一种煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头的制作方法

1.本发明专利属于煤矿井下瓦斯抽采钻孔护孔的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头。


背景技术：

2.随着煤矿开采深度和难度的不断加大，如何将瓦斯治理好、利用好已成需要迫切解决的问题。煤矿井下定向长钻孔瓦斯抽采技术作为煤矿井下治理瓦斯的重要手段之一，具有钻孔轨迹可控、深度大和有效孔段距离长等特点，正得到广泛应用。目前，煤矿井下定向钻孔瓦斯抽采基本采用裸眼完孔抽采和完孔后下入筛管护孔抽采两种方式，但是两种方式均存在局限性，影响瓦斯抽采纯量和抽采时间。
3.由于定向钻孔越来越长，钻遇复杂地层的几率大大增加，裸眼完孔抽采存在着负压沿程损失大、易遇孔壁坍塌堵塞抽采通道等问题。完孔后下入筛管护孔的方式虽然能够有效解决了塌孔造成瓦斯抽采通道坍塌堵塞的问题，但是由于定向钻孔距离较长、轨迹复杂，很难实现全段下筛管。目前常见的定向长钻孔筛管下入方法有两种，一种是定向钻进终孔提钻后直接从裸孔中下入或利用筛管助推器将筛管推入孔内。但是由于钻孔长，裸孔下入阻力大，筛管易被推拉和挤压损坏；第二种是重新下入扩孔钻具回转扩孔后从钻杆内通径下入筛管，虽下入阻力较裸孔推送小，但对于较长的定向钻孔，易使筛管产生屈曲效应，筛管仍难以下入到孔底。为此，中煤科工集团西安研究院有限公司张金宝等人有针对性的开发了大直径筛管分段水力输送技术解决了上述问题。其专利《煤矿井下定向长钻孔内分段大直径筛管及其下入方法》中提出了利用介质助推、分段下入筛管的方法，变“推”为“拉”，为实现高效、长距离下入大直径筛管提供了新思路。
4.为解决煤矿井下定向长钻孔大直径筛管下入困难的问题，同时为分段大直径筛管及其下入工艺方法提供装备支撑，本人通过潜心研究和设计，综合长期从事相关领域研究的经验和成果，研究出一种煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头，很好的解决了上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头，解决煤矿井下定向长钻孔筛管输送的下入、连接、贯通和报信等问题，且具有结构简单、便于操作、易于维修等特点。
6.为解决上述问题，本发明采取的技术方案包括：
7.一种煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头，设置：母接头组件，所述的母接头组件至少沿轴向设置端部凸出的推杆；公接头组件，所述的公接头组件至少在端部卡设封堵球组件；所述的推杆与封堵球组件轴向对应。
8.可选的，所述的母接头组件设置母接头壳体，母接头壳体内径向设置支架；所述的推杆沿轴向安装在支架上，且推杆端部沿轴向悬空延伸。
9.可选的，所述的支架为环式结构，支架通过螺纹结构安装在母接头壳体内；所述的推杆为柱形杆体结构。
10.可选的，所述的母接头壳体上嵌设卡爪，所述卡爪的开放端与推杆的推力端同向。
11.可选的，所述的卡爪有多个，且每个卡爪均通过螺栓和扭簧安装。
12.可选的，所述的母接头壳体由两段管式结构对接形成，第一段管式结构直径小于第二段管式结构的直径；且在第一段管式结构外设置外螺纹；第二段管式结构外壁嵌设多个卡爪。
13.可选的，所述的公接头组件设置公接头壳体，公接头壳体的一端设置导引环，公接头壳体内径向卡设封堵球组件和挡环；公接头壳体的另一端为开放端。
14.可选的，所述的封堵球组件为球体结构，所述球体结构的外径等于或大于公接头壳体至少一段的内径。
15.可选的，所述的封堵球组件设置空心球，空心球内壁嵌设孔体；空心球内注入降解液。
16.一种煤矿井下筛管输送方法，采用本发明所述的煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头进行，具体包括：
17.a.煤矿井下定向钻完孔后将定向钻具提出孔内，下入套铣钻具进行套铣钻进至孔底；
18.b.将多根大直径筛管首尾相连，形成分段筛管组件，第一段筛管组件的尾部连接母接头组件、前端连接节流增压管，第二段及后续筛管组件前端连接公接头组件，尾部连接母接头组件；
19.c.第一段筛管下入钻杆内后，连接钻杆水便并启动水泵或空压机，逐渐提高水泵或空压机的流量和压力，将第一段筛管输送至孔内直至孔底，卸下水便；
20.d.将第二段筛管下入套铣钻杆内后，连接钻杆水便并启动水泵或空压机，逐渐提高水泵或空压机的流量和压力，利用水力作用在公接头组件的封堵球组件上，推动整段筛管向前运动，直至分段筛管输送至孔内与上一段大直径筛管接触，此时公接头组件依靠导引环导入上一段筛管的母接头组件，直至母接头组件内的推杆端部与封堵球组件接触，封堵球组件停止运动，筛管由于惯性带动公接头组件继续向前运动，封堵球组件与公接头壳体锥面脱开，水压或空气压力下降；与此同时，上一段筛管的母接头组件的卡爪扣入下一段筛管公接头组件的环形凹槽中；
21.e.如果泵压或空压机压力没有下降，说明未连接成功，停止供水或压缩空气，并再次提高水压或空气压力再次冲击，直至泵压或空压机压力明显下降，证明接头连接到位，两段筛管对接贯通成功；
22.f.重复上述d和e步骤，以此循环直至最后一段大直径筛管下入到位。到位后提出孔内全部钻具，并下入孔口管封孔抽采瓦斯。
23.本发明提供的煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头，能够有效解决定向长钻孔大直径筛管的分段下入、连接、贯通和对接成功后的报信的问题，能够满足大直径筛管分段水力/空气输送的使用要求，大大增加了下入的深度，提高了下入效率，有效的保障了瓦斯抽采的效果。
附图说明
24.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
25.图1是本发明的煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头公母端脱离状态剖面图；
26.图2是图1中公母端连接状态剖视图；
27.图3是可降解封堵球组件的剖视图；
28.图中，1-母接头组件、11-母接头壳体、12-推杆、13-卡爪、14-锁紧螺母、15-螺栓、16-扭簧、17-支架；
29.2-公接头组件、21-导引环、22-公接头壳体、23-封堵球组件、231-堵帽、232-堵头、233-空心球、234-降解液、24-挡环。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
32.结合图1-3，本发明涉及煤矿井下瓦斯治理工程领域，具体涉及煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头。接头采用中心通孔式筒状结构，安装于分段大直径筛管两端，配套筛管水力/空气输送工艺方法使用。煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头主体结构由公接头组件2和母接头组件1组成；母接头组件1通过端部设置的螺纹固定在孔内已下入筛管的末端。公接头组件2通过端部螺纹安装于待下入筛管的前端。公接头组件2内部设置有封堵球组件23，用于在水力或空气输送时封堵过流通道从而建立压力，并同时提供驱动力助推大直径筛管向孔底运动并完成两段筛管的对接。当公接头组件2和母接头组件1对接时，母接头组件1沿圆周方向设置的卡爪12会在扭簧16的作用下卡紧公接头组件2端部设置的环形凹槽，从而实现两段筛管的连接；同时，母接头组件1中的推杆12会反向推开封堵球组件23，并使整段大直径筛管中心贯通；此时，由于管路内部通道打开，驱动水压(空气压力)会出现明显下降，通过压力的波动信号即可知道装置是否对接成功。封堵球组件23会在短时间内降解完成，保证筛管内的过流面积。依次采用此方法通过助推接头连接大直径筛管并逐段下入，最终形成定向长钻孔的瓦斯抽采通道。本发明中使用的空心球233和降解液234均为降解材料领域常见的材料，比如南京首塑特种工程塑料制品有限公司提供的pga材质的空心球233和其对应的降解液234。
33.煤矿井下筛管水力/空气输送用可降解球式助推接头采用中心通孔式圆筒状结构(如图1、2所示)，主要由母接头组件1和公接头组件2两部分组成；其中，母接头组件1由母接头壳体11、推杆12、卡爪13、锁紧螺母14、螺栓15、扭簧16组成；公接头组件2由导引环21、公接头壳体22、封堵球组件23、挡环24组成；封堵球组件23又由堵帽231、堵头232、空心球233、降解液234组成。筛管助推接头的两部分分别安装在分段大直径筛管的两端；其中，母接头组件1安装在筛管组件末端，公接头组件2安装于筛管组件前端。
34.公接头组件2中公接头壳体22的右端加工有内螺纹，用于连接筛管公头，左端外侧设计有环形凹槽，用于和母接头组件的卡爪连接，配合卡爪倒钩实现母接头组件1和公接头组件2的轴向固定。公接头壳体22左端内侧通过螺纹与导引环21连接，接头右端内侧安装有挡环24，用于限制可降解封堵球组件23的轴向运动，防止其从公接头壳体22中滑出。挡环24为环形结构，外侧加工为螺纹，与公接头组件2连接，内部采用多孔结构，用于限制可降解封堵球组件23的轴向运动的同时保证接头内的轴向过流面积。导引环21左侧为锥形结构，锥形尺寸取于公接头组件和母接头组件的直径，以及打捞钻杆内孔直径，右侧加工为外螺纹，与公接头组件2相配合。
35.封堵球组件23如图3所示，由堵帽231、堵头232、空心球233、降解液234组成；空心球233采用可降解材质，并被制作成外表面光滑内表面多孔的空心球形结构，外表面可以配合公接头壳体22内侧锥面实现从右向左的单向密封；内表面采用多孔结构，内孔直径a和深度h可根据筛管下入孔深和需要降解的时间长短来设置。内孔直径a越大、深度h越深，球体完全降解需要的时间越短。空心球233表面上固定有堵头232，使用时将其拆除可向球体内部注入降解液234，用于实现空心球233的快速溶解。堵帽231设置在堵头232上端，堵帽231的端部采用球面结构，球面半径与空心球233相同，用于保持球形外表面的规则和光滑。封堵球组件23建立压力、提供动力和降解后连接贯通功能，其工作原理是：公接头组件2连接整端大直径筛管，并在高压水(压缩空气)的作用下为整端筛管提供动力，推动整段筛管向前运动，直至整段筛管输送至孔内与上一段大直径筛管接触，此时公接头组件2依靠导引环导入上一段筛管的母接头组件1内，并完成两段筛管的连接。随着时间的推移，可降解封堵球组件23会自动降解掉，以保证筛管轴向最大的过流面积。
36.母接头组件1中母接头壳体11，左侧加工有外螺纹，由于连接筛管母头，右侧管体上平均分布加工有四个长方体槽和螺纹孔，用于安装卡爪13、螺栓15和扭簧16，管体内侧通过螺纹连接有支架17，推杆12通过螺纹安装于支架17的轴心，并通过锁紧螺母14实现防松。卡爪13沿圆周方向分布有四组，卡爪13的左侧通过螺栓15与母接头壳体11圆周方向的四个长方体凹槽连接，右侧加工两个倒钩，用于分别钩住公接头组件2的两个环形凹槽。扭簧16通过螺栓15安装于卡爪13和母接头壳体11之间，用于公接头组件2和母接头组件1对接时为卡爪13提供复位力。
37.支架17采用多孔结构，保证瓦斯气体沿接头轴向的过流面积。支架17通过外圆设置的螺纹固定在母接头壳体11内部；其中心通过螺纹安装有推杆12，推杆12外表面设计有全段螺纹，通过旋转推杆12可以调整其相对于支架17伸出长度；推杆12的伸出长度越长，公接头组件2和母接头组件1对接完成后，可降解封堵球组件23的位置越靠右，此时流道被打开的过流面积也越大。
38.公母接头组件连接成功与否的到位报信技术，其工作原理是：两段大直径筛管进行对接时依靠推杆12推开可降解封堵球组件23和可降解封堵球组件23的自我降解实现两段筛管的贯通，依靠卡爪的抓扣实现连孤单筛管的连接。此处存在现场施工人员需要明确信号用于确认两段筛管是否成功连接和贯通的问题。筛管下入套铣钻具内后，连接钻杆水便并启动水泵(空压机)，逐渐提高水泵(空压机)流量和压力利用水力作用将分段筛管输送至孔内，逐渐提高水泵(空压机)流量和压力，水力作用在公接头组件2的可降解封堵球组件23上，推动整段筛管向前运动，直至母接头组件1内的推杆12端部与可降解封堵球组件23接
触，可降解封堵球组件23停止运动，筛管由于惯性带动公接头组件2继续向前运动，可降解封堵球组件23与公接头壳体22锥面脱开，水压(空气压力)下降；与此同时，上一段筛管的母接头组件1的卡爪扣入下一段筛管公接头组件2的环形凹槽中。此时两段大直接筛管连接，并与上一段大直径筛管形成中心贯通。
39.输送过程中观察泵压表的变化，正常输送筛管状态时泵压约升高1mpa左右，待公母端接头接触时，泵压会逐渐升高，再待泵压迅速回落后，表明第二分段筛管与头段筛管对接成功，且两段筛管内通道实现贯通。若泵压一直居高不下，说明接头公母端未对接成功，此时只需操纵泥浆泵控制手柄，反复在停止和供水直接切换，可降解封堵球组件23便可反复封堵公接头组件2的锥面形成压力，并驱动孔内筛管向前运动再次完成对接动作。此处需要根据泵的压力变化进行孔底报信，来判断是否连接成功。在水泵(空压机)开启初期，筛管组件加速运动，水泵(空压机)的压力也会迅速上升，当筛管组件平稳前进时压力会逐步稳定，当公母接头对接成功时，泵压会突然大幅度下降。通过观察泵压瞬间下降，实现筛管连接成功的报信判别。
40.还公开了：
41.a.煤矿井下定向钻完孔后将定向钻具提出孔内，下入套铣钻具进行套铣钻进至孔底；
42.b.将多根大直径筛管首尾相连，形成分段筛管组件，第一段筛管组件的尾部连接母接头组件1、前端连接节流增压管，第二段及后续筛管组件前端连接公接头组件2，尾部连接母接头组件1；
43.c.第一段筛管下入钻杆内后，连接钻杆水便并启动水泵(空压机)，逐渐提高水泵(空压机)流量和压力，将第一段筛管输送至孔内直至孔底，卸下水便；
44.d.将第二段筛管下入套铣钻杆内后，连接钻杆水便并启动水泵(空压机)，逐渐提高水泵(空压机)流量和压力，利用水力作用在公接头组件2的可降解封堵球组件23上，推动整段筛管向前运动，直至分段筛管输送至孔内与上一段大直径筛管接触，此时公接头组件2依靠导引环导入上一段筛管的母接头组件1，直至母接头组件1内的推杆12端部与可降解封堵球组件23接触，可降解封堵球组件23停止运动，筛管由于惯性带动公接头组件2继续向前运动，可降解封堵球组件23与公接头壳体22锥面脱开，水压(空气压力)下降；与此同时，上一段筛管的母接头组件1的卡爪扣入下一段筛管公接头组件2的环形凹槽中；
45.e.如果泵压(空压机压力)没有下降，说明未连接成功，停止供水(压缩空气)，并再次提高水压(空气压力)再次冲击，直至泵压明显下降，证明接头连接到位，两段筛管对接贯通成功；
46.f.重复上述d和e步骤，以此循环直至最后一段大直径筛管下入到位。到位后提出孔内全部钻具，并下入孔口管封孔抽采瓦斯。
47.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
48.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
49.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。