变轨迹钻进方法及装置与流程

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域的改进型钻具，具体涉及一种通过改变钻具轨迹的方式形成支钻孔的方法及装置。

背景技术：

一些煤层的瓦斯含量大，煤层的透气性差，给瓦斯防治工作带来困难，存在煤与瓦斯突出的危险，危险矿工的安全。瓦斯预抽是瓦斯防治的重要措施，但是松软的煤层，透气性差，预抽效果差。目前，我国关于突出煤层钻孔的外孔直径要求不超过120mm，钻孔内部可以进行扩孔，钻孔外小内大的结构有利于形成一层煤墙，如果钻孔内部因瓦斯压力大发生突出事件，煤墙起到保护作用。

有多种关于扩孔的技术手段，例如公开号为CN 101315021 A的发明专利“自动变径扩孔钻具”，记载了一种固定钻头与活动钻头相结合的钻具，其中活动钻头包含内外套装的钻杆和可以径向扩展的刀架，该技术方案依靠活动钻头在旋转过程中产生的离心力而自动展开，达到扩展活动钻头直径进而达到扩孔的目的。众所周知，离心力公式F=m×ω²×r，物体的离心力大小与物体的质量m、角速度ω和旋转半径r有关，钻具在原始钻孔内几乎没有被展开，所以旋转半径r接近于零，活动钻头的质量m为定值，无论角速度ω怎样提高，所形成的离心力都较小，在钻孔内的活动钻头很难依靠自身的离心力而展开。另一方面，由于煤层内部压力较大，煤层被长期高压作用下硬度较高，即使活动钻头被小角度展开后，有限的离心力很难提供足够的钻进压力，需要长时间保持原地高速旋转才能逐渐达到扩孔效果，而且钻杆不能被快速推进，否则活动钻头会自动收缩，所以该方案不具有快速打碎煤孔的效果，效率很低。

在利用钻具对煤层钻孔的过程中，需要在钻杆内注入高压水对煤层内部打压扩孔。公开号为CN 202596582 U的实用新型专利“可变径钻头”虽然对活动钻头设置了定位结构，该专利文献所记载的结构复杂，钻头内部无法实现输水通道，难以达到理想的扩孔效果。而且，该定位结构是采样类似伞状的定位原理，但锁紧件不能完全将活动钻头锁死，否则需要有一个深入钻体内部的开锁动作。所以该方案并不能达到对活动钻头稳定定位的功能。

技术实现要素：

本发明针对现有煤矿瓦斯抽放领域中钻孔形式单一，造成瓦斯抽放不彻底问题，提供一种变轨迹钻进方法及装置，通过改变钻具轨迹的方式形成支钻孔，从而改善瓦斯抽采效果。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种变轨迹钻进方法，包括如下步骤：第一步，利用钻具向煤层内钻孔后取出钻具，形成一个直径为D0深度为L0的主钻孔；第二步，向主钻孔内插入直径为D1的变轨钻管，D1＜D0，该变轨钻管的前方设置有倾斜导向机构；第三步，在变轨钻管内套装有钻杆能够弯曲的锚索钻，所述能够弯曲的锚索钻至少在最前端设置有能够摆动的钻头，且能沿所述倾斜导向机构而改变钻进轨迹；第四步，依据变轨钻管深入主钻孔内的深度L₁、L₂、……、L_n-1、L _n，n为大于或等于1的自然数，L₁＜L₂＜……＜L_n-1＜L0；分别启动所述锚索钻工作，对主钻孔侧壁再根据不同深度进行倾斜钻孔；在任一支钻孔作业时，进行倾斜钻孔形成支钻孔后，向外拉出锚索钻使锚索钻的钻头隐藏于变轨钻管内，再进行下一个支钻孔作业，最终形成多层支钻孔。每层支钻孔的数量为3～4个，相邻支钻孔层间距为0.5～2m。

一种变轨迹钻进装置，包括钻具，钻具包括变轨钻管和锚索钻，所述变轨钻管的前方设置有倾斜导向机构，所述锚索钻套装于变轨钻管内，所述锚索钻的钻杆至少在最前端设置有能够摆动的钻头，且能够摆动的钻头能沿所述倾斜导向机构而改变钻进轨迹。

所述倾斜导向机构是在变轨钻管的最前端一侧设置有倾斜侧口，倾斜侧口中心线与变轨钻管的轴心线存在夹角α。所述夹角α的范围内为25°～60°。

所述倾斜导向机构是在变轨钻管的最前端固定有导向架，导向架包括一个倾斜导向板，该倾斜导向板与变轨钻管的轴心线存在夹角β。所述倾斜导向板的倾角能够调节。所述夹角β的范围内为25°～60°。

所述锚索钻的钻杆是有多段短钻杆通过万向节连接在一起。钻头与最前端的一个短钻杆固定连接。或者，所述锚索钻的钻杆是有刚性软管组成。

所述锚索钻的钻杆是有刚性软管组成。倾斜导向板与变轨钻管末端之间连接有弹簧；弹簧套装在导向杆上，导向杆与变轨钻管能够伸缩滑动。

有益效果：本发明在主钻孔的基础上，又通过合理的变轨迹装置进行再钻孔，最终形成以主钻孔为中心，侧钻孔为半径的钻孔区域，可以松动煤体，引流瓦斯，增加钻孔内瓦斯抽采量，从而提高煤层中瓦斯抽采效果。

本发明通过对变轨钻管前端设置导向机构，利用能够转向的锚杆钻与变轨钻管及导向机构配合，实现导向钻进工作。变轨钻管能够引导锚杆钻在主钻孔内不同深度停留和导向，形成多层具有发散状的许多支钻孔，各支钻孔汇聚于主钻孔，形成大范围的钻孔区域。本发明可以明显提高瓦斯抽采效果，非常适合推广实施。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是第一种变轨迹钻进装置剖面示意图

图3是第二种变轨迹钻进装置剖面示意图

图4是作业后形成钻孔示意图

图中，标号1为变轨钻管，2为钻管端部，3为倾斜侧口，4为倾斜导向板，5为导向杆，6为压力弹簧，7为锚索钻，8为钻头，9为万向节，10为主钻孔，11为支钻孔。

具体实施方式

实施例1：一种变轨迹钻进方法，包括如下步骤：第一步，用钻具向煤层内钻入直径为113mm的100m深孔，取出钻具，形成主钻孔10。第二步，向该主钻孔10内插入直径为89mm的变轨钻管1，该变轨钻管1的前方设置有倾斜侧口3，倾斜侧口3的中心线与变轨钻管1的轴心线存在夹角α，夹角α取45°。第三步，在变轨钻管1内套装有能够弯曲的锚索钻7，所述锚索钻7最前端设置有能够摆动的钻头且能沿所述倾斜导向机构而改变钻进轨迹；第四步，依据变轨钻管1深入主钻孔10的不同深度，分别启动所述锚索钻7工作，对主钻孔10侧壁再进行倾斜钻孔，形成支钻孔11。侧方钻孔长0.5m，在主钻孔10周围分布，同一平面内，对称三个侧方钻孔，平面间距0.5m。最终形成以主钻孔10为中心，侧钻孔为半径的钻孔区域，可以松动煤体，引流瓦斯，增加钻孔内瓦斯抽采量，从而提高煤层中瓦斯抽采效果。

在任一支钻孔11作业时，进行倾斜钻孔形成支钻孔11后，向外拉出锚索钻7使锚索钻7的钻头隐藏于变轨钻管1内，再进行下一个支钻孔11作业，最终形成多层支钻孔11。

实施例2：一种变轨迹钻进装置，参见图1和图2，包括变轨钻管1和锚索钻7，变轨钻管1的前方设置有倾斜导向机构，所述锚索钻7套装于变轨钻管1内。锚索钻7的钻杆是有多段短钻杆通过万向节连接在一起，锚索钻7的钻杆设置有能够摆动的钻头，且能够摆动的钻头能沿所述倾斜导向机构而改变钻进轨迹。

倾斜导向机构是在变轨钻管1的最前端一侧设置有倾斜侧口3，倾斜侧口3中心线与变轨钻管1的轴心线存在夹角α。夹角α的范围内为25°～60°。

实施例3：在实施例2基础上，将锚索钻7的钻杆是有刚性软管组成。

实施例4：倾斜导向机构做出改变。倾斜导向机构是在变轨钻管1的最前端固定有导向架，导向架包括一个倾斜导向板4，该倾斜导向板4与变轨钻管1的轴心线存在夹角β。

实施例5：在实施例2基础上，倾斜导向机构做出改变。倾斜导向机构是在变轨钻管1的最前端固定有导向架，导向架包括一个倾斜导向板4，该倾斜导向板4与变轨钻管1的轴心线存在夹角β。

所述倾斜导向板4的倾角能够调节。锚索钻7的钻杆在最前端设置有能够摆动的钻头，且能够摆动的钻头能沿所述倾斜导向机构而改变钻进轨迹。

参见图3，倾斜导向板4与变轨钻管1末端之间连接有压力弹簧6；压力弹簧6套装在导向杆5上，导向杆5与变轨钻管1能够伸缩滑动。