CN112796659A - 一种静态梳状钻孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态梳状钻孔装置及方法，静态梳状钻孔装置包括具有钻杆的钻机，钻杆的末端固接有用以破碎岩层和煤层的钻孔器，钻孔器设有喷嘴，钻机通过高压管连接有高压水泵，通过高压水泵和高压管向钻机输入高压水，高压水经钻杆输送至钻孔器，并通过喷嘴形成高压水射流，以施工分支孔。上述静态梳状钻孔装置能够通过一次下杆实现对于先导孔和分支孔的施工，从而可以提高施工效率，且上述施工方式针对主孔(先导孔)的施工数量少，分支孔全部为有效进尺，其无效进尺比例小，从而可以在一定程度上降低生产成本；同时，上述静态梳状钻孔装置能够解决先导孔施工后由于塌孔而导致后续施工无法进行的问题。

Description

一种静态梳状钻孔装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下区域瓦斯治理技术领域，特别涉及一种静态梳状钻孔装置。本发明还涉及一种静态梳状钻孔方法。

背景技术

煤矿瓦斯抽采方式多种多样，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。

现有技术中，通常采用先施工主孔，再施工分支孔的方式，主孔即为先导孔。具体地，将瓦斯抽采孔作为主孔，将均匀分布的自进式钻孔作为树状分支孔网，再对该树状分支孔网进行封孔压裂，该方法适用于单煤层和多煤层瓦斯抽采，可在每个主孔上形成一个或多个分支孔。例如，根据申请号为201510579805.0的专利文件的记载，如图1所示，图1为密集钻孔方案，覆盖相同范围需要钻主孔01十二个：阴影部分表示煤层，其中阴影部分以外的钻孔为无效进尺(其无效进尺：有效进尺的范围为20:1～10:1)，该方案无效进尺比例较大。同时，上述施工方法中，主孔01(先导孔)施工后，若遇塌孔就造成后续工作无法实施，且分支孔钻孔后易被钻屑堵塞，导致其自进式钻头无法收回；此外，普通钻机对主孔(先导孔)的轨迹识别困难，施工中第二次下入钻杆时易因轨迹不能重合导致钻孔失败。

因此，如何避免二次下入钻杆的施工方式导致影响钻孔效率，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静态梳状钻孔装置，能够通过一次下杆实现对于先导孔和分支孔的施工，从而可以提高施工效率、降低生产成本，并能够解决先导孔施工后由于塌孔而导致后续施工无法进行的问题。本发明的另一目的是提供一种包括上述静态梳状钻孔方法。

为实现上述目的，本发明提供一种静态梳状钻孔装置，包括具有钻杆的钻机，所述钻杆的末端固接有用以破碎岩层和煤层的钻孔器，所述钻孔器设有喷嘴，所述钻机通过高压管连接有高压水泵，通过所述高压水泵和所述高压管向所述钻机输入高压水，高压水经所述钻杆输送至所述钻孔器，并通过所述喷嘴形成高压水射流，以施工分支孔。

可选地，所述高压管通过高压水辫与所述钻杆连接。

可选地，所述高压水辫与所述钻杆通过螺纹连接。

可选地，还包括与所述高压水辫连接的排渣系统。

可选地，所述排渣系统具体为低压水系统或者压风系统。

可选地，还包括用以检测所述喷嘴的角度的检测装置。

可选地，所述检测装置具体为与所述高压水辫连接的角度传感器。

可选地，还包括用以在所述检测装置检测到所述喷嘴旋至预设倾斜角度时控制所述钻机定位所述喷嘴的刹车装置。

可选地，所述喷嘴的个数设置为一个或者两个。

本发明还提供一种静态梳状钻孔方法，包括：

S1：通过钻机带动钻杆旋转，并通过钻孔器破碎岩层和煤层；

S2：通过排渣系统排渣；

S3：调整所述钻孔器的喷嘴方向至预设角度并停止；

S4：通过高压水泵向所述钻机输入高压水，并通过所述喷嘴形成施工分支孔的高压水射流；

S5：重复S3和S4完成同一深度多方向分支孔的施工；

S6：在前一个深度的全部分支孔施工结束后，将所述钻杆退钻预设距离，并重复S3、S4和S5；

S7：在完成全部分支孔施工后收回所述钻杆和所述钻孔器。

相对于上述背景技术，本发明实施例所提供的静态梳状钻孔装置，包括具有钻杆的钻机，钻杆的末端固接有钻孔器，钻孔器用于破碎岩层和煤层，从而实现对于主孔(先导孔)的施工，钻孔器设有喷嘴；此外，钻机通过高压管连接有高压水泵，通过高压水泵和高压管向钻机输入高压水，高压水经钻杆输送至钻孔器，并通过喷嘴形成高压水射流，从而实现对于分支孔的施工。同时，本发明实施例还提供一种静态梳状钻孔方法，包括：S1：通过钻机带动钻杆旋转，并通过钻孔器破碎岩层和煤层；S2：通过排渣系统排渣；S3：调整钻孔器的喷嘴方向至预设角度并停止；S4：通过高压水泵向钻机输入高压水，并通过喷嘴形成施工分支孔的高压水射流；S5：重复S3和S4完成同一深度多方向分支孔的施工；S6：在前一个深度的全部分支孔施工结束后，将钻杆退钻预设距离，并重复S3、S4和S5，如此，完成全部所需分支孔的施工；S7：在完成全部分支孔施工后收回钻杆和钻孔器。相较于现有技术中通过二次下杆实现分支孔施工，上述静态梳状钻孔装置及方法能够通过一次下杆实现对于先导孔和分支孔的施工，从而可以提高施工效率，且上述施工方式针对主孔(先导孔)的施工数量少，分支孔全部为有效进尺，其无效进尺比例小，从而可以在一定程度上降低生产成本；同时，上述静态梳状钻孔装置及方法能够解决先导孔施工后由于塌孔而导致后续施工无法进行的问题。

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为现有技术中密集孔的钻孔效果示意图；

图2为本发明实施例所提供的静态梳状钻孔装置的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的静态梳状钻孔装置的钻孔效果示意图；

图4为本发明实施例所提供的静态梳状钻孔方法的流程图。

其中：

01-主孔、02-分支孔、1-钻孔器、11-喷嘴、2-钻杆、3-钻机、4-高压水辫、5-高压管、6-高压水泵、7-检测装置。

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静态梳状钻孔装置，能够通过一次下杆实现对于先导孔和分支孔的施工，从而可以提高施工效率、降低生产成本，并能够解决先导孔施工后由于塌孔而导致后续施工无法进行的问题。本发明的另一核心是提供一种包括上述静态梳状钻孔方法。

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2至图4，图2为本发明实施例所提供的静态梳状钻孔装置的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的静态梳状钻孔装置的钻孔效果示意图；图4为本发明实施例所提供的静态梳状钻孔方法的流程图。

如图2所示，本发明实施例所提供的静态梳状钻孔装置，包括具有钻杆2的钻机3，钻杆2装入钻机3内，通过旋转和推进运动实现钻孔的功能，且钻杆2为高压密封钻杆2；钻杆2的末端固接有钻孔器1，钻孔器1用于破碎岩层和煤层，从而实现对于主孔01(先导孔)的施工，钻孔器1设有喷嘴11；此外，钻机3通过高压管5连接有高压水泵6，通过高压水泵6和高压管5向钻机3输入高压水，高压水经钻杆2输送至钻孔器1，并通过喷嘴11形成高压水射流，从而实现对于分支孔02的施工。

需要说明的是，上述钻孔器1包括钻头和壳体组件，其中，钻头用于破碎岩层和煤层，从而实现先导孔的施工；壳体组件与钻头连接，壳体组件包括与钻杆2固接的高压射流段，高压射流段设有过水孔和喷嘴11，喷嘴11与过水孔连通，这样一来，通过高压水泵6和高压管5向钻机3输入高压水，高压水经钻杆2输送至钻孔器1的高压射流段，并通过喷嘴11形成高压水射流，从而实现对于分支孔02的施工。

在本实施例中，喷嘴11的数量可以设置为一个或者多个，本文对此并不作具体限制。当喷嘴11数量为一个时，通过喷嘴11的流量最大，射流速度越快，切割能力越强，切割深度越大(此处，切割深度和喷嘴11结构有关，这里约定其余条件相同)，即分支孔02最大深度更大；当喷嘴11数量越多时静态梳状钻孔器1的切割能力越弱。在对切割深度无较高要求时，也可设置至少两个喷嘴11，至少两个喷嘴11沿高压射流段的圆周方向均匀分布，这样在不考虑孔深的情况下，设置多个喷嘴11能提高分支孔02的成孔效率。

相较于现有技术中通过二次下杆实现分支孔02施工，上述静态梳状钻孔装置能够通过一次下杆实现对于主孔01和分支孔02的施工，从而可以提高施工效率；同时，上述静态梳状钻孔装置能够解决主孔01施工后由于塌孔而导致后续施工无法进行的问题。

需要说明的是，相同条件下，相较于二次下杆的施工，上述施工方式针对主孔01(先导孔)的施工数量较少，分支孔02全部为有效进尺，如图3所示，阴影部分即为煤层，其中阴影部分的钻孔为有效进尺，阴影部分以外的钻孔为无效进尺，现有技术中通过二次下杆方式的施工方式，其无效进尺：有效进尺的范围为20:1-10:1，其无效进尺比例较大。而采用本发明所提供的静态梳状钻孔装置实施钻孔，其主孔01钻孔数量仅需4个，且分支孔02的钻孔全部为有效进尺，无效进尺的比例小，这样即可在一定程度上降低生产成本。

进一步地，上述高压管5通过高压水辫4与钻杆2连接，高压水辫4与钻杆2通过螺纹连接。具体地，高压水辫4具体可以设置为包括水辫壳体以及与水辫壳体同轴设置的主轴，高压水辫4还包括进水口，进水口通过主轴的过水孔与钻杆2连通，高压水辫4能够向钻杆2输送高压水和低压水(压风)。

高压水辫4与钻杆2可以通过锥螺纹连接，钻杆2的端部可以设置锥螺纹孔，相应的，高压水辫4的一端设有能够与该锥螺纹孔适配的锥螺纹连接端，高压水辫4的另一端与高压管5固接。

由于钻头在主孔01(先导孔)施工的过程中，碎屑会进入钻孔器1的钻头的中空过水孔中，因此，在主孔01(先导孔)施工时，为了实现对于钻头的排渣，静态梳状钻孔装置还包括与高压水辫4连接的排渣系统，排渣系统具体为低压水系统或者压风系统；此外，钻孔器1还设有转换阀，转换阀可以实现钻孔器1的疏通和关断，这样即可通过向高压水辫4中通入低压水或压风，低压水或压风可经钻杆2进入钻孔器1内，不仅可以实现对于钻孔器1的钻头部分的冷却，而且可以达到对钻头排渣的目的。

具体地说，在输入低压水或压风时，转换阀处于打开状态，低压水或压风顺利通过转换阀到达钻头前端，冷却钻头并排屑；在输入高压水时，转换阀关闭，高压水从喷嘴11射出，形成高压水射流。转换阀包括阀体，阀体内设有与高压射流段的过水孔连通的过水孔，阀体内还设有阀芯以及与阀芯配合连接的弹性件：在高水压的作用下，阀芯可向前推进，从而实现阀体的关断，这样即可实现分支孔02的施工，而低水压下不足以推动阀芯，阀体处于打开状态，低压水或压风能够进入钻头部分。

为了优化上述实施例，钻机3还包括用于检测喷嘴11的角度的检测装置7。该检测装置7可以设置为与高压水辫4连接的角度传感器，角度传感器优选为编码器。

在上述基础上，静态梳状钻孔装置还包括刹车装置，在检测装置7检测到喷嘴11旋至预设倾斜角度时，刹车装置控制钻机3定位喷嘴11。也就是说，通过上述检测装置7和刹车装置能够实现对于喷嘴11角度的调整，当钻杆2下杆后，通过检测装置7和刹车装置能够调整钻孔器1上的喷嘴11转至预设位置，从而实现在预设位置对分支孔02施工，这样可以大大提高分支孔02的施工精度。

同时，本发明实施例还提供一种静态梳状钻孔方法，如图4所示，包括：

S1：通过钻机3带动钻杆2旋转，并通过钻孔器1破碎岩层和煤层钻取主孔01；

S2：通过排渣系统排渣；

S3：调整钻孔器1的喷嘴11方向至预设角度并停止；

S4：通过高压水泵6向钻机3输入高压水，并通过喷嘴11形成施工分支孔02的高压水射流；

S5：重复S3和S4完成同一深度多方向分支孔02的施工；

S6：在前一个深度的全部分支孔02施工结束后，将钻杆2退钻预设距离，并重复S3(调整钻孔器1的喷嘴11方向至预设角度并停止的步骤)、S4(通过高压水泵6向钻机3输入高压水，并通过喷嘴11形成施工分支孔02的高压水射流的步骤)和S5(重复S3和S4完成同一深度多方向分支孔02的施工的步骤)，如此重复，完成该主孔01对应深度的全部所需分支孔02(如图3所示的分支孔02a、b、c、d、e、f)的施工；

S7：在完成全部分支孔02施工后收回钻杆2和钻孔器1。

采用上述施工方法可以实现通过一次钻孔即完成主孔01与分支孔02的施工，无塌孔风险，也无需第二次下入钻杆2；直接使用高压水射流钻分支孔02，无钻屑堵塞钻具风险。采用上述方案完工后，煤层透气性增加，即使再发生塌孔，该孔仍能排出一定的瓦斯，效果远大于现有技术中塌孔后不能施工分支孔02的情况。

需要注意的是：高压一般是指10-100MPa的压力，本实施例中采用60-100MPa，甚至采用超高压(100MPa以上)，低压一般是指10MPa以下的压力，本实施例采用2MPa。

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静态梳状钻孔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 (10)

1.一种静态梳状钻孔装置，其特征在于，包括具有钻杆(2)的钻机(3)，所述钻杆(2)的末端固接有用以破碎岩层和煤层的钻孔器(1)，所述钻孔器(1)设有喷嘴(11)，所述钻机(3)通过高压管(5)连接有高压水泵(6)，通过所述高压水泵(6)和所述高压管(5)向所述钻机(3)输入高压水，高压水经所述钻杆(2)输送至所述钻孔器(1)，并通过所述喷嘴(11)形成高压水射流，以施工分支孔。

2.如权利要求1所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，所述高压管(5)通过高压水辫(4)与所述钻杆(2)连接。

3.如权利要求2所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，所述高压水辫(4)与所述钻杆(2)通过螺纹连接。

4.如权利要求2所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，还包括与所述高压水辫(4)连接的排渣系统。

5.如权利要求4所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，所述排渣系统具体为低压水系统或者压风系统。

6.如权利要求2-5任意一项所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，还包括用以检测所述喷嘴(11)的角度的检测装置(7)。

7.如权利要求6所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，所述检测装置(7)具体为与所述高压水辫(4)连接的角度传感器。

8.如权利要求6所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，还包括用以在所述检测装置(7)检测到所述喷嘴(11)旋至预设倾斜角度时控制所述钻机(3)定位所述喷嘴(11)的刹车装置。

9.如权利要求6所述的静态梳状钻孔装置，其特征在于，所述喷嘴(11)的个数设置为一个或者两个。

10.一种静态梳状钻孔方法，其特征在于，包括：

S1：通过钻机(3)带动钻杆(2)旋转，并通过钻孔器(1)破碎岩层和煤层；

S2：通过排渣系统排渣；

S3：调整所述钻孔器(1)的喷嘴(11)方向至预设角度并停止；

S4：通过高压水泵(6)向所述钻机(3)输入高压水，并通过所述喷嘴(11)形成施工分支孔(02)的高压水射流；

S5：重复S3和S4完成同一深度多方向分支孔(02)的施工；

S6：在前一个深度的全部分支孔(02)施工结束后，将所述钻杆(2)退钻预设距离，并重复S3、S4和S5；

S7：在完成全部分支孔(02)施工后收回所述钻杆(2)和所述钻孔器(1)。

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