CN111577177B - 井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置和钻进方法 - Google Patents

井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置和钻进方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置和钻进方法，包括依次连接的锤头、气动冲击器、双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器，以及设在双壁送风器后端的风管和设在双壁送风器侧面的水管；双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器均为双层结构，三者轴心为密封连通的气体通道且该气体通道与风管连通；三者的双层结构之间为相互密封连通的环隙通道且该环隙通道的一端与水管密封连通，环隙通道的另一端通过设在双壁喷射接头的外管体上的多个喷嘴与外部连通以将输送至喷嘴处的液体喷至外管体外部。本发明通过气体冲击保证冲击功和钻进效率同时，在钻孔内实现气液混合产生泡沫包裹岩粉，采用泡沫排渣能有效消除气动冲击钻进中产生的大量粉尘。

Description

井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置和钻进方法
技术领域
本发明属于井下硬岩钻进领域，涉及井下井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置和钻进方法，是采用气动冲击器输出碎岩和泡沫排渣除尘的施工方法。
背景技术
目前在煤矿井下钻孔施工钻遇坚硬岩石尤其硬度系数f>10以上的岩石时，采用回转钻进方式钻进效率极低，钻头磨损快损耗严重；为提高效率，一般采用气动冲击器和液动冲击器进行钻进。其中，由于气动冲击器冲击功大，碎岩效果好，产品价格低，气体压缩机配套性好，目前得到较多应用；但是气动冲击器使用过程中，采用中、高压气体，压力高流量大，存在粉尘污染大的问题，造成施工环境差。采用液动冲击器施工，液体冲击做功，不存在粉尘污染问题，但是高压液动冲击器产品本身价格较高；而且为了得到较大冲击功，要求驱动液体(水)的压力高、流量大，对水泵性能要求较高，水泵额定压力要求达到十几到二十几兆帕，流量要求在200-350L/min，水泵价格也较高，在应用中整体性价比不高。因此，硬岩钻进中，需要考虑满足高效钻进技术要求，还要考虑成本问题，并保证施工安全和健康问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置和钻进方法，该方法保证钻进效率的同时，采用泡沫排渣，能够有效除尘，改善施工环境，减少粉尘危害。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置，包括依次连接的锤头、气动冲击器、双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器，以及设在双壁送风器后端的风管和设在双壁送风器侧面的水管；
所述双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器均为双层结构，三者轴心为密封连通的气体通道，且该气体通道与所述风管连通；三者的双层结构之间为相互密封连通的环隙通道，且该环隙通道的一端与水管密封连通，环隙通道的另一端通过设在双壁喷射接头的外管体上的多个喷嘴与外部连通以将输送至喷嘴处的液体喷至外管体外部。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述双壁喷射接头包括：中心管和同轴套在中心管外的外管体；
所述外管体的下端外壁为下连接丝扣以与气动冲击器连接，外管体上端内壁为上连接丝扣以与双壁钻杆连接，外管体的侧壁设有沿周向均布的多个所述喷嘴；
所述中心管的下端与外管体内壁固定，中心管上端为中心管插接接头；
中心管外侧壁与外管体的内壁之间为第一环隙通道，且在中心管和外管体之间设有同轴的第一支撑环且该第一支撑环上设有贯通孔以使其两侧的第一环隙通道连通。
具体的，所述双壁钻杆包括：同轴套设的钻杆内管和钻杆外管；
钻杆内管的下端为内管插接母头以与所述中心管插接接头连接，上端为内管插接公头；钻杆外管的下端为外管公扣以与所述上连接丝扣密封连接，上端为外管母扣；
钻杆内管和钻杆外管之间为第二环隙通道，钻杆内管和钻杆外管之间设有同轴的第二支撑环和第三支撑环，且在第二支撑环和第三支撑环上均设有贯通孔以确保第二环隙通道的贯通。
具体的，所述双壁送风器包括：同轴套设且相互固定的送风器外接头和送风器内接头；
送风器外接头和送风器内接头之间为第三环隙通道，所述风管与送风器内接头密封连通，水管与第三环隙通道密封连通；
送风器内接头与内管插接公头连接；送风器外接头与外管母扣连接。
具体的，所述中心管插接接头和内管插接母头之间设有密封圈；
所述送风器内接头和内管插接公头之间设有密封圈。
本发明还提供一种采用所述的井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置的钻进方法，包括以下步骤：
步骤一，回转钻进开孔：根据设计要求，调整好倾角和方位角，稳固钻进设备，连接复合片钻头、普通外平钻杆和送水器后，回转钻进3-5m或钻进至硬岩地层段，然后提钻；
步骤二，连接并下冲击钻具至孔内：依次连接锤头、气动冲击器、双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器，打开供风管路连接风管和水泵连接水管，进行调试，确定冲击器能够正常工作，喷嘴处液体能够正常喷出，然后开始下钻至锤头接近孔底；
步骤三，冲击回转钻进：先开水泵输送泡沫液，泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出；然后打开压缩气体管路上的阀门开始送风，气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器；当钻孔口正常返出泡沫后，通过钻进设备开始慢慢回转钻杆并提供给进压力，锤头接触孔底后开始正常冲击钻进；当所连接钻杆打完后，钻进设备停止给进，先关闭供风阀门，之后再关水泵，然后连接双壁钻杆后继续钻进；
步骤四，冲击钻进完成后提钻：当硬岩段钻进完成或钻进至预定位置后，先停风后停水，停钻并依次提出孔内钻具并拆卸下来；再根据后续施工设计，更换复合片钻头和普通外平钻杆回转钻进至终孔。
具体的，所述步骤三中，锤头接触孔底后开始正常冲击钻进过程中，钻孔口压缩气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器，驱动气动冲击器作用实现冲击碎岩，随着钻杆回转实现冲击回转钻进，高速气流携带破碎产生岩粉沿着钻进装置与钻孔壁之间向外运移；一定压力的泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出，然后与孔底向外运移并携带岩粉的高速气流混合产生泡沫，泡沫将岩粉包裹并排出孔外实现气动冲击碎岩泡沫排渣。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
1.本发明针对井下硬岩钻进，采用气动冲击器进行冲击钻进，通过中压或高压风驱动，能够提供较大冲击功，有利于碎岩，保证钻进效率。
2.本发明通过气体冲击保证冲击功和钻进效率同时，在钻孔内实现气液混合产生泡沫，泡沫将岩粉包裹，采用泡沫排渣，不影响排渣情况下，可有效消除气动冲击钻进中产生的大量粉尘，改善施工环境，减小粉尘危害。
附图说明
图1是井下气动冲击泡沫排渣钻进装置组成结构示意图。
图2双壁喷射接头结构图。
图3双壁钻杆结构图。
图4双壁送风器示意图。
附图标号含义：
1-锤头，2-气动冲击器，3-双壁喷射接头，4-双壁钻杆，5-双壁送风器，6-风管，7-水管，8-喷嘴；
31-外管体，32-中心管，33-第一支撑环；
311-下连接丝扣，312-上连接丝扣；321-中心管插接接头；
41-钻杆内管，42-钻杆外管，43-第二支撑环，44-第三支撑环；
411-内管插接母头，412内管插接公头；421-外管公扣，422-外管母扣；
51-送风器外接头，52-送风器内接头。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明提供一种井下硬岩气动冲击碎岩泡沫排渣除尘的钻进装置和钻进方法，该方法保证钻进效率的同时，采用泡沫排渣，能够有效除尘，改善施工环境，减少粉尘危害。
本发明钻进时，孔口风管连接双壁送风器进风口，压缩气体通过送风器中心沿着双壁钻杆中心输送到气动冲击器，压缩气体驱动气动冲击器产生冲击作用，传递给锤头实现冲击碎岩，由于采用中压或高压气体，气体压力高、流量大，产生较大的冲击功，硬岩碎岩效率高；通过冲击器的气流携带破碎下来的岩粉沿着钻具与孔壁之间环空间隙向外运移；孔口水管连接双壁送风器进水口，一定压力泡沫液沿着双壁钻杆内外管之间环状空间到达双壁喷射接头喷嘴处，泡沫液经过喷嘴喷出后与孔底返出且携带岩粉的高速气流混合，形成泡沫，泡沫将岩粉包裹后继续沿着钻杆与孔壁间环空间隙排出孔外，泡沫起到排渣和降尘作用。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1至图4所示，本实施例给出一种井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置，包括依次连接的锤头1、气动冲击器2、双壁喷射接头3、双壁钻杆4和双壁送风器5，以及设在双壁送风器5后端的风管6和设在双壁送风器5侧面的水管7。
双壁喷射接头3、双壁钻杆4和双壁送风器5均为双层结构，三者轴心为密封连通的气体通道，且该气体通道与风管6连通；三者的双层结构之间为相互密封连通的环隙通道，且该环隙通道的一端与水管7密封连通，环隙通道的另一端通过设在双壁喷射接头3的外管体31上的多个喷嘴8与外部连通以将输送至喷嘴8处的液体喷至外管体31外部。该装置具有气液双通道以及高压密封性，能够实现气动冲击回转钻进、泡沫排渣和除尘的工艺。
本实施例的双壁喷射接头3包括：中心管32和同轴套在中心管32外的外管体31。
外管体31的下端外壁为下连接丝扣311以与气动冲击器2连接，外管体31上端内壁为上连接丝扣312以与双壁钻杆4连接，外管体31的侧壁设有沿周向均布的多个喷嘴8。
中心管32的下端与外管体31内壁固定，中心管32上端为中心管插接接头321。
中心管32外侧壁与外管体31的内壁之间为第一环隙通道，且在中心管32和外管体31之间设有同轴的第一支撑环33用以对中心管32进行支撑和固定且该第一支撑环33上设有贯通孔以使其两侧的第一环隙通道连通。
双壁钻杆4包括：同轴套设的钻杆内管41和钻杆外管42。
钻杆内管41的下端为内管插接母头411以与中心管插接接头321连接，上端为内管插接公头412；钻杆外管42的下端为外管公扣421以与上连接丝扣312密封连接，上端为外管母扣422。
钻杆内管41和钻杆外管42之间为第二环隙通道，钻杆内管41和钻杆外管42之间设有同轴的第二支撑环43和第三支撑环44用以对钻杆内管41进行支撑和固定，且在第二支撑环43和第三支撑环44上均设有贯通孔以确保第二环隙通道的贯通，从而保证泡沫液顺利流通。
双壁送风器5包括：同轴套设且相互固定的送风器外接头51和送风器内接头52。
送风器外接头51和送风器内接头52之间为第三环隙通道，风管6与送风器内接头52密封连通，水管7与第三环隙通道密封连通。
送风器内接头52与内管插接公头412连接；送风器外接头51与外管母扣422连接。
更具体的，在本实施例中，双壁送风器5内部采用双轴承结构，当钻杆回转时，双壁送风器5外壳不回转。
具体的，中心管插接接头321和内管插接母头411之间设有密封圈；送风器内接头52和内管插接公头412之间设有密封圈；以确保该装置气液双通道的高压密封性。
本实施例工作原理如下：锤头接触孔底后开始正常冲击钻进过程中，钻孔口压缩气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器，驱动气动冲击器作用实现冲击碎岩，随着钻杆回转实现冲击回转钻进，高速气流携带破碎产生岩粉沿着钻进装置与钻孔壁之间向外运移；一定压力的泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出，然后与孔底向外运移并携带岩粉的高速气流混合产生泡沫，泡沫将岩粉包裹并排出孔外实现气动冲击碎岩泡沫排渣。
实施例2：
本实施例给出一种采用实施例1的井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置的钻进方法，包括以下步骤：
步骤一，回转钻进开孔：根据设计要求，调整好倾角和方位角，稳固钻进设备，连接复合片钻头、普通外平钻杆和送水器后，回转钻进3-5m或钻进至硬岩地层段，然后提钻；
步骤二，连接并下冲击钻具至孔内：依次连接锤头、气动冲击器、双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器，打开供风管路连接风管和水泵连接水管，进行调试，确定冲击器能够正常工作，喷嘴处液体能够正常喷出，然后开始下钻至锤头接近孔底；
步骤三，冲击回转钻进：先开水泵输送泡沫液，泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出；然后打开压缩气体管路上的阀门开始送风，气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器；当钻孔口正常返出泡沫后，通过钻进设备开始慢慢回转钻杆并提供给进压力，锤头接触孔底后开始正常冲击钻进；当所连接钻杆打完后，钻进设备停止给进，先关闭供风阀门，之后再关水泵，然后连接双壁钻杆后继续钻进；
步骤四，冲击钻进完成后提钻：当硬岩段钻进完成或钻进至预定位置后，先停风后停水，停钻并依次提出孔内钻具并拆卸下来；再根据后续施工设计，更换复合片钻头和普通外平钻杆回转钻进至终孔。
具体的，步骤三中，锤头接触孔底后开始正常冲击钻进过程中，钻孔口压缩气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器，驱动气动冲击器作用实现冲击碎岩，随着钻杆回转实现冲击回转钻进，高速气流携带破碎产生岩粉沿着钻进装置与钻孔壁之间向外运移；一定压力的泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出，然后与孔底向外运移并携带岩粉的高速气流混合产生泡沫，泡沫将岩粉包裹并排出孔外实现气动冲击碎岩泡沫排渣。

Claims (2)

1.一种井下气动冲击碎岩泡沫排渣钻进方法，其特征在于，该方法通过井下气动冲击碎岩泡沫排渣的钻进装置实现，该钻进装置包括依次连接的锤头（1）、气动冲击器（2）、双壁喷射接头（3）、双壁钻杆（4）和双壁送风器（5），以及设在双壁送风器（5）后端的风管（6）和设在双壁送风器（5）侧面的水管（7）；
所述双壁喷射接头（3）、双壁钻杆（4）和双壁送风器（5）均为双层结构，三者轴心为密封连通的气体通道，且该气体通道与所述风管（6）连通；三者的双层结构之间为相互密封连通的环隙通道，且该环隙通道的一端与水管（7）密封连通，环隙通道的另一端通过设在双壁喷射接头（3）的外管体（31）上的多个喷嘴（8）与外部连通以将输送至喷嘴（8）处的液体喷至外管体（31）外部；
所述双壁喷射接头（3）包括：中心管（32）和同轴套在中心管（32）外的所述外管体（31）；所述外管体（31）的下端外壁为下连接丝扣（311）以与气动冲击器（2）连接，外管体（31）上端内壁为上连接丝扣（312）以与双壁钻杆（4）连接，外管体（31）的侧壁设有沿周向均布的多个所述喷嘴（8）；所述中心管（32）的下端与外管体（31）内壁固定，中心管（32）上端为中心管插接接头（321）；中心管（32）外侧壁与外管体（31）的内壁之间为第一环隙通道，且在中心管（32）和外管体（31）之间设有同轴的第一支撑环（33）且该第一支撑环（33）上设有贯通孔以使其两侧的第一环隙通道连通；
所述双壁钻杆（4）包括：同轴套设的钻杆内管（41）和钻杆外管（42）；钻杆内管（41）的下端为内管插接母头（411）以与所述中心管插接接头（321）连接，上端为内管插接公头（412）；钻杆外管（42）的下端为外管公扣（421）以与所述上连接丝扣（312）密封连接，上端为外管母扣（422）；钻杆内管（41）和钻杆外管（42）之间为第二环隙通道，钻杆内管（41）和钻杆外管（42）之间设有同轴的第二支撑环（43）和第三支撑环（44），且在第二支撑环（43）和第三支撑环（44）上均设有贯通孔以确保第二环隙通道的贯通；
所述双壁送风器（5）包括：同轴套设且相互固定的送风器外接头（51）和送风器内接头（52）；送风器外接头（51）和送风器内接头（52）之间为第三环隙通道，所述风管（6）与送风器内接头（52）密封连通，水管（7）与第三环隙通道密封连通；送风器内接头（52）与内管插接公头（412）连接；送风器外接头（51）与外管母扣（422）连接；
所述中心管插接接头（321）和内管插接母头（411）之间设有密封圈；所述送风器内接头（52）和内管插接公头（412）之间设有密封圈；
该方法包括以下步骤：
步骤一，回转钻进开孔：根据设计要求，调整好倾角和方位角，稳固钻进设备，连接复合片钻头、普通外平钻杆和送水器后，回转钻进3-5m或钻进至硬岩地层段，然后提钻；
步骤二，连接并下冲击钻具至孔内：依次连接锤头、气动冲击器、双壁喷射接头、双壁钻杆和双壁送风器，打开供风管路连接风管和水泵连接水管，进行调试，确定冲击器能够正常工作，喷嘴处液体能够正常喷出，然后开始下钻至锤头接近孔底；
步骤三，冲击回转钻进：先开水泵输送泡沫液，泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出；然后打开压缩气体管路上的阀门开始送风，气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器；当钻孔口正常返出泡沫后，通过钻进设备开始慢慢回转钻杆并提供给进压力，锤头接触孔底后开始正常冲击钻进；当所连接钻杆打完后，钻进设备停止给进，先关闭供风阀门，之后再关水泵，然后连接双壁钻杆后继续钻进；
步骤四，冲击钻进完成后提钻：当硬岩段钻进完成或钻进至预定位置后，先停风后停水，停钻并依次提出孔内钻具并拆卸下来；再根据后续施工设计，更换复合片钻头和普通外平钻杆回转钻进至终孔。
2.如权利要求1所述的井下气动冲击碎岩泡沫排渣钻进方法，其特征在于，所述步骤三中，锤头接触孔底后开始正常冲击钻进过程中，钻孔口压缩气体沿着风管、双壁送风器中心、双壁钻杆和双壁接头中心气体通道到达气动冲击器，驱动气动冲击器作用实现冲击碎岩，随着钻杆回转实现冲击回转钻进，高速气流携带破碎产生岩粉沿着钻进装置与钻孔壁之间向外运移；一定压力的泡沫液沿着水管、双壁送风器和双壁钻杆的内外壁之间环隙通道到达双壁喷射接头喷嘴处并喷出，然后与孔底向外运移并携带岩粉的高速气流混合产生泡沫，泡沫将岩粉包裹并排出孔外实现气动冲击碎岩泡沫排渣。
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