煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿井下钻孔技术，具体涉及在低透气煤层瓦斯抽采过程中自进式钻 进树状钻孔时使用的钻具。
【背景技术】
[0002] 我国很多煤层具有低渗透率等特点，常规方法难以对低渗透率的煤层进行有效的 瓦斯抽采，如何增加煤层透气性是解决低透气性煤层瓦斯抽采难题的关键。
[0003] 水力化技术作为一种有效的储层增透技术，为解决煤层低渗问题提供了可行的方 法，是增加煤层渗透率的有效途径。水力化技术是以高压水作为动力，使储层内原生裂隙扩 大延伸或者人为形成新的孔洞、槽缝、裂隙等，促使岩体产生位移，达到储层卸压增渗的目 的，如水射流割缝（或扩孔、钻孔）、水力压裂等。水力喷射树状钻孔煤层增透技术作为一种 新型的水力化增透技术，以高压水为动力，使自进式钻头先在岩层母孔中前进，在到达煤层 预定位置后，通过导向器导向，从而钻凿出垂直的树状子孔，以达到使煤层增透的效果。水 力喷射树状钻孔煤层增透技术是高效、安全的瓦斯预抽方式，具有缩短钻孔总长度，进而节 约钻孔成本缩短钻孔时间；实现低渗透率煤层的均匀增透；钻孔不会产生火花与煤尘，增 加工作的安全性，改善工作环境等优点。
[0004] 目前用于煤矿井下水力喷射树状钻孔的钻具是分开独立的。由于要实现高压软 管在导向器内的转向，母孔必须满足一定的直径要求，因此，在使用普通钻头钻进钻完母孔 后，需要用扩孔钻头进行扩孔。煤矿现有扩孔钻头虽然可以钻出满足要求的孔，但由于钻孔 与导向器的送入是单独进行的，往往会花费许多时间、增加工作量，并且，母孔在导向器下 放过程中也可能存在塌孔的情况。
[0005] 另外，现在的导向器对导向轨道设计不合理，一是通常只有一个曲率，高压软管转 弯时较为困难；二是未对转向导向轨道宽度做出合理设计，存在导向孔过小使高压软管钻 头卡住，过大则不能起到实际约束作用的问题。此外，现在的导向器对钻进树状钻孔时的排 渣问题考虑不足，导向器环空小，不能顺利排渣，从而影响钻头的顺利前进。
[0006] 还有，煤矿井下水力喷射树状钻孔需要自进式钻头，且自进式钻头需要与导向器 配合，现在的钻头存在以下问题：1)钻头或喷嘴结构复杂，尺寸大，转向能力差，寿命短；2) 长距离钻孔时水射流破岩钻进效率低；3)所钻孔眼尺寸小，易卡钻头，且排渣困难；4)旋 转射流钻头由于旋转射流中心能量低，破岩效果差，容易在钻孔中心形成凸台，阻碍钻头推 进；5)钻头产生的自进力小，孔眼轨迹不易控制，容易钻偏孔。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种煤矿井下水力喷射树 状钻孔组合钻具，其将钻杆、导向器、钻头、高压软管、自进式钻头以及刻度盘进行合理组 合，并优化了钻杆结构，减小了高压软管通过的阻力；优化了导向器结构，使导向器能够与 钻头配合使用；优化了钻头结构，提高钻进效率；选取了合适的高压软管，优化了高压软管 前端自进式钻头的结构；设计了刻度盘，使树状钻孔能够均匀分布。
[0008] 本发明的技术解决方案如下：
[0009] 煤矿井下水力喷射树状钻孔组合钻具包括钻杆、导向器、钻头、高压软管、导向刻 度盘以及自进式钻头。
[0010] 其中，钻杆、导向器和钻头依次连接，在扩孔时配合使用。高压软管、自进式钻头和 刻度盘在钻进树状钻孔时使用，在钻杆与钻机前端连接的卡盘上安装有转向刻度盘，刻度 盘一端固定在钻杆上且随钻杆转动，另一端固定在钻机卡盘上，导向器的转动角度通过刻 度盘控制，自进式钻头连接在高压软管前端，钻进树状钻孔时经由钻杆并通过导向器导向， 依靠喷嘴射流产生自进力钻出树状孔。
[0011] 所述钻杆直径大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻杆的直径大小一致，其外径为 73mm，内径50mm ;钻杆前后螺纹均按照国家标准设计，便于连接；钻杆内部为光滑的通孔， 高压软管能顺利通过。
[0012] 所述导向器的直径大小为100-150mm。导向器上端为具有内螺纹的钻杆连接部， 下端为具有外螺纹的钻头连接部，两个连接部都有上下贯通的通孔。导向器内有双曲率转 弯导向轨道，其宽度为高压软管前端喷嘴宽度的2倍，范围在20-50mm之间，转弯半径为 75-150mm，属超短半径径向水平井导向器。
[0013] 所述导向轨道的进口方向和出口方向的轨道轴线相互垂直，即从轴向进、径向出， 整个导向轨道从进口到出口依次包括轴向直管段、第一圆弧段、斜管段和第二圆弧段。
[0014] 所述轴向直管段其长度为30-50mm，钻杆连接部的通孔通过一斜向的收缩段过渡 到该轴向直管段。
[0015] 所述第一圆弧段的圆弧弧度a = 10° -30°，直径75-150mm。
[0016] 所述斜管段与两圆弧段相切，连接第一圆弧段和第二圆弧段。
[0017] 所述第二圆弧段的圆弧弧度b = a+90°，直径75-130mm ;在第二圆弧段的底部分 布有细孔，且使导向器轨道的高压水流能够通过细孔经连接部分的通孔到达钻头；第二圆 弧段的末端是导向轨道出口位置，安装有空心螺环，在使用组合钻具进行扩孔时，圆形水泥 块固定在空心螺环上，封住导向轨道出口。
[0018] 所述导向轨道的壁上设有四个滚轮，滚轮半径大小为4-5mm，突出于轨道壁约 2mm;且在第一圆弧段上布置一个滚轮、在第二圆弧段上布置三个滚轮。
[0019] 所述钻头大小与煤矿井下瓦斯抽采常用钻头大小一致，钻螺纹为标准螺纹，便于 与导向器连接；钻头内部有与导向器连接部分连通的流道，使水流能够通过导向器后再通 过钻头，以便进行排渣，钻头内流道由上向下逐渐缩小，并在中间位置有一段增大的空间， 形成空化结构，能够使用于排渣的水流兼具辅助破岩的效果，提升破岩效率；钻孔产生的煤 渣从钻头环空排出。
[0020] 所述自进式钻头连接在高压软管前端。自进式钻头包括钻头体和钻头体上的中心 自激振荡喷嘴、边喷嘴、中部喷嘴和后部喷嘴，钻头体具有前部平台和内部空腔。所述钻头 体前部为球形，球形前端面为一平台，在平台中心即自进式钻头轴线上设置中心自激振荡 喷嘴，在平台上围绕中心自激振荡喷嘴四周均匀布置具有张角a和偏角0的边喷嘴；钻头 体中部均匀分布有在横截面中具有偏向角0的中部喷嘴，横截面是指过中部喷嘴的轴线 且与钻头轴线垂直的平面；钻头体后端为开口端，设有内螺纹用于连接高压软管，其侧壁上 均匀布置有与钻头体轴线呈锥角〇的后部喷嘴，钻头体的内部空腔为前段圆锥形和后段 圆柱形的组合空腔，圆锥形段的锥度为中。本自进式钻头的中心自激振荡喷嘴和边喷嘴能够 破碎煤岩体；中部喷嘴能够在自进式钻头钻进过程中向钻孔垂直喷射高速射流，使自进式 钻头与钻孔壁保持一定距离，达到对钻头扶正的效果，避免钻偏；后部喷嘴能够为自进式钻 头前进提供一定的反推力，并在钻进树状钻孔时带动高压软管一起穿过钻杆和导向器，并 破碎导向器出口处的圆形水泥块，最终进行树状钻孔钻进。导向器的转动角度通过刻度盘 来控制，钻杆转动时带动导向器一起转动，刻度盘则能够显示钻杆转动角度，从而得到导向 器的转动角度，为树状钻孔的均匀分布提供保证。
[0021] 采用本发明所述的组合钻具，在低位巷向煤层预先使用普通钻头钻孔，成孔后使 用本发明所述钻具进行扩孔，形成自进式水力喷射树状钻孔的母孔，再利用高压软管和自 进式钻头在煤层预定位置钻进煤层树状钻孔，实现煤层的均匀增透。
[0022] 本发明具有以下特点：
[0023] 1、所述组合钻具将钻杆、导向器、钻