CN111810086A - 一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力大直径分级造穴卸压增透技术领域，一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其中电动机供电装置设置在前端防爆电动机的尾部并与前端防爆电动机电性连接，第一传动锥齿轮通过驱动转轴径向安装在壳体内，且第一传动锥齿轮和电动机传动锥齿轮啮合，驱动圆柱齿轮与第一传动锥齿轮安装在同一转轴上，导水传动轴通过轴承安装在壳体内，且传动圆柱齿轮安装在导水传动轴上，射流组件尾部安装在导水传动轴中部且两者内部连通，传动链条绕装在驱动圆柱齿轮和传动圆柱齿轮外侧。本装置可实现多次分级立体冲孔造穴，扩大钻孔的卸压范围，提高卸压增透防突效果。另外本发明还提出了一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法。

Description

一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置及方法

技术领域

本发明涉及水力大直径分级造穴卸压增透技术领域，特别是一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置及方法。

背景技术

煤矿瓦斯(煤层气)是重要的非常规天然气资源之一，在煤矿井下开展高瓦斯煤层的煤层气抽采时，未卸压煤层的煤层气抽采能否取得较好的效果主要取决于煤层的渗透性。但我国大部分矿区的煤层属于高瓦斯低渗煤层，煤质松软且渗透性差，渗透率仅为10^-4-10^-3mD，由于煤层的渗透性直接决定了煤矿瓦斯(煤层气)抽采及利用的效率，解决低渗煤层的煤层气难抽问题已成为确保煤矿安全生产，提高煤层气产量和利用率的关键环节。研发提高低渗煤层的渗透性、煤层气增产的技术与装备，已成为一项艰难而迫切的任务，所以难抽煤层井下增透关键技术及装备研发已成为亟待开展的重要任务。

水力造穴是指借助顺层钻孔或穿层钻孔深入煤体内部，采用高压水射流冲出大量煤体及瓦斯，形成若干直径较大的洞室，在煤体中形成一定卸压排放瓦斯区域。该措施一方面在水力造穴过程中将大量松软煤体破碎并冲出，起到了降低煤体地应力的作用；另一方面在煤层中形成的洞穴增大煤层裸露面积并且在洞室周围形成巨大的裂隙网络，为瓦斯运移及抽采提供了广阔的空间，改善了煤层渗透性，可以有效提高瓦斯抽采效率和瓦斯抽采量。

水力冲孔造穴技术是一种低透气性煤层卸压增透的有效方式，进入深部后，煤层透气性进一步降低，地应力增加，需要采取更大强度的卸压增透措施才能保证抽采防突的效果。对于水力冲孔造穴技术来说，即需要制造更大半径的孔洞。目前的水力冲孔造穴技术受冲孔方法、设备能力、结构限制，最大造穴半径有限，一般不超过0.5m。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，改变冲孔的过程，实现多次分级立体冲孔造穴，突破常规水力造穴方法造穴半径的极限，扩大钻孔的卸压范围，提高卸压增透防突效果。另外本发明还提出了一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括钻杆、分级造穴钻头和高压供水系统，其中分级造穴钻头安装在钻杆的前端，所述高压供水系统连接在钻杆的尾端并对钻杆内部供水，所述分级造穴钻头包括壳体，该壳体内设有电动机供电装置、前端防爆电动机、电动机传动锥齿轮、第一传动锥齿轮、驱动圆柱齿轮和传动链条，分级造穴钻头还包括至少一组传动圆柱齿轮、导水传动轴和射流组件，其中电动机供电装置设置在前端防爆电动机的尾部并与前端防爆电动机电性连接，所述电动机供电装置尾部设有用于触发电动机供电装置对前端防爆电动机供电的轴向可回缩电动机开关，所述电动机传动锥齿轮连接在前端防爆电动机的动力输出端，第一传动锥齿轮通过驱动转轴径向安装在壳体内，且第一传动锥齿轮和电动机传动锥齿轮啮合，驱动圆柱齿轮与第一传动锥齿轮安装在同一转轴上；所述导水传动轴通过轴承安装在壳体内，且传动圆柱齿轮安装在导水传动轴上，所述射流组件尾部安装在导水传动轴中部且两者内部连通，所述壳体内部具有用于将钻杆内部水导入导水传动轴的导水管路，所述传动链条绕装在驱动圆柱齿轮和传动圆柱齿轮外侧。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述壳体前端延伸形成两个对向设置的安装夹板，该安装夹板内部中空，且安装夹板内部中空并与所述壳体内部连通，所述导水传动轴垂直于安装夹板。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述导水传动轴具有凸起部件，所述分级造穴钻头还包括弹簧磁力挡片，弹簧磁力挡片上部为弹簧挡片，弹簧挡片底部具有磁石，弹簧挡片固定在安装夹板外壁，且弹簧磁力挡片中部位于导水传动轴凸起部件旋转路径上。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述射流组件位于两个安装夹板的中部位置。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述射流组件包括射流杆、射流加长杆和射流喷嘴，其中射流杆尾部与导水传动轴固定连接，所述射流加长杆位于与射流杆螺纹相接，所述射流喷嘴与射流加长杆头部螺纹连接。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述传动圆柱齿轮、导水传动轴和射流组件有2-5组。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述壳体内具有电机保护壳，所述电动机供电装置和前端防爆电动机设置在电机保护壳内部，所述轴向可回缩电动机开关设置在电机保护壳尾部端面。

在第二个技术方案中，一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法，使用如第一个技术方案中所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括以下步骤：

步骤1：水力大直径分级造穴卸压增透装置造穴作业前，钻进系统在煤体内形成预定尺寸钻孔，并通过多根钻杆将前端动力型水力大直径分级造穴钻头推送至造穴工作位置；

步骤2：使用高压供水系统通过钻杆向分级造穴钻头注入高压水，高压水作用于轴向可回缩电动机开关，超过轴向可回缩电动机开关轴向回缩阈值时，轴向可回缩电动机开关连通与前端防爆电动机、电动机供电装置串联电路，前端防爆电动机开始工作，带动前端防爆电动机驱动锥齿轮横向转动，进而带动第一传动锥齿轮纵向转动，第一传动锥齿轮通过驱动圆柱齿轮、传动圆柱齿轮和传动链条带动导水传动轴和射流组件纵向旋转；同时高压水经过导水管路、导水传动轴、射流组件高压喷出；

步骤3：射流组件纵向旋转的同时，由钻机分别通过钻杆夹持器通过钻杆带动前端动力型水力大直径分级造穴钻头径向旋转，进而带动射流组件径向转动，完成该位置的立体造穴。

在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤3之后实施步骤4，

步骤4：高压供水系统停止供水，轴向可回缩电动机开关复位弹起，前端防爆电动机停止工作，通过弹簧磁力挡片对导水传动轴的阻挡与磁吸作用，实现射流组件回正，继续将分级造穴钻头推进到下一造穴工作位置，重复步骤1-步骤3，完成全煤厚连续造穴。

使用本发明的有益效果是：

本发明提供了一种大直径的水力分级造穴增透方法及造穴装置，主要用于井下煤层水力冲孔增透过程中大直径造穴，可通过拆卸加长射流杆实现分级造穴，并可通过钻杆的横向旋转以及射流装置的纵向旋转实现三维立体造穴，具有卸压面积大、操作简单、动力充足、造穴速度快、易于控制等优点。

附图说明

图1为本发明前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置中分级造穴钻头传动结构示意图。

图2为本发明前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置中分级造穴钻头传动结构侧向的示意图。

图3为本发明前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置整体示意图。

附图标记包括：

1-钻孔、2-分级造穴钻头、3-轴向可回缩电动机开关、4-电动机供电装置、5-电动机保护壳、6-前端防爆电动机、7-导水管路、8-电动机传动锥齿轮、9-第一传动轴、10-驱动圆柱齿轮、11-传动链条、12-第二导水传动轴、13-第一射流杆、14-第一射流加长杆、15-第一射流喷嘴、16-第一传动锥齿轮、17-第二传动圆柱齿轮、19-第三传动圆柱齿轮、20-第三导水传动轴、21-第二射流杆、22-第二射流加长杆、23-第二射流喷嘴、24-端部轴承、25-弹簧磁力挡片、26-安装夹板、31-高压注水泵、32-耐高压水尾、33-钻杆、34-第一夹持器、35-第二夹持器。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例提出一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括钻杆33、分级造穴钻头2和高压供水系统，其中分级造穴钻头2安装在钻杆33的前端，高压供水系统连接在钻杆33的尾端并对钻杆33内部供水，分级造穴钻头2包括壳体，该壳体内设有电动机供电装置4、前端防爆电动机6、电动机传动锥齿轮8、第一传动锥齿轮16、驱动圆柱齿轮10和传动链条11，分级造穴钻头2还包括至少一组传动圆柱齿轮、导水传动轴和射流组件，其中电动机供电装置4设置在前端防爆电动机6的尾部并与前端防爆电动机6电性连接，电动机供电装置4尾部设有用于触发电动机供电装置4对前端防爆电动机6供电的轴向可回缩电动机开关3，电动机传动锥齿轮8连接在前端防爆电动机6的动力输出端，第一传动锥齿轮16通过驱动转轴径向安装在壳体内，且第一传动锥齿轮16和电动机传动锥齿轮8啮合，驱动圆柱齿轮10与第一传动锥齿轮16安装在同一转轴上；导水传动轴通过轴承安装在壳体内，且传动圆柱齿轮安装在导水传动轴上，射流组件尾部安装在导水传动轴中部且两者内部连通，壳体内部具有用于将钻杆33内部水导入导水传动轴的导水管路7，传动链条11绕装在驱动圆柱齿轮10和传动圆柱齿轮外侧。壳体内具有电机保护壳，电动机供电装置4和前端防爆电动机6设置在电机保护壳内部，轴向可回缩电动机开关3设置在电机保护壳尾部端面。

作为优选的，壳体前端延伸形成两个对向设置的安装夹板26，该安装夹板26内部中空，且安装夹板26内部中空并与壳体内部连通，导水传动轴垂直于安装夹板26。射流组件位于两个安装夹板26的中部位置。

导水传动轴具有凸起部件，分级造穴钻头2还包括弹簧磁力挡片25，弹簧磁力挡片25上部为弹簧挡片，弹簧挡片底部具有磁石，弹簧挡片固定在安装夹板26外壁，且弹簧磁力挡片25中部位于导水传动轴凸起部件旋转路径上。弹簧磁力挡片25的作用是在停止供水时，弹簧磁力挡片25可吸引射流组件不突出壳体以及安装夹板26。

其中，射流组件包括射流杆、射流加长杆和射流喷嘴，其中射流杆尾部与导水传动轴固定连接，射流加长杆位于与射流杆螺纹相接，射流喷嘴与射流加长杆头部螺纹连接。

传动圆柱齿轮、导水传动轴和射流组件有2-5组。

一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法，使用上述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括以下步骤：

步骤1：水力大直径分级造穴卸压增透装置造穴作业前，钻进系统在煤体内形成预定尺寸钻孔1，并通过多根钻杆33将前端动力型水力大直径分级造穴钻头2推送至造穴工作位置；

步骤2：使用高压供水系统通过钻杆33向分级造穴钻头2注入高压水，高压水作用于轴向可回缩电动机开关3，超过轴向可回缩电动机开关3轴向回缩阈值时，轴向可回缩电动机开关3连通与前端防爆电动机6、电动机供电装置4串联电路，前端防爆电动机6开始工作，带动前端防爆电动机6驱动锥齿轮横向转动，进而带动第一传动锥齿轮16纵向转动，第一传动锥齿轮16通过驱动圆柱齿轮10、传动圆柱齿轮和传动链条11带动导水传动轴和射流组件纵向旋转；同时高压水经过导水管路7、导水传动轴、射流组件高压喷出；

步骤3：射流组件纵向旋转的同时，由钻机分别通过钻杆33夹持器通过钻杆33带动前端动力型水力大直径分级造穴钻头2径向旋转，进而带动射流组件径向转动，完成该位置的立体造穴。

作为优选的，在步骤3之后实施步骤4，步骤4：高压供水系统停止供水，轴向可回缩电动机开关3复位弹起，前端防爆电动机6停止工作，通过弹簧磁力挡片25对导水传动轴的阻挡与磁吸作用，实现射流组件回正，继续将分级造穴钻头2推进到下一造穴工作位置，重复步骤1-步骤3，完成全煤厚连续造穴。

实施例2

本实施例以实施例1技术方案为技术，以两个射流组件为例，详细说明本装置的结构和使用方法。

结合图1-图3所示，一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，主要包括高压注水泵31、耐高压水尾32、钻杆33、第一夹持器34、第二夹持器35、分级造穴钻头2，其中分级造穴钻头2主要包括前端防爆电动机6、电动机保护壳5、轴向可回缩电动机开关3、电动机供电装置4、电动机传动锥齿轮8、第一传动锥齿轮16、第一传动轴9、第一传动圆柱齿轮、传动链条11、第二传动圆柱齿轮17、第二导水传动轴12、第一射流杆13、第一射流加长杆14、第一射流喷嘴15、导水管路7、第一端部轴承24、第三传动链条11、第三传动圆柱齿轮19、第三导水传动轴20、第二射流杆21、第二射流加长杆22、第二射流喷嘴23、第二端部轴承24、安装夹板26和弹簧磁力挡片25。

如图3所示，高压注水泵31通过耐高压水尾32与钻杆33连接，前端动力型水力大直径分级造穴钻头2与钻杆33连接，如图1、图2所示，前端防爆电动机6、轴向可回缩电动机开关3、电动机供电装置4三者电路串联，电动机传动锥齿轮8固定于造穴钻头前端防爆电动机6动力输出轴之上，并与第一传动锥齿轮16相互咬合，第一传动锥齿轮16与第一传动圆柱齿轮固定于第一传动轴9之上，第一传动轴9与固定于导水管路7外壁之上的轴承相接，传动链条11与第一传动圆柱齿轮、第二传动圆柱齿轮17、第三传动圆柱齿轮19分别咬合，第二传动圆柱齿轮17固定于第二导水传动轴12之上，第三传动圆柱齿轮19固定于第三导水传动轴20之上。

第一射流杆13位于第二导水传动轴12中部且两者连通，第一射流喷嘴15、第一射流加长杆14可与第一射流杆13螺纹相接，第二射流杆21位于第三导水传动轴20中部且两者连通，第二射流喷嘴23、第二射流加长杆22可与第二射流杆21螺纹相接，第一射流杆13、第二射流杆21长度小于钻孔1半径，射流杆、射流加长杆、射流喷嘴总体尺寸小于第二导水传动轴12、第三导水传动轴20之间的轴距。

第二导水传动轴12通过第一端部轴承24与导水管路7连通；第三传动圆柱齿轮19固定于第三导水传动轴20上，第二射流杆21位于第三导水传动轴20中部且两者连通，第二射流加长杆22与第二射流杆21螺纹相接，第二射流喷嘴23与第一射流加长杆14螺纹相接，第三导水传动轴20通过第二端部轴承24与导水管路7连通；导水管路7位于电动机保护壳5外壁与分级造穴钻头2内壁之间，且在安装夹板26内与端部轴承24、第二端部轴承24外壁焊接，并与第二导水传动轴12、第三导水传动轴20相通。

弹簧磁力挡片25上部为弹簧挡片，底部装有磁石，且底部固定于安装夹板26外壁，弹簧磁力挡片25中部位于第二导水传动轴12、第三导水传动轴20凸起部件旋转路径上。

另外可通过增加与第二射流杆21相同传动机构的方式增加第三、四级等多级射流杆，实现大面积一次造穴。

一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法，利用上述的水力大直径分级造穴卸压增透装置，按照如下步骤进行：

步骤1，水力大直径分级造穴卸压增透装置造穴作业前，钻进系统在煤体内形成预定尺寸钻孔1，并通过多根钻杆33将前端动力型水力大直径分级造穴钻头2推送至造穴工作位置。

步骤2，使用本发明中的高压注水泵31通过耐高压水尾32、钻杆33向分级造穴钻头2注入高压水，高压水作用于轴向可回缩电动机开关3，超过轴向可回缩电动机开关3轴向回缩阈值时，轴向可回缩电动机开关3连通与前端防爆电动机6、电动机供电装置4串联电路，前端防爆电动机6开始工作，带动电动机传动锥齿轮8横向转动，进而带动第一传动锥齿轮16纵向转动，通过第一传动轴9、第一传动圆柱齿轮、传动链条11带动第二传动圆柱齿轮17、第三传动圆柱齿轮19纵向转动，进而带动第二导水传动轴12纵向旋转、第三导水传动轴20纵向旋转，最终带动第一射流杆13、第一射流加长杆14、第一射流喷嘴15以及第二射流杆21、第二射流加长杆22、第二射流喷嘴23纵向旋转。

与此同时，高压水经过导水管路7、第二导水传动轴12、第一射流杆13、第一射流加长杆14由第一射流喷嘴15高压喷出，同时经过第三导水传动轴20、第二射流杆21、第二射流加长杆22由第二射流喷嘴23高压喷出。

步骤3，分级造穴钻头2立体造穴，第一射流喷嘴15与第二射流喷嘴23纵向旋转的同时，由钻机分别通过第一夹持器34与第二夹持器35并通过钻杆33带动前端动力型水力大直径分级造穴钻头2径向旋转，进而带动第一射流喷嘴15与第二射流喷嘴23径向转动，完成该位置的立体造穴。

步骤4，停止供水后，轴向可回缩电动机开关3通过内部弹簧回位，电动机停止工作，通过弹簧磁力挡片25对第二导水传动轴12、第三导水传动轴20凸起杆件的阻挡与磁吸作用，实现第一射流杆13、第二射流杆21回正，继续将分级造穴钻头2推进到下一造穴工作位置，重复上述步骤，完成全煤厚连续造穴。

完成全煤厚连续造穴后，停止供水，退出分级造穴钻头2，安装第一射流加长杆14、第二射流加长杆22，通过钻杆33推送至另一个已造穴孔洞位置，重复步骤2、步骤3、步骤4，完成造穴钻头大尺寸分级造穴。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：包括钻杆、分级造穴钻头和高压供水系统，其中分级造穴钻头安装在钻杆的前端，所述高压供水系统连接在钻杆的尾端并对钻杆内部供水，所述分级造穴钻头包括壳体，该壳体内设有电动机供电装置、前端防爆电动机、电动机传动锥齿轮、第一传动锥齿轮、驱动圆柱齿轮和传动链条，分级造穴钻头还包括至少一组传动圆柱齿轮、导水传动轴和射流组件，其中电动机供电装置设置在前端防爆电动机的尾部并与前端防爆电动机电性连接，所述电动机供电装置尾部设有用于触发电动机供电装置对前端防爆电动机供电的轴向可回缩电动机开关，所述电动机传动锥齿轮连接在前端防爆电动机的动力输出端，第一传动锥齿轮通过驱动转轴径向安装在壳体内，且第一传动锥齿轮和电动机传动锥齿轮啮合，驱动圆柱齿轮与第一传动锥齿轮安装在同一转轴上；所述导水传动轴通过轴承安装在壳体内，且传动圆柱齿轮安装在导水传动轴上，所述射流组件尾部安装在导水传动轴中部且两者内部连通，所述壳体内部具有用于将钻杆内部水导入导水传动轴的导水管路，所述传动链条绕装在驱动圆柱齿轮和传动圆柱齿轮外侧。

2.根据权利要求1所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：所述壳体前端延伸形成两个对向设置的安装夹板，该安装夹板内部中空，且安装夹板内部中空并与所述壳体内部连通，所述导水传动轴垂直于安装夹板。

3.根据权利要求2所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：所述导水传动轴具有凸起部件，所述分级造穴钻头还包括弹簧磁力挡片，弹簧磁力挡片上部为弹簧挡片，弹簧挡片底部具有磁石，弹簧挡片固定在安装夹板外壁，且弹簧磁力挡片中部位于导水传动轴凸起部件旋转路径上。

4.根据权利要求2所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：所述射流组件位于两个安装夹板的中部位置。

5.根据权利要求1所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：所述射流组件包括射流杆、射流加长杆和射流喷嘴，其中射流杆尾部与导水传动轴固定连接，所述射流加长杆位于与射流杆螺纹相接，所述射流喷嘴与射流加长杆头部螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：所述传动圆柱齿轮、导水传动轴和射流组件有2-5组。

7.根据权利要求1所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，其特征在于：所述壳体内具有电机保护壳，所述电动机供电装置和前端防爆电动机设置在电机保护壳内部，所述轴向可回缩电动机开关设置在电机保护壳尾部端面。

8.一种前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法，其特征在于，使用如权利要求3任一项所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透装置，包括以下步骤：

步骤1：水力大直径分级造穴卸压增透装置造穴作业前，钻进系统在煤体内形成预定尺寸钻孔，并通过多根钻杆将前端动力型水力大直径分级造穴钻头推送至造穴工作位置；

步骤2：使用高压供水系统通过钻杆向分级造穴钻头注入高压水，高压水作用于轴向可回缩电动机开关，超过轴向可回缩电动机开关轴向回缩阈值时，轴向可回缩电动机开关连通与前端防爆电动机、电动机供电装置串联电路，前端防爆电动机开始工作，带动前端防爆电动机驱动锥齿轮横向转动，进而带动第一传动锥齿轮纵向转动，第一传动锥齿轮通过驱动圆柱齿轮、传动圆柱齿轮和传动链条带动导水传动轴和射流组件纵向旋转；同时高压水经过导水管路、导水传动轴、射流组件高压喷出；

步骤3：射流组件纵向旋转的同时，由钻机分别通过钻杆夹持器通过钻杆带动前端动力型水力大直径分级造穴钻头径向旋转，进而带动射流组件径向转动，完成该位置的立体造穴。

9.根据权利要求8所述的前端动力型水力大直径分级造穴卸压增透方法，其特征在于：在步骤3之后实施步骤4，

步骤4：高压供水系统停止供水，轴向可回缩电动机开关复位弹起，前端防爆电动机停止工作，通过弹簧磁力挡片对导水传动轴的阻挡与磁吸作用，实现射流组件回正，继续将分级造穴钻头推进到下一造穴工作位置，重复步骤1-步骤3，完成全煤厚连续造穴。

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