CN111877986B - 煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具及排渣方法 - Google Patents
煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具及排渣方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具及排渣方法，包括依次密封连通且同轴的双通道介质输送器、旋喷式双壁螺旋钻杆和双壁钻头；双通道介质输送器包括内管和外管，且内管和外管之间安装轴承组件；旋喷式双壁螺旋钻杆包括内管总成和外管总成，在外管总成侧壁上设有多个螺旋排布的喷嘴组件；双壁钻头包括钻头本体、同轴的钻头内壁和钻头外壁；中心通道上端口密封连接有第一高压胶管以连接空压机；环隙空间上端通过内管侧壁内嵌通孔连通至外部并密封连接有第二高压胶管以连接空压机或泥浆泵。本发明实现了碎软煤层顺层瓦斯抽采钻孔旋喷式复合高效排渣，进而提高钻孔深度，而且实现了孔内除尘降尘，改善钻孔施工现场环境。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下钻探技术领域，具体涉及一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具及排渣方法。
背景技术
在碎软煤层中施工顺层瓦斯抽采钻孔时，由于煤质松软破碎，胶结性差，钻进过程中经常出现塌孔，瞬间产生大量煤粉，常常引起卡钻和埋钻事故，导致钻孔深度浅，达不到设计要求，严重制约着煤矿瓦斯的高效治理。
为了解决以上问题，碎软煤层顺层瓦斯抽采钻孔施工主要采用压风空气钻进工艺，该工艺采用螺旋钻杆回转钻进，钻进过程中配压风，以压风排渣为主，螺旋钻杆回转排渣为辅。钻进过程中一方面通过螺旋钻杆的高速旋转，螺旋翼片将煤粉搅动起来，再通过压风排出孔外，另一方面通过螺旋翼片旋转产生的挤推力，推动部分煤粉排出孔外，形成一种复合排渣工艺，该工艺相对于传统采用外平钻杆回转钻进工艺，排渣效果明显改善，顺层瓦斯抽采钻孔深度有所提高。
但该工艺在钻进过程中产生的煤粉往往沉积在螺旋钻杆下部与孔壁之间，钻进用压风通过螺旋钻杆上部与孔壁之间间隙排出孔外，压风排渣的作用显著下降；钻进所采用的螺旋钻杆，常常被钻进过程中瞬间产生的大量煤粉包裹起来，螺旋翼片对煤粉的旋转搅动作用显著下降甚至失去搅动的作用，使得螺旋钻杆辅助排渣的作用大大降低；最终由于排渣不畅引起卡钻和埋钻事故，导致顺层瓦斯抽采钻孔深度达不到设计要求。同时，压风钻进工艺在钻进过程中以压风排渣为主，作业现场往往产生大量的煤粉尘，严重威胁着现场作业人员的身体健康。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具及排渣方法，以解决现有技术的上述问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，包括从上到下依次密封连通且同轴布设的双通道介质输送器、旋喷式双壁螺旋钻杆和双壁钻头；
所述双通道介质输送器包括从内到外同轴套设的内管和外管，且内管和外管之间安装轴承组件；内管的通道为第一中心通道，内管和外管之间的环隙通道为第一环隙通道；
所述旋喷式双壁螺旋钻杆包括从内到外同轴套设的内管总成和外管总成，在外管总成侧壁上设有多个螺旋排布的喷嘴组件；内管总成的通道为第二中心通道，内管总成和外管总成之间的环隙通道为第二环隙通道；第一中心通道和第二中心通道密封连通，第一环隙通道和第二环隙通道密封连通；
所述双壁钻头包括钻头本体、同轴的钻头内壁和钻头外壁，钻头内壁中心为钻头通孔，钻头内壁和钻头外壁之间为环形槽；所述第二中心通道与钻头通孔密封连通，钻头外壁与外管总成密封连接；
所述第一中心通道、第二中心通道和钻头通孔密封连通为中心通道，中心通道上端口密封连接有第一高压胶管以连接空压机；所述第一环隙通道和第二环隙通道形成环隙空间并能通过喷嘴组件连通外部，环隙空间上端通过内管侧壁内嵌通孔连通至外部并密封连接有第二高压胶管以连接空压机或泥浆泵。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述外管总成外壁上设有螺旋槽，在螺旋槽内等间距设有多个安装孔，所述喷嘴组件螺接安装在安装孔内，且能连通第二环隙通道和外部；
所述喷嘴组件的喷头直径为0.5-8mm。
具体的，所述外管和外管总成之间通过第一接头连接，且第一接头与外管之间螺接，与外管总成之间焊接；
所述内管和内管总成之间通过第一密封接头连接，第一密封接头与内管之间插接，与内管总成之间螺接。
具体的，所述外管总成和钻头外壁之间通过第二接头连接，且第二接头与外管总成之间焊接，与钻头外壁之间螺接；
所述内管总成和钻头内壁之间依次密封连接有第二密封接头和第三密封接头；第二密封接头与内管总成之间螺接，与第三密封接头之间插接；第三密封接头与钻头内壁之间螺接。
具体的，所述第一密封接头与内管之间设有密封圈；
所述第二密封接头与第三密封接头之间设有密封圈。
具体的，轴承组件有两个，依次为上轴承组件和下轴承组件，两个轴承组件之间设有套在内管外壁的定位套筒，以对两个轴承组件进行轴向定位；在外管内壁设有环形限位凸台，环形限位凸台设在位于下轴承组件下方以对下轴承组件进行轴向限位。
具体的，所述外管上端为环形端部，环形端部紧套在内管外壁，且在环形端部和内管外壁之间设有密封圈。
具体的，所述钻头本体底部设有多个水眼，且水眼与钻头通孔连通；以冷却双壁钻头并提高排渣效率。
一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合排渣方法，该方法采用所述的复合钻具进行复合排渣，且第二高压胶管连接空压机；
钻进过程中，第一路高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，并经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；
第二路高压空气通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射气体流，在复合钻具的高速旋转作用下将旋喷式双壁螺旋钻杆外表面覆盖的煤粉强力吹动，使其在钻孔内处于漂浮状态，并与孔底返回的第一路高压空气一起携带煤粉返出钻孔外。
一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合排渣方法，该方法采用所述的复合钻具进行复合排渣，且第二高压胶管连接泥浆泵；
钻进过程中，钻进过程中高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；
高压水通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射雾化流，与孔底返回的高压空气形成气水混合流一起携带煤粉返出钻孔外。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明不仅实现了碎软煤层顺层瓦斯抽采钻孔旋喷式复合高效排渣，显著提高排渣效果，进而提高碎软煤层顺层瓦斯抽采钻孔深度，而且实现了孔内除尘降尘，改善钻孔施工现场环境。
本发明钻进过程中高压空气一路通过第一高压胶管进入双通道介质输送器的内管中心通道和旋喷式双壁螺旋钻杆内管总成中心通道，经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从旋喷式双壁螺旋钻杆与孔壁之间的环空间隙返出；另一路通过第二高压胶管进入双通道介质输送器的内管和外管环空间隙、旋喷式双壁螺旋钻杆内管总成和外管总成环空间隙，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射气体流，在旋喷式双壁螺旋钻杆的高速旋转作用下将旋喷式双壁螺旋钻杆外表面覆盖的煤粉强力吹动，使其孔内处于漂浮状态，并与孔底返回的另一路高压空气一起携带煤粉返出孔外。
本发明钻进过程中能够实现气水混合钻进，一路高压空气通过第一高压胶管进入双通道介质输送器的内管中心通道和旋喷式双壁螺旋钻杆内管总成中心通道，经过双壁钻头水眼进入孔底，冷却双壁钻头并携带双壁钻头切削下的煤粉从旋喷式双壁螺旋钻杆与孔壁之间的环空间隙返出；另一路高压水通过第二高压胶管进入双通道介质输送器的内管和外管环空间隙、旋喷式双壁螺旋钻杆内管总成和外管总成环空间隙，并由喷嘴喷出，形成高压喷射雾化流，对从孔底返出的煤粉进行降尘，达到孔内除尘的目的，显著改善作业现场施工环境，保护作业人员身体健康。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明整体结构示意图；
图3为本发明双通道介质输送器结构示意图；
图4为本发明旋喷式双壁螺旋钻杆结构示意图；
图5为本发明双壁钻头结构示意图。
附图标号含义：
1-双通道介质输送器，2-旋喷式双壁螺旋钻杆，3-双壁钻头，4-第一高压胶管，6-空压机，5-第二高压胶管，7-泥浆泵；
11-内管，12-外管，13-轴承组件；
21-内管总成，22-外管总成，23-喷嘴组件；
31-钻头本体，32-钻头内壁，33-钻头外壁，34-水眼；
101-第一接头，102-第二接头；
201-第一密封接头，202-第二密封接头，203-第三密封接头。
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
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5所示，本实施例给出一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，包括从上到下依次密封连通且同轴布设的双通道介质输送器1、旋喷式双壁螺旋钻杆2和双壁钻头3。
双通道介质输送器1包括从内到外同轴套设的内管11和外管12，且内管11和外管12之间安装轴承组件13；内管11的通道为第一中心通道，内管11和外管12之间的环隙通道为第一环隙通道。
旋喷式双壁螺旋钻杆2包括从内到外同轴套设的内管总成21和外管总成22，在外管总成22侧壁上设有多个螺旋排布的喷嘴组件23；内管总成21的通道为第二中心通道，内管总成21和外管总成22之间的环隙通道为第二环隙通道；第一中心通道和第二中心通道密封连通，第一环隙通道和第二环隙通道密封连通。
双壁钻头3包括钻头本体31、同轴的钻头内壁32和钻头外壁33，钻头内壁32中心为钻头通孔，钻头内壁32和钻头外壁33之间为环形槽；第二中心通道与钻头通孔密封连通，钻头外壁33与外管总成22密封连接。
第一中心通道、第二中心通道和钻头通孔密封连通为中心通道，中心通道上端口密封连接有第一高压胶管4以连接空压机6；第一环隙通道和第二环隙通道形成环隙空间并能通过喷嘴组件23连通外部，环隙空间上端通过内管11侧壁内嵌通孔连通至外部并密封连接有第二高压胶管5以连接空压机6或泥浆泵7。
外管总成22外壁上设有螺旋槽，在螺旋槽内等间距设有多个安装孔，喷嘴组件23螺接安装在安装孔内，且能连通第二环隙通道和外部；喷嘴组件23的喷头直径为0.5-8mm。
外管12和外管总成22之间通过第一接头101连接，且第一接头101与外管12之间螺接，与外管总成22之间焊接；内管11和内管总成21之间通过第一密封接头201连接，第一密封接头201与内管11之间插接，与内管总成21之间螺接。
外管总成22和钻头外壁33之间通过第二接头102连接，且第二接头102与外管总成22之间焊接，与钻头外壁33之间螺接；内管总成21和钻头内壁32之间依次密封连接有第二密封接头202和第三密封接头203；第二密封接头202与内管总成21之间螺接，与第三密封接头203之间插接；第三密封接头203与钻头内壁32之间螺接。
第一密封接头与内管之间设有密封圈；第二密封接头202与第三密封接头203之间设有密封圈以实现中心通道的侧壁密封。
轴承组件13有两个，依次为上轴承组件和下轴承组件，两个轴承组件13之间设有套在内管外壁的定位套筒，以对两个轴承组件13进行轴向定位；在外管12内壁设有环形限位凸台，环形限位凸台设在位于下轴承组件下方以对下轴承组件进行轴向限位。
外管12上端为环形端部，环形端部紧套在内管11外壁，且在环形端部和内管11外壁之间设有密封圈。
钻头本体31底部设有多个水眼34，且水眼34与钻头通孔连通；以冷却双壁钻头3并提高排渣效率。
具体的，在本实施例中，当第二高压胶管连接空压机时：
钻进过程中，第一路高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，并经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；第二路高压空气通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射气体流，在复合钻具的高速旋转作用下将旋喷式双壁螺旋钻杆外表面覆盖的煤粉强力吹动，使其在钻孔内处于漂浮状态，并与孔底返回的第一路高压空气一起携带煤粉返出钻孔外。
对应的工作过程为：
a.开孔准备，包括确定开孔倾角和方位角，钻机对孔位并稳固钻机；
b.连接钻具组合，钻具组合依次为双壁钻头、旋喷式双壁螺旋钻杆和双通道介质输送器，双通道介质输送器通过第一高压胶管和第二高压胶管与空压机连通；
c.开启空压机，向已连接好的钻具组合提供高压空气；
d.启动钻机回转钻进，钻进至设计孔深；
e.提出钻孔内钻具，封孔。
具体的，在另一个实施例中，当第二高压胶管连接泥浆泵时：
钻进过程中，钻进过程中高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；高压水通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射雾化流，与孔底返回的高压空气形成气水混合流一起携带煤粉返出钻孔外。
对应的工作过程为：
a.开孔准备，包括确定开孔倾角和方位角，钻机对孔位并稳固钻机；
b.连接钻具组合，钻具组合依次为双壁钻头、旋喷式双壁螺旋钻杆和双通道介质输送器；
c.双通道介质输送器分别通过第一高压胶管与空压机连通，第二高压胶管与泥浆泵连通；
d.开启空压机，向已连接好的钻具组合提供高压空气；
e.开启泥浆泵，向已连接好的钻具组合提供高压水；
f.启动钻机回转钻进，钻进至设计孔深；
g.提出钻孔内钻具，封孔。
实施例2：
如图1所示，本实施例给出一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合排渣方法，该方法采用复合钻具进行复合排渣，且第二高压胶管连接空压机；
钻进过程中，第一路高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，并经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；
第二路高压空气通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射气体流，在复合钻具的高速旋转作用下将旋喷式双壁螺旋钻杆外表面覆盖的煤粉强力吹动，使其在钻孔内处于漂浮状态，并与孔底返回的第一路高压空气一起携带煤粉返出钻孔外。
实施例3：
如图2所示，本实施例给出一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合排渣方法，该方法采用复合钻具进行复合排渣，且第二高压胶管连接泥浆泵；
钻进过程中，钻进过程中高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；
高压水通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射雾化流，与孔底返回的高压空气形成气水混合流一起携带煤粉返出钻孔外。
Claims (10)
1.一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，包括从上到下依次密封连通且同轴布设的双通道介质输送器(1)、旋喷式双壁螺旋钻杆(2)和双壁钻头(3)；
所述双通道介质输送器(1)包括从内到外同轴套设的内管(11)和外管(12)，且内管(11)和外管(12)之间安装轴承组件(13)；内管(11)的通道为第一中心通道，内管(11)和外管(12)之间的环隙通道为第一环隙通道；
所述旋喷式双壁螺旋钻杆(2)包括从内到外同轴套设的内管总成(21)和外管总成(22)，在外管总成(22)侧壁上设有多个螺旋排布的喷嘴组件(23)；内管总成(21)的通道为第二中心通道，内管总成(21)和外管总成(22)之间的环隙通道为第二环隙通道；第一中心通道和第二中心通道密封连通，第一环隙通道和第二环隙通道密封连通；
所述双壁钻头(3)包括钻头本体(31)、同轴的钻头内壁(32)和钻头外壁(33)，钻头内壁(32)中心为钻头通孔，钻头内壁(32)和钻头外壁(33)之间为环形槽；所述第二中心通道与钻头通孔密封连通，钻头外壁(33)与外管总成(22)密封连接；
所述第一中心通道、第二中心通道和钻头通孔密封连通为中心通道，中心通道上端口密封连接有第一高压胶管(4)以连接空压机(6)；所述第一环隙通道和第二环隙通道形成环隙空间并能通过喷嘴组件(23)连通外部，环隙空间上端通过内管(11)侧壁内嵌通孔连通至外部并密封连接有第二高压胶管(5)以连接空压机(6)或泥浆泵(7)。
2.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，所述外管总成(22)外壁上设有螺旋槽，在螺旋槽内等间距设有多个安装孔，所述喷嘴组件(23)螺接安装在安装孔内；
所述喷嘴组件(23)的喷头直径为0.5-8mm。
3.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，所述外管(12)和外管总成(22)之间通过第一接头(101)连接，且第一接头(101)与外管(12)之间螺接，与外管总成(22)之间焊接；
所述内管(11)和内管总成(21)之间通过第一密封接头(201)连接，第一密封接头(201)与内管(11)之间插接，与内管总成(21)之间螺接。
4.如权利要求3所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，所述外管总成(22)和钻头外壁(33)之间通过第二接头(102)连接，且第二接头(102)与外管总成(22)之间焊接，与钻头外壁(33)之间螺接；
所述内管总成(21)和钻头内壁(32)之间依次密封连接有第二密封接头(202)和第三密封接头(203)；第二密封接头(202)与内管总成(21)之间螺接，与第三密封接头(203)之间插接；第三密封接头(203)与钻头内壁(32)之间螺接。
5.如权利要求4所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，所述第一密封接头(201)与内管(11)之间设有密封圈；
所述第二密封接头(202)与第三密封接头(203)之间设有密封圈。
6.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，轴承组件(13)有两个，依次为上轴承组件和下轴承组件，两个轴承组件(13)之间设有套在内管外壁的定位套筒，以对两个轴承组件(13)进行轴向定位；在外管(12)内壁设有环形限位凸台，环形限位凸台设在位于下轴承组件下方以对下轴承组件进行轴向限位。
7.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，所述外管(12)上端为环形端部，环形端部紧套在内管(11)外壁，且在环形端部和内管(11)外壁之间设有密封圈。
8.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合钻具，其特征在于，所述钻头本体(31)底部设有多个水眼(34)，且水眼(34)与钻头通孔连通。
9.一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合排渣方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至8任一权利要求所述的复合钻具进行复合排渣，且第二高压胶管连接空压机；
钻进过程中，第一路高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，并经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；
第二路高压空气通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射气体流，在复合钻具的高速旋转作用下将旋喷式双壁螺旋钻杆外表面覆盖的煤粉强力吹动，使其在钻孔内处于漂浮状态，并与孔底返回的第一路高压空气一起携带煤粉返出钻孔外。
10.一种煤矿井下碎软煤层顺层钻孔旋喷式复合排渣方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至8任一权利要求所述的复合钻具进行复合排渣，且第二高压胶管连接泥浆泵；
钻进过程中，高压空气通过第一高压胶管进入中心通道，经过双壁钻头水眼进入孔底，携带煤粉从复合钻具与孔壁之间的环空间隙返出；
高压水通过第二高压胶管进入环隙空间，并由喷嘴组件喷出，形成高压喷射雾化流，与孔底返回的高压空气形成气水混合流一起携带煤粉返出钻孔外。
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