CN112761616B - 一种分支孔钻孔角度监测装置及钻孔施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分支孔钻孔角度监测装置及钻孔施工方法，分支孔钻孔角度监测装置包括电子水辫、通缆钻杆及设有喷嘴的钻孔器，所述通缆钻杆设于所述钻孔器和所述电子水辫之间，所述通缆钻杆与所述钻孔器和所述电子水辫同轴固接，所述钻孔器内设有与所述通缆钻杆和所述电子水辫电连接、用以检测所述喷嘴的倾斜角的角度传感器，还包括与所述电子水辫电连接、用以显示所述角度传感器检测到的角度值的角度显示装置。相较于传统通过刻度盘监测分支孔钻孔的方向(角度)，上述分支孔钻孔角度监测装置不仅能够监测各分支孔的具体角度，而且监测精度高，操作方便，从而可以提高每个分支孔钻孔方位的精确度。

Description

一种分支孔钻孔角度监测装置及钻孔施工方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下区域瓦斯治理技术领域，特别涉及一种分支孔钻孔角度监测装置。本发明还涉及一种钻孔施工方法。

背景技术

目前，矿井下主要采用密集钻孔预抽方法，密集钻孔预抽法需要从岩巷向煤层钻进大量穿层钻孔，通常采用先施工母孔，再施工子孔的方式，母孔即为先导孔。

现有技术中，钻孔系统包括钻机、钻杆、钻头、导向器、支架、水箱、高压泵、绞盘、推进机构、刻度盘、卡盘、高压软管、自进式钻头。钻机安装在支架上，钻杆连接在钻机上，钻杆前端连接导向器，导向器前端连接钻头，水箱连接高压泵，高压泵连接高压软管，高压软管缠绕在绞盘上，并穿过推进机构，高压软管前端连接自进式钻头。高压软管和自进式钻头在钻树状孔的子孔时穿过钻杆并通过导向器导向，依靠射流产生自进力钻出子孔。在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘，刻度盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向器的转动角度通过刻度盘控制。然而，上述通过刻度盘监测导向器的转动角度以控制分支孔的方向(角度)的方式，仅能测量各分支孔的夹角，不能测量各分支孔的具体角度，且监测精度低，操作不便。

因此，如何避免现有技术中通过刻度盘仅能监测分支孔间的夹角，不能测量各分支孔的具体角度，且监测精度低，操作不便，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种分支孔钻孔角度监测装置，不仅能够监测各分支孔的具体角度，而且监测精度高，操作方便。本发明的另一目的是提供一种钻孔施工方法。

为实现上述目的，本发明提供一种分支孔钻孔角度监测装置，包括电子水辫、通缆钻杆及设有喷嘴的钻孔器，所述通缆钻杆设于所述钻孔器和所述电子水辫之间，所述通缆钻杆与所述钻孔器和所述电子水辫同轴固接，所述钻孔器内设有与所述通缆钻杆和所述电子水辫电连接、用以检测所述喷嘴的倾斜角的角度传感器，还包括与所述电子水辫电连接、用以显示所述角度传感器检测到的角度值的角度显示装置。

可选地，所述电子水辫包括外壳、第一内导体以及设于所述外壳和所述第一内导体之间的第一绝缘层，且所述外壳为导电外壳。

可选地，所述第一绝缘层与所述外壳之间设有第一过水孔，所述电子水辫设有与所述第一过水孔连通的进水口。

可选地，所述通缆钻杆包括杆体、第二内导体以及设于所述杆体和所述第二内导体之间的第二绝缘层，且所述杆体为导电杆体。

可选地，所述钻孔器内设有用以供所述角度传感器和所述第二内导体电连接的第三内导体。

可选地，所述第二绝缘层与所述杆体之间设有与所述第一过水孔连通的第二过水孔。

可选地，所述角度传感器具体为陀螺仪。

可选地，所述电子水辫远离所述通缆钻杆的一端设有用以与所述角度显示装置电连接的接线端口。

可选地，所述通缆钻杆与所述钻孔器和所述电子水辫均通过螺纹固接。

本发明还提供一种钻孔施工方法，包括：

S1：通过钻孔器钻取主孔并记录主孔的孔深；

S2：将通缆钻杆退钻预设距离；

S3：通过角度传感器检测喷嘴的倾斜角，根据所述角度传感器检测到的角度值将所述喷嘴调至预设分支孔的开孔方位，并通过所述喷嘴钻取分支孔；

S4：重复S3的步骤并完成同一深度多方向分支孔的施工；

S5：在前一个深度的全部分支孔施工结束后，重复S2、S3和S4的步骤；

S6：在完成全部分支孔施工后退钻。

相对于上述背景技术，本发明实施例所提供的分支孔钻孔角度监测装置，包括电子水辫、通缆钻杆和钻孔器，其中，钻孔器设有喷嘴，通缆钻杆设于钻孔器和电子水辫之间，通缆钻杆与钻孔器和电子水辫同轴固接，钻孔器内设有角度传感器，角度传感器与通缆钻杆和电子水辫电连接，角度传感器用于检测喷嘴的倾斜角，此外，分支孔钻孔角度监测装置还包括与电子水辫电连接的角度显示装置，角度显示装置用于显示角度传感器检测到的角度值。同时，本发明还提供一种钻孔施工方法，包括：S1：通过钻孔器钻取主孔并记录主孔的孔深；S2：将通缆钻杆退钻预设距离；S3：通过角度传感器检测喷嘴的倾斜角，根据所述角度传感器检测到的角度值将所述喷嘴调至预设分支孔的开孔方位，并通过所述喷嘴钻取分支孔；S4：重复S3的步骤并完成同一深度多方向分支孔的施工；S5：在前一个深度的全部分支孔施工结束后，重复S2、S3和S4的步骤；S6：在完成全部分支孔施工后退钻。这样一来，在分支孔的施工过程中，通过角度传感器精确检测喷嘴的倾斜角，由于角度传感器与通缆钻杆和电子水辫电连接，因此，角度传感器检测到的喷嘴的角度可以经通缆钻杆和电子水辫传递至角度显示装置，以实时显示角度传感器检测到的角度值，这样即可便于通过钻机控制通缆钻杆以实现对于喷嘴方位的调控，从而可以使喷嘴调至预设分支孔的开孔方位。相较于传统通过刻度盘监测分支孔钻孔的方向(角度)，本发明实施例所提供的钻孔角度监测装置不仅能够监测各分支孔的具体角度，而且监测精度高，操作方便，同时，电子水辫、通缆钻杆和钻孔器的加工误差均对测量结果无影响，从而可以提高每个分支孔钻孔方位的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的分支孔钻孔角度监测装置的结构示意图；

图2为图1中电子水辫的结构示意图；

图3为图1中通缆钻杆的结构示意图；

图4为图1中钻孔器的结构示意图；

图5为喷嘴0°线的示意图；

图6为本发明实施例所提供的一种钻孔施工方法的流程图；

图7为分支孔分布示意图。

其中：

1-电子水辫、11-外壳、12-第一绝缘层、13-第一内导体、14-第一过水孔、15-进水口、16-接线端口、2-通缆钻杆、21-杆体、22-第二绝缘层、23-第二内导体、24-第二过水孔、3-钻孔器、31-喷嘴、32-第三内导体、4-角度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的核心是提供一种分支孔钻孔角度监测装置，不仅能够监测各分支孔的具体角度，而且监测精度高，操作方便。本发明的另一核心是提供一种钻孔施工方法。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，下文所述的“上端、下端、左侧、右侧”等方位词都是基于说明书附图所定义的。

请参考图1至图7，图1为本发明实施例所提供的分支孔钻孔角度监测装置的结构示意图；图2为图1中电子水辫的结构示意图；图3为图1中通缆钻杆的结构示意图；图4为图1中钻孔器的结构示意图；图5为喷嘴0°线的示意图；图6为本发明实施例所提供的一种钻孔施工方法的流程图；图7为分支孔分布示意图。

本发明实施例所提供的分支孔钻孔角度监测装置，包括电子水辫1、通缆钻杆2和钻孔器3，其中，钻孔器3设有喷嘴31，通缆钻杆2设于钻孔器3和电子水辫1之间，通缆钻杆2与钻孔器3和电子水辫1同轴固接；进一步地，钻孔器3内设有角度传感器4，角度传感器4与通缆钻杆2和电子水辫1电连接，角度传感器4用于检测喷嘴31的倾斜角，此外，分支孔钻孔角度监测装置还包括与电子水辫1电连接的角度显示装置，角度显示装置用于显示角度传感器4检测到的角度值。

这样一来，在分支孔的施工过程中，通过角度传感器4精确检测喷嘴31的倾斜角，由于角度传感器4与通缆钻杆2和电子水辫1电连接，因此，角度传感器4检测到的喷嘴31的角度可以经通缆钻杆2和电子水辫1传递至角度显示装置，以实时显示角度传感器4检测到的角度值，这样即可便于通过钻机控制通缆钻杆2以实现对于喷嘴31方位的调控，从而可以使喷嘴31调至预设分支孔的开孔方位。

相较于传统通过刻度盘监测分支孔钻孔的方向(角度)，本发明实施例所提供的钻孔角度监测装置不仅能够监测各分支孔的具体角度，而且监测精度高，操作方便，同时，电子水辫1、通缆钻杆2和钻孔器3三者的加工误差均对测量结果无影响，从而可以提高每个分支孔钻孔方位的精确度。

具体地说，钻孔器3设于通缆钻杆2的末端，钻孔器3用于破碎岩层和煤层，从而实现对于主孔(先导孔)的施工；通缆钻杆2设于钻机上，通缆钻杆2在主孔施工时传递钻机扭矩，并起到输送高压水或低压水的作用，电子水辫1设于通缆钻杆2远离钻孔器3的一端，电子水辫1设有进水口15，由进水口15进入的高压水经通缆钻杆2流入钻孔器3的喷嘴31中，待主孔施工完成后，再通过钻孔器3上的喷嘴31形成高压水射流，以实现分支孔的施工。同时，电子水辫1和通缆钻杆2还起到通讯的作用，从而实现设于钻孔器3内的角度传感器4与外部装置的通讯连接或电连接。

当然，为了便于实现喷嘴31的定位，钻机还包括刹车装置，当角度传感器4检测到喷嘴31的倾斜角达到预设值时，也就是说，此时，喷嘴31旋至所需分支孔的开孔方位时，即可通过钻机的刹车装置停止钻杆的旋转，从而使喷嘴31调至相应的位置。由于本装置是适时检测喷嘴31角度，可以在达到所需角度时停止，其中钻机旋转速度是可调的，可以通过慢速旋转，并利用刹车装置实现精准定位。

需要说明的是，关于喷嘴31倾斜角的定义：如图5所示，在钻机(非旋转部位)上定义一条线作为喷嘴31的0°线，例如，当钻机动力头垂直向上时，通缆钻杆2轴线沿水平方向，以通缆钻杆2轴线与动力头轴线的交点为起点，垂直向上构造一条线，该线即为喷嘴31的0°线，喷嘴31倾斜角即为当前方位的喷嘴31的轴线与喷嘴31的0°线的夹角，以顺时针方向为正。当然，本文优选为喷嘴31轴线垂直于钻杆的轴线。

需要注意的是，钻机本身也是可以沿任意方向旋转的，通过钻机旋转以调整主孔的方位角和倾角，通缆钻杆2(含喷嘴31)被钻机(旋转部件)带动旋转、推进实现破碎岩(煤)，喷嘴31相对于钻机轴线在径向是不断旋转的，通过角度传感器4能够实时检测喷嘴31的倾斜角。

为了便于实现电子水辫1和通缆钻杆2的通讯功能，上述电子水辫1可以设置为包括外壳11、第一内导体13和第一绝缘层12，其中，外壳11为导电材料制成，第一绝缘层12设于外壳11和第一内导体13之间，第一绝缘层12用于将外壳11和第一内导体13隔开；通缆钻杆2具体包括杆体21、第二内导体23和第二绝缘层22，其中，杆体21为导电材料制成，第二绝缘层22设于杆体21和第二内导体23之间，第二绝缘层22用于将杆体21和第二内导体23隔开。

此外，为了便于实现电子水辫1通水的目的，电子水辫1设有进水口15和第一过水孔14，其中，上述第一过水孔14设于第一绝缘层12与外壳11之间，进水口15与第一过水孔14连通。

相应的，为了便于实现通缆钻杆2通水的目的，通缆钻杆2也设有位于第二绝缘层22与杆体21之间的第二过水孔24，第二过水孔24与第一过水孔14连通。

这样一来，高压水即可由进水口15进入电子水辫1，并经第一过水孔14和第二过水孔24进入钻孔器3的喷嘴31中，最后由喷嘴31形成高压水射流，以施工分支孔。

此外，钻孔器3内设有用于供角度传感器4和第二内导体23电连接的第三内导体32。

当然，根据实际需要，上述角度传感器4具体可以设置为陀螺仪(比如mems陀螺仪)。陀螺仪可以通过可拆卸连接件(螺栓组件或者螺钉组件等)安装于钻孔器3的内部。

当电子水辫1、通缆钻杆2和钻孔器3三者装配好之后，第一内导体13、第二内导体23和第三内导体32三者相互连接(任意两个相邻内导体之间可以通过金属弹簧连接)，电子水辫1的外壳11和通缆钻杆2的杆体21连接，且由于外壳11和杆体21均为导电材料制成，杆体21与陀螺仪的正极端相接，同时，第三内导体32远离第二内导体23一端与陀螺仪的负极端相接。也就是说，外壳11和杆体21二者共同作为第一导线与陀螺仪的正极端相接，第一内导体13、第二内导体23和第三内导体32三者共同作为第二导线与陀螺仪的负极端相接。

此外，电子水辫1远离通缆钻杆2的一端设有与角度显示装置电连接的接线端口16。该接线端口16包括正极端口和负极端口，其中正极端口与电子水辫1的外壳11电连接，负极端口与电子水辫1的第一内导体13电连接。这样即可实现通过角度显示装置实时显示角度传感器4检测到的喷嘴31的倾斜角。

在上述基础上，通缆钻杆2与钻孔器3和电子水辫1均通过螺纹固接。作为优选的，电子水辫1设有第一外螺纹，通缆钻杆2的一端设有与第一外螺纹适配的第一内螺纹，钻孔器3设有第二内螺纹，通缆钻杆2的另一端设有与第二内螺纹适配的第二外螺纹，且第一外螺纹的螺纹起始点位置、第一内螺纹的螺纹起始点位置、第二内螺纹的螺纹起始点位置和第二外螺纹的螺纹起始点位置均保持一致。换言之，电子水辫1、通缆钻杆2和钻孔器3通过内外螺纹配合后，各个螺纹的起始点相对于通缆钻杆2圆周的角向位置相同，所谓内外螺纹起始点的角向位置相同是指内外螺纹的起始点相对于螺纹轴线在同一个方向。

同时，上述内外螺纹均具有相同的形状(母体为圆柱或圆锥、牙形)和几何参数(内径、外径、中径、螺距、导程、牙型角、螺纹升角、工作高度等)，以保证螺纹能相互配合。

需要说明的是，上述通缆钻杆2、钻孔器3和电子水辫1的螺纹磨损情况对测量的结果无影响。当然，即使上述通缆钻杆2、钻孔器3和电子水辫1的内外螺纹起始点位置不一致，也可以通过角度显示装置的数据处理功能进行修正，以消除任意两个角度的偏差，通过对角度的修正以提高对于喷嘴31倾斜角的检测精度。

本发明还提供的一种钻孔施工方法，如图6所示，包括：

S1：通过钻孔器3钻取主孔并记录主孔的孔深；

S2：将通缆钻杆2退钻预设距离；

S3：通过角度传感器4检测喷嘴31的倾斜角，根据角度传感器4检测到的角度值将喷嘴31调至预设分支孔的开孔方位，并通过喷嘴31钻取分支孔；

S4：重复S3的步骤并完成同一深度多方向分支孔的施工；

S5：在前一个深度的全部分支孔施工结束后，重复S2、S3和S4的步骤；

S6：在完成全部分支孔施工后退钻。

具体地说，一个主钻孔和若干分支孔的瓦斯抽放钻孔施工的过程包括：

1、主孔施工并记录钻孔孔深；

2、退钻至第1分支孔深度：

调整喷嘴31倾斜角至第11分支孔的方位，施工分支孔；

调整喷嘴31倾斜角至第12分支孔的方位，施工分支孔；

……

调整喷嘴31倾斜角至第1N分支孔的方位，施工分支孔；

3、退钻至第2分支孔深度：

调整喷嘴31倾斜角至第21分支孔的方位，施工分支孔；

调整喷嘴31倾斜角至第22分支孔的方位，施工分支孔；

……

调整喷嘴31倾斜角至第2N分支孔的方位，施工分支孔；

……

N+1:退钻至第N分支孔深度：

调整喷嘴31倾斜角至第N1分支孔的方位，施工分支孔；

调整喷嘴31倾斜角至第N2分支孔的方位，施工分支孔；

……

调整喷嘴31倾斜角至第NN分支孔的方位，施工分支孔；

N+2：退钻。

通过以上步骤就完成了具有一个主钻孔和若干分支孔的瓦斯抽放钻孔，分支孔的分布如图7所示。

关于喷嘴31倾斜角的调整，由于本装置是适时检测喷嘴31角度，可以在达到所需角度时停止，其中钻机旋转速度是可调的，可以通过慢速旋转，并利用刹车装置实现精准定位。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的分支孔钻孔角度监测装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种分支孔钻孔角度监测装置，其特征在于，包括电子水辫（1）、通缆钻杆（2）及设有喷嘴（31）的钻孔器（3），所述通缆钻杆（2）设于所述钻孔器（3）和所述电子水辫（1）之间，所述通缆钻杆（2）与所述钻孔器（3）和所述电子水辫（1）同轴固接，所述钻孔器（3）内设有与所述通缆钻杆（2）和所述电子水辫（1）电连接、用以检测所述喷嘴（31）的倾斜角的角度传感器（4），还包括与所述电子水辫（1）电连接、用以显示所述角度传感器（4）检测到的角度值的角度显示装置；

所述电子水辫（1）包括外壳（11）、第一内导体（13）以及设于所述外壳（11）和所述第一内导体（13）之间的第一绝缘层（12），且所述外壳（11）为导电外壳；

所述第一绝缘层（12）与所述外壳（11）之间设有第一过水孔（14），所述电子水辫（1）设有与所述第一过水孔（14）连通的进水口（15）；

所述通缆钻杆（2）包括杆体（21）、第二内导体（23）以及设于所述杆体（21）和所述第二内导体（23）之间的第二绝缘层（22），且所述杆体（21）为导电杆体；

所述钻孔器（3）内设有用以供所述角度传感器（4）和所述第二内导体（23）电连接的第三内导体（32）；

所述第二绝缘层（22）与所述杆体（21）之间设有与所述第一过水孔（14）连通的第二过水孔（24）。

2.如权利要求1所述的分支孔钻孔角度监测装置，其特征在于，所述角度传感器（4）具体为陀螺仪。

3.如权利要求2所述的分支孔钻孔角度监测装置，其特征在于， 所述电子水辫（1）远离所述通缆钻杆（2）的一端设有用以与所述角度显示装置电连接的接线端口（16）。

4.如权利要求2所述的分支孔钻孔角度监测装置，其特征在于，所述通缆钻杆（2）与所述钻孔器（3）和所述电子水辫（1）均通过螺纹固接。

5.一种钻孔施工方法，应用于如权利要求1-4任意一项所述的分支孔钻孔角度监测装置，其特征在于，包括：

S1：通过钻孔器（3）钻取主孔并记录主孔的孔深；

S2：将通缆钻杆（2）退钻预设距离；

S3：通过角度传感器（4）检测喷嘴（31）的倾斜角，根据所述角度传感器（4）检测到的角度值将所述喷嘴（31）调至预设分支孔的开孔方位，并通过所述喷嘴（31）钻取分支孔；

S4：重复S3的步骤并完成同一深度多方向分支孔的施工；

S5：在前一个深度的全部分支孔施工结束后，重复S2、S3和S4的步骤；

S6：在完成全部分支孔施工后退钻。