CN108487864B - 煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具及方法，本发明的钻具组合由前置导向器、初级扩孔钻头、次级扩孔钻头、双动力扩孔工具依次连接组成。利用前置导向器引导扩孔钻具沿岩层定向先导孔扩孔施工；双动力扩孔工具在泥浆泵高压水驱动动力作用下，带动初级扩孔钻头旋转破岩，实现钻孔直径的初级增扩，在孔口钻机回转驱动动力作用下，带动次级扩孔钻头旋转破岩，实现钻孔直径的次级阶梯式增扩。该方法充分利用钻机机械动力和泥浆泵水驱动力，实现定向钻孔的单次双级大直径增扩，可有效节约扩孔钻进钻次，提升扩孔钻进施工效率与岩层钻孔直径，降低扩孔作业劳动强度。

Description

煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻探的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法。

背景技术

工作面回采时，煤层瓦斯大量涌出并集聚在顶板裂隙带和上隅角内，导致回风巷道和上隅角瓦斯浓度极易超标，严重影响工作面回采安全。

顶板高位定向钻孔是工作面采动影响区卸压瓦斯抽采治理的重要技术措施，钻孔直径是影响顶板高位定向钻孔瓦斯抽采效果的重要因素。实践证明，在相同煤层赋存条件，相同钻孔深度与相同瓦斯抽采负压等条件下，顶板高位定向钻孔的瓦斯抽采效果与其直径正相关。

在现有定向钻进装备能力、钻具性能以及钻进工艺等技术条件下，顶板高位定向钻孔主要采用“定向先导孔+多次回转扩孔”的成孔方法，既首先采用随钻测量定向钻进技术实施小直径的定向先导钻孔，然后依次下入不同尺寸规格的扩孔钻具，采用常规回转钻进技术将钻孔直径多次分级增扩至所需直径。

目前利用现有定向钻进装备实施的定向先导孔直径有Φ98mm与Φ120mm两种规格，为充分发挥顶板高位定向钻孔瓦斯抽采治理效果，同时考虑现有定向钻进装备能力，目前通过多次分级扩孔方式可施工完成最大直径Φ200mm的顶板高位定向钻孔，其中在Φ98mm定向先导孔的基础上至少需采用三次扩孔，在直径Φ120mm定向先导孔的基础上至少需采用两次扩孔。在具体实施过程中，现有多次分级扩孔方法主要存在以下不足：(1)扩孔效率低。岩层强度大，需要的碎岩动力高，而现有技术扩孔动力均来自孔口钻机回转动力，动力小，且由于定向先导孔轨迹弯曲，动力传递效果差，碎岩效率低；(2)扩孔工程量大。每增加初级扩孔意味着增加一趟钻进施工，增加了扩孔钻进工程量和扩孔作业劳动强度；(3)施工周期长。每增加一次扩孔意味着钻孔成孔周期的延长，制约了工作面准备进度，甚至影响工作面的有效接替。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法，其操作性强，能有效提高扩孔钻进效率，降低扩孔作业劳动强度，缩短钻孔施工周期。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，由前置导向器、初级扩孔钻头、次级扩孔钻头、双动力扩孔工具组成，所述前置导向器、初级扩孔钻头与次级扩孔钻头的外径逐级增加，其特征在于：

所述前置导向器连接于初级扩孔钻头的前端，其顶部为球面结构，以有效减小前置导向器对先导定向孔孔壁的侧向切削；

所述初级扩孔钻头包含初级钻头本体和切削扩孔单元，所述切削扩孔单元包含设置于初级钻头本体周缘的多个初级切削刀翼、初级正向切削齿和初级反向切削齿，所述多个初级切削刀翼为螺旋状设置，所述多个初级正向切削齿采用金刚石复合片且镶焊于各初级切削刀翼前端，所述初级反向切削齿镶焊于各初级切削刀翼尾部；

所述的次级扩孔钻头为中空的环形结构以供双动力扩孔工具穿置，所述次级扩孔钻头包含切削扩孔组件，所述切削扩孔组件包含多个次级切削刀翼、次级正向切削齿和次级反向切削齿，所述多个次级切削刀翼为螺旋状设置，多个正向切削齿采用金刚石复合片并镶焊于次级切削刀翼前端，多个次级反向切削齿镶焊于各次级切削刀翼尾部。

其中：各初级切削刀翼的外壁还镶焊有初级保径，

其中：所述初级扩孔钻头还包含初级水眼单元，所述初级水眼单元为多组，其数量与初级切削刀翼数量相同，每初级水眼单元对应一初级切削刀翼。

其中：每组初级水眼单元包括正向水眼与反向水眼，二者均沿初级扩孔钻头径向布置，且正向水眼与正向切削齿平齐，反向水眼与反向切削齿平齐，分别用于正向切削齿与反向切削齿的冲洗、润滑与冷却。

其中：各次级切削刀翼的外壁镶焊有次级保径。

其中：所述双动力扩孔工具包含固定组件和转动组件，所述固定组件由接手、定子外管、万向轴外管、传动轴外管加厚短接和传动轴外管依次连接构成，所述接手、定子外管、万向轴外管、传动轴外管加厚短接和传动轴外管均为中空，从而形成整体中空的固定组件，以供转动组件容置，所述传动轴外管加厚短接在前端设置有外螺纹以与次级扩孔钻头的内螺纹连接，所述转动组件由转子、万向轴和传动轴依次连接构成，所述传动轴前端设置有内螺纹以与初级扩孔钻头的外螺纹连接。

其中：所述定子外管的外壁设置有双曲面螺旋槽，内壁铺设有等壁厚的双曲面螺旋橡胶衬套，所述定子外管的外壁与内壁螺旋线型一致。

其中：所述转动组件的中间设置有中空过水通道，所述中空过水通道在与次级扩孔钻头的正向切削齿对应位置均匀布置一组径向水眼，用于次级扩孔钻头正向切削齿的润滑冷却。

其中：所述转动组件通过轴承组件限位在固定组件内，所述轴承组件由多个向心轴承串接组成。

还公开了一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：先导孔施工，利用定向钻具，在岩层中施工小直径先导定向孔；

步骤2：扩孔钻具连接，在双动力扩孔工具前端依次连接次级扩孔钻头、初级扩孔钻头和前置导向器，然后将其伸入先导定向孔，在动力扩孔工具的后端依次连接扩孔钻杆与旋转送水器；

步骤3：初级扩孔，启动孔口钻机回转扩孔钻杆，并开启泥浆泵通过旋转送水器向扩孔钻杆内供水，双动力扩孔工具转动组件在高压水作用下，沿固定组件回转，并带动初级扩孔钻头进行第一阶梯式扩孔，扩大钻孔直径；

步骤4：次级扩孔，孔口钻机回转动力通过扩孔钻杆传递至双动力扩孔工具，由双动力扩孔工具固定组件带动次级扩孔钻头进行第二阶梯式扩孔，进一步扩大钻孔直径，二级钻头回转速度等于钻机回转速度。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法具有如下效果：

1、充分利用矿用全液压定向钻机与泥浆泵车设备动力，实现定向钻孔直径的一趟钻两级增扩。

2、可有效节约扩孔钻进钻次，提升扩孔钻进效率，降低扩孔作业劳动强度，对于缩短顶板高位定向钻孔施工周期，保证工作面的有效衔接具有重要意义。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具的结构示意图。

图2显示了本发明中前置导向器的结构示意图。

图3显示了本发明中初级扩孔钻头的结构示意图。

图4显示了本发明中次级扩孔钻头结构示意图。

图5显示了本发明中双动力扩孔工具结构示意图。

附图标记：

1.前置导向器；2.初级扩孔钻头；3.次级扩孔钻头；4.双动力扩孔工具；1-1.中央冲孔水眼；1-2.螺旋型保径带；1-3.螺旋槽；2-1.初级正向切削齿；2-2.初级切削刀翼；2-3.初级保径；2-4.初级反向切削齿；2-5.正向水眼；2-6.反向水眼；3-1.次级正向切削齿；3-2.次级反向切削齿；3-3.次级切削刀翼；3-4.次级保径；4-1.传动轴；4-2.水眼；4-3.传动轴外管；4-4.传动轴外管加厚短接；4-5.轴承；4-6.万向轴外管；4-7.万向轴；4-8.定子外管；4-9.橡胶层；4-10.转子；4-11.接手。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具。

所述煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具可由前置导向器1、初级扩孔钻头2、次级扩孔钻头3、双动力扩孔工具4等组成，所述前置导向器1、初级扩孔钻头2与次级扩孔钻头3的外径逐级增加。

其中，所述前置导向器1可通过螺纹连接于初级扩孔钻头2的前端，优选的是，为更好的实现导向功能，所述前置导向器的长度为先导定向孔直径的2-3倍，其直径小于先导定向孔的直径径2-5mm，从而通过优选设置的前置导向器1能在扩孔钻进时用于引导整体的扩孔钻具沿定向先导孔轨迹向前钻进。

参见图2，显示了前置导向器的一个优选实施例，所述前置导向器1的顶部为球面结构，以有效减小前置导向器1对先导定向孔孔壁的侧向切削，避免扩孔钻进开出分支孔，所述前置导向器1的顶部中央设置有中央冲孔水眼1-1，以用于冲出先导定向孔内残留钻渣，所述前置导向器1的外壁间隔设置有螺旋型保径带1-2和螺旋槽1-3，有利于清除先导定向孔内残留大颗粒钻渣，减小先导定向孔孔壁对前置导向器1外壁的磨损。

参见图3，显示了本发明中初级扩孔钻头的其中一个实施例，在该实施例中，所述初级扩孔钻头2可包含初级钻头本体、切削扩孔单元、初级水眼单元和连接单元，所述切削扩孔单元可包含设置于初级钻头本体周缘的多个初级切削刀翼2-2、初级正向切削齿2-1和初级反向切削齿2-4，其主要作用为对先导定向孔的孔壁岩石进行初级切削，实现钻孔直径的一级增扩，所述多个初级切削刀翼为螺旋状间隔设置，所述多个初级正向切削齿2-1采用金刚石复合片，且镶焊于各初级切削刀翼2-2前端并优选地呈阶梯形圆弧角错峰布置，从而能更好的实现多自由面高效扩孔，各初级切削刀翼2-2的外壁还镶焊有初级保径2-3，用于减小钻孔壁对于钻头外壁的磨损，所述初级反向切削齿2-4镶焊于各初级切削刀翼2-2尾部，用于反向切削破碎涌入次级扩孔钻头3与初级扩孔钻头2之间空白区域的孔壁掉块，降低卡钻事故风险，所述初级水眼单元为多组，其数量与初级切削刀翼数量相同，每个初级水眼单元对应一个初级切削刀翼，优选地是每组初级水眼单元可包括正向水眼2-5与反向水眼2-6，二者均沿初级扩孔钻头径向布置，且正向水眼2-5与正向切削齿2-1平齐，反向水眼2-6与反向切削齿2-4平齐，分别用于正向切削齿2-1与反向切削齿2-4的冲洗、润滑与冷却，所述连接单元包含初级钻头本体前端的内螺纹以及后端的外螺纹，所述内螺纹与前置导向器1连接，所述外螺纹与双动力扩孔工具连接。

参见图4，显示了本发明中次级扩孔钻头3的其中一个实施例，在该实施例中，所述的次级扩孔钻头3为中空的环形结构，其内径等于双动力扩孔工具4中传动轴壳体4-3外径，以供双动力扩孔工具4穿置，其外径优选为初级扩孔钻头2外径的1.2～1.5倍；所述次级扩孔钻头3可包含切削扩孔组件与连接组件，所述切削扩孔组件可包含多个次级切削刀翼3-3、次级正向切削齿3-1和次级反向切削齿3-2，其主要作用为对初级扩孔孔壁岩石进行切削，实现钻孔直径的二级增扩；所述多个次级切削刀翼为螺旋状间隔设置，多个正向切削齿3-1采用金刚石复合片，并镶焊于次级切削刀翼3-3前端且优选地呈阶梯形圆弧角布置，从而能更好的实现多自由面高效扩孔，各次级切削刀翼3-3的外壁镶焊有次级保径3-4，用于减小钻孔壁对于钻头外壁的磨损，多个次级反向切削齿3-2镶焊于各次级切削刀翼3-3尾部，用于反向切削破碎涌入次级扩孔钻头3后方钻孔环空的孔壁掉块与聚集钻渣，降低卡钻事故风险，连接组件包含后端的内螺纹，与双动力扩孔工具的传动轴外管加厚短接4-4连接。

参见图5，显示了本发明中双动力扩孔工具4的其中一个实施例，在该实施例中，所述双动力扩孔工具4可包含固定组件和转动组件，其中，所述固定组件由接手4-11、定子外管4-8、万向轴外管4-6、传动轴外管加厚短接4-4和传动轴外管4-3依次连接构成，所述接手4-11、定子外管4-8、万向轴外管4-6、传动轴外管加厚短接4-4和传动轴外管4-3均为中空，从而形成整体中空的固定组件，以供转动组件容置，优选的是所述定子外管4-8、万向轴外管4-6和传动轴外管4-3的外径相同，所述传动轴外管加厚短接4-4的外径与次级扩孔钻头3的内径对应，所述传动轴外管加厚短接4-4在前端设置有外螺纹以与次级扩孔钻头3的内螺纹连接，其中，所述定子外管4-8的外壁设置有双曲面螺旋槽，内壁铺设有等壁厚的双曲面螺旋橡胶衬套4-9，所述定子外管4-8和双曲面螺旋橡胶衬套4-9的外壁与内壁螺旋线型一致，在外壁螺旋结构搅动下，有利于大直径钻孔内钻渣高效清除。

其中，所述转动组件由转子4-10、万向轴4-7和传动轴4-1依次连接构成，所述的转子4-10外壁设置有双曲面螺旋槽，与定子外管4-8内壁的双曲面螺旋橡胶衬套4-9紧密啮合，所述传动轴4-1前端设置有内螺纹，以与初级扩孔钻头的外螺纹连接，所述转动组件的中间设置有中空过水通道，所述中空过水通道可在与次级扩孔钻头的正向切削齿2-1对应位置(即高度一致处)均匀布置一组径向水眼4-2，用于次级扩孔钻头正向切削齿的润滑冷却，优选的是，所述转动组件可通过轴承组件限位在固定组件内，所述轴承组件可由多个向心轴承4-5串接组成。

钻孔扩孔时，启动孔口钻机回转扩孔钻杆，并开启泥浆泵通过旋转送水器向扩孔钻杆内供水。双动力扩孔工具4在泥浆泵高压水作用下，转子4-10沿定子外管4-8作行星运动，然后由万向轴4-7转换为定轴转动，再由传动轴4-1将回转动力传递至初级扩孔钻头2实现第一阶梯式扩孔。同时孔口钻机回转动力沿扩孔钻杆传递至双动力扩孔工具4，并通过其固定组件上的传动轴外管加厚短接4-4将孔口钻机的回转动力传递给次级扩孔钻头3实现第二阶梯式扩孔，传动轴外管加厚短接4-4可提高传递结构机械强度。

本发明还公开了一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：先导孔施工，利用定向钻具，在岩层中施工小直径先导定向孔；

步骤2：扩孔钻具连接，在双动力扩孔工具4前端依次连接次级扩孔钻头3、初级扩孔钻头2和前置导向器1，然后将其伸入先导定向孔，在动力扩孔工具4的后端依次连接扩孔钻杆与旋转送水器；

步骤3：初级扩孔，启动孔口钻机回转扩孔钻杆，并开启泥浆泵通过旋转送水器向扩孔钻杆内供水；双动力扩孔工具4转动组件在高压水作用下，沿固定组件回转，并带动初级扩孔钻头2进行第一阶梯式扩孔，扩大钻孔直径。一级钻头回转速度等于钻机回转速度和双动力扩孔工具4回转速度之和；

步骤4：次级扩孔，孔口钻机回转动力通过扩孔钻杆传递至双动力扩孔工具4，由双动力扩孔工具4固定组件带动次级扩孔钻头3进行第二阶梯式扩孔，进一步扩大钻孔直径，二级钻头回转速度等于钻机回转速度。

优选的是，在步骤二中，还可包含如下步骤：

步骤a：根据定向先导孔直径选择与其规格相匹配的前置导向器1；

步骤b：根据前置导向器1规格，选用初级扩孔钻头2与次级扩孔钻头3，要求初级扩孔钻头2比前置导向器1大一个规格，次级扩孔钻头3比初级扩孔钻头2大一个规格；以Φ120mm定向先导孔为例，推荐选用Φ120mm前置导向器，Φ153mm初级扩孔钻头，Φ200mm次级扩孔钻头；

步骤c：选用扭矩满足初级扩孔钻头2旋转破岩动力需要的双动力扩孔工具4，选用的双动力扩孔工具4外径经过外加厚并加工外螺纹，加工外螺纹参数与选用的次级扩孔钻头3螺纹参数一致；

按照附图1所示结构依次连接双动力扩孔工具4、次级扩孔钻头3、初级扩孔钻头2与前置导向器1。

由此可见，本发明的优点在于：

1、既充分利用了矿用全液压定向钻机的机械回转驱动动力，又充分利用了泥浆泵车的液压驱动动力，增加了扩孔动力。

2、采用阶梯式扩孔，实现了多自由面扩孔，提升扩孔钻进效率，并显著提高了岩层定向钻孔的成孔直径。

3、通过阶梯式扩孔，实现定向钻孔直径的一趟钻两级增扩，可有效节约扩孔钻进钻次，降低扩孔作业劳动强度，对于缩短顶板高位定向钻孔施工周期，保证工作面的有效衔接具有重要意义。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (9)

1.一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，由前置导向器、初级扩孔钻头、次级扩孔钻头、双动力扩孔工具组成，所述前置导向器、初级扩孔钻头与次级扩孔钻头的外径逐级增加，其特征在于：

所述前置导向器连接于初级扩孔钻头的前端，其顶部为球面结构，以有效减小前置导向器对先导定向孔孔壁的侧向切削；

所述初级扩孔钻头包含初级钻头本体和切削扩孔单元，所述切削扩孔单元包含设置于初级钻头本体周缘的多个初级切削刀翼、初级正向切削齿和初级反向切削齿，所述多个初级切削刀翼为螺旋状设置，所述多个初级正向切削齿采用金刚石复合片制成且镶焊于各初级切削刀翼前端，所述初级反向切削齿镶焊于各初级切削刀翼尾部；

所述的次级扩孔钻头为中空的环形结构以供双动力扩孔工具穿置，所述次级扩孔钻头包含切削扩孔组件，所述切削扩孔组件包含多个次级切削刀翼、次级正向切削齿和次级反向切削齿，所述多个次级切削刀翼为螺旋状设置，多个次级正向切削齿采用金刚石复合片制成并镶焊于次级切削刀翼前端，多个次级反向切削齿镶焊于各次级切削刀翼尾部；

所述双动力扩孔工具包含固定组件和转动组件，所述固定组件由接手、定子外管、万向轴外管、传动轴外管加厚短接和传动轴外管依次连接构成，所述接手、定子外管、万向轴外管、传动轴外管加厚短接和传动轴外管均为中空，从而形成整体中空的固定组件，以供转动组件容置，所述传动轴外管加厚短接在前端设置有外螺纹以与次级扩孔钻头的内螺纹连接，所述转动组件由转子、万向轴和传动轴依次连接构成，所述传动轴前端设置有内螺纹以与初级扩孔钻头的外螺纹连接。

2.如权利要求1所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：各初级切削刀翼的外壁还镶焊有初级保径。

3.如权利要求1所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：所述初级扩孔钻头还包含初级水眼单元，所述初级水眼单元为多组，其数量与初级切削刀翼数量相同，每个初级水眼单元对应一个初级切削刀翼。

4.如权利要求3所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：每组初级水眼单元包括正向水眼与反向水眼，二者均沿初级扩孔钻头径向布置，且正向水眼与初级正向切削齿平齐，反向水眼与初级反向切削齿平齐，分别用于初级正向切削齿与初级反向切削齿的冲洗、润滑与冷却。

5.如权利要求1所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：各次级切削刀翼的外壁镶焊有次级保径。

6.如权利要求1所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：所述定子外管的外壁设置有双曲面螺旋槽，内壁铺设有等壁厚的双曲面螺旋橡胶衬套，所述定子外管的外壁与内壁螺旋线型一致。

7.如权利要求1所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：所述转动组件的中间设置有中空过水通道，所述中空过水通道在与次级扩孔钻头的正向切削齿对应位置均匀布置一组径向水眼，用于次级扩孔钻头正向切削齿的润滑冷却。

8.如权利要求1所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，其特征在于：所述转动组件通过轴承组件限位在固定组件内，所述轴承组件由多个向心轴承串接组成。

9.一种使用如权利要求1-8任一项所述的煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具的扩孔方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：先导孔施工，利用定向钻具，在岩层中施工小直径先导定向孔；

步骤2：扩孔钻具连接，在双动力扩孔工具前端依次连接次级扩孔钻头、初级扩孔钻头和前置导向器，然后将其伸入先导定向孔，在双动力扩孔工具的后端依次连接扩孔钻杆与旋转送水器；

步骤3：初级扩孔，启动孔口钻机回转扩孔钻杆，并开启泥浆泵通过旋转送水器向扩孔钻杆内供水，双动力扩孔工具转动组件在高压水作用下，沿固定组件回转，并带动初级扩孔钻头进行第一阶梯式扩孔，扩大钻孔直径；

步骤4：次级扩孔，孔口钻机回转动力通过扩孔钻杆传递至双动力扩孔工具，由双动力扩孔工具固定组件带动次级扩孔钻头进行第二阶梯式扩孔，进一步扩大钻孔直径，次级扩孔钻头回转速度等于钻机回转速度。