CN101532391B - 煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具及其使用方法，包括供水装置或供风装置、高压密封钻杆、割缝冲孔阀和钻头，供水装置或供风装置与孔口处的高压密封钻杆连接，高压密封钻杆与钻头之间安装有割缝冲孔阀，本发明主要用于松软突出煤层的打钻和打钻之后增透消突。其使用方法：钻孔施工完毕后，采用带有泄压阀的供水器，启动高压泵站将供水的压力和流量提高，泵站高压水流驱动割缝冲孔阀动作，封闭轴向流体通道，打开径流体通道，高压射流通过切割喷嘴实现割缝或冲孔；本发明设计新颖、易于操作、安全可靠，提高了消突效率，实现了钻进、割缝或冲孔、消突一体化作业。

Description

煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿松软突出煤层的打钻和打钻之后增透消突技术领域，具体涉及一种用于煤层钻进、高压水力割缝或冲孔施工所用的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具及其使用方法。

背景技术

长期以来，突出煤层打钻与消突问题是国内外公认的突出煤层瓦斯治理的难题。我国绝大多数突出煤层为透气性相对较差的松软突出煤层，对煤层进行打钻及增透消突是国内研究热点之一。目前常用的割缝增透方法是通过钻进足够深度的钻孔，将钻杆完全退出，然后将高压泵通过高压软管与焊有高压喷嘴的无缝钢管连接，手动插入钻孔，同时要通过手动或其它夹持设备旋转割缝或冲孔，当出现塌孔时，割缝冲孔装置将无法插入钻孔进行割缝或冲孔，此种施工方法效率低，而且存在着安全隐患。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种操作简便、安全性能好、作业效率高、可同时进行钻进、割缝、冲孔的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，包括供水或供风装置，钻机上设有高压密封钻杆，高压密封钻杆的外表面设有螺旋输送槽或在其外表面设有高度1～6mm的螺旋凸筋，供水或供风装置与孔口处的高压密封钻杆连接，所述高压密封钻杆与钻头之间安装有割缝冲孔阀，高压密封钻杆、割缝冲孔阀和钻头同轴设置；所述割缝冲孔阀包括两端均设有丝扣且中空的阀壳，阀壳内设有割缝冲孔装置；所述割缝冲孔装置包括止回阀芯、固定阀芯、活动阀芯和切割喷嘴，止回阀芯外周与阀壳内壁固定连接，止回阀芯轴向上设有通孔，活动阀芯位于止回阀芯后方，其包括与阀壳内壁固定连接且中空的第一固定阀芯和第一滑动阀芯，第一滑动阀芯由前后两段组成，后段外径大于前段外径，前段内腔前部与止回阀芯后部相适配，前段外周设有两端分别与第一固定阀芯和第一滑动阀芯后段顶压配合的第一弹簧，第一滑动阀芯前段与第一固定阀芯内壁滑动配合连接，后段与阀壳内壁滑动配合连接，阀壳内壁上于第一滑动阀芯后段后部设有与其顶压配合的第一环形挡圈，切割喷嘴设置在第一滑动阀芯后段位置的阀壳壳体内。

所述第一滑动阀芯后段端面为锥面加曲面形状的聚能曲面，阀壳壳体上于第一滑动阀芯前段上的第一弹簧位置处设有通气孔，通气孔内设有过滤芯，第一固定阀芯与阀壳内壁之间、第一滑动阀芯后端与阀壳内壁之间均设有密封圈。

所述切割喷嘴在阀壳圆周均匀设有2～6个，其为锥面加圆柱状孔状结构。

所述切割喷嘴在阀壳圆周均匀设有2～6个，其为圆柱状孔状结构，其轴线与阀壳轴线夹角在15°～75°之间。

所述阀壳内于割缝冲孔装置前方设有防尘装置，所述防尘装置包括与阀壳内壁固定连接且中空的第二固定阀芯和第二滑动阀芯，第二滑动阀芯穿设在第二固定阀芯内部，第二滑动阀芯由螺接的前滑动阀芯和后滑动阀芯组成，前滑动阀芯前端和后滑动阀芯后端外径均大于第二固定阀芯内径，后滑动阀芯轴向设有通水孔，第二固定阀芯内壁前端设有与固定阀芯一体的第二环形挡块，第二环形挡块与后滑动阀芯后端之间的第二滑动阀芯上穿设有第二弹簧，第二固定阀芯前端内腔为与前滑动阀芯配合的圆周阶状结构。

所述割缝冲孔阀的外径与高压密封钻杆外径相当，割缝冲孔阀两端分别通过一个变接头与高压密封钻杆和钻头螺接，所述止回阀芯、第一固定阀芯、第二固定阀芯均与阀壳通过螺钉固定连接。

所述供水或供风装置包括高压泵站、软管、供水器或供风器，软管一端与高压泵站连接、另一端与供水器或供风器连接，供水器或供风器与高压密封钻杆进口连接。

煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具使用方法，包括以下步骤：

①.先利用供水器或供风器通过中空高压密封钻杆和割缝冲孔阀向钻头提供水流或风流，以水流或风流做为排渣动力将钻孔内的煤渣排到孔外；

②.钻孔施工完毕后退钻时，采用带有泄压阀的供水器，启动高压泵站将供水的压力和流量提高，泵站高压水流驱动割缝冲孔阀动作，封闭轴向流体通道，打开径流体通道，高压射流通过切割喷嘴实现割缝或冲孔，锥面加圆柱状孔状结构的切割喷嘴与圆柱状孔状结构的切割喷嘴的差别在于喷嘴的流道界面形状和射流直径大小不一样；

③.在某一孔位割缝冲孔结束后，回撤高压密封钻杆到下一孔位进行割缝冲孔，需要拆卸高压密封钻杆时，需要首先打开供水器的泄压阀，待高压密封钻杆内积存的水释放压力或排除后再进行高压密封钻杆的拆卸工作。

①.退钻割缝时，采用锥面加圆柱状孔状结构的切割喷嘴，高压水流对聚能曲面形成的压力大于第一弹簧的弹簧力，推动第一滑动阀芯向前移动至第一滑动阀芯内腔前端被止回阀芯封堵，这时，整个轴向通道被封堵，切割喷嘴与水流通道连通，高压水流就通过设置在阀壳圆周的切割喷嘴径向喷射高压水流，切割煤体，与此同时，第二滑动阀芯在第二弹簧的作用下，回复到初始位置，前滑动阀芯将第二固定阀芯的内腔封堵，阻止了煤尘进入轴向通道，瓦斯携煤尘倒流时，同样能够保证阀芯的清洁；

②.退钻冲孔时，采用圆柱状孔状结构且轴线与阀壳轴线夹角在15°～75°之间的切割喷嘴，在需要冲孔的煤层工作面前方，切割喷嘴出口的方向偏向钻进方向，该偏角与阀壳轴线夹角在75°～15°之间，高压水流对聚能曲面形成的压力大于第一弹簧的弹簧力，推动第一滑动阀芯向前移动至第一滑动阀芯内腔前端被止回阀芯封堵，这时，整个轴向通道被封堵，切割喷嘴与水流通道连通，高压水流就通过设置在阀壳圆周的切割喷嘴径向喷射高压水流，冲击煤体，与此同时，第二滑动阀芯在第二弹簧的作用下，回复到初始位置，前滑动阀芯将第二固定阀芯的内腔封堵，阻止了煤尘进入轴向通道，瓦斯携煤尘倒流时，同样能够保证阀芯的清洁。

采用上述技术方案，在高压密封钻杆和钻头之间设置割缝冲孔阀，该阀作为钻进装置的一部分，钻进时实现通风或通水，退钻时进行割缝作业，实现了钻进、割缝和消突的一体化作业，提高了工作效率；割缝冲孔阀的阀壳与高压密封钻杆和钻头螺接，其内设置割缝冲孔装置可在退钻时进行割缝作业；止回阀芯轴向上的通孔是为了增大流体通过时的阻尼，便于流体流经阀腔时容易形成压力差，更有利于阀体的切换，流体能够形成活动阀芯向前移动的力，在通风或水进行煤层钻进时，流体压力较小，因此在第一滑动阀芯外部的第一弹簧保证在钻进时，第一滑动阀芯所受到的弹簧力和流体压力相抵消，保证了钻进时轴向通道的打开，在退钻割缝时，水流压力大于第一滑动阀芯所受到的弹簧力，致使第一滑动阀芯向前移动，流水通道被止回阀芯封堵，高压水便通过切割喷嘴径向割缝；聚能曲面能使压力水流或气流在轴向上更好地凝聚；通气孔可保证第一弹簧动作的灵敏性，过滤芯防止粉尘进入影响第一弹簧的正常工作状态；在钻进时，防尘装置打开，在退钻割缝时，防尘装置在第二弹簧作用下，将轴向通道封堵，起到防止粉尘倒流影响到正常的割缝作业；密封圈起到密封、防止漏水的作用；切割喷嘴的这种设置，不必需要很高的水压，有利于进行深孔水力割孔；通过螺钉固定连接，方便快捷、易于拆装；割缝冲孔阀与高压密封钻杆外径相当，不影响钻进和退钻割孔工作；本发明设计新颖、易于操作、安全可靠，通过第一滑动阀芯移动切换进风与进水两个工作过程，退高压密封钻杆时割缝或冲孔，相对于普通装置，减少了一道工序，节约了时间，避免了难以插入的困难，提高了消突效率。同时，在钻进割缝、冲孔过程中，应用了自主发明的扒孔降温高压密封钻杆(ZL200610111830.7)，增强了排渣效果，提高了钻进深度和钻进效率，实现了钻进、割缝或冲孔、消突一体化作业，增加钻进的深度，相应的能够增加消突深度。

附图说明

图1是本发明工作状态的结构示意图；

图2是本发明的割缝冲孔阀在钻进状态时的结构示意图；

图3是本发明的割缝冲孔阀在退钻状态时的结构示意图；

图4是本发明第二滑动阀芯的后滑动阀芯的横截面结构示意图；

图5是本发明应用于变角度水力冲孔的切割喷嘴的安装结构示意图。

具体实施方式

如图1～图5所示，本发明的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具及其使用方法，包括钻机31、供水或供风装置，钻机31上设有高压密封钻杆25，供水或供风装置包括高压泵站22、软管23和供水器或供风器24，软管23一端与高压泵站22连接、另一端与供水器或供风器24连接，供水器或供风器24与高压密封钻杆25进口连接，高压密封钻杆25前端通过一变接头27螺接有割缝冲孔阀28，割缝冲孔阀28前端通过一变接头29螺接有钻头30，高压密封钻杆25、割缝冲孔阀28和钻头30同轴设置，割缝冲孔阀28的外径与高压密封钻杆25外径相当。

割缝冲孔阀28包括两端均设有内丝扣1且中空的阀壳10，阀壳10的材质要求采用强度与韧度优良的合金结构钢。阀壳10内设有割缝冲孔装置，割缝冲孔装置包括止回阀芯6、活动阀芯和切割喷嘴12，切割喷嘴12是水射流设备的重要元件，它最终形成了水射流工况，制约着系统切割性能，其材料本身需耐磨、耐高压、耐腐蚀，同时其截面采用圆锥收敛结构，或采用其它曲面结构，配合合适的喷嘴直径，从而在射流时能够形成足够的射流打击力，为切割煤层提供足够大的切割力。止回阀芯6外周与阀壳10内壁通过螺钉8固定连接，止回阀芯6轴向上设有通孔4，活动阀芯位于止回阀芯6后方，其包括与阀壳10内壁固定连接且中空的第一固定阀芯7和第一滑动阀芯9，第一滑动阀芯9由前后两段组成，后段外径大于前段外径，前段内腔前部可与止回阀芯6配合，前段外周设有两端分别与第一固定阀芯7和第一滑动阀芯9后段顶压配合的第一弹簧19，第一滑动阀芯9前段与第一固定阀芯7内壁滑动配合连接，后段与阀壳10内壁滑动配合连接，阀壳10内壁上于第一滑动阀芯9后段后部设有与其顶压配合的第一环形挡块21，切割喷嘴12设置在第一滑动阀芯9后段位置的阀壳10壳体内，切割喷嘴12在阀壳10圆周均匀设有2～6个，第一滑动阀芯9后段端面为锥面加曲面形状的聚能曲面11。阀壳10壳体上于第一滑动阀芯9前段上的第一弹簧19位置处设有通气孔40，通气孔40内设有过滤芯17，过滤芯17通过顶丝18固定，第一固定阀芯7与阀壳10内壁之间设有密封圈16、第一滑动阀芯9后端与阀壳10内壁之间设有密封圈20。

阀壳10内于割缝冲孔装置前方设有防尘装置，防尘装置包括与阀壳10内壁通过螺钉15固定连接且中空的第二固定阀芯2和第二滑动阀芯，第二滑动阀芯穿设在第二固定阀芯2内部，第二滑动阀芯由互相螺接的前滑动阀芯13和后滑动阀芯3组成，将第二滑动阀芯设置两段，便于安装拆卸，前滑动阀芯13前端和后滑动阀芯3后端外径均大于第二固定阀芯2内径，后滑动阀芯3横截面近似为同圆的三叶片结构，三个叶片之间轴向设有通水孔41，第二固定阀芯2内壁前端设有第二环形挡块42，第二环形挡块42与第二固定阀芯2为一体加工，第二环形挡块42与后滑动阀芯3后端之间的后滑动阀芯3上穿设有第二弹簧14，第二固定阀芯2前端内腔为与前滑动阀芯13配合的圆周阶状结构。

下面介绍一下本发明的具体使用方法：

一、钻进过程：利用供水器或供风器通过中空高压密封钻杆和割缝冲孔阀向钻头提供水流或风流，以水流或风流做为排渣动力将钻孔内的煤渣排到孔外，参照图1和图2所示，如果采用风力排渣钻进，安装在钻孔孔口的钻孔封堵器26与吸尘装置32组合可以为除尘装置，保证在钻进的过程中，巷道环境的清洁；当采用水力排渣钻进时，可以不必安装除尘装置，连接好普通的供水器或供风器24，通过软管23连接在巷道的供风管道或供水管道上，钻进过程中水流或风流对聚能曲面11形成的压力与第一弹簧19的弹簧力相抵消，第一滑动阀芯9稳定不动，切割喷嘴12与轴向通道隔离，水流或风流的推动后滑动阀芯3的压力大于第二弹簧14的弹簧力，使前滑动阀芯13向前移动打开轴向通道，完成流体排渣钻进作业。

二、退钻切割煤体过程：钻孔施工完毕后，采用带有泄压阀的供水器，启动高压泵站将供水的压力和流量提高，泵站高压水流驱动割缝冲孔阀动作，封闭轴向流体通道，打开径流体通道，高压射流通过切割喷嘴12实现割缝或冲孔。参照图1和图3所示，当对煤层44钻进足够深度的钻孔时，需要进行一边退钻一边割缝。在割缝之前，可在钻孔孔口安装水煤气分离装置，此时将钻孔封堵器26与吸尘装置32组合更换为水煤气分离装置，然后在高压密封钻杆25的尾部换上专用的带有泄压阀的供水器24，同时软管23要采用高压软管，至少能够承受割缝时所需的压力，将高压软管23连接到高压泵站22上。退钻割缝时，高压水流对聚能曲面11形成的压力大于第一弹簧19的弹簧力，推动第一滑动阀芯9向前移动至第一滑动阀芯9内腔前端被止回阀芯6封堵，这时，整个轴向通道被封堵，切割喷嘴12与水流通道连通，高压水流就通过设置在阀壳10圆周的切割喷嘴12径向喷射高压水流，切割煤体。同时，第二滑动阀芯在第二弹簧14的作用下，回复到初始位置，前滑动阀芯13将第二固定阀芯2的内腔封堵，阻止了煤尘进入轴向通道，特别是瓦斯携煤尘倒流时，同样能够保证阀芯的清洁。在割缝过程中，配合使用外表面刻有螺旋输送槽或在其外表面设有螺旋凸筋的高压密封钻杆25，旋转割缝，此种割缝工艺能够保证孔内因割缝卸压产生的煤渣在高压密封钻杆的搅动作用下向外输送，防止了钻孔在割缝过程中出现大量煤渣聚集堵塞钻孔的现象；同时在割缝过程中，如果在钻孔内割缝处产生煤炮，那么就可以退钻进行下一孔位的割缝了，因为此时在已割缝孔位处的煤体已经卸压，达到了煤体割缝消突的目的。可配合使用为了更好对煤层44深部进行割缝消突，在某一孔位割缝结束后，回撤高压密封钻杆25到下一孔位进行割缝，需要拆卸高压密封钻杆时，需要首先打开供水器24的泄压阀，待高压密封钻杆内积存的水释放压力或排除后再进行高压密封钻杆25拆卸工作。

三、退钻冲孔过程：

对突出煤层44进行冲孔时，在需要冲孔的煤层44工作面前方，通过对本发明切割喷嘴12进行局部改进，便可进行深孔水力冲孔，其结构主要在切割喷嘴12处，将喷切割喷嘴12改成图5所示的圆柱状内孔型的切割喷嘴33，因为冲孔时不需要非常高的压力，同时圆柱喷嘴的中心轴线与竖直线有一个偏角a，切割喷嘴33出口的方向偏向钻进方向，偏角a的角度可根据冲孔的范围选择15°～75°之间，即该偏角与阀壳10轴线夹角在75°～15°之间。从而实现深孔水力冲孔，其冲孔的操作过程与水力割缝的过程类似。这样就能够实现深孔水力冲孔，会大大提高消突范围，同时降低了安全隐患。

Claims (9)

1.煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，包括供水或供风装置，钻机上设有高压密封钻杆，高压密封钻杆的外表面设有螺旋输送槽或在其外表面设有高度1～6mm的螺旋凸筋，供水或供风装置与孔口处的高压密封钻杆连接，其特征在于：所述高压密封钻杆与钻头之间安装有割缝冲孔阀，高压密封钻杆、割缝冲孔阀和钻头同轴设置；所述割缝冲孔阀包括两端均设有丝扣且中空的阀壳，阀壳内设有割缝冲孔装置；所述割缝冲孔装置包括止回阀芯、固定阀芯、活动阀芯和切割喷嘴，止回阀芯外周与阀壳内壁固定连接，止回阀芯轴向上设有通孔，活动阀芯位于止回阀芯后方，其包括与阀壳内壁固定连接且中空的第一固定阀芯和第一滑动阀芯，第一滑动阀芯由前后两段组成，后段外径大于前段外径，前段内腔前部与止回阀芯后部相适配，前段外周设有两端分别与第一固定阀芯和第一滑动阀芯后段顶压配合的第一弹簧，第一滑动阀芯前段与第一固定阀芯内壁滑动配合连接，后段与阀壳内壁滑动配合连接，阀壳内壁上于第一滑动阀芯后段后部设有与其顶压配合的第一环形挡圈，切割喷嘴设置在第一滑动阀芯后段位置的阀壳壳体内。

2.根据权利要求1所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：所述第一滑动阀芯后段端面为锥面加曲面形状的聚能曲面，阀壳壳体上于第一滑动阀芯前段上的第一弹簧位置处设有通气孔，通气孔内设有过滤芯，第一固定阀芯与阀壳内壁之间、第一滑动阀芯后端与阀壳内壁之间均设有密封圈。

3.根据权利要求2所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：所述切割喷嘴在阀壳圆周均匀设有2～6个，其为锥面加圆柱状孔状结构。

4.根据权利要求2所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：所述切割喷嘴在阀壳圆周均匀设有2～6个，其为圆柱状孔状结构，其轴线与阀壳轴线夹角在15°～75°之间。

5.根据权利要求3或4所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：所述阀壳内于割缝冲孔装置前方设有防尘装置，所述防尘装置包括与阀壳内壁固定连接且中空的第二固定阀芯和第二滑动阀芯，第二滑动阀芯穿设在第二固定阀芯内部，第二滑动阀芯由螺接的前滑动阀芯和后滑动阀芯组成，前滑动阀芯前端和后滑动阀芯后端外径均大于第二固定阀芯内径，后滑动阀芯轴向设有通水孔，第二固定阀芯内壁前端设有与固定阀芯一体的第二环形挡块，第二环形挡块与后滑动阀芯后端之间的第二滑动阀芯上穿设有第二弹簧，第二固定阀芯前端内腔为与前滑动阀芯配合的圆周阶状结构。

6.根据权利要求5所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：所述割缝冲孔阀的外径与高压密封钻杆外径相当，割缝冲孔阀两端分别通过一个变接头与高压密封钻杆和钻头螺接，所述止回阀芯、第一固定阀芯、第二固定阀芯均与阀壳通过螺钉固定连接。

7.根据权利要求6所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：所述供水或供风装置包括高压泵站、软管、供水器或供风器，软管一端与高压泵站连接、另一端与供水器或供风器连接，供水器或供风器与高压密封钻杆进口连接。

8.煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具使用方法，采用如权利要求7所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具，其特征在于：包括以下步骤：

①.先利用供水器或供风器通过中空高压密封钻杆和割缝冲孔阀向钻头提供水流或风流，以水流或风流做为排渣动力将钻孔内的煤渣排到孔外；

②.钻孔施工完毕后退钻时，采用带有泄压阀的供水器，启动高压泵站将供水的压力和流量提高，泵站高压水流驱动割缝冲孔阀动作，封闭轴向流体通道，打开径流体通道，高压射流通过切割喷嘴实现割缝或冲孔，锥面加圆柱状孔状结构的切割喷嘴与圆柱状孔状结构的切割喷嘴的差别在于喷嘴的流道界面形状和射流直径大小不一样；

③.在某一孔位割缝冲孔结束后，回撤高压密封钻杆到下一孔位进行割缝冲孔，需要拆卸高压密封钻杆时，需要首先打开供水器的泄压阀，待高压密封钻杆内积存的水释放压力或排除后再进行高压密封钻杆的拆卸工作。

9.根据权利要求8所述的煤层钻进割缝冲孔一体化孔内钻具使用方法，其特征在于：

①.退钻割缝时，采用锥面加圆柱状孔状结构的切割喷嘴，高压水流对聚能曲面形成的压力大于第一弹簧的弹簧力，推动第一滑动阀芯向前移动至第一滑动阀芯内腔前端被止回阀芯封堵，这时，整个轴向通道被封堵，切割喷嘴与水流通道连通，高压水流就通过设置在阀壳圆周的切割喷嘴径向喷射高压水流，切割煤体，与此同时，第二滑动阀芯在第二弹簧的作用下，回复到初始位置，前滑动阀芯将第二固定阀芯的内腔封堵，阻止了煤尘进入轴向通道，瓦斯携煤尘倒流时，同样能够保证阀芯的清洁；

②.退钻冲孔时，采用圆柱状孔状结构且轴线与阀壳轴线夹角在15°～75°之间的切割喷嘴，在需要冲孔的煤层工作面前方，切割喷嘴出口的方向偏向钻进方向，高压水流对聚能曲面形成的压力大于第一弹簧的弹簧力，推动第一滑动阀芯向前移动至第一滑动阀芯内腔前端被止回阀芯封堵，这时，整个轴向通道被封堵，切割喷嘴与水流通道连通，高压水流就通过设置在阀壳圆周的切割喷嘴径向喷射高压水流，冲击煤体，与此同时，第二滑动阀芯在第二弹簧的作用下，回复到初始位置，前滑动阀芯将第二固定阀芯的内腔封堵，阻止了煤尘进入轴向通道，瓦斯携煤尘倒流时，同样能够保证阀芯的清洁。

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