CN108179978B - 强化软煤岩强度钻进方法及钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化软煤岩强度钻进方法及钻具，根据煤层地质条件，依据强化软煤岩强度钻进方法，评估施工地点煤岩坚固性系数f，确定钻孔强化比d q、煤岩钻头旋转速度νc、钻进速度νd、供风风量Q a，并确定强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。强化软煤岩强度钻具，包括煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆。本发明针对软煤岩钻进困难工程难题，综合考虑煤岩层地质条件，发明了强化软煤岩强度钻进方法及钻具，应用强化软煤岩强度钻具施工钻孔，通过钻头结构的创新，在钻进过程中提高软弱煤岩体的强度，有利于改善钻孔的稳定性，实现软煤岩“先强化‑后钻进”的同步钻进工艺体系，有利于提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。

Description

强化软煤岩强度钻进方法及钻具
技术领域
本发明属于软弱煤岩层钻探工程技术领域，具体涉及一种强化软煤岩强度钻进方法及钻具。
背景技术
目前，软弱煤岩层钻孔施工是钻探工程技术领域一项重大难题。软弱煤岩层钻进过程中，由于钻孔变形量大且易失稳破坏，造成钻进阻力大、排渣困难，致使钻孔深度浅、钻进效率低，同时钻进过程中卡钻、断钻等钻孔事故频发。特别是煤矿井下含瓦斯软煤层钻孔施工，受地应力、瓦斯压力、构造应力等因素作用，钻孔变形、破坏极为严重，钻进阻力大、排渣空间易堵塞，钻进过程中易发生断钻、钻孔瓦斯燃烧等钻进事故。针对软煤岩钻进难题，科研及工程人员开展了大量的研究，发展了系列钻进方法和新型钻具，例如，专利名称为“用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法”(ZL201410567089.X)、“用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法”(ZL201310568692.5)、“用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法”(ZL201310566830.6)、“突出煤层扒孔降温钻具及其钻进方法”(ZL200610111830.7)、“用于瓦斯抽采钻孔施工的低螺旋耐磨钻杆及其加工工艺”(ZL200810049974.3)、“非对称异型截面钻杆”(ZL200910064223.3)、“异型多棱刻槽钻杆”(ZL200910064973.0)都取到了较好的钻进效果，一定程度上推进了我国软煤岩钻探工程技术水平的提高。对于软弱煤岩体的钻孔施工，如果能够提高软弱煤岩体的强度，在钻探过程中，有利于减少或避免塌孔现象，间接降低了钻进阻力，有利于提升钻探效果。目前，国内外科研人员也开展了大量的研究，并提出了一些方法，例如，提出采用保压钻进、固壁液等护壁技术来加固孔壁，减少钻孔坍塌对钻进的影响，但这些技术应用于近水平瓦斯抽采钻孔，实施难度大，护壁效果差。因此，本发明提出强化软煤岩强度钻进方法并发明与之配套的强化软煤岩强度钻具，应用煤岩钻头、煤岩强化钻头组合形成的新型强化软煤岩强度钻具施工钻孔，通过钻头结构的创新，在钻进过程中提高软弱煤岩体的强度，有利于改善钻孔的稳定性，可实现软煤岩钻进过程中先强化、后钻进的同步钻进工艺体系，有利于提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化软煤岩强度钻进方法及钻具，解决常规钻具钻进阻力大、钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故多的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：强化软煤岩强度钻进方法，包括以下步骤：
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；
②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq；钻孔强化比dq为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d1与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d2的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻孔强化比dq设计为0.5～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻孔强化比dq设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻孔强化比dq设计为0～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻孔强化比dq设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩钻头旋转速度νc；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩钻头旋转速度νc设计为120r/min～360r/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩钻头旋转速度νc设计为100r/min～280r/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩钻头旋转速度νc设计为70r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩钻头旋转速度νc设计为60r/min～190r/min；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻进速度νd；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.4m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻进速度νd设计为0.6m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1m/min；
⑤.空气动力排渣时，根据施工地点煤岩坚固性系数f确定供风风量Qa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，供风风量Qa设计为8m3/min～18m3/min，供风压力为0.7MPa～1.5MPa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，供风风量Qa设计为7m3/min～16m3/min，供风压力为0.6MPa～1.2MPa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，供风风量Qa设计为6m3/min～14m3/min，供风压力为0.5MPa～1MPa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，供风风量Qa设计为5m3/min～12m3/min，供风压力为0.5MPa～0.8MPa；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装强化软煤岩强度钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，煤岩钻头旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩强化钻头不旋转或旋转速度νq≤5r/min；
⑦根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq、煤岩钻头旋转速度νc、钻进速度νd、供风风量Qa，并确定强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。
强化软煤岩强度钻具，采用强化软煤岩强度钻进方法进行结构设计，包括煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆，所述煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆同轴，煤岩强化钻头连接于旋转密封接头的一端，煤岩钻头连接于旋转密封接头的另一端，钻杆与煤岩钻头连接。
所述的煤岩强化钻头由齿尖、强化体、强化接头，齿尖为锥形体，齿尖、强化体表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起，强化接头用于与旋转密封接头连接。
所述的旋转密封接头由前接头、旋转体和后接头组成，前接头与煤岩强化钻头的强化接头连接，后接头与煤岩钻头连接。
所述的旋转体由外圈、滚动体、内圈组成；煤岩强化钻头通过前接头与旋转体内圈连接，煤岩钻头与旋转体外圈连接；煤岩强化钻头、煤岩钻头任意一端固定，另一端施加动力能够旋转。
由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：
本发明提出软弱煤岩体“先强化-后钻进”的钻进方法，通过钻头结构的创新，形成煤岩钻头、煤岩强化钻头组合的新型强化软煤岩强度钻具。应用强化软煤岩强度钻具施工钻孔，在钻进过程中，安装在前端的煤岩强化钻头挤压软弱煤岩体，提高了钻孔周边软弱煤岩体的强度，改善了钻孔孔壁的稳定性，有利于预防钻孔塌孔，从而提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。
附图说明
图1是本发明实施例一强化软煤岩强度钻具的结构示意图；
图2是本发明实施例一煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的剖视图；
图3是图2的左视图；
图4是图2的三维视图；
图5是钻孔强化比dq计算原理图；
图6是强化软煤岩强度钻具施工钻孔原理图；
图7是本发明实施例二煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的剖视图；
图8是图7的左视图；
图9是图7的三维视图。
具体实施方式
实施例一：强化软煤岩强度钻进方法，包括以下步骤：
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；
②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq；钻孔强化比dq为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d1与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d2的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻孔强化比dq设计为0.5～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻孔强化比dq设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻孔强化比dq设计为0～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻孔强化比dq设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩钻头旋转速度νc；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩钻头旋转速度νc设计为120r/min～360r/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩钻头旋转速度νc设计为100r/min～280r/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩钻头旋转速度νc设计为70r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩钻头旋转速度νc设计为60r/min～190r/min；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻进速度νd；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.4m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻进速度νd设计为0.6m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1m/min；
⑤.空气动力排渣时，根据施工地点煤岩坚固性系数f确定供风风量Qa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，供风风量Qa设计为8m3/min～18m3/min，供风压力为0.7MPa～1.5MPa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，供风风量Qa设计为7m3/min～16m3/min，供风压力为0.6MPa～1.2MPa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，供风风量Qa设计为6m3/min～14m3/min，供风压力为0.5MPa～1MPa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，供风风量Qa设计为5m3/min～12m3/min，供风压力为0.5MPa～0.8MPa；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装强化软煤岩强度钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，煤岩钻头旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩强化钻头不旋转或旋转速度νq≤5r/min。
⑦根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq、煤岩钻头旋转速度νc、钻进速度νd、供风风量Qa，并确定强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。
如图1～图4所示，强化软煤岩强度钻具，采用强化软煤岩强度钻进方法进行结构设计，包括煤岩强化钻头1、旋转密封接头2、煤岩钻头3、钻杆4，所述煤岩强化钻头1、旋转密封接头2、煤岩钻头3、钻杆4同轴，煤岩强化钻头1连接于旋转密封接头2的一端，煤岩钻头3连接于旋转密封接头2的另一端，钻杆4与煤岩钻头3连接。煤岩强化钻头1由齿尖11、强化体12、强化接头13，齿尖为锥形体，齿尖11、强化体12表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起，强化接头13用于与旋转密封接头2连接。旋转密封接头2由前接头21、旋转体22和后接头23组成，前接头21与煤岩强化钻头1的强化接头13连接，后接头23与煤岩钻头3连接。旋转体由外圈221、滚动体222、内圈223组成；煤岩强化钻头1通过前接头21与旋转体22内圈223连接，煤岩钻头3与旋转体22外圈221连接；煤岩强化钻头1、煤岩钻头3任意一端固定，另一端施加动力能够旋转。
下面介绍一下本发明实施例一强化软煤岩强度钻具钻进原理：
本发明根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据强化软煤岩强度钻进方法评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq、煤岩钻头旋转速度νc、钻进速度νd、供风风量Qa，并确定强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。如图5所示，钻孔强化比dq为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d1与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d2的比值，煤岩体的强度越低，钻孔强化比dq选择较大的值，增强软煤岩强化效果，提高了钻孔周边软弱煤岩体的强度，有利于改善钻孔孔壁的稳定性。
如图6所示，将钻孔施工分为挤压强化煤岩成孔区和钻头切削煤岩成孔区。挤压强化煤岩成孔区：钻进过程中，煤岩强化钻头1依靠钻机推进力压入煤岩体，由于煤岩强化钻头1与煤岩体之间的摩擦力，依靠旋转密封接头2，保证了煤岩强化钻头1不旋转或旋转速度νq≤5r/min，伴随钻孔向前延伸，煤岩强化钻头1不断挤压软弱煤岩体，实现强化煤岩体作用。钻头切削煤岩成孔区：煤岩钻头3安装在煤岩强化钻头1的后端，钻机夹持钻杆带动煤岩钻头3旋转切销强化后的钻孔，从而减少了钻孔塌孔的概率，实现软煤岩“先强化-后钻进”的同步钻进工艺体系，有利于提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。
实施例二：如图7～图9所示，与实施例一不同的在于，煤岩强化钻头1强化体12表面设置凹槽，有利于降低煤岩强化钻头1压入煤岩体的阻力。

Claims (5)

1.强化软煤岩强度钻进方法，其特征在于：包括以下步骤：
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；
②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq；钻孔强化比dq为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d1与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d2的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻孔强化比dq设计为0.5～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻孔强化比dq设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻孔强化比dq设计为0～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻孔强化比dq设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩钻头旋转速度νc；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩钻头旋转速度νc设计为120r/min～360r/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩钻头旋转速度νc设计为100r/min～280r/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩钻头旋转速度νc设计为70r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩钻头旋转速度νc设计为60r/min～190r/min；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻进速度νd；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.4m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻进速度νd设计为0.6m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1m/min；
⑤.空气动力排渣时，根据施工地点煤岩坚固性系数f确定供风风量Qa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，供风风量Qa设计为8m3/min～18m3/min，供风压力为0.7MPa～1.5MPa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，供风风量Qa设计为7m3/min～16m3/min，供风压力为0.6MPa～1.2MPa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，供风风量Qa设计为6m3/min～14m3/min，供风压力为0.5MPa～1MPa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，供风风量Qa设计为5m3/min～12m3/min，供风压力为0.5MPa～0.8MPa；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装强化软煤岩强度钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，煤岩钻头旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩强化钻头不旋转或旋转速度νq≤5r/min；
⑦根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq、煤岩钻头旋转速度νc、钻进速度νd、供风风量Qa，并确定强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。
2.强化软煤岩强度钻具，采用如权利要求1所述的强化软煤岩强度钻进方法进行结构设计，包括煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆，其特征在于：所述煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆同轴，煤岩强化钻头连接于旋转密封接头的一端，煤岩钻头连接于旋转密封接头的另一端，钻杆与煤岩钻头连接。
3.根据权利要求2所述的强化软煤岩强度钻具，其特征在于：所述的煤岩强化钻头由齿尖、强化体、强化接头，齿尖为锥形体，齿尖、强化体表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起，强化接头用于与旋转密封接头连接。
4.根据权利要求2或3所述的强化软煤岩强度钻具，其特征在于：所述的旋转密封接头由前接头、旋转体和后接头组成，前接头与煤岩强化钻头的强化接头连接，后接头与煤岩钻头连接。
5.根据权利要求4所述的强化软煤岩强度钻具，其特征在于：所述的旋转体由外圈、滚动体、内圈组成；煤岩强化钻头通过前接头与旋转体内圈连接，煤岩钻头与旋转体外圈连接；煤岩强化钻头、煤岩钻头任意一端固定，另一端施加动力能够旋转。
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