一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置与方法
【专利摘要】本发明涉及一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置和方法，该装置在煤层钻进过程中，如果遇到煤矸石，会快速切换钻进方式，由原来的高速旋转钻进转换为中低速旋转钻进与冲击钻进相组合的钻进模式；钻机的破岩能力得到有效提升，可解决传统钻机遇矸石无法继续钻进的技术难题。
【专利说明】
一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置与方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种煤层钻孔打钻技术，特别是一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置与方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，在煤矿井下，不管是测定煤层瓦斯压力和煤层钻孔瓦斯流量，还是瓦斯抽采或排放，都需要对煤层施工钻孔。
[0003]与大型钻机相比，煤电钻和风钻的体积较小，便于携带，使用起来也比较灵活;但是，也存在不足，那就是动力不够，打钻深度受限，特别是在钻进过程中遇到矸石时，无法继续向前钻进，导致打钻失败。
[0004]在煤层钻孔打钻的工艺与装置研发方面，公开的研究成果主要集中在大型大功率钻机的研发、松软突出煤层打钻钻具的改进和打钻过程中的排渣方法等方面;而对于煤电钻和风钻在钻进过程中遇到煤矸石这个问题，目前尚无具体、有效的解决方法。
[0005]煤电钻和风钻是煤矿井下常用的煤层打钻装置，并且多数煤层中或多或少的伴生有矸石存在；因此，为了给煤矿企业提供一种快速穿透煤矸石的装置，探索出一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻工艺与装置就显得尤为迫切。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置与方法。
[0007]本发明解决上述技术问题的所采用的技术方案是:一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，包括旋转钻头、冲击钻头、麻花钻杆、挡煤刷、弹簧、压力表以及高压风机;其特征在于，所述钻杆中心设有轴向风道，钻杆的一端固连接旋转钻头，并在钻杆端面轴向开设有外大内小的台阶式嵌装槽，槽底连通风道;嵌装槽内设有冲击钻头和挡煤刷，挡刷靠近槽口设置，冲击钻头后端顺序连接有密封块和弹簧，弹簧的另一端与接近槽底安装的轴承连接，密封块对风道气流起到密封作用;所述钻杆的另一端与高压风机连接，所述高压风机包括连接器、叶轮、连接杆、轴承、弹簧、轴承座、壳体、进风口和出风口；所述壳体为长方形，其中一侧壁开孔并安装有轴承，其相对侧壁设有弹性轴承座，轴承和轴承座的中心线位于同一水平线上，壳体的另一对侧壁对称设置进风口和出风口；所述连接器内设有轴向风道，其侧壁设有垂直连通风道的进气口；连接器通过轴承和轴承座与壳体转动连接，连接器一端穿过壳体与钻杆连接，钻杆和连接器的风道相通且密封，连接器另一端位于壳体内并连接有旋转叶轮;所述钻杆上还安装有压力表;正常钻孔状态下，进气口位于壳体外部，冲击钻头位于嵌装槽槽底，高压风机内的压缩气体全部用于推动叶轮旋转，叶轮带动钻杆和旋转钻头高速转动钻孔；当钻孔前方有矸石，钻孔阻力增大，弹性轴承座的弹簧大幅度压缩，连接器上的进气口进入高压风机壳体内，部分压缩气体进入钻杆风道，推动冲击钻头向前运动，同时降低了压缩气体对叶轮的推动能力，旋转钻头的转速降低，避免旋转钻头过度磨损。
[0008]所述弹性轴承座由弹簧和轴承连接而成。
[0009]所述钻杆由一节主钻杆及多节延长钻杆首尾相接组成，主钻杆前端安装钻头，后端设置螺纹孔，延长钻杆的一端为螺纹连接杆，另一端为螺纹孔，所述螺纹连接杆的端面对应风道口设置锥面接头和密封圈，锥面接头与风道插接。所述连接器与钻杆螺纹连接，连接器的端面对应风道口设置锥面接头和密封圈，锥面接头与风道插接。所述螺纹连接杆与密封圈组合接头具有双重密封性能；因此，当压缩气体进入钻杆的风道部位后，能够以较高的速度和压力压迫冲击钻头向前运动。所述密封块与嵌装槽直径较小的腔体最小间隙配合。
[0010]所述高压风机与煤矿井下压风设备连接。
[0011]所述挡煤刷为塑料刷，沿钻杆内壁倾斜布置，前端收拢。
[0012]所述挡煤刷所在嵌装槽的空心部位内径较大；因此，在高压气体的压迫作用下，冲击钻头带动弹簧向前快速移动，撞击煤矸石，使矸石破裂;此时，一方面，弹簧的拉力较大，另一方面，冲击钻头的密封块已经移动到了嵌装槽的较大腔体内，气体泄漏，压力降低，使得冲击钻头迅速后退；当退回到一定距离后，弹簧的拉力减小，甚至于转变为压力，高压气体重新密封在钻杆的风道中，或者存在微量的泄漏，然后，重新开始新一轮的冲击钻进。
[0013]所述压力表为防震压力表，可实时监测麻花钻杆风道的气体压力。
[0014]所述壳体上安装的轴承为密封轴承可有效控制气体的流动方向。
[0015]所述轴承和轴承座的安装，可以确保整体装置旋转时，前端的冲击钻头和后端的钻机壳体不跟着旋转。
[0016]—种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻方法，包括以下步骤:
步骤I)启动煤矿井下压风设备，高压气流驱动旋转叶轮，并带动麻花钻杆和旋转钻头转动，向煤层深部钻进;随着钻孔深度的增加，随时安装新的延长钻杆；
步骤2)当煤层钻孔前方遇到矸石时，继续向前钻进困难，整个装置的阻力增加，弹性轴承座弹簧收缩，连接器上面的进气口进入钻机壳体内，部分高压气流通过进气口进入钻杆风道，推动冲击钻头向前运动，一方面，冲击钻头撞击钻孔前方的矸石，另一方面，剩余的高压气流同时驱动装置以中、低速旋转，即旋转钻头以中、低速旋转方式继续钻进；
步骤3)冲击钻头在撞击矸石时，其密封块经运移到了挡煤刷的尾部，此处嵌装槽内径变宽，气体卸压；同时，冲击钻头尾部的弹簧拉伸较长，产生较大拉应力，冲击钻头迅速向后移动，密封块回到嵌装槽内径较小的腔体内，钻杆风道重新密封，弹簧的拉应力消失，又开启新一轮的钻进，即冲击钻头以脉冲方式进行钻进;在穿透矸石之前，旋转钻头以中、低速旋转方式连续钻进;当穿透矸石后，钻孔前方煤体对装置的阻力下降，连接器的进气孔退出壳体，压风全部用于驱动旋转叶轮;冲击钻头停止钻进，旋转钻头以高速旋转方式连续钻进;该装置根据钻孔前方的煤层赋存地质条件，自动切换钻进模式。
[0017]本发明的有益效果是:一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置和方法，该装置在煤层钻进过程中，如果遇到煤矸石，会快速切换钻进方式，由原来的高速旋转钻进转换为中低速旋转钻进与冲击钻进相组合的钻进模式;钻机的破岩能力得到有效提升，可解决传统钻机遇矸石无法继续钻进的技术难题。
[0018]本发明采用矿井压风驱动叶轮旋转，如果钻孔前方是煤体，则仅仅通过叶轮带动旋转钻头钻进；当钻孔前方遇到煤矸石时，钻进阻力增大，叶轮后方的弹簧压缩量增加，连接杆上的小孔部位会进入钻机壳体，压风的能量一部用于驱动旋转钻进，一部分用于驱动冲击钻进，钻进模式会自动切换为旋转钻头和冲击钻头联合钻进;当穿透矸石后，钻进阻力下降，叶轮后方的弹簧压缩量减小，连接杆上的小孔部位会退出钻机壳体，钻进模式会重新自动切换旋转钻头钻进;这种可根据钻孔前方煤层赋存地质条件，自动切换钻进模式，并且，联合钻进模式能够快速、有效穿透煤矸石，是本发明最大的优点。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结构示意图。
[0020]图中标记如下:旋转钻头丨、钻杆2、挡煤刷3、冲击钻头4、弹簧5、轴承6、密封块7、嵌装槽8，螺纹孔9、螺纹连接杆1、风道11、密封圈12、连接钢管13、压力表14、连接器15、进气口 16、叶轮17、连接杆18、轴承19、弹簧20、轴承21、壳体22、进风口 23、出风口 24。
【具体实施方式】
[0021]—种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，包括旋转钻头1、冲击钻头4、麻花钻杆
2、挡煤刷3、弹簧5、20、压力表14以及高压风机;其特征在于，所述钻杆2中心设有轴向风道U，钻杆2的一端固连接旋转钻头I，并在钻杆2端面轴向开设有外大内小的台阶式嵌装槽8，槽底连通风道11;嵌装槽8内设有冲击钻头4和挡煤刷3，挡刷3靠近槽口设置，冲击钻头4后端顺序连接有密封块7和弹簧5，弹簧5的另一端与接近槽底安装的轴承6连接，密封块7对风道11气流起到密封作用；所述钻杆2的另一端与高压风机连接，所述高压风机包括连接器15、叶轮17、连接杆18、轴承21、弹簧20、轴承座、壳体22、进风口 23和出风口 24;所述壳体22为长方形，其中一侧壁开孔并安装有轴承19，其相对侧壁设有弹性轴承座，轴承21和轴承座的中心线位于同一水平线上，壳体22的另一对侧壁对称设置进风口 23和出风口 24;所述连接器15内设有轴向风道11，其侧壁设有垂直连通风道的进气口 16;连接器15通过轴承21和轴承座与壳体22转动连接，连接器15—端穿过壳体22与钻杆2连接，钻杆2和连接器15的风道11相通且密封，连接器15另一端位于壳体22内并连接有旋转叶轮17;所述钻杆2上还安装有压力表14;正常钻孔状态下，进气口 16位于壳体22外部，冲击钻头4位于嵌装槽8槽底，高压风机内的压缩气体全部用于推动叶轮17旋转，叶轮17带动钻杆2和旋转钻头I高速转动钻孔；当钻孔前方有矸石，钻孔阻力增大，弹性轴承座的弹簧大幅度压缩，连接器15上的进气口 16进入高压风机壳体22内，部分压缩气体进入钻杆风道11，推动冲击钻头4向前运动，同时降低了压缩气体对叶轮17的推动能力，旋转钻头I的转速降低，避免旋转钻头过度磨损。
[0022]所述弹性轴承座由弹簧20和轴承19连接而成。
[0023]所述钻杆2由一节主钻杆及多节延长钻杆首尾相接组成，主钻杆前端安装钻头，后端设置螺纹孔9，延长钻杆的一端为螺纹连接杆10，另一端为螺纹孔9，所述螺纹连接杆10的端面对应风道口设置锥面接头和密封圈12，锥面接头与风道11插接。所述连接器15与钻杆2螺纹连接，连接器15的端面对应风道口设置锥面接头和密封圈12，锥面接头与风道11插接。所述螺纹连接杆10与密封圈组合接头具有双重密封性能；因此，当压缩气体进入钻杆2的风道11部位后，能够以较高的速度和压力压迫冲击钻头4向前运动。
[0024]所述密封块7与嵌装槽8直径较小的腔体最小间隙配合。
[0025]所述高压风机与煤矿井下压风设备连接。
[0026]所述挡煤刷3为塑料刷，沿钻杆2内壁倾斜布置，前端收拢，既可有效防止煤渣进入钻杆的空心部位，又能不影响冲击钻头的前进与后退。
[0027]所述挡煤刷3所在嵌装槽8的空心部位内径较大；因此，在高压气体的压迫作用下，冲击钻头4带动弹簧5向前快速移动，撞击煤矸石，使矸石破裂;此时，一方面，弹簧5的拉力较大，另一方面，冲击钻头4的密封块7已经移动到了嵌装槽8的较大腔体内，气体泄漏，压力降低，使得冲击钻头4迅速后退；当退回到一定距离后，弹簧5的拉力减小，甚至于转变为压力，高压气体重新密封在钻杆2的风道11中，或者存在微量的泄漏，然后，重新开始新一轮的冲击钻进。
[0028]所述压力表14为防震压力表，可实时监测麻花钻杆2风道11的气体压力。
[0029]所述壳体22上安装的轴承21为密封轴承可有效控制气体的流动方向。
[0030]所述轴承21和轴承座的安装，可以确保整体装置旋转时，前端的冲击钻头4和后端的钻机壳体22不跟着旋转。
[0031]麻花钻杆2与旋转钻头I焊接;挡煤刷3采用强力胶黏贴于嵌装槽8内壁;弹簧5通过电焊分别与冲击钻头4的密封块7以及和轴承6连接接;轴承6的外轮通与钻杆2嵌装槽内壁焊接。
[0032]各钻杆2之间螺纹连接，且连接部位设置密封圈12，保证风道的密封。
[0033]钻杆12与压力表14通过连接钢管13连接，连接方式均为螺纹连接，连接钢管13连通风道11。
[0034]连接器15与叶轮17焊接，并与轴承21的内圈固连为一体;连接杆18前端与叶轮17焊接，并与轴承19的内圈为一体。
[0035]弹簧20分别与轴承19的外圈以及壳体19焊接;轴承21与壳体19焊接。
[0036]高压气体从旋转叶轮17的一侧进入，从另一侧流出。
[0037]本发明的一个实施例如下:
旋转钻头I为煤电钻钻头，直径50mm;麻花钻杆2为空心麻花钻杆，长1000mm，直径42mm。
[0038]挡煤刷3为塑料刷，长40mm，直径1mm，数量若干;冲击钻头4的前端呈圆锥形，圆锥底部直径10mm，高25mm，材质为金刚石，中部和后端为圆柱体，材质均为碳素钢，直径分别为6mm和36mm，高分别为30mm和5mm ο
[0039]弹簧5和弹簧20分别由多根螺旋弹簧组成，长36mm，直径10mm，数量若干，每根粗2mm;轴承6、21、19均为深沟球轴承，内径分别是20mm、30mm和10mm，外径分别为30mm、40mm和28mm，宽均为 I Omm。
[0040]锥面接头的锥面角度为30°，密封圈12为O型密封圈，外径8_，内径6_。
[0041]连接钢管13为圆形，长150mm，外径10mm，壁厚1mm，制作材料为不锈钢;压力表14为YTXC-150-Z防震压力表;连接器15的制作材料为不锈钢，直径36mm，长200mm。
[OO42 ] 连接杆18的制作材料为不锈钢，直径8mm，长5 Omm;壳体19的制作材料为不锈钢，长300mm，宽400mm，高度不一，在中部(旋转叶轮所在位置)高300mm，而两侧高50mm;旋转叶轮17的制作材料为防静电塑料，为离心叶轮，直径30mm。
[0043]本发明的工作过程如下:
预先组装好高压风机、钻杆2和钻头，并保证高压风机和风道11密封良好。
[0044]启动煤矿井下压风，开始钻进，高压气流驱动旋转叶轮17，并带动钻杆2和旋转钻头旋转，向煤层深部钻进;随着钻孔深度的增加，可随时增加麻花钻杆2。
[0045]当煤层钻孔前方遇到矸石时，继续向前钻进困难，对整个装置的阻力增加，弹簧20收缩，连接器15上面的进气口 16进入壳体22内，部分高压气流通过小孔进入麻花钻孔的中心部位，推动弹簧5和冲击钻头4向前运动。
[0046]一方面，冲击钻头4撞击钻孔前方的矸石，另一方面，剩余的高压气流同时驱动装置以中、低速旋转，即旋转钻头I以中、低速旋转方式继续钻进。
[0047]冲击钻头4在撞击矸石后，其尾部已经运移到了挡煤刷3的尾部，孔径变宽，气体卸压，同时，弹簧5拉伸较长，产生较大拉应力，冲击钻头4迅速向后移动；当移动到一定位置后，麻花钻杆2的风道11重新密封，弹簧5的拉应力消失，又开启新一轮的钻进，即冲击钻头4是以脉冲方式进行钻进。
[0048]在穿透矸石之前，旋转钻头I是以中、低速旋转方式连续钻进；当穿透矸石后，钻孔前方煤体对装置的阻力下降，连接器15上面的进气口 16退出壳体22，压风全部用于驱动旋转叶轮17;冲击钻头4停止钻进，旋转钻头I以高速旋转方式连续钻进。
[0049]通过上述工作过程，该装置可根据钻孔前方的煤层赋存地质条件，自动切换钻进模式;当钻进遇到矸石时，可充分发挥两种不同钻进方式的优点，快速破岩，穿透矸石。
【主权项】
1.一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，包括旋转钻头、冲击钻头、麻花钻杆、挡煤刷、弹簧、压力表以及高压风机;其特征在于，所述钻杆中心设有轴向风道，钻杆的一端固连接旋转钻头，并在钻杆端面轴向开设有外大内小的台阶式嵌装槽，槽底连通风道;嵌装槽内设有冲击钻头和挡煤刷，挡刷靠近槽口设置，冲击钻头后端顺序连接有密封块和弹簧，弹簧的另一端与接近槽底安装的轴承连接，密封块对风道气流起到密封作用;所述钻杆的另一端与高压风机连接，所述高压风机包括连接器、叶轮、连接杆、轴承、弹簧、轴承座、壳体、进风口和出风口；所述壳体为长方形，其中一侧壁开孔并安装有轴承，其相对侧壁设有弹性轴承座，轴承和轴承座的中心线位于同一水平线上，壳体的另一对侧壁对称设置进风口和出风口 ；所述连接器内设有轴向风道，其侧壁设有垂直连通风道的进气口；连接器通过轴承和轴承座与壳体转动连接，连接器一端穿过壳体与钻杆连接，钻杆和连接器的风道相通且密封，连接器另一端位于壳体内并连接有旋转叶轮;所述钻杆上还安装有压力表;正常钻孔状态下，进气口位于壳体外部，冲击钻头位于嵌装槽槽底，高压风机内的压缩气体全部用于推动叶轮旋转，叶轮带动钻杆和旋转钻头高速转动钻孔；当钻孔前方有矸石，钻孔阻力增大，弹性轴承座的弹簧大幅度压缩，连接器上的进气口进入高压风机壳体内，部分压缩气体进入钻杆风道，推动冲击钻头向前运动，同时降低了压缩气体对叶轮的推动能力，旋转钻头的转速降低，避免旋转钻头过度磨损。2.—种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，其特征在于，所述弹性轴承座由弹簧和轴承连接而成。3.根据权利要求1所述的一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，其特征在于，所述钻杆由一节主钻杆及多节延长钻杆首尾相接组成，主钻杆前端安装钻头，后端设置螺纹孔，延长钻杆的一端为螺纹连接杆，另一端为螺纹孔，所述螺纹连接杆的端面对应风道口设置锥面接头和密封圈，锥面接头与风道插接。4.根据权利要求1所述的一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，其特征在于，所述连接器与钻杆螺纹连接，连接器的端面对应风道口设置锥面接头和密封圈，锥面接头与风道插接。5.根据权利要求1所述的一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，其特征在于，所述密封块与嵌装槽直径较小的腔体最小间隙配合。6.根据权利要求1所述的一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻装置，其特征在于，所述高压风机与煤矿井下压风设备连接。7.一种快速穿透煤矸石的煤层钻孔打钻方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I)启动煤矿井下压风设备，高压气流驱动旋转叶轮，并带动麻花钻杆和旋转钻头转动，向煤层深部钻进;随着钻孔深度的增加，随时安装新的延长钻杆； 步骤2)当煤层钻孔前方遇到矸石时，继续向前钻进困难，整个装置的阻力增加，弹性轴承座弹簧收缩，连接器上面的进气口进入钻机壳体内，部分高压气流通过进气口进入钻杆风道，推动冲击钻头向前运动，一方面，冲击钻头撞击钻孔前方的矸石，另一方面，剩余的高压气流同时驱动装置以中、低速旋转，即旋转钻头以中、低速旋转方式继续钻进； 步骤3)冲击钻头在撞击矸石时，其密封块经运移到了挡煤刷的尾部，此处嵌装槽内径变宽，气体卸压；同时，冲击钻头尾部的弹簧拉伸较长，产生较大拉应力，冲击钻头迅速向后移动，密封块回到嵌装槽内径较小的腔体内，钻杆风道重新密封，弹簧的拉应力消失，又开启新一轮的钻进，即冲击钻头以脉冲方式进行钻进;在穿透矸石之前，旋转钻头以中、低速旋转方式连续钻进;当穿透矸石后，钻孔前方煤体对装置的阻力下降，连接器的进气孔退出壳体，压风全部用于驱动旋转叶轮;冲击钻头停止钻进，旋转钻头以高速旋转方式连续钻进;该装置根据钻孔前方的煤层赋存地质条件，自动切换钻进模式。
【文档编号】E21B6/04GK105927149SQ201610531119
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】齐黎明, 张旭锟, 赵嵘, 李勇军
【申请人】华北科技学院