本发明属于软弱煤岩层钻探工程技术领域，具体涉及一种逐级强化软煤岩强度钻进方法及钻具。
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，本发明提出逐级强化软煤岩强度钻进方法并发明与之配套的逐级强化软煤岩强度钻具。根据施工地点煤岩层地质条件，基于逐级强化软煤岩强度钻进方法并确定逐级强化软煤岩强度钻具的结构设计形式，应用煤岩逐级强化钻头、煤岩钻头组合形成的新型逐级强化软煤岩强度钻具施工钻孔，在钻进过程中逐级提高软弱煤岩体的强度，使煤岩体强化更为稳定、均匀，有利于提升软弱煤岩体的强化效果，从而更为有效改善钻孔孔壁的稳定性，从而减少了钻孔塌孔的概率，实现软煤岩“先逐级强化-后钻进”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逐级强化软煤岩强度钻进方法及钻具，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：逐级强化软煤岩强度钻进方法，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确定煤岩体强化级数n、分级强化长度ln、分级强化比dq-n；强化级数n为煤岩强化钻头结构沿钻孔轴向分段数量，每一段长度为分级强化长度ln（n=1，2，…，n）；分级强化比dq-n（n=1，2，…，n）为煤岩强化钻头分级强化长度ln最大直径dn（n=1，2，…，n）与安装在钻杆前端的煤岩钻头直径d的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩体强化级数n为3～10级、强化长度ln为5mm～150mm、分级强化比dq-n设计为0.3～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩体强化级数n为2～8级、强化长度ln为5mm～200mm、分级强化比dq-n设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩体强化级数n为1～6级、强化长度ln为10mm～500mm、分级强化比dq-n设计为0.1～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩体强化级数n为1～4级、强化长度ln为10mm～500mm、分级强化比dq-n设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩钻头旋转速度νc；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩钻头旋转速度νc设计为120r/min～280r/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩钻头旋转速度νc设计为100r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩钻头旋转速度νc设计为70r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩钻头旋转速度νc设计为60r/min～190r/min；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度νd；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.4m/min；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.6m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.6m/min～1m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1.2m/min；
⑤.空气动力排渣时，根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定供风风量qa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为12m3/min～20m3/min，供风压力为0.8mpa～1.5mpa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为10m3/min～18m3/min，供风压力为0.8mpa～1.4mpa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为10m3/min～18m3/min，供风压力为0.8mpa～1.3mpa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为8m3/min～16m3/min，供风压力为0.7mpa～1.2mpa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为8m3/min～16m3/min，供风压力为0.7mpa～1.1mpa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为7m3/min～14m3/min，供风压力为0.6mpa～1mpa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为6m3/min～14m3/min，供风压力为0.6mpa～1mpa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为5m3/min～12m3/min，供风压力为0.6mpa～0.8mpa；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装逐级强化软煤岩强度钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩逐级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、瓦斯压力p，基于煤岩坚固性系数f确定煤岩体强化级数n、分级强化长度ln、分级强化比dq-n、煤岩钻头旋转速度νc，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度νd、供风风量qa，并确定逐级强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。
逐级强化软煤岩强度钻具，采用逐级强化软煤岩强度钻进方法进行结构设计，包括煤岩逐级强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆，所述煤岩逐级强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头、钻杆同轴，煤岩逐级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。
所述的煤岩逐级强化钻头由逐级强化体、强化接头组成，逐级强化体根据逐级强化软煤岩强度钻进方法设计为不同的级数，逐级强化体表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起和/或螺旋凹槽和/或螺旋凸起，强化接头用于与旋转密封接头连接。
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。
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“先逐级强化-后钻进”的钻进方法，通过钻头结构的创新，形成逐级强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头组合的新型强化软煤岩强度钻具。应用逐级强化软煤岩强度钻具施工钻孔，在钻进过程中，安装在前端的逐级煤岩强化钻头逐级挤压软弱煤岩体，提高了钻孔周边软弱煤岩体的强度，由于逐级强化钻头的前端到后端挤压直径进行分段设计，软弱煤岩体得到分段逐级强化，提升了软弱煤岩体的强化效果，从而更为有效改善钻孔孔壁的稳定性，有利于预防钻孔塌孔，从而提高软煤岩钻孔深度和钻进效率。
附图说明
图1是本发明实施例一逐级强化软煤岩强度钻具的结构示意图；
图2是本发明实施例一逐级煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的剖视图；
图3是图2的左视图；
图4是图2的三维视图；
图5是钻孔分级强化原理图；
图6是强化软煤岩强度钻具施工钻孔原理图；
图7是本发明实施例二逐级煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的前视图；
图8是图7的三维视图；
图9是本发明实施例三逐级煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的前视图；
图10是图9的三维视图；
图11是本发明实施例四逐级煤岩强化钻头、旋转密封接头、煤岩钻头连接结构的前视图；
图12是图11的三维视图。
具体实施方式
实施例一：逐级强化软煤岩强度钻进方法，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确定煤岩体强化级数n、分级强化长度ln、分级强化比dq-n；强化级数n为煤岩强化钻头结构沿钻孔轴向分段数量，每一段长度为分级强化长度ln（n=1，2，…，n）；分级强化比dq-n（n=1，2，…，n）为煤岩强化钻头分级强化长度ln最大直径dn（n=1，2，…，n）与安装在钻杆前端的煤岩钻头直径d的比值；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩体强化级数n为3～10级、强化长度ln为5mm～150mm、分级强化比dq-n设计为0.3～1；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩体强化级数n为2～8级、强化长度ln为5mm～200mm、分级强化比dq-n设计为0.3～0.8；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩体强化级数n为1～6级、强化长度ln为10mm～500mm、分级强化比dq-n设计为0.1～0.5；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩体强化级数n为1～4级、强化长度ln为10mm～500mm、分级强化比dq-n设计为0～0.3；
③.根据施工地点煤岩坚固性系数f确定煤岩钻头旋转速度νc；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3时，煤岩钻头旋转速度νc设计为120r/min～280r/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5时，煤岩钻头旋转速度νc设计为100r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8时，煤岩钻头旋转速度νc设计为70r/min～240r/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2时，煤岩钻头旋转速度νc设计为60r/min～190r/min；
④.根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度νd；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.4m/min；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.2m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.6m/min；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.4m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.6m/min～0.8m/min；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.6m/min～1m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1m/min；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，钻进速度νd设计为0.8m/min～1.2m/min；
⑤.空气动力排渣时，根据施工地点煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定供风风量qa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为12m3/min～20m3/min，供风压力为0.8mpa～1.5mpa；当煤岩坚固性系数0＜f≤0.3、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为10m3/min～18m3/min，供风压力为0.8mpa～1.4mpa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为10m3/min～18m3/min，供风压力为0.8mpa～1.3mpa；当煤岩坚固性系数0.3＜f≤0.5、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为8m3/min～16m3/min，供风压力为0.7mpa～1.2mpa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为8m3/min～16m3/min，供风压力为0.7mpa～1.1mpa；当煤岩坚固性系数0.5＜f≤0.8、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为7m3/min～14m3/min，供风压力为0.6mpa～1mpa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p≥0.74mpa时，供风风量qa设计为6m3/min～14m3/min，供风压力为0.6mpa～1mpa；当煤岩坚固性系数0.8＜f≤1.2、瓦斯压力p<0.74mpa时，供风风量qa设计为5m3/min～12m3/min，供风压力为0.6mpa～0.8mpa；
⑥.将钻杆安装在钻机上，安装逐级强化软煤岩强度钻具，调整好施工角度，启动钻机，增大钻机给进力，将煤岩逐级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、瓦斯压力p，基于煤岩坚固性系数f确定煤岩体强化级数n、分级强化长度ln、分级强化比dq-n、煤岩钻头旋转速度νc，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度νd、供风风量qa，并确定逐级强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。
如图1～图4所示，逐级强化软煤岩强度钻具，采用逐级强化软煤岩强度钻进方法进行结构设计，本实施案例钻具设计为三级强化，包括煤岩逐级强化钻头1、旋转密封接头2、煤岩钻头3、钻杆4，所述煤岩逐级强化钻头1、旋转密封接头2、煤岩钻头3、钻杆4同轴，煤岩逐级强化钻头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4与煤岩钻头3连接。煤岩逐级强化钻头1由逐级强化体11、强化接头12组成，逐级强化体11根据逐级强化软煤岩强度钻进方法设计为不同的级数，逐级强化体表面设置为光滑和/或凹槽和/或凸起，强化接头12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与煤岩逐级强化钻头1的强化接头12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；煤岩强化钻头通过前接头21与旋转体22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，测定施工地点煤层瓦斯压力p。基于煤岩坚固性系数f确定煤岩体强化级数n、分级强化长度ln、分级强化比dq-n、煤岩钻头旋转速度νc，基于煤岩坚固性系数f、瓦斯压力p确定钻进速度νd、供风风量qa，并确定逐级强化软煤岩强度钻具的结构设计形式。如图5所示，煤岩体强化级数为3级，分级强化长度分别为l1、l2、l3，分级强化比dq-1=d1/d，dq-2=d2/d，dq-3=d3/d，强化比分级逐渐增大，使煤岩体强化更为稳定、均匀，有利于提升软弱煤岩体的强化效果，从而更为有效改善钻孔孔壁的稳定性，有利于预防钻孔塌孔。
如图6所示，将钻孔施工分为挤压强化煤岩成孔区和钻头切削煤岩成孔区。挤压强化煤岩成孔区：钻进过程中，煤岩逐级强化钻头1依靠钻机推进力压入煤岩体，由于煤岩逐级强化钻头1与煤岩体之间的摩擦力，依靠旋转密封接头2，保证了煤岩逐级强化钻头1不旋转或旋转速度νq≤5r/min，伴随钻孔向前延伸，煤岩逐级强化钻头1不断挤压软弱煤岩体，由于煤岩逐级强化钻头1强化比分级逐渐增大，使煤岩体强化更为稳定、均匀。钻头切削煤岩成孔区：煤岩钻头3安装在煤岩逐级强化钻头1的后端，钻机夹持钻杆4带动煤岩钻头3旋转切削强化后的钻孔，从而减少了钻孔塌孔的概率，实现软煤岩“先逐级强化-后钻进”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。
实施例二：如图7～图8所示，与实施例一不同的在于，煤岩体强化级数为4级，有利于提升逐级强化效果。
实施例三：如图9～图10所示，与实施例一不同的在于，煤岩体强化级数为5级，且逐级强化体11中间段设计为圆柱状，有利于进一步稳定前段的强化效果。
实施例四：如图11～图12所示，与实施例三不同的在于，煤岩体强化级数为6级，且逐级强化体11有两段中间段设计为圆柱状，相比实施例三，其煤岩强化效果更为稳定。