一种井下钻孔钻-扩-护一体化施工装置及方法与流程

1.本发明专利涉及一种钻孔施工的装置及方法，具体为一种井下钻孔钻-扩-护一体化施工装置及方法。


背景技术：

2.随着我国煤炭开采深度的逐年增加，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯灾害日益凸显，对煤矿安全生产提出了严峻的挑战。为此，对煤层开展有效瓦斯抽采是预防瓦斯灾害的重要途径和手段，其中，钻孔选用的钻杆直径大小和退钻过程的钻孔塌孔程度对煤层瓦斯的有效抽采起着重要的作用。
3.钻孔直径增加，在抽采过程中抽采范围逐渐增大，相应的钻孔布置工作量和施工成本均将有所减少。然而对于坚固性系数较低煤层而言，钻孔过程中出现的塌孔和卡钻现象严重影响着煤层瓦斯的抽采工作，目前主要采取的措施有通过在钻孔内预留直径较小的筛管和选用性能更好、功率更大的钻机，其采取方式对煤层抽采效果并没有较大幅度地显著提升；在钻孔钻进过程中，由于煤层自身非均质性和钻杆自重等因素的影响，使得钻孔偏移现象的出现，导致抽采空白带的产生以及抽采效果验证过程中进行定点取样难度增加，进而影响煤层的安全高效生产。因此，亟待需要采取措施解决煤层钻孔过程中出现的塌孔、卡钻、筛管管径小和钻孔偏移等问题，进而提高瓦斯抽采效果，保证煤层安全高效生产。


技术实现要素：

4.针对现有煤层钻孔过程中出现的塌孔、卡钻、筛管管径小和钻孔偏移等问题，本发明提供了一种井下钻孔钻-扩-护一体化施工装置及方法，进而保证煤层瓦斯抽采工作的顺利开展，以及瓦斯抽采效果的提高。
5.为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案：
6.本方案提供的一种井下钻孔钻-扩-护一体化施工装置，包括钻杆、钻孔、筛管、纠偏支架、破碎钻头、液压控制系统、小直径的主钻头以及大直径的辅助钻头，其中筛管外套在钻杆前方纠偏支架的脱钩上，小直径的主钻头利用齿轮传动的方式带动大直径的辅助钻头转动，钻头将破碎后的煤屑经钻杆上的破碎钻头和纠偏支架排出钻孔，液压控制系统连接并控制着纠偏支架、破碎钻头以及辅助钻头的伸展与收缩。
7.所述钻杆内部为空心材质，外侧为圆弧状的螺纹，便于煤屑在钻杆转动过程中从钻孔及时排出；液压控制系统从钻杆内部穿过，与纠偏支架、破碎钻头以及辅助钻头相连接，并控制对应装置的伸展与收缩。
8.所述纠偏支架由传动轴承、纠偏液压杆、弧形支撑架以及脱钩组成。其中传动轴承可实现纠偏支架不随钻杆的旋转而转动，仅跟随钻杆进行水平方向的移动；在钻进过程中，纠偏液压杆处于伸展状态，使得弧形支撑架支撑在钻孔孔壁上，通过控制纠偏液压杆的4个方向上的受力大小，进而改变钻头的钻进方向；弧形支撑架最外侧一层为传动皮带，其具有强耐磨和高减震的性能，在钻头推进过程中，便于弧形支撑架在紧贴钻孔孔壁的情况下，依
靠传动皮带进行移动，进而减小钻头在非均质性煤层钻孔过程引起的偏移；由于纠偏支架的支撑作用，减小钻杆自重产生的挠度，降低了钻头在旋转过程中因挠度产生离心运动对钻孔孔壁的二次碰撞破坏，进而提高在封孔阶段的密封效果。
9.所述筛管通过脱钩与纠偏支架进行连接，其采用钻杆外套的方式进行连接，筛管管径大，且随钻杆同步进入钻孔，避免了钻孔塌孔导致大管径筛管难以顺利输送至钻孔预定深度，或出现采用钻杆内部预留小管径筛管对提升抽采效果不显著的窘境的发生。
10.所述破碎钻头沿着钻杆上、下、左和右四个方向各布置一个，每个破碎钻头均有钻头和破碎液压支架组成。前方钻头破碎后的煤屑经过破碎钻头时，钻头在旋转过程中将煤屑进行再次破碎，防止卡钻现象的发生；同时，可以对破碎液压支架的伸展状态进行调节，当其伸展至辅助钻孔直径以上时，可进行钻孔的二次扩孔造穴，进一步提高煤层瓦斯抽采效果。
11.所述小直径的主钻头位于钻杆的最前端，用于钻孔的钻进工作。与破碎钻头相同，分别在钻杆最前端的上、下、左和右四个方向各布置一个，每个小直径的主钻头均有主钻头和主钻头底座组成。由于其钻头直径小，在钻进过程中所需钻机提供的扭矩和功率较小，具有对钻机的功率性能要求低、适用性强的优点。
12.所述大直径的辅助钻头位于小直径的主钻头的后方，用于钻孔的扩孔钻进工作。小直径的主钻头利用齿轮传动的方式带动大直径的辅助钻头转动，为大直径的辅助钻头的转动提供动力；同时，在主钻头外侧的大直径的辅助钻头上同样在4个方位均有一个辅助钻头和辅助钻头底座。由于小直径的主钻头在前方已经对煤体进行小尺寸的破碎，在进行大直径的辅助钻头破碎煤体时，所需钻机提供的扭矩和功率远小于只采用大直径的钻头所需的扭矩和功率，无需装备高性能、强功率的钻机即可实现大孔径钻孔的钻进工作。
13.所述大直径的辅助钻头的旋转方向与小直径的主钻头的旋转方向相反，两者转动对煤体的作用方向相互对称，其产生的合力方向指向钻孔钻进的方向，且合力大于单钻头的作用力，减少了单钻头对煤体在单一方向上的破坏作用，提高了钻孔封孔阶段的密封效果和钻头的钻进效率。
14.本发明技术方案还提供了一种井下钻孔钻-扩-护一体化施工方法，包括如下步骤：
15.s001在钻孔进行钻进之前，利用液压控制系统控制与调节纠偏支架和辅助钻头处于伸展状态，破碎钻头处于半伸展状态，伸展直径小于其前方大直径的辅助钻头的直径；
16.s002将大管径的筛管外套在钻杆上纠偏支架的脱钩上，在钻杆移动的过程中携带筛管一同进入钻孔内部；
17.s003启动钻机开关，进行钻孔的钻进工作，钻杆在钻机提供的动力作用下进行转动，并产生朝向钻孔径向方向的作用力；
18.s004钻杆前方小直径的主钻头在转动过程中破坏煤体，并产生向前的位移，同时，利用齿轮传动的方式带动大直径的辅助钻头进行与其旋转方向相反的转动，对煤体进行大孔径钻进作业；
19.s005处于半伸展状态的破碎钻头在旋转过程中将前方钻头破坏的煤屑进行再次破碎，防止卡钻现象的发生；
20.s006纠偏液压杆处于伸展状态，使得弧形支撑架支撑在钻孔孔壁上，通过控制纠
偏液压杆的4个方向上的受力大小，改变钻头的钻进方向，实现对钻头钻进方向的纠偏；
21.s007当钻孔钻进至钻孔封孔位置之外时，利用液压控制系统控制并逐渐调节破碎钻头的伸展状态，由半伸展状态逐渐过渡至伸展状态，进行钻孔的二次扩孔造穴；
22.s008通过液压控制系统对破碎钻头的伸展状态进行控制与调节，在钻孔内部形成了多段大孔径扩孔造穴的孔洞；
23.s009当钻孔钻进至预定深度时，利用液压控制系统控制和调节纠偏支架、辅助钻头以及破碎钻头处于收缩状态，纠偏支架的脱钩与筛管进行分离；
24.s010调整钻机的转动方向，进行钻孔的退钻工作，钻杆上的纠偏支架、辅助钻头以及破碎钻头随钻杆逐渐退出钻孔，而大管径的筛管滞留在钻孔内，进而实现钻孔护孔的功能。
25.由于采用上述的技术方案，本发明专利的有益效果是：
26.(1)本发明采用纠偏支架支撑在钻孔孔壁上，通过控制纠偏液压杆的4个方向上的受力大小，改变钻头的钻进方向，防止钻孔钻进过程中偏移现象的产生；同时，降低了钻头在旋转过程中因挠度产生离心运动对钻孔孔壁的二次碰撞破坏，提高在封孔阶段的密封效果。
27.(2)本发明采用钻杆外套的方式进行连接，筛管管径大，且随钻杆同步进入钻孔，避免了钻孔塌孔导致大管径筛管难以顺利输送至钻孔预定深度，或出现采用钻杆内部预留小管径筛管对提升抽采效果不显著的窘境的发生。。
28.(3)本发明在钻头后方装备有破碎钻头，可对前方钻头破碎后的煤屑进行再次破碎，防止卡钻现象的发生；同时，当破碎液压支架完全伸展后，利用破碎钻头可进行钻孔的二次扩孔造穴，进一步提高煤层瓦斯抽采效果。
29.(4)本发明利用齿轮传动进行双钻头依次钻进的方式进行钻孔工作，在进行大孔径钻孔钻进时，所需钻机提供的扭矩和功率远小于只采用大直径的钻头所需的扭矩和功率，无需更换和装备高性能、强功率的钻机即可实现大孔径钻孔的钻进工作。
附图说明
30.图1为本发明在钻头处于封孔位置以内的装置运行整体结构示意图；
31.图2为本发明在钻头处于封孔位置以外的装置运行整体结构俯视图；
32.图3为本发明在钻头处于目标钻孔深度时的装置运行整体结构俯视图；
33.图4为本发明纠偏支架沿钻杆轴向方向的结构示意图；
34.图5为本发明破碎钻头沿钻杆轴向方向的结构示意图；
35.图6为本发明双钻头沿钻杆轴向方向的结构示意图；
36.图7为本发明筛管的结构示意图；
37.图示标记：1、钻杆；2、筛管；3、钻孔；4、脱钩；5、纠偏支架；6、破碎钻头；7、破碎液压支架；8、齿轮；9、辅助钻头底座；10、辅助钻头；11、主钻头底座；12、主钻头；13、纠偏液压杆；14、传动轴承；15、液压控制系统；16、钻孔孔壁；17、筛管孔网。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附
图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。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侧提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前侧”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
40.下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。
41.如图1-3所示，包括钻杆1、钻孔3、筛管2、纠偏支架5、破碎钻头6、液压控制系统15、小直径的主钻头以及大直径的辅助钻头，其中筛管2外套在钻杆1前方纠偏支架5的脱钩4上，小直径的主钻头利用齿轮传动的方式带动大直径的辅助钻头转动，钻头将破碎后的煤屑经钻杆1上的破碎钻头6和纠偏支架5排出钻孔3，液压控制系统15连接并控制着纠偏支架5、破碎钻头6以及辅助钻头10的伸展与收缩。
42.所述钻杆1内部为空心材质，外侧为圆弧状的螺纹，便于煤屑在钻杆1转动过程中从钻孔3排出；液压控制系统15从钻杆1内部穿过，与纠偏支架5、破碎钻头6以及辅助钻头10相连接，并控制对应装置的伸展与收缩。
43.如图4所示，所述纠偏支架5由传动轴承14、纠偏液压杆13、弧形支撑架以及脱钩4组成。其中传动轴承14可实现纠偏支架5不随钻杆1的旋转而转动，仅跟随钻杆1进行水平方向的移动；在钻进过程中，纠偏液压杆15处于伸展状态，使得弧形支撑架支撑在钻孔孔壁16上，通过控制纠偏液压杆13的4个方向上的受力大小，进而改变钻头的钻进方向；弧形支撑架最外侧一层为传动皮带，其具有强耐磨和高减震的性能，在钻头推进过程中，便于弧形支撑架在紧贴钻孔孔壁16的情况下，依靠传动皮带进行移动，进而减小钻头在非均质性煤层钻孔过程引起的偏移；由于纠偏支架5的支撑作用，减小钻杆1自重产生的挠度，降低了钻头在旋转过程中因挠度产生离心运动对钻孔孔壁16的二次碰撞破坏，进而提高在封孔阶段的密封效果。
44.所述筛管2通过脱钩4与纠偏支架5进行连接，其采用钻杆外套的方式进行连接，筛管管径大，且随钻杆1同步进入钻孔3，避免了钻孔3塌孔导致大管径筛管2难以顺利输送至钻孔3预定深度，或出现采用钻杆1内部预留小管径筛管2对提升抽采效果不显著的窘境的发生。
45.如图5所示，所述破碎钻头6沿着钻杆1上、下、左和右四个方向各布置一个，每个破碎钻头6均有钻头和破碎液压支架7组成。前方钻头破碎后的煤屑经过破碎钻头6时，钻头在旋转过程中将煤屑进行再次破碎，防止卡钻现象的发生；同时，可以对破碎液压支架7的伸展状态进行调节，当其伸展至辅助钻孔直径以上时，可进行钻孔的二次扩孔造穴，进一步提高煤层瓦斯抽采效果。
46.所述小直径的主钻头位于钻杆1的最前端，用于钻孔3的钻进工作。与破碎钻头6相同，分别在钻杆1最前端的上、下、左和右四个方向各布置一个，每个小直径的主钻头均有主钻头12和主钻头底座11组成。由于其钻头直径小，在钻进过程中所需钻机提供的扭矩和功率较小，具有对钻机的功率性能要求低、适用性强的优点。
47.如图6所示，所述大直径的辅助钻头位于小直径的主钻头的后方，用于钻孔3的扩
孔钻进工作。小直径的主钻头利用齿轮8传动的方式带动大直径的辅助钻头转动，为大直径的辅助钻头的转动提供动力；同时，在主钻头12外侧的大直径的辅助钻头上同样在4个方位均有一个辅助钻头10和辅助钻头底座9。由于小直径的主钻头在前方已经对煤体进行小尺寸的破碎，在进行大直径的辅助钻头破碎煤体时，所需钻机提供的扭矩和功率远小于只采用大直径的钻头所需的扭矩和功率，无需装备高性能、强功率的钻机即可实现大孔径钻孔的钻进工作。
48.所述大直径的辅助钻头的旋转方向与小直径的主钻头的旋转方向相反，两者转动对煤体的作用方向相互对称，其产生的合力方向指向钻孔3钻进的方向，且合力大于单钻头的作用力，减少了单钻头对煤体在单一方向上的破坏作用，提高了钻孔3封孔阶段的密封效果和钻头的钻进效率。
49.本发明技术方案还提供了一种井下钻孔钻-扩-护一体化施工方法，包括如下步骤：
50.s001在钻孔3进行钻进之前，利用液压控制系统15控制与调节纠偏支架5和辅助钻头10处于伸展状态，破碎钻头6处于半伸展状态，伸展直径小于其前方大直径的辅助钻头的直径；
51.s002将大管径的筛管2外套在钻杆1上纠偏支架5的脱钩4上，在钻杆1移动的过程中携带筛管2一同进入钻孔3内部；
52.s003启动钻机开关，进行钻孔的钻进工作，钻杆1在钻机提供的动力作用下进行转动，并产生朝向钻孔3径向方向的作用力；
53.s004钻杆1前方小直径的主钻头在转动过程中破坏煤体，并产生向前的位移，同时，利用齿轮8传动的方式带动大直径的辅助钻头进行与其旋转方向相反的转动，对煤体进行大孔径钻进工作；
54.s005处于半伸展状态的破碎钻头6在旋转过程中将前方钻头破坏的煤屑进行再次破碎，防止卡钻现象的发生；
55.s006纠偏液压杆13处于伸展状态，使得弧形支撑架支撑在钻孔孔壁16上，通过控制纠偏液压杆13的4个方向上的受力大小，改变钻头的钻进方向，实现对钻头钻进方向的纠偏；
56.s007当钻孔钻进至钻孔3封孔位置之外时，利用液压控制系统控制15并逐渐调节破碎钻头6的伸展状态，由半伸展状态逐渐过渡至伸展状态，进行钻孔的二次扩孔造穴；
57.s008通过液压控制系统15对破碎钻头6的伸展状态进行控制与调节，在钻孔内部形成了多段大孔径扩孔造穴的孔洞；
58.s009当钻孔钻进至预定深度时，利用液压控制系统15控制和调节纠偏支架5、辅助钻头10以及破碎钻头6处于收缩状态，纠偏支架5的脱钩4与筛管2进行分离；
59.s010调整钻机的转动方向，进行钻孔的退钻工作，钻杆1上的纠偏支架5、辅助钻头10以及破碎钻头6随钻杆1逐渐退出钻孔3，而大管径的筛管2滞留在钻孔3内，进而实现钻孔3护孔的功能。
60.至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为
覆盖了所有这些其他变型或修改。