螺纹结构29，外套管20内壁由后向前依次为第一圆柱孔30、第二圆柱孔31和内花键结构32，第一圆柱段21的外径与第一圆柱孔30的内径相等，第二圆柱段23的外径与第二圆柱孔31的内径相等，第二圆柱孔31的后端与第一圆柱孔30的前端之间形成环形台阶结构33，第一圆柱段21后部插设在第一圆柱孔30内，外花键结构27和内花键结构32啮合装配，用于传递钻进作业的扭矩，外套管20前端螺纹连接有限位螺母34，限位螺母34的内壁安装有与第二圆柱段23密封并滑动配合的密封圈43，限位螺母34前端面设置有金刚石固定刀片35；

外套管20与内套管19之间设置有作业端径向伸出外套管20的弹性变径切割机构。

弹性变径切割机构包括压缩弹簧36、两个伸缩柱37和两个导向孔38，压缩弹簧36套装在第一圆柱段21外，压缩弹簧36的前端和后端分别与扁平段22后端面和环形台阶结构33顶压配合，假定沿内套管19的径向方向指向内套管19中心的方向为由外向内的方向，导向孔38开设在外套管20上并与安装槽26内外对应，第二圆柱段23在安装槽26的左侧和右侧对称设置有导向槽39，导向槽39后端边沿与安装槽26内壁前端边沿通透并齐平，导向槽39与内套管19中心线的距离由前端到后端逐渐减小，伸缩柱37内端左侧和右侧分别设置有装配在导向槽39内的导柱40，伸缩柱37沿径向方向穿过导向孔38，导向孔38和伸缩柱37的横断面均为矩形结构，伸缩柱37外端侧部设置有刀片槽41，刀片槽41处设置有与伸缩柱37焊接的金刚石伸缩刀片42。

每个安装槽26的后端对应与一个平面结构24的前侧边衔接贯通，这样可以通过平面结构24处安装伸缩柱37。

本发明中动力驱动装置2、导向支撑架3、供水装置9、供风装置10和集渣容器11均为现有成熟技术，具体构造不再赘述。

松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具的钻孔护孔方法，包括以下步骤：

（1）、在煤层巷道的钻孔处安装松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具；

（2）、启动动力驱动装置2和供水装置9，动力驱动装置2驱动空心光面钻杆5和空心内排渣可变径钻头4旋转对指定位置的煤层14进行钻孔，供水装置9将高压水先送入到第二缓冲箱8内，高压水再由第二缓冲箱8内沿PVC护孔管6内壁与空心光面钻杆5之间形成的环形通道12进入到头部15的金刚石刀头16处，金刚石刀头16对煤层14进行切割后煤粉与高压水混合后水渣混合物通过排渣孔18进入到中心通道17内；水渣混合物沿着空心光面钻杆5的内孔排到第一缓冲箱7内，最后进入到集渣容器11暂存；

（3）、随着空心光面钻杆5和空心内排渣可变径钻头4由后向前的钻进，第二缓冲箱8的后端也向前移动缩入到第二缓冲箱8的前部内，与此同时金刚石固定刀片35的旋转先进行一定半径的扩孔，金刚石伸缩刀片42的旋转进一步扩孔，当金刚石钻头遇到较大阻力时，头部15向后顶压内套管19，内套管19克服压缩弹簧36的弹力沿外套管20内壁向后移动，由于导向槽39也随着向后移动，并且导向槽39与内套管19中心线的距离由前端到后端逐渐减小，伸缩柱37的位置在导向孔38的限定下只能径向移动，导向槽39驱动位于安装槽26内的伸缩柱37上的导柱向外移动，伸缩柱37就向外伸出外套管20一段距离并保持定值进行扩孔钻进作业，PVC护孔管6也跟随同步向前移动，实现护孔作用；

（4）、钻孔达到预定孔深后，将空心内排渣可变径钻头4、空心光面钻杆5后撤一小段距离，内套管19、伸缩柱37在压缩弹簧36的作用下恢复到初始位置，将空心光面钻杆5以及空心内排渣可变径钻头4抽出钻孔外，PVC护孔管6留在钻孔内，可有效避免钻孔垮孔、塌孔对瓦斯抽放的影响，PVC护孔管6上设置的瓦斯排放孔13用于煤层14内瓦斯的溢出。

步骤（2）中的供水装置9关闭，启动供风装置10，高压风由第一缓冲箱7依次通过空心光面钻杆5的内孔、空心内排渣可变径钻头4的中心通道17，由排渣孔18吹入到金刚石刀头16作业处，煤渣或煤屑沿PVC护孔管6内壁与空心光面钻杆5之间形成的环形通道12向后排入到第二缓冲箱8内暂存。也就是说，供水装置9和供风装置10不同时启动，单独启动分别进行高压水排渣或高压风排渣。

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。

Claims (3)

1.松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，其特征在于：包括支架、动力驱动装置、导向支撑架、空心内排渣可变径钻头、空心光面钻杆、PVC护孔管、第一缓冲箱、第二缓冲箱、供水装置、供风装置和集渣容器； PVC护孔管套在空心光面钻杆外部，PVC护孔管内壁与空心光面钻杆之间形成环形通道，以钻进的方向为由后到前的方向，空心光面钻杆的后端与第一缓冲箱连接，第一缓冲箱下部与集渣容器连接，第一缓冲箱顶部与供风装置的供风口连接，第一缓冲箱、动力驱动装置和导向支撑架由后向前依次固定设置在支架上，动力驱动装置的动力输出端与空心光面钻杆传动连接，空心光面钻杆穿过并设置在导向支撑架上，空心内排渣可变径钻头安装在空心光面钻杆的前端，PVC护孔管的管壁上均布有若干瓦斯排放孔；第二缓冲箱的前端面固定在煤层钻孔的孔口外侧，第二缓冲箱与PVC护孔管后端连接，第二缓冲箱顶部与供水装置的供水口连接，空心光面钻杆穿过第二缓冲箱并与第二缓冲箱之间密封连接。

2.根据权利要求1所述的松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，其特征在于：空心内排渣可变径钻头包括具有中心通道的头部和杆部，头部前端固定设置有金刚石刀头，头部前端开设有与中心通道连通的排渣孔，杆部包括内套管和同轴套装在内套管外的外套管，内套管外壁由后向前依次为第一圆柱段、扁平段和第二圆柱段，扁平段包括中心对称的两个平面结构和两个弧面结构，平面结构和弧面结构沿圆周方向交替设置，弧面结构的外径与第二圆柱段的外径相等，第二圆柱段的外径大于第一圆柱段的外径，第二圆柱段后端中心对称开设有两个安装槽，每个安装槽的后端对应与一个平面结构的前侧边衔接贯通；第二圆柱段外壁设置有外花键结构，第二圆柱段前端内壁设置有内螺纹结构，头部的后端伸入并螺纹连接在内螺纹结构内；

外套管前端外壁设置有与空心光面钻杆前端同轴向连接的外螺纹结构，外套管内壁由后向前依次为第一圆柱孔、第二圆柱孔和内花键结构，第一圆柱段的外径与第一圆柱孔的内径相等，第二圆柱段的外径与第二圆柱孔的内径相等，第二圆柱孔的后端与第一圆柱孔的前端之间形成环形台阶结构，第一圆柱段后部插设在第一圆柱孔内，外花键结构和内花键结构啮合装配，外套管前端螺纹连接有限位螺母，限位螺母的内壁安装有与第二圆柱段密封并滑动配合的密封圈，限位螺母前端面设置有金刚石固定刀片；

外套管与内套管之间设置有作业端径向伸出外套管的弹性变径切割机构。

3.根据权利要求2所述的松软煤层瓦斯抽采钻孔护孔钻具，其特征在于：弹性变径切割机构包括压缩弹簧、两个伸缩柱和两个导向孔，压缩弹簧套装在第一圆柱段外，压缩弹簧的前端和后端分别与扁平段后端面和环形台阶结构顶压配合，假定沿内套管的径向方向指向内套管中心的方向为由外向内的方向，导向孔开设在外套管上并与安装槽内外对应，第二圆柱段在安装槽的左侧和右侧对称设置有导向槽，导向槽后端边沿与安装槽内壁前端边沿通透并齐平，导向槽与内套管中心线的距离由前端到后端逐渐减小，伸缩柱内端左侧和右侧分别设置有装配在导向槽内的导柱，伸缩柱沿径向方向穿过导向孔，导向孔和伸缩柱的横断面均为矩形结构，伸缩柱外端侧部设置有刀片槽，刀片槽处设置有与伸缩柱焊接的金刚石伸缩刀片。