CN111677444A - 一种垂直定向的大直径对旋水平钻机及预抽煤层瓦斯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体是一种垂直定向的大直径对旋水平钻机及预抽煤层瓦斯的方法。解决了松软低透气性高瓦斯煤层，抽采难度大问题，包括履带、机架、滑动固定器、电机、减速机、对旋钻杆、卡钻油缸、固定油缸、导向钻头、对旋钻头、排屑叶片、轴、型面卡头、连接横梁、三角钢架、尖盖和护孔筛管。本发明创造性的将钻孔变成长条孔，对旋钻头及钻杆通过连接横梁和三角钢架支撑作用，互相牵制，保证了钻孔轨迹不会左右偏移。

Description

一种垂直定向的大直径对旋水平钻机及预抽煤层瓦斯的方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体是一种垂直定向的大直径对旋水平钻机及预抽煤层瓦斯的方法。

背景技术

瓦斯是制约煤矿安全生产的关键因素，采掘作业前，必须实现抽采达标，但是，我国很多高瓦斯、突出煤层的透气性低、煤层松软，提前预抽本煤层瓦斯难度大，主要原因体现在如下：（1）煤层松软，目前抽采钻孔孔径一般不大于133mm，钻孔施工容易出现夹钻、喷孔等显现，导致钻孔施工孔深不达标；（2）钻具拔出后，钻孔容易塌孔，导致有效钻孔长度减少；（3）煤层透气性低，煤层裂隙不发育，钻孔抽采影响范围小，煤体中大部分瓦斯不能有效抽出。针对以上问题，目前采用的增加透气性的方法是：（1）深孔预裂爆破；（2）水力化措施，包括水力压裂、水力造穴、水力割缝等；（3）CO₂ 致裂增透，但增透效果均有限。

常规的煤层钻孔通常是单旋钻进，以常见的顺时针旋转钻进为例，（1）因钻头切削钻孔孔底、钻杆与孔壁摩擦受力的不平衡行及钻具自身重力影响，钻孔会向右下偏移，偏移误差经过叠加后，钻孔会扎向煤层底板，严重影响钻孔孔深及抽采效果；同时钻具向右下偏移，使钻杆连接处收到不平衡的径向力，钻杆螺旋排钻屑，所受的力也不平衡，钻孔轨迹变形量大、钻杆易断裂等严重后果，影响使用寿命；（2）由于钻杆处于“弓”的状态，无论是螺纹连接还是插接，都会造成装卸钻杆困难，并且钻杆弯曲状态下钻进会严重造成能量损失（由于摩擦，机械能转化成摩擦热能浪费）。（3）不平衡的径向力的存在，时动力输出端的扭矩及顶推力会受到严重损失，传递到钻头的扭矩会严重衰减，这也是单钻无法施工远距离的原因。（4）单旋钻进排钻屑能力差，当钻孔内发生塌孔时，容易造成压钻现象。（5）对于瓦斯治理来说，打钻后要进行瓦斯抽采，尤其遇到松软煤层时，钻杆拔出后再向孔内塞入护孔管时，往往孔内已经出现塌孔或者变形，导致护孔管无法塞入，严重影响瓦斯治理效果。

发明内容

本发明为了解决松软低透气性高瓦斯煤层，抽采难度大问题，提供一种大直径对旋钻进随钻及敷设护孔筛管卸压增透预抽煤层瓦斯的方法。

本发明采取以下技术方案：一种垂直定向的大直径对旋水平钻机，包括履带、机架、滑动固定器、电机、减速机、对旋钻杆、卡钻油缸、固定油缸、导向钻头、对旋钻头、排屑叶片、轴、型面卡头、连接横梁、三角钢架、尖盖和护孔筛管。

履带上安装机架，机架后端安装有滑动固定器，滑动固定器上安装减速电机以及动力输入装置，滑动固定器底部与推进油缸连接，减速机与动力输入装置连接，减速机上设置有两个可以与对旋钻杆连接的输出轴，减速机内部输出轴的齿轮是一对齿数和模数一样的齿轮副，互相咬合，转动时转速和扭矩相同，方向相反，输出轴连接对旋钻杆时，使得钻杆对旋转动，转速相同，方向相反机架前端两侧安装固定油缸，机架上设置有两根对旋钻杆，对旋钻杆上方安装有固定在机架上的两组卡钻油缸，卡钻油缸伸出端安装有六边形固定油缸型面头，对旋钻杆端头是相同尺寸的六边形型面，对旋钻杆上设置有螺纹状的排屑叶片，对旋钻杆分别安装在两组轴上，两组轴对称安装在连接横梁上，连接横梁安装在三角钢架上，三角钢架前端插接有尖盖，尖盖后方设置有若干组螺纹连接或者插接护孔筛管，对旋钻杆前端安装对旋钻头和导向钻头，对旋钻头和导向钻头底部安装角度调整机构，对旋钻杆后端设置有型面卡头。

进一步的，角度调整机构包括角度调整支撑、角度调整液压缸、角度调整弹簧和角度调整钢球，角度调整液压缸安装在角度调整支撑上，角度调整液压缸底部设置角度调整弹簧，角度调整弹簧外部安装角度调整钢球。

进一步的，滑动固定器包括机架滑道，机架滑道上安装有可以沿其滑动的减速机底座，机架滑道之间设置有摩擦固定板和摩擦固定片。

进一步的，动力输入装置包括电机及液压马达，所述的减速机设置有高转速输入轴和次高转速输入轴，电机与减速机的高转速输入轴相连，液压马达内装有离合器，与减速机的次高转速输入轴相连。

一种垂直定向的大直径对旋水平钻机的预抽煤层瓦斯的方法，包括以下步骤。

S100～打钻前，调整钻机的位置、方位角及倾角，调整完毕后，伸出固定油缸，将钻机固定，将推进油缸缩回、卡钻油缸伸出，卡住钻孔内的对旋钻杆，单轨吊吊装一组钻具，和减速机输出端相连，转动减速机液压马达，同时缓慢伸出推进油缸，使对旋钻杆和对旋钻孔内的钻杆相连，停止减速机液压马达，卡钻油缸缩回，开启电机，使钻杆正常旋转，同时提高推进油缸顶推力及顶推速度，待此组对旋钻杆钻进至孔内后，停止电机，伸出卡钻油缸（卡钻油缸前安装有六边形型面，对旋钻杆端头是相同尺寸的六边形型面），将对旋钻杆卡住，反转减速机液压马达，使减速机与钻具脱开，退回推进油缸；重复上述操作，继续钻进，直至施工到指定位置，打钻过程中如果需要调整钻进的倾角，可通过调整钻头后面的角度调整液压缸的伸缩，角度调整液压缸下面安装有角度调整弹簧，起到减震和避免硬性接触作用，外面安装有角度调整钢球，直接和钻孔孔底接触，起到托起钻头的作用，圆形面接触孔底，可避免排粉困难。

S200～对旋钻杆钻进至指定位置后，停止电机，伸出卡钻油缸，将对旋钻杆卡住，反转减速机液压马达，使减速机与对旋钻杆脱开，退回推进油缸，用减速机的机身向对旋钻杆中下部的三角钢架内顶入护孔筛管，当护孔筛管塞至尖盖时，护孔筛管将尖盖顶掉，护孔筛管随钻送入孔底。

S300～此时开始退对旋钻杆，伸出推进油缸，减速机输出轴与对旋钻杆相连，缩回推进油缸至最短处时，伸出卡钻油缸卡住前端钻杆，反转减速机液压马达，退掉拔出的这组对旋钻杆，用单轨吊吊离钻机，用减速机将多退出来的护孔筛管顶回孔内，重复以上过程，即可将钻具从孔内拔出，护孔筛管留在钻孔中。

S400～从钻孔孔内护孔筛管外测注入封孔材料，待封孔材料凝固，将护孔筛管与井下抽采管路连接，即可对钻孔内的瓦斯进行抽采。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、摒弃了以往钻孔必须是是圆形的思想，创造性的将钻孔变成长条孔，对旋钻头及钻杆通过连接横梁和三角钢架支撑作用，互相牵制，保证了钻孔轨迹不会左右偏移。

2、竖直弹簧顶压装置保证钻孔轨迹竖直方向可调。

3、当打钻至指定地点后，随钻塞入护孔筛管，当护孔筛管塞至尖盖时，因为尖盖不能承受顶出力，护孔筛管会将尖盖顶掉，护孔管塞便能随钻送入孔底。当向外拔出钻杆时，护孔筛管就能留在钻孔内。

4、三角钢架可铲除对旋钻管中下部遗留钻屑，三角钢架底部平面对整个钻具起到支撑作用，避免了钻具因自重向下偏移。

5、螺旋叶片较大，煤孔内出现塌孔后，塌方部分会通过叶片排出孔外，对旋叶片也会起到“挤压破碎”的功能，不会出现压钻情况。

6、对于瓦斯治理来说，当遇到煤层较软，煤的透气性差的情况时，单旋小钻孔一般会因为塌孔、钻孔轨迹不稳定、无法插入护孔筛管等问题，很难进行瓦斯抽采，对旋钻进方式会解决以上问题。

7、随钻敷设的护孔筛管直径70mm，护孔筛管外侧的钻孔区域随着时间及煤层扰动影响，会发生垮塌，此时会在筛管周围出现大量裂隙，有利于扩大瓦斯抽采的影响范围，提高抽采率。

附图说明

图1为本发明主视图；

图2为本发明立体图；

图3为本发明右视图；

图4为对旋钻杆一侧视图；

图5为对旋钻杆俯视图；

图6为对旋钻杆另一侧视图；

图7为图4中I部分放大图；

1-履带；2-机架；3-滑动固定器；4-电机；5-减速机；6-对旋钻杆；7-卡钻油缸；8-固定油缸；9-导向钻头；10-对旋钻头；11-截齿；12-排屑叶片；13-轴；14-型面卡头；15-连接横梁；16-三角钢架；17-尖盖；18-角度调整支撑；19-角度调整液压缸；20-角度调整弹簧；21-角度调整钢球；22-护孔筛管；23-钻头扶正贴板，24-推进油缸，311-摩擦固定板，312-减速机底座，313-摩擦固定片，314机架滑道，141-固定油缸型面头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种垂直定向的大直径对旋水平钻机，其特征在于：包括履带1、机架2、滑动固定器3、电机4、减速机5、对旋钻杆6、卡钻油缸7、固定油缸8、导向钻头9、对旋钻头10、排屑叶片12、轴13、型面卡头14、连接横梁15、三角钢架16、尖盖17和护孔筛管22。

如图1-4所示，履带1上安装机架2，机架2后端安装有滑动固定器3，滑动固定器3上安装减速电机以及动力输入装置，滑动固定器3底部与推进油缸24连接，减速机5与动力输入装置连接，减速机5上设置有两个可以与对旋钻杆6连接的输出轴，机架2前端两侧安装固定油缸8，机架2上设置有两根对旋钻杆6，对旋钻杆6上方安装有固定在机架2上的两组卡钻油缸7，卡钻油缸7伸出端安装有六边形固定油缸型面头141，对旋钻杆6端头是相同尺寸的六边形型面，对旋钻杆6上设置有螺纹状的排屑叶片12，对旋钻杆6分别安装在两组轴13上，两组轴13对称安装在连接横梁15上，连接横梁15安装在三角钢架16上，三角钢架16前端插接有尖盖17，尖盖17后方设置有若干组螺纹连接或者插接护孔筛管22，对旋钻杆6前端安装对旋钻头10和导向钻头9，对旋钻头10和导向钻头9底部安装角度调整机构，对旋钻杆6后端设置有型面卡头14。

如图7所示，角度调整机构包括角度调整支撑18、角度调整液压缸19、角度调整弹簧20和角度调整钢球21，角度调整液压缸19安装在角度调整支撑18上，角度调整液压缸19底部设置角度调整弹簧20，角度调整弹簧20外部安装角度调整钢球21。

如图2所示，所述的滑动固定器3包括机架滑道314，机架滑道314上安装有可以沿其滑动的减速机底座312，机架滑道314之间设置有摩擦固定板311和摩擦固定片313。

动力输入装置包括电机4及液压马达，所述的减速机5设置有高转速输入轴和次高转速输入轴，电机4与减速机5的高转速输入轴相连，液压马达内装有离合器，与减速机的次高转速输入轴相连。

一种垂直定向的大直径对旋水平钻机的预抽煤层瓦斯的方法，包括以下步骤。

S100～打钻前，调整钻机的位置、方位角及倾角，调整完毕后，伸出固定油缸，将钻机固定，将推进油缸24缩回、卡钻油缸7伸出，卡住钻孔内的对旋钻杆6，对旋钻杆6和减速机输出端相连，转动减速机液压马达，同时缓慢伸出推进油缸24，使对旋钻杆6和钻孔内的钻杆相连，停止减速机液压马达，卡钻油缸7缩回，开启电机，使对旋钻杆6正常旋转，同时提高推进油缸24顶推力及顶推速度，待此组钻具钻进至孔内后，停止电机，伸出卡钻油缸7，将对旋钻杆6卡住，反转减速机液压马达，使减速机与对旋钻杆6脱开，退回推进油缸；重复上述操作，继续钻进，直至施工到指定位置。

S200～对旋钻杆6钻进至指定位置后，停止电机，伸出卡钻油缸7，将对旋钻杆6卡住，反转减速机液压马达，使减速机与对旋钻杆6脱开，退回推进油缸24，用减速机的机身向对旋钻杆6中下部的三角钢架内顶入护孔筛管22，当护孔筛管22塞至尖盖17时，护孔筛管2将尖盖顶掉，护孔筛管2随钻送入孔底。

S300～此时开始退对旋钻杆6，伸出推进油缸24，减速机输出轴与对旋钻杆6相连，缩回推进油缸24至最短处时，伸出卡钻油缸7卡住前端钻杆，反转减速机液压马达，退掉拔出的这组对旋钻杆6，用单轨吊吊离钻机，用减速机将多退出来的护孔筛管22顶回孔内，重复以上过程，即可将钻具从孔内拔出，护孔筛管22留在钻孔中。

S400～从钻孔孔内护孔筛管22外测注入封孔材料，待封孔材料凝固，将护孔筛管22与井下抽采管路连接，即可对钻孔内的瓦斯进行抽采。

对旋钻进方法，采用对旋钻头，对旋螺旋叶片排钻屑，钻头直径为300 mm以上，钻杆直径为300mm以上，为了保证孔内钻杆不发生碰撞，每根钻杆有两个轴承式连接横梁，对旋钻杆中间下部安装一个三角形钢架，三角钢架最前端是尖盖并焊有截齿，尖盖与后面的三角筒为插接，只能向后承受压力，从内部向外推时，尖盖会被顶出脱落，通过钻进时的钻压，使这个三角区域的煤掉落，此钢架的功能有：1、确保对旋钻杆中间下部无堆积钻屑，钻孔中无遗煤；2、三角区域中空，并且中空部分不受外界干扰，可随钻塞入抽采筛管，筛管直径70mm以上，钻进到达指定位置时，筛管向内将尖盖顶出，这样退钻时，可将抽采筛管流入钻孔内。3、三角形钢架可固定对旋钻杆连接横梁，可使对旋钻杆更牢固问题。

对旋钻头采用前端带有导向定位功能的二级台阶式钻头，前端导向小钻头先钻入孔内，在孔内起到定向和减小钻压的作用，使钻进更容易，轨迹更直。对旋钻头后面跟着一组竖直弹簧顶压装置，装置结构为液压缸、弹簧、钢球，此装置采用液压缸伸缩来调节弹簧的弹力，弹簧弹力会向下支撑钻头及钻杆，根据钻孔轨迹，液压缸可调节弹簧的压力，实现钻孔角度可调，并且弹簧实现缓冲，对钻头钻杆有保护作用。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (5)

1.一种垂直定向的大直径对旋水平钻机，其特征在于：包括履带（1）、机架（2）、滑动固定器（3）、电机（4）、减速机（5）、对旋钻杆（6）、卡钻油缸（7）、固定油缸（8）、导向钻头（9）、对旋钻头（10）、排屑叶片（12）、轴（13）、型面卡头（14）、连接横梁（15）、三角钢架（16）、尖盖（17）和护孔筛管（22），

履带（1）上安装机架（2），机架（2）后端安装有滑动固定器（3），滑动固定器（3）上安装减速电机以及动力输入装置，滑动固定器（3）底部与推进油缸（24）连接，减速机（5）与动力输入装置连接，减速机（5）上设置有两个可以与对旋钻杆（6）连接的输出轴，机架（2）前端两侧安装固定油缸（8），机架（2）上设置有两根对旋钻杆（6），对旋钻杆（6）上方安装有固定在机架（2）上的两组卡钻油缸（7），卡钻油缸（7）伸出端安装有六边形固定油缸型面头（141），对旋钻杆（6）端头是相同尺寸的六边形型面，对旋钻杆（6）上设置有螺纹状的排屑叶片（12），对旋钻杆（6）分别安装在两组轴（13）上，两组轴（13）对称安装在连接横梁（15）上，连接横梁（15）安装在三角钢架（16）上，三角钢架（16）前端插接有尖盖（17），尖盖（17）后方设置有若干组螺纹连接或者插接护孔筛管（22），对旋钻杆（6）前端安装对旋钻头（10）和导向钻头（9），对旋钻头（10）和导向钻头（9）底部安装角度调整机构，对旋钻杆（6）后端设置有型面卡头（14）。

2.根据权利要求1所述的垂直定向的大直径对旋水平钻进装置，其特征在于：所述的角度调整机构包括角度调整支撑（18）、角度调整液压缸（19）、角度调整弹簧（20）和角度调整钢球（21），角度调整液压缸（19）安装在角度调整支撑（18）上，角度调整液压缸（19）底部设置角度调整弹簧（20），角度调整弹簧（20）外部安装角度调整钢球（21）。

3.根据权利要求2所述的垂直定向的大直径对旋水平钻进装置，其特征在于：所述的滑动固定器（3）包括机架滑道（314），机架滑道（314）上安装有可以沿其滑动的减速机底座（312），机架滑道（314）之间设置有摩擦固定板（311）和摩擦固定片（313）。

4.根据权利要求3所述的垂直定向的大直径对旋水平钻进装置，其特征在于：所述的动力输入装置包括电机（4）及液压马达，所述的减速机（5）设置有高转速输入轴和次高转速输入轴，电机（4）与减速机（5）的高转速输入轴相连，液压马达内装有离合器，与减速机的次高转速输入轴相连。

5.一种如权利要求4所述的垂直定向的大直径对旋水平钻机的预抽煤层瓦斯的方法，其特征在于：包括以下步骤，

S100～打钻前，调整钻机的位置、方位角及倾角，调整完毕后，伸出固定油缸，将钻机固定，将推进油缸（24）缩回、卡钻油缸（7）伸出，卡住钻孔内的对旋钻杆（6），对旋钻杆（6）和减速机输出端相连，转动减速机液压马达，同时缓慢伸出推进油缸（24），使对旋钻杆（6）和钻孔内的钻杆相连，停止减速机液压马达，卡钻油缸（7）缩回，开启电机，使对旋钻杆（6）正常旋转，同时提高推进油缸（24）顶推力及顶推速度，待此组钻具钻进至孔内后，停止电机，伸出卡钻油缸（7），将对旋钻杆（6）卡住，反转减速机液压马达，使减速机与对旋钻杆（6）脱开，退回推进油缸；重复上述操作，继续钻进，直至施工到指定位置；

S200～对旋钻杆（6）钻进至指定位置后，停止电机，伸出卡钻油缸（7），将对旋钻杆（6）卡住，反转减速机液压马达，使减速机与对旋钻杆（6）脱开，退回推进油缸（24），用减速机的机身向对旋钻杆（6）中下部的三角钢架内顶入护孔筛管（22），当护孔筛管（22）塞至尖盖（17）时，护孔筛管（2）将尖盖顶掉，护孔筛管（2）随钻送入孔底；

S300～此时开始退对旋钻杆（6），伸出推进油缸（24），减速机输出轴与对旋钻杆（6）相连，缩回推进油缸（24）至最短处时，伸出卡钻油缸（7）卡住前端钻杆，反转减速机液压马达，退掉拔出的这组对旋钻杆（6），用单轨吊吊离钻机，用减速机将多退出来的护孔筛管（22）顶回孔内，重复以上过程，即可将钻具从孔内拔出，护孔筛管（22）留在钻孔中；

S400～从钻孔孔内护孔筛管（22）外测注入封孔材料，待封孔材料凝固，将护孔筛管（22）与井下抽采管路连接，即可对钻孔内的瓦斯进行抽采。

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