CN112709533A - 一种煤层水力卸压护孔钻 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿开采勘探安全技术领域，公开了一种煤层水力卸压护孔钻，包括内接头、外接头、高低压切换机构、可打开式芯体和刀套。有益效果为：结构简单，可靠性高，有利于改进钻进技术，改善成孔质量，提高钻孔护孔率，简化施工工艺，有助于减少瓦斯抽采的空白带，提高瓦斯抽采效率，延长有效钻孔抽采周期，保证矿井安全生产。

Description

一种煤层水力卸压护孔钻

技术领域

本发明涉及煤矿开采勘探安全技术领域，尤其涉及一种煤层水力卸压护孔钻。

背景技术

中国是世界上最大的煤炭生产和消费国。中国多数煤层具有非均质、微孔隙、低渗透、高吸附的特点，煤层的低渗透和非均质使得瓦斯难以有效抽采。然而，对于不具备保护层开采条件的单一高突煤层或高突煤层首采层，采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯是主要的瓦斯治理方法。为了提高煤层瓦斯抽采率、缩短预抽时间、减少钻孔数量，必须采取措施增加煤层的透气性。近年来，研究人员提出了多种钻孔卸压增透方法，最主要的是水力卸压増透技术，例如水力割缝、水力冲孔等。其主要原理是以高压水作为动力的水力化措施，通过在钻孔内破坏、损伤煤体，形成卸压空间和次生裂隙，使煤岩体发生变形、位移，达到煤储层卸压、增透的目的，这种方法在煤矿企业得到大量应用。

虽然国内外已经有很多矿用水力冲孔割缝装备，但是现有的设备仍然存在一些问题，主要有：

(1)现有的矿用水力冲孔割缝装置不成熟，需要退钻后更换冲孔钻头，不能高效的进行冲孔作业，容易出现问题等，仍然没有在煤矿推广应用。

(2)现有的矿用水力冲孔割缝设备中间不能通过筛管，没有护孔功能，在打钻成孔后需要先退钻再下护孔筛管，然而，煤层赋存复杂多变，煤体结构软硬不均，对于松软煤层，容易形成塌孔，导致水力卸压増透技术的筛管不能完全塞入钻孔尽头，满足不了煤矿抽采的工艺要求，卸压效果难以保证。

发明内容

本发明的目的是要提供一种操作简单、适应性强、易用便利的煤层水力卸压护孔钻。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：一种煤层水力卸压护孔钻，包括内接头、外接头、高低压切换机构、可打开式芯体和刀套，所述内接头和外接头分别设置于刀套两端并且分别和刀套通过螺纹连接；所述内接头、外接头、刀套内部均为通水内腔，

所述高低压切换机构包括活塞和切换套，所述切换套与内接头内壁密封活动连接，所述内接头侧壁上设有与通水内腔相通的高压喷嘴；所述活塞包括复位弹簧和压头，复位弹簧限位固定于外接头的通水内腔中，所述压头为中空轴状，压头外壁中部设有外凸的轴肩，压头前端面压接于复位弹簧一端，外接头的通水内腔内设置有与压头轴肩配合的孔肩；压头的前端面与轴肩之间轴身上设置有从外壁通向中心的低压水通过孔；

所述可打开式芯体包括中空壳体，中空壳体外壁和刀套之间设有低压水过水间隙，中空壳体内设置有可开合的阀体；

所述压头后端面与中空壳体前端面同轴限位接触连接且与阀体前端面固定连接；所述切换套前部与中空壳体后端面固定连接。

优选的，所述阀体包括球形阀芯和阀芯控制开关，所述阀芯控制开关包括解锁套筒、解锁弹簧、阀芯固定套和解锁机构，阀芯固定套前端面与中空壳体内腔限位密封接触且阀芯固定套前端面设有中空螺纹轴，阀芯固定套前端面通过中空螺纹轴与压头后端螺接，解锁弹簧套设于阀芯固定套外壁前部并且解锁弹簧前端面与中空壳体内腔限位接触，所述阀芯上下两端分别设有阀杆，阀芯设置于阀芯固定套内并通过两端的阀杆与阀芯固定套转动连接；阀芯的两个阀杆分别向外延并且其上设置有同心的齿轮；所述解锁套筒部分套设于阀芯固定套外壁后部，解锁套筒外壁和中空壳体内壁之间设有过水间隙，中空壳体中部设有连通内外壁的低压水过水通孔；所述解锁套筒前部外壁上设有两条长槽，阀芯的两个阀杆上的齿轮分别对应设置于一个长槽内，两个长槽的一侧侧壁上分别固定设有一个与齿轮相啮合的直齿条；所述解锁弹簧后端面与解锁套筒的前端面接触连接；

所述解锁机构包括设置于解锁套筒前部侧壁周向均布的多个长孔以及与长孔数量对应的锁片、销轴和扭簧，所述锁片为弧形，每个长孔内设置一个锁片，锁片中部通过销轴转动连接于长孔，扭簧设置于销轴上并用于控制锁片绕销轴转动；所述中空壳体后部内壁设置有环形凹槽；

初始状态下，解锁弹簧处于压缩状态，锁片外端在扭簧作用下抵触于中空壳体的环形凹槽内壁，阀芯处于关闭状态，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径小于筛管外径；打开状态下，解锁弹簧复位，解锁套筒内的直齿条带动阀芯上的齿轮旋转，进而带动阀芯打开，锁片的外端抵触于中空壳体的内壁上，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径大于等于筛管外径。

优选的，所述内接头设有与中空钻杆螺纹连接的内锥螺纹段；所述外接头设有与钻头螺纹连接的外锥螺纹段。

本申请的工作原理为：1、根据进水压力，高低压切换机构可以进行高压水和低压水的水路切换；2、冲孔作业后，需要下筛管时，锁片在受到筛管前端顶推时，锁片会在扭簧作用下被撑开，锁片外端脱离中空壳体的环形凹槽内壁，在解锁弹簧的作用下，解锁套筒向后推移，解锁套筒内的直齿条带动阀芯上的齿轮旋转，进而带动阀芯打开，之后进行护孔筛管的下放。从而实现在水力冲孔后，实现不退钻全程快速下护孔筛管。通过钻孔成孔后不退钻直接下入筛管护孔，既解决了松软煤层钻孔塌孔问题，又解决了退钻后筛管下入深度和裸孔下筛管效率低的问题，提高了瓦斯抽采效果和施工效率。

本申请的有益效果为：结构简单，可靠性高，有利于改进钻进技术，改善成孔质量，提高钻孔合格率，从而促使钻孔偏移距离的减小，有助于减少瓦斯抽采的空白带，提高瓦斯抽采效果，保证矿井安全生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的阀体关闭状态结构示意图。

图3为图2的A-A视图。

图4为本发明的阀体打开状态结构示意图。

图5为图4的B-B视图。

图6为低压水状态下本发明的状态示意图。

图7为高压水状态下本发明的状态示意图。

图8为下筛管时本发明的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示的一种煤层水力卸压护孔钻，包括内接头1、外接头2、高低压切换机构、可打开式芯体3和刀套4，所述内接头和外接头分别设置于刀套两端并且分别和刀套通过螺纹连接；所述内接头、外接头、刀套内部均为通水内腔，

所述高低压切换机构包括活塞和切换套6，所述切换套与内接头内壁密封活动连接，所述内接头侧壁上设有与通水内腔相通的高压喷嘴7；所述活塞包括复位弹簧8和压头9，复位弹簧限位固定于外接头的通水内腔中，所述压头为中空轴状，压头外壁中部设有外凸的轴肩，压头前端面压接于复位弹簧一端，外接头的通水内腔内设置有与压头轴肩配合的孔肩；压头的前端面与轴肩之间轴身上设置有从外壁通向中心的低压水通过孔10；

所述可打开式芯体3包括中空壳体301，中空壳体外壁和刀套之间设有第一低压水过水间隙302，中空壳体内设置有可开合的阀体303；

所述压头后端面与中空壳体前端面同轴限位接触连接且与阀体前端面固定连接；所述切换套前部与中空壳体后端面固定连接。

具体的，如图2图3所示，所述阀体303包括球形阀芯3031和阀芯控制开关，所述阀芯控制开关包括解锁套筒3032、解锁弹簧3033、阀芯固定套3034和解锁机构，阀芯固定套前端面与中空壳体内腔限位密封接触且阀芯固定套前端面设有中空螺纹轴15，阀芯固定套前端面通过中空螺纹轴与压头后端螺接，解锁弹簧套设于阀芯固定套外壁前部并且解锁弹簧前端面与中空壳体内腔限位接触，所述阀芯上下两端分别设有阀杆3035，阀芯设置于阀芯固定套内并通过两端的阀杆与阀芯固定套转动连接；阀芯的两个阀杆分别向外延并且其上设置有同心的齿轮3036；所述解锁套筒部分套设于阀芯固定套外壁后部，解锁套筒外壁和中空壳体内壁之间设有第二低压水过水间隙3037，中空壳体中部设有连通第一低压水过水间隙和第二低压水过水间隙的低压水过水通孔3038；所述解锁套筒前部外壁上设有两条长槽，阀芯的两个阀杆上的齿轮分别对应设置于一个长槽内，两个长槽的一侧侧壁上分别固定设有一个与齿轮相啮合的直齿条3039；所述解锁弹簧后端面与解锁套筒的前端面接触连接；

所述解锁机构包括设置于解锁套筒前部侧壁周向均布的多个长孔11以及与长孔数量对应的锁片12、销轴13和扭簧14，所述锁片为弧形，每个长孔内设置一个锁片，锁片中部通过销轴转动连接于长孔，扭簧设置于销轴上并用于控制锁片绕销轴转动；所述中空壳体301后部内壁设置有环形凹槽3011；

初始状态下，解锁弹簧处于压缩状态，锁片外端在扭簧作用下抵触于中空壳体的环形凹槽内壁，阀芯处于关闭状态，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径小于筛管外径(图3中部虚线圆圈为筛管外轮廓)；

如图4图5所示，打开状态下，解锁弹簧复位，解锁套筒内的直齿条带动阀芯上的齿轮旋转，进而带动阀芯打开，锁片的外端抵触于中空壳体的内壁上，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径大于等于筛管外径。

具体的，所述内接头设有与中空钻杆螺纹连接的内锥螺纹段；所述外接头设有与钻头螺纹连接的外锥螺纹段。

本实施例的具体使用方法为：本申请的煤层水力卸压护孔钻在使用时，外接头螺接中空钻头，内接头螺接中空螺旋钻杆，如图6所示(图6中省略钻头和钻杆)，钻机钻进过程中，通入压风或者低压水进行排粉排渣，图中箭头方向为低压水行进路径(压风路径和低压水路径相同，省略)，在低压水的作用下，推动压头压缩复位弹簧8，使压头轴肩位于C点和D点之间，使低压水流可以通过，同时在这个过程中，压头9带动可打开式芯体3和切换套6整体向前运动，此时可打开式芯体3内的阀体为关闭状态；在该过程中，低压水流的路径为内接头1→切换套6→第二低压水过水间隙3037→低压水过水通孔3038→第一低压水过水间隙302→低压水通过孔10→外接头2；

采用边打边冲的施工工艺，在钻机钻至第一个冲孔点，开启清水泵，提高进水压力，在水压达到6MPa以上高压时候开启水力冲孔割缝模式。如图7所示，高压水推动压头，使压头轴肩压紧D点，此时，压头上的低压水通过10被封闭，压头9带动可打开式芯体3和切换套6整体向前运动，高压喷嘴7露出，高压水从高压喷嘴7喷出(箭头为水流方向)，进行水力冲孔割缝。在该状态下，可打开式芯体3内的阀体为关闭状态。

在冲孔割缝结束后，无需退钻，将钻杆提离孔底2m后，卸掉高压水鞭，下入筛管。筛管前端为锥状，如图4图5图8所示，当筛管前端抵住解锁机构的锁片12时，筛管头将锁片12推动，锁片绕销轴转动，从中空壳体301后部内壁设置有环形凹槽3011中脱离，之后，在解锁弹簧的回复下，解锁套筒向后移动，其上的直齿条带动阀芯上的齿轮旋转，进而带动阀芯打开，锁片的外端抵触于中空壳体的内壁上，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径大于等于筛管外径。之后，筛管可以从煤层水力卸压护孔钻中通过再通过钻头深入到钻孔内，筛管孔底悬挂装置的“燕尾”翼片打开，倒挂在孔壁上，可将筛管固定在孔底。护孔筛管平均下入深度达到孔深的95％以上，最后将筛管留在孔内，并迅速封孔接抽，根据钻孔施工及封孔情况，对钻孔进行挂牌管理。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种煤层水力卸压护孔钻，其特征在于：包括内接头、外接头、高低压切换机构、可打开式芯体和刀套，所述内接头和外接头分别设置于刀套两端并且分别和刀套通过螺纹连接；所述内接头、外接头、刀套内部均为通水内腔，

所述高低压切换机构包括活塞和切换套，所述切换套与内接头内壁密封活动连接，所述内接头侧壁上设有与通水内腔相通的高压喷嘴；所述活塞包括复位弹簧和压头，复位弹簧限位固定于外接头的通水内腔中，所述压头为中空轴状，压头外壁中部设有外凸的轴肩，压头前端面压接于复位弹簧一端，外接头的通水内腔内设置有与压头轴肩配合的孔肩；压头的前端面与轴肩之间轴身上设置有从外壁通向中心的低压水通过孔；

所述可打开式芯体包括中空壳体，中空壳体外壁和刀套之间设有低压水过水间隙，中空壳体内设置有可开合的阀体；

所述压头后端面与中空壳体前端面同轴限位接触连接且与阀体前端面固定连接；所述切换套前部与中空壳体后端面固定连接。

2.根据权利要求1所述的煤层水力卸压护孔钻，其特征在于：所述阀体包括球形阀芯和阀芯控制开关，所述阀芯控制开关包括解锁套筒、解锁弹簧、阀芯固定套和解锁机构，阀芯固定套前端面与中空壳体内腔限位密封接触且阀芯固定套前端面设有中空螺纹轴，阀芯固定套前端面通过中空螺纹轴与压头后端螺接，解锁弹簧套设于阀芯固定套外壁前部并且解锁弹簧前端面与中空壳体内腔限位接触，所述阀芯上下两端分别设有阀杆，阀芯设置于阀芯固定套内并通过两端的阀杆与阀芯固定套转动连接；阀芯的两个阀杆分别向外延并且其上设置有同心的齿轮；所述解锁套筒部分套设于阀芯固定套外壁后部，解锁套筒外壁和中空壳体内壁之间设有过水间隙，中空壳体中部设有连通内外壁的低压水过水通孔；所述解锁套筒前部外壁上设有两条长槽，阀芯的两个阀杆上的齿轮分别对应设置于一个长槽内，两个长槽的一侧侧壁上分别固定设有一个与齿轮相啮合的直齿条；所述解锁弹簧后端面与解锁套筒的前端面接触连接；

所述解锁机构包括设置于解锁套筒前部侧壁周向均布的多个长孔以及与长孔数量对应的锁片、销轴和扭簧，所述锁片为弧形，每个长孔内设置一个锁片，锁片中部通过销轴转动连接于长孔，扭簧设置于销轴上并用于控制锁片绕销轴转动；所述中空壳体后部内壁设置有环形凹槽；

初始状态下，解锁弹簧处于压缩状态，锁片外端在扭簧作用下抵触于中空壳体的环形凹槽内壁，阀芯处于关闭状态，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径小于筛管外径；打开状态下，解锁弹簧复位，解锁套筒内的直齿条带动阀芯上的齿轮旋转，进而带动阀芯打开，锁片的外端抵触于中空壳体的内壁上，多个锁片的内端端面所围成的圆形区域直径大于等于筛管外径。

3.根据权利要求1所述的煤层水力卸压护孔钻，其特征在于：所述内接头设有与中空钻杆螺纹连接的内锥螺纹段；所述外接头设有与钻头螺纹连接的外锥螺纹段。

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