本发明属于软弱煤岩层钻探工程技术领域，具体涉及一种强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具。
背景技术：
目前，软弱煤岩层钻孔施工是钻探工程技术领域一项重大难题。软弱煤岩层钻进过程中，由于钻孔变形量大且易失稳破坏，造成钻进阻力大、排渣困难，致使钻孔深度浅、钻进效率低，同时钻进过程中卡钻、断钻等钻孔事故频发。特别是煤矿井下含瓦斯软煤层钻孔施工，受地应力、瓦斯压力、构造应力等因素作用，钻孔变形、破坏极为严重，钻进阻力大、排渣空间易堵塞，钻进过程中易发生断钻、钻孔瓦斯燃烧等钻进事故。针对软煤岩钻进难题，科研及工程人员开展了大量的研究，发展了系列钻进方法和新型钻具，例如，专利名称为“用于松软煤层钻进封闭式螺旋护孔钻具及其使用方法”（zl201410567089.x）、“用于软煤岩钻进双通道多孔紊流卸压钻具及其施工方法”（zl201310568692.5）、“用于松软突出煤层钻进双层内排渣防堵钻具及其使用方法”（zl201310566830.6）、“突出煤层扒孔降温钻具及其钻进方法”（zl200610111830.7）、“用于瓦斯抽采钻孔施工的低螺旋耐磨钻杆及其加工工艺”（zl200810049974.3）、“非对称异型截面钻杆”（zl200910064223.3）、“异型多棱刻槽钻杆”（zl200910064973.0）都取到了较好的钻进效果，一定程度上推进了我国软煤岩钻探工程技术水平的提高。对于软弱煤岩体的钻孔施工，如果能够提高软弱煤岩体的强度，在钻探过程中，有利于减少或避免塌孔现象，间接降低了钻进阻力，有利于提升钻探效果。目前，国内外科研人员也开展了大量的研究，并提出了一些方法，例如，提出采用保压钻进、固壁液等护壁技术来加固孔壁，减少钻孔坍塌对钻进的影响，但这些技术应用于近水平瓦斯抽采钻孔，实施难度大，护壁效果差。因此，本发明提出强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具。根据施工地点煤岩层地质条件，基于强化软煤岩强度分层切削钻进方法并确定强化软煤岩强度分层切削钻具的结构设计形式，应用煤岩强化钻头、多个煤岩钻头组合形成的新型钻具施工钻孔，通过安装在前端的煤岩强化钻头挤压软弱煤岩体，提高了钻孔周边软弱煤岩体的强度，改善了钻孔孔壁的稳定性，有利于预防钻孔塌孔；通过不同直径的煤岩钻头分层切削剥离被强化过的煤岩体，有利于减少因钻头切削量过大而造成的钻孔孔壁失稳破坏。应用强化软煤岩强度分层切削钻具进行软弱煤岩体的钻孔施工，实现软煤岩“前段强化、后段分层切削”的同步钻进工艺体系，有利于提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具，解决软煤岩钻孔施工易塌孔、钻进难的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：强化软煤岩强度分层切削钻进方法，包括以下步骤：
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；测定施工地点煤层瓦斯压力p；
②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq；钻孔强化比dq为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d1与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d2的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻孔强化比dq设计为0.5～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻孔强化比dq设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻孔强化比dq设计为0～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻孔强化比dq设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数n；切削层数n为煤岩体挤压强化后成孔区煤岩钻头待切削厚度h被切削完成的次数；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为4～15；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～12；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～12；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～10；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～10；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为2～8；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为2～8；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为2～6；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层厚h；切削层厚h为钻头每一层切削的厚度；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为2mm～15mm；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为3mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为3mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为4mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为4mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为5mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为5mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为5mm～20mm；
⑤.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削轴距l；切削轴距l为钻孔连续两次分层切削开始位置之间的轴向距离；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为150mm～800mm；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为120mm～700mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为130mm～750mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为100mm～650mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为110mm～700mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为80mm～600mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为90mm～650mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为50mm～550mm；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装强化软煤岩强度分层切削钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，启动钻机旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩强化钻头不旋转或旋转速度νq≤5r/min；
⑦.根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数n、切削层厚h、切削轴距l，并确定强化软煤岩强度分层切削钻具的结构设计形式。
强化软煤岩强度分层切削钻具，采用强化软煤岩强度分层切削钻进方法进行结构设计，包括煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻头接头、钻杆，其特征在于：所述煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻头接头、钻杆同轴，煤岩强化钻头连接于旋转密封接头的一端，煤岩钻头连接于旋转密封接头的另一端，钻杆与煤岩钻头连接；钻头接头用于连接两个煤岩钻头。
强化软煤岩强度分层切削钻具，所述的煤岩强化钻头由齿尖、强化体、强化接头组成，齿尖、强化体表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起，强化接头用于与旋转密封接头连接。
强化软煤岩强度分层切削钻具，所述的旋转密封接头由前接头、旋转体和后接头组成，前接头与煤岩逐级强化钻头的强化接头连接，后接头与煤岩钻头连接。
强化软煤岩强度分层切削钻具，所述的旋转体由外圈、滚动体、内圈组成；煤岩强化钻头通过前接头与旋转体内圈连接，煤岩钻头与旋转体外圈连接；煤岩强化钻头、煤岩钻头任意一端固定，另一端施加动力能够旋转。
由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：
本发明提出软弱煤岩体“前段强化、后段分层切削”的钻进方法，通过钻头结构的创新，形成煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻头接头组合的新型强化软煤岩强度钻具。钻进过程中，安装在前端的煤岩强化钻头挤压软弱煤岩体，提高了钻孔周边软弱煤岩体的强度，改善了钻孔孔壁的稳定性，有利于预防钻孔塌孔；煤岩强化钻头强化过的煤岩体，通过不同直径的煤岩钻头分层切削剥离被强化过的煤岩体，有利于减少因钻头切削量过大而造成的钻孔孔壁失稳破坏。应用强化软煤岩强度分层切削钻具进行软弱煤岩体的钻孔施工，可有效减少塌孔、喷孔等钻孔动力现象对对钻孔施工的影响，有利于改善软弱煤岩地层的钻进效果。
附图说明
图1是本发明实施例一强化软煤岩强度分层切削钻具的结构示意图；
图2是本发明实施例一煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的剖视图；
图3是图2的三维视图；
图4是钻孔强化软煤岩强度分层切削原理图；
图5是强化软煤岩强度分层切削钻具施工钻孔原理图；
图6是本发明实施例二强化软煤岩强度分层切削钻具的前视图；
图7是本发明实施例三强化软煤岩强度分层切削钻具的前视图。
具体实施方式
实施例一：
如图1～图3所示，本发明的目的是提供一种强化软煤岩强度分层切削钻进方法及钻具，解决软煤岩钻孔施工易塌孔、钻进难的技术问题。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：强化软煤岩强度分层切削钻进方法，包括以下步骤：
①.在待施工地点取煤样或岩样，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f；测定施工地点煤层瓦斯压力p；
②.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq；钻孔强化比dq为安装在煤岩钻头前端的煤岩强化钻头最大旋转直径d1与安装在钻杆前端的煤岩钻头最大旋转直径d2的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，钻孔强化比dq设计为0.5～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，钻孔强化比dq设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，钻孔强化比dq设计为0～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，钻孔强化比dq设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数n；切削层数n为煤岩体挤压强化后成孔区煤岩钻头待切削厚度h被切削完成的次数；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为4～15；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～12；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～12；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～10；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为3～10；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为2～8；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为2～8；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，煤岩钻头切削层数n设计为2～6；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层厚h；切削层厚h为钻头每一层切削的厚度；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为2mm～15mm；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为3mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为3mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为4mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为4mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为5mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，层厚h设计为5mm～15mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，层厚h设计为5mm～20mm；
⑤.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削轴距l；切削轴距l为钻孔连续两次分层切削开始位置之间的轴向距离；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为150mm～800mm；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为120mm～700mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为130mm～750mm；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为100mm～650mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为110mm～700mm；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为80mm～600mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，切削轴距l设计为90mm～650mm；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，切削轴距l设计为50mm～550mm；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装强化软煤岩强度分层切削钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩强化钻头压入煤岩体，当煤岩钻头接触到煤岩壁时，启动钻机旋转开始破煤岩钻进，钻进过程中，煤岩强化钻头不旋转或旋转速度νq≤5r/min；
⑦.根据施工地点煤岩层地质条件，确定钻孔施工直径、钻孔之间间距、钻孔距离顶底板距离、钻孔倾角、方位角，并依据步骤①～⑥，评估施工地点煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数n、切削层厚h、切削轴距l，并确定强化软煤岩强度分层切削钻具的结构设计形式。
强化软煤岩强度分层切削钻具，采用强化软煤岩强度分层切削钻进方法进行结构设计，包括煤岩强化钻头1、旋转密封接头2、煤岩钻头3、钻头接头4、钻杆5，煤岩强化钻头1、旋转密封接头2、煤岩钻头3、钻头接头4、钻杆5同轴，煤岩强化钻头1连接于旋转密封接头2的一端，煤岩钻头3连接于旋转密封接头2的另一端，钻杆5与煤岩钻头3连接；钻头接头4用于连接两个煤岩钻头3。煤岩强化钻头1由齿尖11、强化体12、强化接头13组成，齿尖11、强化体12表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起，强化接头13用于与旋转密封接头2连接。旋转密封接头2由前接头21、旋转体22和后接头23组成，前接头21与煤岩强化钻头1的强化接头13连接，后接头23与煤岩钻头3连接。旋转体22由外圈221、滚动体222、内圈223组成；煤岩强化钻头1通过前接头21与旋转体内圈223连接，煤岩钻头3与旋转体22外圈221连接；煤岩强化钻头1、煤岩钻头3任意一端固定，另一端施加动力能够旋转。
下面介绍一下本发明实施例一强化软煤岩强度分层切削钻具钻进原理：
本发明根据施工地点煤岩层地质条件，通过实验室试验确定煤岩坚固性系数f，基于煤岩坚固性系数f确定钻孔强化比dq，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定煤岩钻头切削层数n、切削层厚h、切削轴距l，并确定强化软煤岩强度分层切削钻具的结构设计形式。如图4所示，钻孔强化比dq=d1/d2，煤岩钻头切削层数为2层，第一层切削层厚度为h1，第二层切削层厚度为h2，切削轴距为l。如图5所示，将钻孔施工分为强化区、1层切削区、2层切削区。强化区：钻进过程中，煤岩强化钻头1依靠钻机推进力压入煤岩体，由于煤岩强化钻头1与煤岩体之间的摩擦力，依靠旋转密封接头2，保证了煤岩强化钻头1不旋转或旋转速度νq≤5r/min，伴随钻孔向前延伸，煤岩强化钻头1不断挤压软弱煤岩体，使钻孔周边软弱煤岩体的稳定性得到提高。1层切削区：如图1所示，直径较小的煤岩钻头31安装在煤岩强化钻头1的后端，钻机夹持钻杆5带动煤岩钻头31旋转切削强化后的1层切削区。2层切削区：如图1所示，直径较大的煤岩钻头32通过钻头接头4安装在煤岩钻头31的后端，钻机夹持钻杆5带动煤岩钻头32旋转切削强化后的2层切削区。将强化后的钻孔进行分层切削施工，有利于减少因钻头切削量过大而造成的钻孔孔壁失稳破坏。应用强化软煤岩强度分层切削钻具进行软弱煤岩体的钻孔施工，可有效减少塌孔、喷孔等钻孔动力现象对对钻孔施工的影响，有利于改善软弱煤岩地层的钻进效果。
实施例二：如图6所示，与实施例一不同的在于，强化软煤岩强度分层切削钻具设计3个不同直径的煤岩钻头3，煤岩钻头切削层数为3层。
实施例二：如图7所示，与实施例一不同的在于，强化软煤岩强度分层切削钻具设计4个不同直径的煤岩钻头3，煤岩钻头切削层数为4层。