CN111894460B - 含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水力化瓦斯增透技术领域，涉及一种含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置及使用方法，一体化钻头上包含有切割头、水力冲孔喷嘴、排渣管，配合高压水泵和泥浆泵可实现钻进、水力增透、排水排渣作业；钻进至水力增透措施位置，使用高压水泵，即可通过钻头的水力冲孔喷嘴完成水力增透措施；退钻时，利用泥浆泵产生的负压，可使得钻头中液压卡扣失效，配合排渣管底部的发射装置，使得排渣管连带软管一起从钻头中弹出，与煤渣水充分接触，软管尾部的卡扣沿着钻杆内部的滑槽移动，确保排渣管不与钻头脱离，在退钻过程实现排水排渣，避免了二次进钻，装置结构简单，操作方便。

Description

含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置及使用方法

技术领域

本发明属于水力化瓦斯增透技术领域，尤其涉及一种含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置及使用方法。

背景技术

水力冲孔、水力造穴、水力割缝等均是可用于强化煤层卸压抽采的水力化措施，凭借采用的系统装置和工艺简单的优势，得到了广泛推广与应用。

但将水力化增透措施用于松软有严重突出危险的自喷煤层，在目前所使用的水力化增透设备条件下，随着水力冲孔等水力化增透措施的不断进行，会形成一定大小的孔穴，改变煤层原有的应力分布，促使应力状态重新分布，集中应力带移动使得孔洞周围地应力降减低，煤层中新裂缝的产生和应力水平的降低打破了瓦斯吸附与解吸的动态平衡，瓦斯解析和排放速度加快，使部分吸附瓦斯转化为游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移得以排放，大幅度的释放了煤体及围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能，使煤层瓦斯透气性显著提高，但在应力重新分布的过程中，水力冲击所形成的孔会存在少量塌陷，并且在俯孔作业过程中，易在孔底形成水的沉积，最终煤渣水会堵塞了瓦斯运移的通道，影响了瓦斯抽采的效果。

为了避免瓦斯抽采效果受到堵孔、抱钻、喷孔、顶钻等现象的影响， 需要将钻孔中的水渣及时排出，专利号为CN201210173486.X的专利公开了“多级水力冲孔钻”，其在钻杆最前侧安装的射流钻头上设置有至少两个对称射流嘴，用于冲孔时清理钻头周边的煤渣；但是，由于清渣水流和返水速度方向相反，导致喷射距离受到极大限制，且冲孔过程中需要分出一定的水量用于清渣，降低了冲孔的能量;除此之外，若冲孔过程中出现堵孔、抱钻等现象时，钻头向冲孔孔洞中注水，瓦斯受到挤压，压力增大，当增大一定程度的时候，仍会出现喷孔、顶钻等现象；另外，专利号为CN201920462261.3的专利公开了“一种下行钻孔排水装置”，该装置利用高压气体将钻孔内积水通过筛管下面的导水管排出至钻孔外，但该装置需要在完全深入钻孔底部，受制于装置大小，底部存在部分水无法清除，积水达到一定程度时采可发挥作用，专利号为CN201610108044.5的专利公开了“一种抽压混合式瓦斯抽采下向钻孔排水装置”，使用射流泵实现负压抽钻孔积水，避免积水停排反渗，但在使用过程中，利用射流泵结构产生的负压有限，工艺较为复杂，并且，以上装置均是在打孔以及水力化瓦斯增透措施完成后，才可放入钻孔完成排出水渣工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置及使用方法，可以避免二次进钻，在退钻的过程中利用负压吸引即可实现对于煤渣水的处理，设备简单，易于操作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置，包括水箱，与水箱连接的高压水泵，与高压水泵出口连接的支路一，还包括煤渣水收集箱，与煤渣水收集箱相连的泥浆泵，与泥浆泵出口相连的支路二，所述支路一和支路二与总管道相连接，所述总管道出口与钻机的钻杆相连通，所述钻杆末端设有一体化钻头。

进一步的，所述支路一上设有水压表和阀门一，支路二上设有流量计和阀门二，所述一体化钻头与钻杆之间通过螺纹连接，且一体化钻头尾部设有软管，所述软管末端设有软管卡扣，所述软管卡扣卡设于钻杆上的滑槽内部。

进一步的，所述一体化钻头外侧设有切割头，切割头上设有切割齿，所述一体化钻头中心内部设有排渣管，排渣管端部与软管相连通，排渣管内设有排渣管内管，排渣管上分别设有一对水力冲孔通道和一对排煤渣水通道，水力冲孔通道和排煤渣水通道均对称的设置于排渣管径向且入口处均设置有单向阀，所述水力冲孔通道包括设置于排渣管壁面上的水力冲孔通道一和设置于一体化钻头侧壁的水力冲孔通道二，所述水力冲孔通道一和水力冲孔通道二相互联通，水力冲孔通道一内还安装有水力冲孔喷嘴。

进一步的，所述一体化钻头内部设有两个对称的液压卡扣，每个液压卡扣均位于钻头内部的空腔中，每个液压卡扣均包括位于排渣口处的液压杆，液压杆端部卡合于排渣管的排渣口处，与液压杆铰接的连接杆，所述连接杆底部设有活塞二，活塞二上设有弹簧一，活塞二底部设有液压腔室，液压腔室底部的一体化钻头内设有一个竖直的空腔，所述空腔内设有活塞一，所述空腔底部设有一个中心开口的挡板，所述空腔底部设有一个水平方向的液压通道，所述排渣管内壁上与水力冲孔通道垂直方向设有两个对称的排液通道，所述排渣管内壁最外侧设有一个注液通道，所述注液通道和排液通道内分别设有一个单向阀，所述注液通道、液压通道和排液通道相互联通，所述注液通道内的单向阀最高阈值低于排液通道内部的单向阀最高阈值。

进一步的，所述排渣管底部设置有发射装置，所述发射装置包括楔形块，楔形块底部设置有压缩弹簧二，弹簧二底部与一体化钻头固定连接。

含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）安装布置所有装置，将一体化钻头安装于钻杆，与钻机相连接，检查整个装置的连接情况，确保连接无误，且所有装置不存在故障；

（2）检查控制泥浆泵和高压水泵的阀门的开关是否完好，流量计、水压表是否可以正常显示，钻杆是否在正确位置；

（3）启动钻机，开始钻进，到达水力冲孔指定位置后，打开阀门一，启动高压水泵，根据水压表将水压调整至所需值，水从钻头的水力冲孔通道经由水力冲孔喷嘴冲出并持续一段时间后，完成指定位置的水力冲孔，关停高压水泵；

（4）重复步骤3过程，直至钻杆钻进至预定的钻孔深度，钻进与水力冲孔造穴过程结束，关闭钻机，关闭高压水泵，待水压表示数为零时，关闭与高压水泵相连接的阀门一；

（5）打开与泥浆泵相连接的阀门二和流量计，启动支路二上的泥浆泵，在负压的作用下，一体化钻头的液压卡扣内液压通道中液体经由排液通道从排渣管流出，液压杆在弹簧和活塞作用下旋转，液压卡扣对排渣管的固定作用失效，排渣管在弹簧二的作用下被楔形块推出钻头内，排渣管与煤渣水接触，在泥浆泵的负压作用下抽出煤渣和水，待流量计示数为零时，关闭泥浆泵，关闭阀门二撤钻杆，直至到达上一个水力冲孔造穴的位置；

（6）重复步骤（5），直至所有钻杆完全抽出，整个过程结束。

本发明具有的优点是：采用该一体化钻头，安装于钻杆末端，并配合其他所需装置，即可在退钻的过程中实现排煤渣水，防止煤渣水堵塞瓦斯运移的通道，影响瓦斯抽采效果，相较于普通的水力化增透设备，该设备具有以下优点，退钻过程中可实现清渣排水，避免二次进钻，操作简单，经特殊设计的一体化钻头，包含了钻进的刀齿、水力冲孔的喷头以及排渣结构，排渣结构是由软管、与软管直接相连的排渣管，将排渣管弹出钻头的发射装置组成，发射装置由楔形块和弹簧组成，当准备进行退钻操作时，关闭高压水泵阀门，启动泥浆泵进行负压吸引，两个液压卡扣中的水被吸出，液压卡口中液压下降，在弹簧的作用下，液压卡扣中的活塞下移，液压卡扣的液压杆向上旋转，液压卡扣失效，排渣管在发射装置作用下从钻头内部弹出，煤渣水通过排渣管上的排水渣通道排出，该钻头实现了钻进、水力化增透，排水渣集为一体，结构简单，操作便捷。

附图说明

图1为装置整体布置图；

图2为一体化钻头俯视图；

图3为一体化钻头主视图；

图4为一体化钻头侧视图；

图5为第一支钻杆与钻头安装示意图；

图6为A-A截面图；

1-高压水泵；2-水箱；3-阀门一；4-水压表；5-泥浆泵；6煤渣水收集箱；7-阀门二；8-流量计；9-支路一；10-支路二；11-钻杆；12-钻机；13-一体化钻头；131-切割头；132-切割齿；141-单向阀；142-水力冲孔喷嘴；143-水力冲孔通道一；144-水力冲孔通道二；15-液压卡扣；151-液压杆；152-排液通道；153-液压通道；154-活塞一；155-弹簧一；156-活塞二；157-连接杆；158-注液通道；16-排渣管；161-排渣口；162-排渣管内管；163-排煤渣水通道；17-发射装置；171-楔形块；172-弹簧二；18-软管；19-软管卡扣；20-滑槽。

具体实施方式

如图所示，含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置，包括水箱2，与水箱2连接的高压水泵1，与高压水泵1出口连接的支路一9，还包括煤渣水收集箱6，与煤渣水收集箱6相连的泥浆泵5，与泥浆泵5出口相连的支路二10，所述支路一9和支路二10与总管道相连接，所述总管道出口与钻机12的钻杆11相连通，所述钻杆11末端设有一体化钻头13；所述支路一9上设有水压表4和阀门一3，支路二10上设有流量计8和阀门二7，所述一体化钻头13与钻杆11之间通过螺纹连接，且一体化钻头13尾部设有软管18，所述软管18末端设有软管卡扣19，所述软管卡扣19卡设于钻杆11上的滑槽20内部；所述一体化钻头13外侧设有切割头131，切割头131上设有切割齿132，切割齿132为金刚石颗粒，可以根据具体使用的磨损情况进行重新增加，所述一体化钻头13中心内部设有排渣管16，排渣管16端部与软管18相连通，排渣管16内设有排渣管内管，排渣管16上分别设有一对水力冲孔通道和一对排煤渣水通道163，水力冲孔通道和排煤渣水通道163均对称的设置于排渣管16径向且入口处均设置有单向阀141，所述水力冲孔通道包括设置于排渣管16壁面上的水力冲孔通道一143和设置于一体化钻头13侧壁的水力冲孔通道二144，所述水力冲孔通道一143和水力冲孔通道二144相互联通，水力冲孔通道一143内还安装有水力冲孔喷嘴142。

进一步的，所述一体化钻头13内部设有两个对称的液压卡扣15，每个液压卡扣15均位于一体化钻头13内部的空腔中，每个液压卡扣15均包括位于排渣口161处的液压杆151，液压杆151端部卡合于排渣管16的排渣口161处，与液压杆151铰接的连接杆157，所述连接杆157底部设有活塞二156，活塞二156上设有弹簧一155，活塞二156底部设有液压腔室，液压腔室底部的一体化钻头13内设有一个竖直的空腔，所述空腔内设有活塞一154，所述空腔底部设有一个中心开口的挡板，所述空腔底部设有一个水平方向的液压通道153，所述排渣管16内壁上与水力冲孔通道垂直方向设有两个对称的排液通道152，所述排渣管16内壁最外侧设有一个注液通道158，所述注液通道158和排液通道152内分别设有一个单向阀，所述注液通道158、液压通道153和排液通道152相互联通，所述注液通道158内的单向阀最高阈值低于排液通道152内部的单向阀最高阈值，所述排渣管16底部设置有发射装置17，所述发射装置包括楔形块171，楔形块171底部设置有压缩弹簧二172，弹簧二172底部与一体化钻头13固定连接。

具体使用时，本装置通过高压管路相连接，高压管路分为两个支路，支路一9上连接有高压水泵1和阀门1与水压表4，支路二10上连接有泥浆泵5和控制阀7与流量计8，之后是与钻杆11相连的钻机12，钻杆11前端有一体化钻头13，一体化钻头13连上其上面配有的切割头131与切割齿132尺寸为94mm，钻杆的尺寸为73mm，与钻头13相连接的软管18的管径为20mm，当钻杆11进入指定位置进行水力冲孔时，开启阀门一3，再开启高压水泵1时，根据压力表4示数调整至水压为20MPa，选型合适的高压水泵1可提供130L/min的流量，高压管路开始输水，在高压的作用下，水力冲孔通道单向阀141打开，高压水经由水力冲孔喷嘴142从排渣管16壁面上的水力冲孔通道一143和钻头侧面的水力冲孔通道二144喷出，进行水力冲孔，完成指定位置的水力冲孔作业后，应关闭高压水泵1，关闭阀门一3；当钻进至指定深度时，停止钻机工作，打开阀门二7和泥浆泵5，泥浆泵5开始工作。在负压的作用下，一体化钻头13的液压卡扣15内部液体通过排液通道152从排渣管16中的排渣管内管162流出，液压通道153液压下降，活塞一154下降，在弹簧一155引起活塞二156下降，带动连接杆157移动，进而影响液压杆151旋转，对于排渣管16的固定效果失效，排渣管16在楔形块171和弹簧二172作用下从一体化钻头13中弹出，与煤渣水充分接触，在泥浆泵5的负压作用下煤渣水通过排渣口161，进入排渣管内管162，也可以通过排渣管16侧面的排煤渣水通道163进入排渣管内管162，最后经由软管18抽出煤渣和水；一段时间后，流量计8的示数不再变化时，关闭泥浆泵5，关闭阀门二7开始退钻，到达上一个水力冲孔的位置，直至钻杆11抽出，关闭泥浆泵5、阀门二7以及钻机12整个过程结束，图中结构仅反映连接方式，不反映实际尺寸大小。

本发明装置实现水力化增透措施煤渣水清除包括以下具体步骤：

1、安装布置所有装置，将一体化钻头13安装于第一根特殊设计的钻杆11，与钻机12相连接，检查整个装置的接情况，确保连接无误，且所有装置不存在故障。

2、检查控制泥浆泵5和高压水泵1的开关是否完好，流量计8、压力表4是否可以正常显示，钻杆11是否在正确位置。

3、启动钻机12，开始钻进，到达水力冲孔指定位置后，打开阀门一3，启动高压水泵1，在根据水压表4将水压调整至20MPa，在水压作用下，水力冲孔通道单向阀141打开，水会经过水力冲孔喷嘴142加速，在经由水力冲孔通道一143和水力冲孔通道二144喷出，高压水会从一体化钻头13冲出持续一段时间后，完成指定位置的水力冲孔，暂时关停高压水泵1。

4、重复3过程，直至钻杆11钻进至预定的钻孔深度，钻进与水力冲孔造穴过程结束，关闭钻机12。关闭高压水泵1，待与高压水泵1相连接的压力表4示数为零时，关闭与高压水泵1相连接的阀门一3。

5、打开与泥浆泵5相连接的阀门二7和流量计8，启动支路二10上的泥浆泵5，在负压的作用下，一体化钻头13的液压卡扣15内液压通道153中液体经由排液通道152从排渣管内管162流出，液压杆151会在弹簧一155和活塞二156的作用下旋转一定角度，此时液压卡扣15对排渣管16的固定作用失效，排渣管16在弹簧二172的的作用下被楔形块171推出一体化钻头13内，排渣管16可充分与煤渣水接触，在泥浆泵5的负压作用下抽出煤渣和水。一段时间后待与泥浆泵5相连接的流量计8示数为零，关闭泥浆泵5，关闭阀门二7然后往回撤钻杆11，直至到达上一个水力冲孔造穴的位置。

6、重复过程5，直至所有钻杆11完全抽出，整个过程结束。

Claims (3)

1.一种含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置，其特征在于：包括水箱，与水箱连接的高压水泵，与高压水泵出口连接的支路一，还包括煤渣水收集箱，与煤渣水收集箱相连的泥浆泵，与泥浆泵出口相连的支路二，所述支路一和支路二与总管道相连接，所述总管道出口与钻机的钻杆相连通，所述钻杆末端设有一体化钻头；所述支路一上设有水压表和阀门一，支路二上设有流量计和阀门二，所述一体化钻头与钻杆之间通过螺纹连接，且一体化钻头尾部设有软管，所述软管末端设有软管卡扣，所述软管卡扣卡设于钻杆上的滑槽内部；所述一体化钻头外侧设有切割头，切割头上设有切割齿，切割齿为金刚石颗粒；所述一体化钻头中心内部设有排渣管，排渣管端部与软管相连通，排渣管内设有排渣管内管，排渣管上分别设有一对水力冲孔通道和一对排煤渣水通道，水力冲孔通道和排煤渣水通道均对称的设置于排渣管径向且入口处均设置有单向阀，所述水力冲孔通道包括设置于排渣管壁面上的水力冲孔通道一和设置于一体化钻头侧壁的水力冲孔通道二，所述水力冲孔通道一和水力冲孔通道二相互联通，水力冲孔通道一内还安装有水力冲孔喷嘴；所述一体化钻头内部设有两个对称的液压卡扣，每个液压卡扣均位于钻头内部的空腔中，每个液压卡扣均包括位于排渣口处的液压杆，液压杆端部卡合于排渣管的排渣口处，与液压杆铰接的连接杆，所述连接杆底部设有活塞二，活塞二上设有弹簧一，活塞二底部设有液压腔室，液压腔室底部的一体化钻头内设有一个竖直的空腔，所述空腔内设有活塞一，所述空腔底部设有一个中心开口的挡板，所述空腔底部设有一个水平方向的液压通道，所述排渣管内壁上与水力冲孔通道垂直方向设有两个对称的排液通道，所述排渣管内壁最外侧设有一个注液通道，所述注液通道和排液通道内分别设有一个单向阀，所述注液通道、液压通道和排液通道相互联通，所述注液通道内的单向阀最高阈值低于排液通道内部的单向阀最高阈值。

2.如权利要求1所述的含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置，其特征在于：所述排渣管底部设置有发射装置，所述发射装置包括楔形块，楔形块底部设置有压缩弹簧二，弹簧二底部与一体化钻头固定连接。

3.如权利要求2所述的含有一体化钻头的水力增透措施水渣清除装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）安装布置所有装置，将一体化钻头安装于钻杆，与钻机相连接，检查整个装置的连接情况，确保连接无误，且所有装置不存在故障；

（2）检查控制泥浆泵和高压水泵的阀门的开关是否完好，流量计、水压表是否可以正常显示，钻杆是否在正确位置；

（3）启动钻机，开始钻进，到达水力冲孔指定位置后，打开阀门一，启动高压水泵，根据水压表将水压调整至所需值，水从钻头的水力冲孔通道经由水力冲孔喷嘴冲出并持续一段时间后，完成指定位置的水力冲孔，关停高压水泵；

（4）重复步骤3过程，直至钻杆钻进至预定的钻孔深度，钻进与水力冲孔造穴过程结束，关闭钻机，关闭高压水泵，待水压表示数为零时，关闭与高压水泵相连接的阀门一；

（5）打开与泥浆泵相连接的阀门二和流量计，启动支路二上的泥浆泵，在负压的作用下，一体化钻头的液压卡扣内液压通道中液体经由排液通道从排渣管流出，液压杆在弹簧和活塞作用下旋转，液压卡扣对排渣管的固定作用失效，排渣管在弹簧二的作用下被楔形块推出钻头内，排渣管与煤渣水接触，在泥浆泵的负压作用下抽出煤渣和水，待流量计示数为零时，关闭泥浆泵，关闭阀门二撤钻杆，直至到达上一个水力冲孔造穴的位置；

（6）重复步骤（5），直至所有钻杆完全抽出，整个过程结束。