穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法技术

本发明专利技术公开穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法，抽采式钻具包括多根抽采式钻杆、抽采式高低压转换阀、筛孔进气装置、开闭式钻头、抽采式水辫；抽采式钻杆由外管和内管组成，抽采式高低压转换阀由阀外管、阀内管和高低压转换组件组成，筛孔进气装置由凸筋形外管、凸筋形内管和进气筛孔板组成，不同名称的内管相互密封衔接共同构成钻具的瓦斯抽采通道，相同名称的内管与相同名称的外管之间的轴向空间为钻具的供流通道，钻具的外表与钻孔壁之间的空间为排渣通道，抽采式钻具在孔口配套安装有控喷式引流箱，本专利中防喷孔随钻瓦斯抽采方法针对前进式割缝及冲孔，退钻时需要下放护孔筛管。放护孔筛管。放护孔筛管。

【技术实现步骤摘要】
穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法


[0001]本专利技术涉及煤矿瓦斯抽采钻进
，具体涉及突出煤层穿层钻孔的钻进、割缝及冲孔
，本专利技术针对突出煤层穿层钻孔在割缝、冲孔、退钻等作业过程中的喷孔瓦斯超限问题，提出穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法，一方面有助于防范穿层钻孔喷孔瓦斯超限事故，另一方面为退钻前下放护孔筛管提供支持。

技术介绍

[0002]在突出煤层的底板岩巷内施工穿层钻孔，对突出煤层的待掘区域或待开采区域实施瓦斯抽采，实现消突和抽采达标，这是突出煤层瓦斯抽采与治理的主要措施。为了充分发挥穿层钻孔的抽采消突功效，普遍在穿层钻孔的煤孔段实施“割缝”或“冲孔”的水力化增透作业。现有技术现状是：所采用的钻杆普遍为刻槽钻杆、肋骨钻杆、三棱刻槽钻杆或三棱钻杆等，其中前三种钻杆的专利原始申请人为本申请人，即河南理工大学，专利号分别ZL200610111830.7，ZL200920088879.4， ZL200910064973.0，在这些钻杆与钻头之间，安装带有高压水射流喷嘴的高低压转换装置，钻杆的内孔为供流通道，对煤孔段钻孔实施割缝或冲孔，也有学者称之为水力割缝、水力造穴、水力掏槽、水力掏煤等。由于所用钻杆为单管结构，设置高低压转换装置之后，均失去了退钻时下放护孔筛管的功能。对于极松软煤层还可以不用高低压转换装置，直接在钻头部安装用于冲孔的水射流喷嘴，钻头一旦进入煤层就开始冲孔和钻进同步或间隔进行，同样由于所用钻杆均为单管结构，钻头部安装水射流喷嘴之后，也失去了退钻时下放护孔筛管的功能。<br/>[0003]穿层钻孔割缝或冲孔时，采用高压水作为钻头降温、射流动力和排渣动力，排渣通道位于钻杆外壁与钻孔内壁之间，称之为外排渣通道。突出煤层穿层钻孔在煤孔段实施割缝或冲孔的力化增透的过程中会有产生大量的水煤渣和瓦斯气体，煤孔段常会发生孔内煤与瓦斯突出、煤炮等动力现象，煤渣的产出量极不均匀，煤渣的粒径也不均匀，煤渣本身并不具备流动性，需要利用水流作用和钻杆旋搅碎渣作用，使这些煤渣转变为可以流动的固液相水煤渣流体，从钻孔的外排渣通道排出孔外。由于煤孔段割缝或冲孔产出的煤渣量具有突发性和不均衡性，煤渣依靠自重作用和水流作用涌向空间狭小的岩孔段外排渣通道，水流作用和钻杆旋搅作用不能及时将这些煤渣转变为可流动的固液相水煤渣体，时常导致岩孔段外排渣通道的非通透性阻塞，即排渣通道截面之内水煤渣占据截面的100%，水煤渣下泄而瓦斯气体滞留在割缝或冲孔形成松散煤体内和洞穴内，瓦斯不断解吸会导致煤孔段松散煤体内和洞穴内的瓦斯气体压力远大于孔外的大气压，在水流作用和钻杆旋搅作用下，一旦岩孔段非通透性阻塞的外排渣通道被疏通，高压瓦斯气体和水煤渣将从孔口大量喷出，甚至形成持续性、长时间的喷孔，这种喷孔经常导致巷道瓦斯超限，穿层钻孔喷孔瓦斯超限事故，占突出矿井瓦斯超限事故总数的30%～80%，已成为突出矿井的重要安全隐患。
[0004]现行突出煤层穿层钻孔打钻时，普遍在孔口安装有防喷孔装置，防喷孔装置一般由收集箱、抽气管和水煤渣排泄管组成，防止喷孔产生的瓦斯向巷道空间扩散，喷孔严重时，防喷孔装置将会失效，导致钻进作业场所的巷道瓦斯浓度超限。有关瓦斯抽采钻孔防喷
孔技术已申报了很多项专利，针对具体的井下环境，因地制宜的设计了多种孔口防喷装置。例如，仅在2021年申报的有关防喷孔专利就有：防喷孔装置及系统（CN202120284095X）；一种瓦斯治理防尘防喷孔装置（CN202120183981.3）；一种煤矿用打钻防喷孔除尘装置（CN202120116187.7）；一种半开放式防喷孔组件及瓦斯控制收集排放装置（CN202120080173.4）；瓦斯抽采系统自动防喷孔装置（CN202120006760.9）；一种煤矿井下水力冲孔防喷孔及煤量计量装置（CN202121828212.0）；一种瓦斯治理防喷孔装置（CN202121728316.4）；一种瓦斯治理防喷孔装置（CN202121249379.1）；一种便于安装的瓦斯治理防喷孔装置（CN202120004386.9）。这些防喷孔技术专利的基本出发点类同，即在孔外对钻孔喷出的水煤渣和瓦斯气体进行收集和分离，瓦斯气体进入抽气管，水煤渣进入水煤渣排泄管或进一步进入水煤渣气分离箱，尽可能不让瓦斯气体涌入巷道空间，若遇到瓦斯异常带、孔内煤与瓦斯突出等，喷孔严重时这些防喷装置会因为收集箱容积不够而开裂、抽气管抽采速度不足而脱节或崩裂、缓冲气囊容积不足而爆裂等等，仍然会导致喷孔瓦斯超限事故。从严格的因果关系而言，现行的防喷孔装置并不能防止喷孔现象的发生，而是用来防范喷孔发生期间的瓦斯超限事故。
[0005]突出煤层穿层钻孔割缝或冲孔的大量工程实践说明，现行被动的防喷孔方法并不能从根本上解决喷孔瓦斯超限难题，要想解决喷孔瓦斯超限难题应从源头上消除诱发喷孔的气体动力源。喷孔的气体动力源位于煤孔段割缝或冲孔形成的松动煤体内和割缝冲孔形成的洞穴内，松动煤体和洞穴内含有大量游离态瓦斯，为了后续描述的方便，简称“松洞瓦斯包”，其内部同时存在固体（煤渣）、液体（水）和气体（瓦斯），瓦斯气体在高位，水煤渣在下位，瓦斯气体是发生喷孔的气体动力源。割缝或冲孔使煤体得到大范围卸压，煤体会连续不断地解吸出大量瓦斯气体，发生孔内煤与瓦斯突出时，则会突然产生大量煤渣和瓦斯气体，“松洞瓦斯包”的范围会扩大，其内部的瓦斯量和瓦斯压力会升高，为喷孔的发生积聚了大量的气体能量。在穿层钻孔的倾斜环形外排渣通道内，固、液、气三相离析介质不能混合均匀、不能同步运移，固体和液体可以利用自重向岩孔段外排渣通道运移，气体可以利用压力差从外排渣通道的空隙排泄，只有当固体液体的体积之和不能100%充满外排渣通道时，气体才有机会利用气压差向下排泄。现场的实际情况是：外排渣通道不间断地被水煤渣充满，瓦斯气体不能及时向下排泄，“松洞瓦斯包”内的气体压力不断升高，由此为喷孔的发生积聚了瓦斯动力源。基上述
技术介绍
分析，针对隐含喷孔动力源的“松洞瓦斯包”，本申请人提出水煤渣与瓦斯分道排泄的构思，即通过钻具的设计，使水煤渣走钻具外表与钻孔壁之间的外排渣通道，使“松洞瓦斯包”内瓦斯气体走钻具中心的瓦斯抽采通道，设计出具有钻进功能、割缝冲孔功能、随钻瓦斯抽采功能和退钻下放护孔筛管功能的抽采式钻具，利用抽采式钻具实施随钻瓦斯抽采，从源头上消除诱发喷孔的瓦斯动力源。
[0006]
技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术存在的问题，提供穿层钻孔抽采式钻具及配套的防喷孔随钻瓦斯抽采方法，利用抽采式钻具实施随钻瓦斯抽采，解决穿层钻孔在水射流割缝或冲孔过程的喷孔现象和喷孔瓦斯超限事故，提高穿层钻孔水力化增透作业的安全性，同时利用钻具的瓦斯抽采通道作为退钻时下放护孔筛管的通道。
[0008]为达到上述目的所采取的技术方案是：穿层钻孔抽采式钻具包括依次连接的抽采式水辫、多根抽采式钻杆、抽采式高低压转换阀、筛孔进气装置和开闭式钻头；在孔口位置设有与抽采式钻杆配套安装的控喷式引流箱。在穿层钻孔抽采式钻具内腔的中心部位构建瓦斯抽采通道，在穿层钻孔抽采式钻具的抽采式钻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，包括依次连接的抽采式水辫、多根抽采式钻杆、抽采式高低压转换阀、筛孔进气装置和开闭式钻头；在孔口位置设有与穿层钻孔抽采式钻具配套安装的控喷式引流箱。2.根据权利要求1所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述抽采式钻杆包括插装配合的外管和内管，所述外管沿长度方向采用局部热挤的方式在外管内孔凸出形成两组局部弧面凸起，所述局部弧面凸起与内管的外圆配合，并支撑安装内管使外管和内管保持同轴，每组局部弧面凸起的数量为沿外管内孔圆周均布的两个或三个，所述外管的外表形状为螺旋槽状或螺旋筋状或三棱状或四棱状或三棱刻槽状或四棱刻槽状，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。3.根据权利要求1所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述抽采式钻杆包括外管、内管和焊接在外管内壁的两组弧面支撑块，每组支撑块沿外管内孔圆周均布有两个或三个，支撑块上设置有与内管焊接的支撑块焊接孔，外管上设置有与支撑块焊接的外管焊接孔，支撑块的外圆弧面半径等于外管内孔的半径，支撑块的内圆弧面半径等于内管外圆的半径；所述外管的外表形状为螺旋槽状或螺旋筋状或三棱状或四棱状或三棱刻槽状或四棱刻槽状，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。4.根据权利要求1所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述抽采式钻杆包括外管和内管，所述外管为异形外管，所述异形外管的外表设置有轴向凹槽，所述异形外管的内孔设置有与轴向凹槽对应的轴向弧面凸起，所述异形外管内孔的轴向弧面凸起与内管的外圆配合安装，并支撑内管使外管和内管保持同轴，轴向凹槽和轴向弧面凸起的条数圆周均布为两条或三条，所述外管的外表设置螺旋槽或螺旋筋，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。5.根据权利要求1所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述抽采式钻杆包括插装配合的外管和内管，所述外管为通过约束状态下的热扭方法形成的热扭异形外管，所述热扭异形外管的外表形成大螺旋凹槽，所述热扭异形外管的内孔形成与大螺旋凹槽对应的大螺距弧面凸起，热扭异形外管内孔的大螺距弧面凸起与内管的外圆配合安装，并支撑内管使外管和内管保持同轴，大螺旋凹槽和大螺距弧面凸起的条数为两条或三条；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。6.根据权利要求2至5任一所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述外管的端部通过挤压成型的方法或摩擦焊接接头的方法转变为厚壁圆形外管，在厚壁圆形外管两端设置公扣和母扣，相邻外管之间采用带密封的丝扣连接，相邻内管之间采用搭接密封或插接密封连接。7.根据权利要求6所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述抽采式高低压转换阀
包括阀外管、阀内管和高低压转换组件，所述阀外管和阀内管同轴配合安装，所述高低压转换组件安装在阀外管和阀内管之间形成的供流通道内；所述阀内管的中心孔为瓦斯抽采通道；所述阀外管的两端分别设置有公扣和母扣，所述阀外管的母扣与抽采式钻杆的公扣连接，所述阀外管的公扣与筛孔进气装置的母扣连接，所述阀内管一端与抽采式钻杆的内管密封衔接，所述阀内管另一端与筛孔进气装置的凸筋形内管密封衔接，所述阀内管一端设置有密封件。8.根据权利要求7所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述阀外管的外表上设置有两至四条两端渐变为斜面的轴向凸筋或螺旋凸筋，在斜面的侧面上设置切割刀片；所述阀外管的两条轴向凸筋或两条螺旋凸筋上设置径向水射流喷嘴或斜向水射流喷嘴；所述阀外管的轴向凸筋或螺旋凸筋上设置间断性螺旋凹槽，间断性螺旋凹槽使具阀外管具有碎渣、搅拌和输送功能。9.根据权利要求8所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述高低压转换组件包括滑动阀芯、弹簧、前支撑、后支撑和固定销；所述前支撑和后支撑之间安装滑动阀芯，所述滑动阀芯和阀内管之间套装有弹簧，所述前支撑和后支撑均通过固定销与阀外管连接；工作时，弹簧两端与滑动阀芯和后支撑接触配合。10.根据权利要求9所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述筛孔进气装置包括凸筋形外管、凸筋形内管和进气筛孔板，所述凸筋形外管和凸筋形内管同轴配合安装，凸筋形外管与凸筋形内管之间的空间为供流通道，所述凸筋形内管的内孔为瓦斯抽采通道；所述凸筋形外管的两端分别设置有公扣和母扣，所述凸筋形内管的一端安装有密封件；所述凸筋形外管和凸筋形内管的凸筋设置为轴向凸筋或螺旋凸筋，所述凸筋形外管和凸筋形内管的凸筋条数为两条或三条或四条；所述凸筋形外管的凸筋上和凸筋形内管的凸筋上设置有贯穿内外凸筋的径向进气通孔，所述进气筛孔板焊接在凸筋形外管的凸筋上并覆盖径向进气通孔。11.根据权利要求10所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述进气筛孔板上设有倒锥形的筛孔，所述筛孔的进气口直径是径向进气通孔的直径的二分之一到五分之一，所有筛孔的进气口面积之和大于凸筋形内管的内孔截面积。12.根据权利要求11所述的穿层钻孔抽采式钻具，其特征在于，所述开闭式钻头由钻头本体、短节内管和开启盖组成；所述钻头本...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉宁，李延河，赵同谦，李振华，宋维宾，王志明，张海庆，马建宏，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：