一种水力联合机械修孔装置及方法

本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种水力联合机械修孔装置及方法。

背景技术：

煤层气（瓦斯）的高效抽采不仅能够促进我国能源战略的顺利实施，而且能够降低温室气体排放，对我国生态文明建设具有至关重要的作用。但我国赋存条件复杂，多为松软低透煤层，瓦斯抽采过程中经常出现塌孔、堵孔现象，且随着开采深度的不断增加，这一现象日益加剧，导致瓦斯抽采率低，严重制约了我国能源战略的实施和生态文明建设。保障瓦斯流动通道的通畅，提高钻孔利用率是提高瓦斯抽采率的有效方法。对塌孔、堵孔钻孔进行修复，清除钻孔内煤渣，是简便易行且经济高效的技术手段。

常用的钻孔修复方法是用钻机进行重新钻孔，这种方法耗时、成本高，且实际参数与原钻孔参数相差较大，易串孔，增大了瓦斯抽采难度。近年来国内学者采用自驱钻头修孔，经济高效。此外，采用负压吸出钻孔中煤渣、岩屑，该方法仅适用于颗粒较小的煤渣，无法排出塌孔造成的大块煤渣、岩块及煤泥。如何清除钻孔中岩屑、煤渣，恢复钻孔抽采能力，是保证钻孔高效使用、瓦斯高效抽采的重要前提。针对这一问题，近年来有国内学者采用水射流自驱钻头修孔，如申请号为cn201410827235.8和申请号为cn201420843765.7，是均利用水压自驱钻头装置排渣，恢复钻孔抽采能力，其自驱钻头装置前部设置多个正向喷嘴，用于破煤清渣，后部设置多个喷嘴，形成射流提供动力。但随着抽采钻孔长度增长，管道自重增加，导致阻力增大，自驱钻头无法提供足够动力到达钻孔深部，无法修复长钻孔；降低阻力是自驱钻头修复长钻孔的有效途径，传统自驱钻孔正向喷嘴形成的水射流是阻力的主要组成部分，且压力、流量越高，阻力越大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以修复坍塌煤孔的水力联合机械自驱钻头修孔装置及方法，解决目前低透气性煤层的瓦斯抽采中，煤孔坍塌修复过程中短钻孔资源浪费严重，长钻孔难以修复的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种水力联合机械修孔装置，包括水箱，与水箱相连的高压水泵，所述高压水泵出水端通过连接接头与高压胶管连接，所述高压胶管缠绕于盘管器上，所述高压胶管另一端通过连接接头与旋转钻头连接，所述旋转钻头包括旋转体和位于旋转体前端通过螺纹连接的带切削齿三翼钻头，所述钻头带有三翼切削齿，用于旋转时破煤，提高了破煤效率，一方面可通过抽采管进入钻孔进行破煤修复，无需破坏封孔设施，修复钻孔的同时，又保证了钻孔的完整性；另一方面极大减小阻力的同时又可提供足够动力用于长钻孔修复。

进一步的，所述旋转体包括入口连接螺母，与入口连接螺母右端通过螺纹连接的圆柱形壳体，所述壳体内设有轴芯，所述轴芯两端外侧与壳体之间分别设有一个轴承，所述轴芯与入口连接螺母接触一端还设有旋转密封座，所述轴芯与壳体之间还设有限速组件，限速组件用于降低旋转体的旋转速度。

进一步的，所述限速组件设置于轴芯、壳体以及轴芯两端轴承之间的位置，所述限速组件包括套设于轴芯外端的套筒，位于套筒和轴芯之间的环形重量块，所述环形重量块与轴芯右端的轴承之间设有弹簧。

进一步的，所述带切削齿三翼钻头包括中心钻头，钻头由两端的锥形扇面和位于中间的圆柱弧面组成，所述钻头的前端锥形扇面上沿其圆周方向均匀设有三个翼板，每个翼板前端均设有两个圆形突出的切削齿，所述钻头中心设有一个中心喷嘴，钻头的中间圆柱弧面沿其圆周设有三个均匀分布的反向喷嘴，所述反向喷嘴的喷射方向与中心喷嘴边缘呈切线设置，此设计减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，相比于现有钻头，能够提供更大的推动力。相对于水射流破煤，所述带切削齿三翼钻头可以高效的将坍塌煤块破坏成更小的煤渣排出，使钻孔修复的更加彻底，中间喷嘴形成的射流用于降温，后部设置反向喷嘴，形成射流提供动力、清渣，减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，极大的减小了阻力、提高了动力。

进一步的，所述反向喷嘴的喷射方向与钻头轴线的夹角不小于10°，具体数值可以根据需要提供的推力计算；反向喷嘴与钻头法线的夹角可根据修复钻孔所需的扭矩计算。喷嘴的布置角度可以根据不同的钻孔条件进行设计，使装置适用性增加，所述翼板为不规则形状的多边体，所述翼板的顶面投影为矩形和三角形组成的一端带有尖部的多边形，翼板的带有切削齿一端的正投影为直角梯形，翼板侧面投影为上部梯形和下部矩形组成的不规则多边形，且梯形和矩形连接处设有台阶状缺口，所述切削齿设置于缺口处梯形腰线所在的平面。

进一步的，所述钻头内部设有腔体，所述腔体与中心喷嘴、反向喷嘴分别联通，所述入口连接螺母、旋转钻头内均设有喷射腔，喷射腔和腔体用于将水顺利喷出。

进一步的，所述反向喷嘴为三个，三个反向喷嘴之间沿着钻头所在的平面均匀分布，所述盘管器上还设有手闸。

进一步的，所述旋转密封座内设有o形密封圈，轴芯左侧的轴承左侧设有左侧唇密封，轴芯右侧的轴承右侧设有右侧唇密封。

进一步的，所述入口连接螺母上还设有溢流孔，所述溢流孔末端与左侧唇密封板联通，溢流孔外侧设有密封板，可防止污染物进入高压密封座与密封内。

一种利用水力联合机械修孔装置进行水射流自进式旋转修复煤孔的方法，包括以下步骤：

（1）将要修复的坍塌煤孔处的抽采钻孔封孔管接头拆卸；

（2）将旋转钻头置入抽采管内，打开高压胶管盘管器手闸；

（3）开启高压泵并将压力调整到需求值；

（4）旋转钻头后置喷嘴提供前进动力与扭矩，使钻头清理抽采管内煤渣，不断行进，旋转钻头行进至钻孔内部后，钻头不断破煤，水射流将煤渣排出煤孔达到修复坍塌煤孔的目的；

（5）一个煤孔修复结束后，操纵高压胶管盘管器盘起胶管，拉出旋转钻头；

（6）在不同的修孔条件下，选用不同喷嘴参数旋转钻头重复步骤（1）-（5）即可。

本发明反向喷嘴的设置角度会影响推进力及旋转扭矩的大小，因此合适的安装角度对于破煤清孔具有重要意义，本发明中钻头有一个正向中心喷嘴，有三个反向后置喷嘴，此设计减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，相比于现有钻头，能够提供更大的推动力。相对于水射流破煤，所述带切削齿三翼钻头可以高效的将坍塌煤块破坏成更小的煤渣排出，使钻孔修复的更加彻底，三个反向喷嘴角度不同，正向中心喷嘴射流用于降温，反向喷嘴射流提供推进力和扭矩。以单轴抗压强度13mpa，单轴抗剪切强度5mpa煤体为例，理论上水射流为钻头提供的压力应在13mpa及以上，旋转扭矩应为摩擦扭矩和切削扭矩的综合。钻头的摩擦扭矩主要由钻头侧面与孔壁的摩擦扭矩和切削齿与煤体的摩擦扭矩组成，切削扭矩为克服煤体单轴抗剪切强度的扭矩。所述与钻头的直径、切削齿的大小有关，而钻头参数的选取又与煤孔孔径有关。以水平煤孔取直径为51mm，长度为241mm，重5kg的旋转钻头为例，（煤孔与钻头摩擦系数取0.5）其侧面摩擦扭矩t1为0.2413n·m，3个切削齿长3mm、宽2mm，其正面摩擦扭矩与侧面摩擦扭矩合t2为0.0006n·m，切削扭矩t3为0.75n·m，则所需旋转扭矩t为0.9919n·m。压力与旋转扭矩由水射流提供，以水压为25mpa、喷嘴直径为1.1mm为例，设有一个正向前置喷嘴，三个反向后置喷嘴。

n为反向喷嘴数量，d为喷嘴直径，p为水压，l为喷嘴中心距，α为喷嘴与钻头轴线水平垂直方向偏角。

代入以上数值得为73°。

β为反向喷嘴与钻头轴线水平夹角。

由所需13mpa压力可得需78n推进力，加上正向喷嘴水射流造成的47n阻力，可得共需125n推进力，由上式算得为29°。

煤孔孔径影响管径与钻头直径的选取进而影响摩擦扭矩，不同的煤的抗轴压强度与仰俯角影响摩擦阻力进而影响推进力，摩擦扭矩影响喷嘴的α角，摩擦阻力与推进力影响β角，本发明可根据不同条件选用不同钻头，能够适用于不同条件下的煤孔修复。

本发明具有的优点是：

1.本发明以水力联合机械的方式进行煤孔修复，带切削齿三翼钻头前部设置三翼切削齿，用于破煤，提高了破煤效率，并有一个中间喷嘴，形成的射流用于降温，后部设置反向喷嘴，形成射流提供动力、清渣，减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，极大的减小了阻力、提高了动力；

2.本发明可通过抽采管进入钻孔进行破煤修复，无需破坏封孔设施修复钻孔，保证了钻孔的完整性；

3.煤孔孔径影响管径与钻头直径的选取进而影响摩擦扭矩，不同的煤的抗轴压强度与仰俯角影响摩擦阻力进而影响推进力，摩擦扭矩影响喷嘴的α角，摩擦阻力与推进力影响β角，本发明可根据不同条件选用不同钻头，能够适用于不同条件下的煤孔修复；

4.采用本发明，可以有效的修复坍塌煤孔，避免了重新打孔的资源与资金的浪费，并且施工简单，操作简便，可以为施工人员提供一个方便安全的作业环境，并且加快了施工效率，节省了时间，另外，高压水泵可选用井下现有水泵，可根据现有水泵选择钻头类型。

附图说明

图1是本发明的旋转钻头结构示意图。

图2是本发明钻头的切削齿与喷嘴布置示意图。

图3是本发明钻头的反向喷嘴角度示意图。

图4是本发明的钻头修孔示意图。

图5是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

如图所示，一种水力联合机械修孔装置，包括水箱1，与水箱1相连的高压水泵2，所述高压水泵2出水端通过连接接头4与高压胶管3连接，所述高压胶管3缠绕于盘管器5上，所述高压胶管3另一端通过连接接头4与旋转钻头7连接，所述旋转钻头7包括旋转体12和位于旋转体12前端通过螺纹连接的带切削齿三翼钻头21，所述钻头21带有三翼切削齿，用于旋转时破煤，提高了破煤效率，一方面可通过抽采管进入钻孔进行破煤修复，无需破坏封孔设施，修复钻孔的同时，又保证了钻孔的完整性；另一方面极大减小阻力的同时又可提供足够动力用于长钻孔修复；所述旋转体12包括入口连接螺母9，与入口连接螺母9右端通过螺纹连接的圆柱形壳体19，所述壳体19内设有轴芯15，所述轴芯15两端外侧与壳体19之间分别设有一个轴承14，所述轴芯15与入口连接螺母9接触一端还设有旋转密封座13，所述轴芯15与壳体19之间还设有限速组件，限速组件用于降低旋转体的旋转速度；所述限速组件设置于轴芯15、壳体19以及轴芯两端轴承14之间的位置，所述限速组件包括套设于轴芯15外端的套筒17，位于套筒17和轴芯15之间的环形重量块16，所述环形重量块16与轴芯右端的轴承之间设有弹簧18；所述带切削齿三翼钻头包括中心钻头21，钻头21由两端的锥形扇面和位于中间的圆柱弧面组成，所述钻头21的前端锥形扇面上沿其圆周方向均匀设有三个翼板25，每个翼板25前端均设有两个圆形突出的切削齿22，所述钻头21中心设有一个中心喷嘴24，钻头21的中间圆柱弧面沿其圆周设有三个均匀分布的反向喷嘴23，所述反向喷嘴23的喷射方向与中心喷嘴24边缘呈切线设置，此设计减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，相比于现有钻头，能够提供更大的推动力。相对于水射流破煤，所述带切削齿三翼钻头可以高效的将坍塌煤块破坏成更小的煤渣排出，使钻孔修复的更加彻底，中间喷嘴形成的射流用于降温，后部设置反向喷嘴，形成射流提供动力、清渣，减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，极大的减小了阻力、提高了动力，所述反向喷嘴23的喷射方向与钻头轴线的夹角不小于10°，具体数值可以根据需要提供的推力计算；反向喷嘴与钻头法线的夹角可根据修复钻孔所需的扭矩计算。喷嘴的布置角度可以根据不同的钻孔条件进行设计，使装置适用性增加，所述翼板25为不规则形状的多边体，所述翼板25的顶面投影为矩形和三角形组成的一端带有尖部的多边形，翼板25的带有切削齿一端的正投影为直角梯形，翼板25侧面投影为上部梯形和下部矩形组成的不规则多边形，且梯形和矩形连接处设有台阶状缺口，所述切削齿设置于缺口处梯形腰线所在的平面，具体数值可根据需要提供的推力计算；反向喷嘴与钻头法线的夹角可根据修复钻孔所需的扭矩计算,中间喷嘴24形成的射流用于降温，后部设置反向喷嘴，形成射流提供动力、清渣，减少了正向喷嘴的数量，从而降低了正向喷嘴水射流的阻力，极大的减小了阻力、提高了动力；所述钻头21内部设有腔体，所述腔体与中心喷嘴24、反向喷嘴23分别联通，所述入口连接螺母9、旋转钻头7内均设有喷射腔，喷射腔和腔体用于将水顺利喷出；所述反向喷嘴23为三个，三个反向喷嘴23之间沿着钻头所在的平面均匀分布，所述盘管器上还设有手闸6，所述旋转密封座13内设有o形密封圈，保证旋转体旋转过程中密封完好，轴芯左侧的轴承左侧设有左侧唇密封，轴芯右侧的轴承右侧设有右侧唇密封20，用于密封，防止污染物进入，所述入口连接螺母9上还设有溢流孔11，所述溢流孔11末端与左侧唇密封板联通，溢流孔外侧有密封板10密封，可防止污染物进入高压密封座与密封13内。

钻头21和旋转体轴芯15通过螺纹连接，钻头21带有三翼切削齿22，用于旋转时破煤；钻头21有三个反向后置喷嘴23。有一个正向中心喷嘴24，正向中心喷嘴24与钻头轴体成0°夹角，射流用于降温，三个反向喷嘴23在钻头圆周上每120°布置一个，且与钻头轴线水平成一定夹角以提供推进力，与钻头轴线水平垂直方向成一定夹角以提供扭矩，煤孔孔径影响管径与钻头直径的选取进而影响摩擦扭矩，不同的煤的抗轴压强度与仰俯角影响摩擦阻力进而影响推进力，摩擦扭矩影响喷嘴的α角，摩擦阻力与推进力影响β角，本发明可根据不同条件选用不同钻头，能够适用于不同条件下的煤孔修复。

一种利用水力联合机械修孔装置进行水射流自进式旋转修复煤孔的方法，包括以下步骤：

（1）将要修复的坍塌煤孔处的抽采钻孔封孔管接头拆卸，无需破坏封孔设施。

（2）将旋转钻头7置入抽采管8内，打开高压胶管盘管器手闸6。

（3）开启高压水泵2并将压力调整到需求值。

（4）旋转钻头7后置喷嘴23提供前进动力与扭矩，清理抽采管8内煤渣，不断行进。旋转钻头7行进至钻孔内部后，钻头21前部切削齿22破煤，正向中心喷嘴24的水射流可降温，煤渣随着水射流排除孔外。

（5）旋转钻头7不断前进破煤，水流排渣，逐渐修复坍塌煤孔。

（6）坍塌煤孔修复结束后，通过转动高压胶管盘管器手闸6将高压胶管3盘起，拉出旋转钻头7。

（7）在不同的修孔条件，选用不同喷嘴参数旋转钻头重复（1）-（6）。

本发明以水力联合机械方式完成修复煤孔，一方面可通过抽采管进入钻孔进行破煤修复，无需破坏封孔设施，修复钻孔的同时，又保证了钻孔的完整性；另一方面极大减小阻力的同时又可提供足够动力用于长钻孔修复。采用本发明可以避免重新打孔的资源与资金的浪费。施工简单，操作简便，可以为施工人员提供一个方便安全的作业环境，并且加快了施工效率，节省了时间，另外，高压水泵可选用井下现有水泵，可根据现有水泵选择钻头类型。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。