专利名称：井下煤层压风螺旋钻进机具及使用该机具钻孔的方法
技术领域：
本发明涉及煤矿钻进设备及其使用方法，具体涉及井下煤层压风螺旋钻进 机具及使用该机具钻孔的方法，特別适用于松软突出煤层。
技术背景瓦斯抽放是防治煤与瓦斯突出和减少瓦斯爆炸事故的根本措施。自从八十 年代以来，网格式的穿层钻孔抽放方式对于广大高瓦斯、突出矿井防治煤与瓦 斯突出和降低瓦斯涌出量起到了非常重要的作用。与穿层钻孔相比，顺层钻孔具有如下优点完全沿煤层钻进，抽放的效率高；可利用生产巷道打钻，节约 辅助岩巷；钻孔的施工速度比较快，施工成本低。但是，顺层钻孔的成孔长度 是影响其抽^t效率和应用范围的重要因素。如果顺层钻孔不能达到一定的长度， 则钻孔在巷道排放瓦斯带内的比例相对较大，抽放效率降低。此外，区域性瓦 斯治理措施的基本要求是，在该区域采掘工作开始之前即应消除或降低煤层的 瓦斯威胁。短钻孔无法使抽放作用有效地延伸到未采掘的区域，只能用于本工 作面内的局部瓦斯抽放，也就不能起到目前穿层钻孔所具有的区域性预抽作用。 目前，由于受施工技术限制，多数矿井的顺层钻孔成孔长度都在百米以下， 不能满足当前生产务泮下抽放瓦斯的要求，更谈不上如何利用顺层长钻孔更好 地进行瓦斯灾害治理的问题。从世界的发展趋势看，施工速度快、成本低、钻 孔工程利用率高的顺层钻孔将逐渐替代穿层钻孔，而成为煤层瓦斯抽放的主要 技术手段。在有的国家，由于地质条件和技术、设备方面的优势，如美国和澳
大利亚的顺层长钻孔最大成孔深度都已超过了千米，顺层长钻孔的瓦斯抽放也 取得了很好的效果。但是，对于煤层赋存条件复杂，瓦斯含量大、地应力高、构造破坏严重、 厚度变化剧烈，并有大量的突出危险煤层，尤其是松软煤层，钻孔施工非常困 难。不仅成孔深度小，容易出现绔孔卡钻的事故，因此，如何在松软煤层中实 施顺层钻孔，保证钻孔成孔深度和成孔率，对强化松软煤层瓦斯抽放，保证松 软煤层的安全开采，是长期以来没有解决的难题. 发明内容本发明的目的在于提供一种井下煤层压风螺旋钻进机具及使用该机具钻孔 的方法，它能增加钻孔深度和提高成孔率，便于煤层瓦斯抽放，减少瓦斯突害发生的机率；降低消除突出的成本，提高生产效率；适用于对松软突出^瓦 斯的治理。本发明所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，包括泵站、操作台、机架、设 在机架轨道一端上的移动装置、i更在移动装置上的动力头、设在机架另一端上 的夹持器，夹持器、动力头和移动装置分别通过油管经操作台与泵站连接，其 特征在于 一供风切换装置，其一端与动力头配合连接，其压风输入口与矿井 压风系统连接； 一空心螺旋钻杆，其一端与供风切换装置的另一端连接，其另 一端经过夹持器伸出； 一两级组合钻头，与空心螺旋钻杆的另一端配合连接。所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，其两级组合钻头的第 一级的外面设有 第一螺旋片、第二级的外面设有笫二螺旋片；第一螺旋片的尾端与第二螺旋片 的首端对应。两级组合钻头的笫一级的作用是破碎煤体，第二级螺的作用是扩 孔。 所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，其空心螺旋钻杆的外面设有第三螺旋 片，第三螺旋片的首端与两级组合钻头上的第二螺旋片的尾端对应。两级组合钻头刀刃切削的煤块和形成的煤屑被送到螺旋片上后，随着螺旋 片高速旋转，向钻孔壁四周运动，螺旋片与钻孔之间形成了一条"M螺旋输送 带"，空心螺旋钻杆螺上的第三螺旋片连续不断的将孔内的M排出孔外，采用 这种钻进技术，孔内富含瓦斯得以逐步释放，从而能有效防止喷孔、蜂孔现象， 保证了成孔率。所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，其空心螺旋钻杆由多节前后连接组成； 每节空心螺旋钻杆的后端部上设有两个插孔，后端部内设有密封套；每节空心螺旋钻杆的前端部上^:有两个插槽，前端设有密封圈； 一节空心螺旋钻杆的前 端与另一节空心螺旋钻杆后端的内壁配合， 一节空心螺旋钻杆前端上的密封圏与另一节空心螺旋钻杆后端部内的密封套配合， 一节空心螺旋钻杆前端部上的 两个插槽与另一节空心螺旋钻杆后端部上的两个插孔对应；"u"型卡穿过对应的两个插槽和两个插孔连接两节空心螺旋钻杆。用"U"型卡连接两节空心螺 旋钻杆，不仅连接和拆卸方便，而且正转钻进和反转退出都不会松动.本发明所述的使用井下煤层压风螺旋钻进机具钻孔的方法，包括以下步骤 第一步，定位安装钻孔设备固定泵站、操作台和机架，移动装置安^ 机架轨道的一端上，动力头安装在移动装置上，夹持器安装在机架的另一端上， 夹持器、动力头和移动装置分别通过油管经操作台与泵站连接；动力头与供风 切换装置的一端配合连接，供风切换装置的压风输入口与矿井压风系统连接；第二步，安装空心螺旋钻杆和两级组合钻头扳动操纵台上的手柄使动力 头滑动至机架的后端，松开夹持器的卡瓦，将空心螺旋钻杆的后端接在供风切 换装置上，再将两级组合钻头连接在空心螺旋钻杆的前端上；
第三步，修平煤岩开出钻孔打开矿井压风系统的供风阀门给供风切换装 置供风，风压控制在0.2Mpa，扳动操纵台上的操作手柄，驱动动力头转动ilA 控制在80—100r/min之间，并控制移动装置緩慢推进空心螺旋钻杆及与其连接 的两级組合钻头，修平开孔处的煤岩，使两级组合钻头与煤岩接触平稳；第四步，压风高速钻孔调整动力头的回转速度，使动力头的回转速度控 制在180—250r/min之间，并控制移动装置使钻进速度保持在0. 5—lm/min之 间，供风压力保持在0. 2 ~ 0. 75MPa之间，供风流量要保持在3 ~ 9mVmin之间， 匀速钻进，在钻进过程需逐步加长空心螺旋钻杆，直至达到预定钻进深度。供风压力和流量根据钻孔孔径大小及钻进情况实时调整.供风切换装置通 过空心螺旋钻杆的中心孔向两级组合钻头提供高压风，在孔内形成高速风流， 配合空心螺旋钻杆的旋转和轴向移动，在第一、第二和第三螺旋片与钻孔壁之 间形成了一条"M螺旋输送带"，螺旋片连续不断的将孔内的fl^排出孔外， 钻头和空心螺旋钻杆也得到冷却。第五步，达到钻孔深度，拆除机具关闭供风切换装置的供风阀门，操作 夹持器手柄，夹紧供风切换装置前的笫二节空心螺旋钻杆，取下供风切换装置 与空心螺旋钻杆的连接销，然后操作正常进退手柄于后退位置，使供风切换装 置与空心螺旋钻杆脱离；再取下两节空心螺旋钻杆之间的"U"形连接销，取下 一节空心螺旋钻杆；操作进退手柄，使动力头前进到空心螺旋钻杆的接头位置， 用连接销连接供风切换装置和空心螺旋钻杆；操作夹持器手把松开夹持器，操 作旋转手柄使动力头后退到适当位置时停止旋转；操作夹持器手把，使夹持器 夹紧钻杆，再按以上所述卸空心螺旋钻杆的方式进行操作，直到卸完全部选拔 钻杆和两级组合钻头.本发明与现有技术相比，其操作简单、造价低和使用维护方便，完全可以 满足煤矿井下抽放瓦斯钻孔的钻进要求；采用了插接式螺旋钻杆、組合钻头， 同时配合合适M的压风，形成了一套完善的松软煤层长钻孔的"螺旋+压风" 成孔技术，有效地提高了松软煤层的钻孔成孔深度和成孔率，并提高了成孔速
度和瓦斯抽放效果，保障矿井的安全生产。在一矿井下煤层顺层钻孔的现场试用，实现了松软突出煤层螺旋钻进压风排渣成孔深度达128m,连续施工5个顺 层钻孔，有4个钻孔超过lQQm。
图l是本发明的施工示意图。图2是空心螺旋钻杆的结构示意图。图3是两节空心螺旋钻杆连接部位的剖视图。.图4是两级组合钻头的结构示意图。图5是供风切换装置的结构示意图。图6是采用"螺旋+压风"工艺成孔孔内煤屑运移规律示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。参见图1、图5和图6， 本发明所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，包括 泵站1、操作台2、机架3、设在机架轨道一端上的移动装置4、设在移动装置 上的动力头5、设在机架另一端上的夹持器6，夹持器6、动力头5和移动装置 4分别通过油管经操作台与泵站连接；供风切换装置7的一端与动力头5配合连接，其压风输入口 7 - 1与矿井压 风系统连接；空心螺旋钻杆8的一端与供风切换装置7的另一端连接，其另一 端经过夹持器6伸出与两级组合钻头9配合连接；参见图4，两级组合钻头9的第一级的外面设有第一螺旋片10,第二级的 外面设有第二螺旋片11;第一螺旋片IO的尾端与第二螺旋片ll的首端对应；参见图2，空心螺旋钻杆8的外面设有第三螺旋片12，第三螺旋片12的首 端与两级组合钻头9上的第二螺旋片11的尾端对应；
参见图3,空心螺旋钻杆8由多节前后连接组成，每节空心螺旋钻杆的后端部上设有两个插孔8-1，后端部内设有密封套13;每节空心螺旋钻杆的前端部上设有两个插槽8-2,前端设有密封團14; 一节空心螺旋钻杆的前端与另一节空心螺旋钻杆后端的内壁配合， 一节空心螺旋钻杆前端上的密封图与另一节空心螺旋钻杆后端部内的密封套配合， 一节空心螺旋钻杆前端部上的两个插槽与另一节空心螺旋钻軒后端部上的两个插孔对应；"U"型卡15穿it^"应的两个插槽和两个插孔连接两节空心螺旋钻杆.本发明所述的井下煤层压风螺旋钻进机具钻孔的方法，包括以下步骤第一步，定位安装钻孔设备固定泵站l、操作台2和机架3，移动装置4 安装在机架轨道的一端上，动力头5安装在移动装置上，夹持器6安装在机架 的另一端上，夹持器6、动力头5和移动装置4分别通过油管经操作台与泵站连 接；动力头3与供风切换装置7的一端配合连接，供风切换装置的压风输入口 7 -l与矿井压风系统连接；第二步，安装空心螺旋钻杆和两级组合钻头板动操纵台2上的操作手柄 使动力头5滑动至机架3的后端，*》开夹持器6的卡瓦，将空心螺旋钻杆的后 端接在供风切换装置上，将两级组合钻头9连接在空心螺旋钻杆8的前端上；第三步，修平煤岩开出钻孔打开矿井压风系统的供风阀门给供风切换装 置7供风，风压控制在0.2Mpa，扳动操纵台2上的操作手柄，驱动动力头转动 速度控制在80—100r/min之间，并控制移动装置4緩慢推进空心螺旋钻杆8及 与其连接的两级组合钻头9，修平开孔处的煤岩，使两级组合钻头与煤岩接触， 平稳钻进；第四步，压风高速钻孔调整动力头的回转速度，使动力头的回转速度大 于180—650r/min,并控制移动装置4使钻i^il度保持在0. 5—lm/min之间， 供风压力保持在0. 2 ~ 0. 75MPa之间，供风流量保持在3 ~ 9m7min之间，匀速 钻进，直至达到预定钻进深度。动力头的回转速度控制在250r/min最为适宜， 转速低于180r/min，容易卡钻；转速太高，钻头发热严重，容易损坏。供风压 力根据钻进的深度和钻头的转速进行调节，既要保证顺利排渣，又要保证钻头 得到充分的冷却。随着钻进深度的增加，需要逐步加长空心螺旋钻杆；这时操作操纵台上的操作手柄，先停止推进，再停止旋转，关闭供风切换装置的供风阀门；夹持器夹紧钻杆，取下钻杆与供风切换装置之间的连接销；操作正常进退手柄,使供风切换装置与空心螺旋钻杆脱离；操纵快速进退手把到快退位置，使动力头快速退到机架的后端；将要加接的空心螺旋钻杆接在前一节空心螺旋钻杆上，用"U"连接销连接好，然后松开卡盘，把供风切换装置与钻杆用连接销连接好，操作卡盘手把，夹紧供风切换装置；操作夹持器手把，松开夹持器，即完成空心螺旋钻杆加长；打开供风切换装置的供风阀门向钻孔中供风，待风从钻孔中返回后再进行正常钻进，直至达到预定钻进深度。第五步，达到钻孔深度，拆除机具关闭供风切换装置的供风阀门，操作夹持器手柄，夹紧供风切换装置前的第二节空心螺旋钻杆，取下供风切换装置 与空心螺旋钻杆的连接销，然后操作正常进退手把于后退位，使供风切换装置 与空心螺旋钻杆脱离；再取下两节空心螺旋钻杆之间的"U"形连接销，取下一 节空心螺旋钻杆；操作进退手柄，使动力头前进到空心螺旋钻杆的接头位置， 用连接销连接供风切换装置和空心螺旋钻杆；操作夹持器手柄松开夹持器，操 作旋转手柄使动力头后退到适当位置时停止旋转；操作夹持器手柄，使夹持器 夹紧钻杆，再按以上所述卸空心螺旋钻杆的方式进行操作，直到卸完全部钻空 心螺旋杆和两级组合钻头。
权利要求
1、井下煤层压风螺旋钻进机具，包括泵站(1)、操作台(2)、机架(3)、设在机架轨道一端上的移动装置(4)、设在移动装置上的动力头(5)、设在机架另一端上的夹持器(6)，夹持器(6)、动力头(5)和移动装置(4)分别通过油管经操作台与泵站连接，其特征在于一供风切换装置(7)，其一端与动力头(3)配合连接，其压风输入口(7-1)与矿井压风系统连接；一空心螺旋钻杆(8)，其一端与供风切换装置(7)的另一端连接，其另一端经过夹持器(5)伸出；一两级组合钻头(9)，与空心螺旋钻杆(8)的另一端配合连接。
2、 根据权利要求1所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，其特征在于两级 组合钻头(9)的第一级的外面设有第一螺旋片(10)、第二级的外面设有第二 螺旋片(11);第一螺旋片(10)的尾端与第二螺旋片(11)的首端对应。
3、 根据权利要求1或2所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，其特征在于 空心螺旋钻杆(8)的外面设有第三螺旋片(12)，第三螺旋片(12)的首端与 两级组合钻头(9)上的第二螺旋片(11)的尾端对应。
4、 根据权利要求l一3任一所述的井下煤层压风螺旋钻进机具，其特征在 于空心螺旋钻杆(8)由多节前后连接组成；每节空心螺旋钻杆的后端部上设 有两个插孔(8-l)，后端部内设有密封套(13);每节空心螺旋钻杆的前端部 上设有两个插槽(8-2)，前端设有密封團(14); 一节空心螺旋钻杆的前端与 另一节空心螺旋钻杆后端的内壁配合， 一节空心螺旋钻杆前端上的密封圏与另 一节空心螺旋钻杆后端部内的密封套配合， 一节空心螺旋钻杆前端部上的两个 插槽与另一节空心螺旋钻杆后端部上的两个插孔对应；"U"型卡(15)穿过对 应的两个插槽和两个插孔连接两节空心螺旋钻杆。
5、使用井下煤层压风螺旋钻进机具钻孔的方法，包括以下步骤 第一步，定位安装钻孔设备固定泵站(1)、操作台(2)和机架(3)， 移动装置(4)安^机架轨道的一端上，动力头(5)安^移动装置上，夹 持器(6)安装在机的架另一端上的夹持器，夹持器(6)、动力头(5)和移动 装置(4)分別通过油管经操作台与泵站连接；动力头(3)与供风切换装置(7) 的一端配合连接，供风切换装置的压风输入口 (7-1)与矿井压风系统连接；第二步，安装空心螺旋钻杆和两级组合钻头通过操作操纵台(2)上的操 作柄使动力头(5)滑动至机架(3)的后端，松开夹持器(6)的卡瓦，将空心 螺旋钻杆的后端接在供风切换装置上，再将两级组合钻头(9)连接在空心螺旋 钻杆(8)的前端上；第三步，修平煤岩开出钻孔打开矿井压风系统的供风阀n给供风切换装置(7)供风，风压控制在O. 2Mpa，扳动操纵台(2)上的操作手柄，驱动动力 头转动速度控制在80—100r/inhi之间，并控制移动装置(4)緩慢推进空心螺 旋钻杆(8)及与其连接的两级组合钻头(9)，修平开孔处的煤岩，使两级组 合钻头与煤岩接触平稳；第四步，压风高速钻孔调整动力头的回转速度，使动力头的回转速度控 制在180—650r/min之间，并控制移动装置(4 )使钻进速度保持在0. 5—lm/min 之间，供风压力保持在0. 2 ~ 0. 75MPa之间，匀速钻进，在钻进过程需逐步加长 空心螺旋钻杆，直至达到预定钻进深度。第五步，达到钻孔深度，拆除机具关闭供风切换装置的供风阀门，操作 夹持器手柄，夹紧供风切换装置前的第二节空心螺旋钻杆，取下供风切换装置 与空心螺旋钻扞的连接销，然后操作正常进退手柄于后退位，使供风切换装置 与空心螺旋钻杆脱离；再取下两节空心螺旋钻杆之间的"U"形连接销，取下一 节空心螺旋钻杆，直到卸完全部选拔钻杆和两级组合钻头。
全文摘要
本发明涉及井下煤层压风螺旋钻进机具，包括泵站、操作台、机架、移动装置、设在移动装置上的动力头，其特征在于一供风切换装置，其一端与动力头配合连接，其压风输入口与矿井压风系统连接；一空心螺旋钻杆，其一端与供风切换装置的另一端连接，其另一端经过夹持器伸出；一两级组合钻头，与空心螺旋钻杆的另一端配合连接。使用该钻孔时，动力头的回转速度控制180-650r/min之间，并控制移动装置使钻进速度保持在0.5-1m/min，供风压力保持在0.2～0.75MPa之间，匀速钻进。有效地提高了松软煤层的钻孔成孔深度和成孔率，并提高了成孔速度和瓦斯抽放效果，保障矿井的安全生产。
文档编号E21B17/22GK101131091SQ20071009248
公开日2008年2月27日 申请日期2007年7月26日 优先权日2007年7月26日
发明者孙东玲, 军 张, 林府进, 梁运培, 聪 欧, 苗法田, 董钢锋, 恒 郭 申请人:煤炭科学研究总院重庆分院