CN107816317A - 一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法 - Google Patents

一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法，适用于煤矿井下长钻孔的快速钻进，装置主要由高压电脉冲发生器、针状正电极、针状负电极、弹簧、固定塞、绝缘套管、钻头、螺旋钻杆、钻机、压线鼻子组成。首先，利用高压电脉冲发生器产生高压电，通过针状正电极和针状负电极对煤层进行放电，产生巨大的能量直接作用在煤体上，在煤体中形成裂缝，再启动钻机，利用螺旋钻杆进行钻进。本发明利用高压电脉冲与螺旋钻进相协同的方法进行钻进，利用电脉冲产生的能量直接作用在煤体上，在钻头前方的煤体上产生大量裂纹，从而降低了机械钻进的阻力，能有效解决钻进速度慢和深孔钻进困难的问题。

Description

一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法
技术领域
本发明涉及一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法，尤其适用于煤矿井下深长钻孔的快速钻进和扩孔作业。
背景技术
近年来，由于我国煤矿开采逐步进入深部开采阶段，地应力高、瓦斯抽采困难等问题尤为突出，而解决这一问题的关键就在于瓦斯抽采，利用钻孔对区域煤层的瓦斯进行抽采是一种重要的瓦斯治理措施。目前，常用的煤层钻进技术主要以机械钻进为主，由于机械钻进的过程中，扰动范围较大、钻进动力不足，通常会造成钻进效率低、成孔率小、钻进深度不达标的问题。基于现有钻进技术的缺陷，开发一种更加简单有效的煤层钻进方法以解决煤层钻进困难的问题尤为重要。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的问题，提供一种简单可靠、操作方便、钻进速度快、成孔率高的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法。
技术方案：本发明的高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，包括高压电脉冲发生器，钻头、螺旋钻杆和钻机，所述的螺旋钻杆和钻头均有一个中心孔，螺旋钻杆和钻头中心孔周围均匀分布有多个旁孔，钻头的中心孔内嵌装有正电极组，多个旁孔内分别设有负电极组，所述的正电极组和负电极组分别经压线鼻子与高压电脉冲发生器的正极和负极相连，正电极组底部伸入到螺旋钻杆的中心孔内，所述正电极组的外圆周上套装有绝缘套管，所述的负电极组嵌装在钻头的旁孔内，所述的钻头与螺旋钻杆通过螺纹连接，螺旋钻杆与钻机相连。
所述钻头中心孔内的正电极组包括针状正电极、弹簧一和固定塞一，弹簧一的一端固定在固定塞一上，另一端顶靠在针状正电极的底部。
所述钻头中心孔内的多个负电极组分别包括针状负电极、弹簧二和固定塞二，弹簧二一端固定在固定塞二上，另一端顶靠在针状负电极的底部。
所述钻头的中心孔周围均匀分布的多个旁孔为3-4个。
所述钻头中心孔直径根据固定塞一和针状正电极的直径大小确定。
所述钻头的中心孔周围均匀分布的多个旁孔的直径由固定塞二和针状负电极的直径确定。
所述的高压电脉冲发生器的输出电压为0-300kV范围内的可调电压。
实施上述高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置的钻进方法，包括如下步骤：
a、安装高压电脉冲发生器，将正电极组、负电极组和绝缘套管安装在钻头上，连接螺旋钻杆和钻机，经压线鼻子将正负电极与高压电脉冲发生器的正负极连接，使针状正电极和针状负电极紧挨着煤层；
b、开启高压电脉冲发生器，当电压达到预设电压时对煤层进行放电，重复放电多次使煤层破裂后关闭高压电脉冲发生器；
c、启动钻机，利用螺旋钻杆带动钻头进行钻进，钻进的过程中正电极组和负电极组中的针状正电极和针状负电极碰到煤壁后，在弹簧的作用下收缩至钻头孔内以避免损坏电极，直至出现钻进阻力增大、排渣量减少的现象，停止钻进；
d、当螺旋钻杆长度不够时，停止钻进，关闭高压电脉冲发生器，取下压线鼻子，续接延长螺旋钻杆，安装时，使连接高压电脉冲发生器正电极组的电线穿过螺旋钻杆的中心孔，连接高压电脉冲发生器负电极组的电线穿过螺旋钻杆的旁孔；安装完成之后，通过压线鼻子将电线与高压电脉冲发生器连接起来；
e、重复执行步骤b、c、d，直至完成设计的钻孔深度。
有益效果：本发明通过利用高压电脉冲发生器产生的能量直接作用在煤层上面，在正电极和负电极之间产生放电通道，巨大的能量瞬间通过放电通道，形成强大的应力波使煤体破裂，从而为机械螺旋钻进降低阻力，能够有效的解决钻进速度慢和深孔钻进困难的问题。将高压电脉冲技术与螺旋钻进相协同的方法结合起来，首先，利用高压电脉冲发生器产生的能量，直接作用在煤层上面，在正电极和负电极之间产生放电通道，巨大的能量瞬间通过放电通道，形成强大的应力波使煤体破裂，从而为机械螺旋钻进降低了钻进难度。该方法操作简单，安全可靠，能够有效的解决钻进速度慢和深孔钻进困难的问题，在本技术领域内具有广泛的实用价值。
附图说明
图1是本发明的高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置及方法示意图；
图2是图1中的I-I剖视图；
图中：1-高压电脉冲发生器，2-针状正电极，3-针状负电极，4-弹簧一，5-固定塞一，6-绝缘套管，7-钻头，8-钻孔，9-螺旋钻杆，10-钻机，11-煤层，12-压线鼻子，13-弹簧二，14-固定塞二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例作进一步的描述：
图1所示，本发明的高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，主要由高压电脉冲发生器1、钻头7、螺旋钻杆9、钻机10、正电极组和负电极组构成；所述的螺旋钻杆9和钻头7均有一个中心孔，螺旋钻杆9和钻头7中心孔周围均匀分布有3-4个旁孔，图2中示例的旁孔为4个。钻头7的中心孔内嵌装有正电极组，多个旁孔内分别设有负电极组，所述钻头7中心孔内的正电极组包括针状正电极2、弹簧一4和固定塞一5，弹簧一4一端固定在固定塞一5上，另一端顶靠在针状正电极2的底部。所述钻头7中心孔直径根据固定塞一5和针状正电极2的直径大小确定。所述钻头7中心孔内的多个负电极组分别包括针状负电极3、弹簧二13和固定塞二14，弹簧二13一端固定在固定塞二14上，另一端顶靠在针状负电极3的底部。所述钻头7的中心孔周围均匀分布的多个旁孔的直径由固定塞二14和针状负电极3的直径确定。所述的正电极组和负电极组中的针状正电极2和针状负电极3分别经压线鼻子12与高压电脉冲发生器1的正极和负极相连，压线鼻子12起到连接电线的功能；所述的高压电脉冲发生器1的输出电压为0-300kV范围内的可调电压。正电极组底部伸入到螺旋钻杆9的中心孔内，所述正电极组的外圆周上套装有绝缘套管6，所述的负电极组嵌装在钻头7的旁孔内，针状正电极2穿过螺旋钻杆9的中心孔与弹簧一4相连，弹簧一4固定在固定塞一5上，针状正电极2外部的绝缘套管6为1cm厚，针状负电极3内嵌在钻头7里面，与弹簧二13相连，弹簧二13与固定塞二14相连；所述的钻头7与螺旋钻杆9通过螺纹连接，螺旋钻杆9与钻机10相连。
实施例：所述的螺旋钻杆9和钻头7的中心孔直径均为1cm，固定塞一5和针状正电极2的直径为1cm；所述的螺旋钻杆9均匀分布四个直径为0.5cm的旁孔；所述的钻头7均匀分布四个直径为0.5cm的旁孔，固定塞二14和针状负电极3的直径为0.5cm。
本发明的高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进方法，具体步骤如下：
a、安装高压电脉冲发生器1，将正电极组、负电极组和绝缘套管6安装在钻头7上，连接螺旋钻杆9和钻机10，经压线鼻子12将正负电极与高压电脉冲发生器1的正负极连接，使针状正电极2和针状负电极3紧挨着煤层11；
b、开启高压电脉冲发生器1，当电压达到预设电压时对煤层11进行放电，重复放电多次使煤层破裂后关闭高压电脉冲发生器1；
c、启动钻机10，利用螺旋钻杆9带动钻头7进行钻进，钻进的过程中针状正电极2和针状负电极3碰到煤壁后在正电极组和负电极组内的弹簧作用下收缩至孔内以避免损坏电极，直至出现钻进阻力增大、排渣量减少的现象，停止钻进；
d、当螺旋钻杆9长度不够时，停止钻进，关闭高压电脉冲发生器1，取下压线鼻子12，续接延长螺旋钻杆9，安装时，使连接高压电脉冲发生器1正电极组的电线穿过螺旋钻杆9的中心孔，连接高压电脉冲发生器1旋钻杆9的旁孔；安装完成之后，通过压线鼻子12将电线与高压电脉冲发生器1连接起来；
e、重复执行步骤b、c、d，直至完成设计的钻孔深度。

Claims (8)

1.一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，包括高压电脉冲发生器（1），钻头（7）、螺旋钻杆（9）和钻机（10），其特征在于：所述的螺旋钻杆（9）和钻头（7）均有一个中心孔，螺旋钻杆（9）和钻头（7）中心孔周围均匀分布有多个旁孔，钻头（7）的中心孔内嵌装有正电极组，多个旁孔内分别设有负电极组，所述的正电极组和负电极组分别经压线鼻子（12）与高压电脉冲发生器（1）的正极和负极相连，正电极组底部伸入到螺旋钻杆（9）的中心孔内，所述正电极组的外圆周上套装有绝缘套管（6），所述的负电极组嵌装在钻头（7）的旁孔内，所述的钻头（7）与螺旋钻杆（9）通过螺纹连接，螺旋钻杆（9）与钻机（10）相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，其特征在于：所述钻头（7）中心孔内的正电极组包括针状正电极（2）、弹簧一（4）和固定塞一（5），弹簧一（4）的一端固定在固定塞一（5）上，另一端顶靠在针状正电极（2）的底部。
3.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，其特征在于：所述钻头（7）中心孔内的多个负电极组分别包括针状负电极（3）、弹簧二（13）和固定塞二（14），弹簧二（13）一端固定在固定塞二（14）上，另一端顶靠在针状负电极（3）的底部。
4.根据权利要求1或3所述的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，其特征在于：所述钻头（7）的中心孔周围均匀分布的多个旁孔为3-4个。
5.根据权利要求2所述的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，其特征在于：所述钻头（7）中心孔直径根据固定塞一（5）和针状正电极（2）的直径大小确定。
6.根据权利要求4所述的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，其特征在于：所述钻头（7）的中心孔周围均匀分布的多个旁孔的直径由固定塞二（14）和针状负电极（3）的直径确定。
7.根据权利要求1所述的一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置，其特征在于：所述的高压电脉冲发生器（1）的输出电压为0-300kV范围内的可调电压。
8.根据权利要求1所述一种高压电脉冲与机械钻相协同的快速钻进装置的钻进方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、安装高压电脉冲发生器（1），将正电极组、负电极组和绝缘套管（6）安装在钻头（7）上，连接螺旋钻杆（9）和钻机（10），经压线鼻子（12）将正负电极与高压电脉冲发生器（1）的正负极连接，使针状正电极（2）和针状负电极（3）紧挨着煤层（11）；
b、开启高压电脉冲发生器（1），当电压达到预设电压时对煤层（11）进行放电，重复放电多次使煤层破裂后关闭高压电脉冲发生器（1）；
c、启动钻机（10），利用螺旋钻杆（9）带动钻头（7）进行钻进，钻进的过程中正电极组和负电极组中的针状正电极（2）和针状负电极（3）碰到煤壁后，在弹簧的作用下收缩至钻头（7）的中心孔和旁孔内以避免损坏电极，直至出现钻进阻力增大、排渣量减少的现象，停止钻进；
d、当螺旋钻杆（9）长度不够时，停止钻进，关闭高压电脉冲发生器（1），取下压线鼻子（12），续接延长螺旋钻杆（9），安装时，使连接高压电脉冲发生器（1）正电极组的电线穿过螺旋钻杆（9）的中心孔，连接高压电脉冲发生器（1）负电极组的电线穿过螺旋钻杆（9）的旁孔；安装完成之后，通过压线鼻子（12）将电线与高压电脉冲发生器（1）连接起来；
e、重复执行步骤b、c、d，直至完成设计的钻孔深度。
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