一种水力喷射自进式钻孔增加煤层透气性方法及装置制造方法
【专利摘要】一种水力喷射自进式钻孔方法及装置，包括水箱、高压泵、高压储能罐、高压软管供给装置、钻机、定向器、高压软管、转向器、钻杆、自进式钻头。其是先在煤层中钻先导孔，在先导孔内安装转向器，应用自进式钻头沿钻杆进入转向器，经转向器导向使自进式钻头沿先导孔径向打孔，待径向孔钻进至预定钻进深度时，退出自进式钻头至转向器位置，通过变换定向器档位调整转向器角度，进行另一个方向的径向孔钻进，重复打孔后形成以先导孔为主干，径向孔周围发散的树状钻孔系统来进行瓦斯抽采工作。本发明结构简单，操作方便，可以显著减少瓦斯抽采孔数量，能增大单个钻孔卸压范围，有效提高煤层透气性，缩短瓦斯抽采时间，同时能有效提高单孔瓦斯抽采量。
【专利说明】一种水力喷射自进式钻孔增加煤层透气性方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤层抽采技术，具体涉及煤层抽采孔的钻取设备及方法。
【背景技术】
[0002]近几年，随着煤矿井下开发深度的不断增加，煤矿生产的不断发展，矿井的瓦斯量也在不断的增加，矿井煤与瓦斯突出已经成为煤矿中最严重的灾害，而瓦斯压力则是煤与瓦斯突出的主要动力，因此瓦斯的有效抽采对治理瓦斯有着重要的意义。目前国内大多煤矿赋存煤层一般为低透气性松软煤层，在瓦斯治理问题上主要采用水力压裂、水力割缝、密集钻瓦斯抽采孔等方法来提高煤层透气性系数。但是，使用上述传统方法增加煤层透气性导致钻孔数量多，施工强度大、抽采效率低下，且有些煤层顶底板岩层强度高，传统技术钻进困难，反复拆卸钻杆操作复杂，并对施工人员的安全造成威胁，影响施工进程。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种可以增加煤层透气性的水力喷射自进式树状钻孔方法及装置，解决目前低透气性煤层瓦斯抽采量低、工作量大、效率低等问题。
[0004]本发明首先提出一种水力喷射自进式树状钻孔装置，其包括水箱、高压泵、高压储能罐、高压软管伸缩供给装置、钻机、定向器、高压软管、转向器、钻杆和自进式钻头。
[0005]所述水箱、高压泵、高压储能罐和高压软管依次连接，高压软管装在高压软管伸缩供给装置上；
所述定向器为正N边形柱状体，中心有通孔，前端与钻杆连接，后端通过螺纹固定在钻机上，定向器有N个档位，360° /N为一档。
[0006]所述转向器装在钻杆内，与钻杆螺纹连接，转向器内部具有由轴向转向径向的半径为R的弧形通道，使自进式钻头钻进方向由轴向转为径向；钻机每旋转360° /N，定向器带动钻杆和转向器也跟随转动相应角度，转向器调整一个档位。转向器档位设置就是为了让钻杆带动转向器转动相应角度，它是一个角度衡量器。
[0007]所述自进式钻头连接在高压软管前端，自进式钻头具有前喷嘴，通过射流向前破煤岩钻进，还具有反向喷嘴，产生推力使钻头向前推进。
[0008]进一步，本发明提出利用上述装置进行水力喷射自进式树状钻孔的方法，包括以下步骤:
(1)在巷道中预先使用钻机和钻杆向煤层钻出先导孔，即形成树状钻孔的主干孔；
(2)将所述定向器与转机连接后，将转向器与钻杆连接，送入主干孔至预定位置，通过钻机夹持器固定钻杆及主干孔内的转向器；
(3)将所述自进式钻头与高压软管连接，自进式钻头经钻杆进入主干孔，开启高压泵，高压水射流从自进式钻头的后喷嘴喷出产生推力推动自进式钻头沿钻杆前进，当自进式钻头推进至转向器时，经转向器的弧形通道转向，钻头沿主干孔径向向煤层钻进，钻进过程中前喷嘴破煤岩，后喷嘴推进； (4)钻进至预定深度时或钻机停止钻进时，关闭高压泵，然后通过高压软管伸缩供给装置拉出高压软管和自进式钻头；
(5)松开钻机夹持器，通过转动钻机改变定向器档位，360°/N为一档，进而调整转向器角度，然后重复以上(3)、(4)动作，直至在煤层中钻出沿主干孔径向分布的若干孔，形成一组树状抽米孔；
(6)当进行完一组树状钻孔后，重复(I)- (6)动作完成另一组树状钻孔，直到达到预定的树状钻孔数量，形成树状抽采孔网为止。
[0009]本发明是具体针对煤矿井下本煤层、穿层条带预抽、石门揭煤等瓦斯抽采问题提出，以先导孔作为“树状”钻孔的主干茎，应用自进式钻头通过转向器在煤体中开凿沿先导孔径向钻孔并带动高压软管前进，形成树状钻孔，增加煤层透气性。
[0010]采用本发明，可以有效地降低瓦斯抽采时的钻孔数量，并且施工简单，解决了传统方法导致的钻孔数量多、施工强度大等问题。本发明与传统方法相比具有很大的优越性，其结构简单，操作方便，可以为施工人员提供更加安全的作业环境，并且加快施工效率。另外，通过调整定向器档位可以改变转向器角度，大大增加了钻孔的灵活性和可操作性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的钻孔装置的结构示意图；
图2是本发明的转向器结构示意图；
图3是本发明的自进式钻头结构示意图；
图4是本发明的钻孔施工示意图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图详细说明本发明的结构和使用方法:
参见图1，本发明提出的水力喷射自进式树状钻孔装置具体涉及的主要设备有:水箱
1、高压泵2、高压储能罐3、高压软管伸缩供给装置4、钻机5、定向器6、高压软管9、转向器
10、钻杆8、自进式钻头11等，它们的连接方式如下:
水箱1、高压泵2、高压储能罐3和高压软管9依次连接，高压软管9装在高压软管伸缩供给装置4上。
[0013]定向器6为正N边形柱状体，中心有通孔，N个边形成有N个档位，定向器前端与钻杆8连接，后端通过螺纹固定在钻机5上，使用时通过钻机每旋转360° /N使定向器调整一个档位，钻杆和转向器也跟随转动相应角度。
[0014]转向器10装在钻杆8内，与之螺纹连接，参见图2，转向器内部具有由轴向转向径向的半径为R的弧形通道，使自进式钻头钻进方向由轴向转为径向。
[0015]自进式钻头11通过螺纹与高压软管9前端连接，参见图3，自进式钻头具有前喷嘴11-2，通过射流向前破煤岩钻进，还具有反向喷嘴11-1，产生推力使钻头向前推进。
[0016]上述装置中，高压泵可以为整个钻进系统提供钻进动力，自进式钻头通过高压软管与高压泵和高压储能罐连接。将钻头送入钻杆内部空腔进入转向器，利用转向器转向后钻头从转向器轴向变为径向。进一步，自进式钻头利用高压泵提供的高压水压前喷嘴射流向前破煤岩，反向喷嘴产生推力使钻头向前推进。待径向钻孔钻进至预定深度时，关闭高压泵，使用高压软管供给装置拉出高压软管和自进式钻头，完成一个径向钻孔，一般为10nT20m。调整定向器档位改变转向器角度，重复以上步骤，钻进多个径向钻孔，直至在煤层中构造出“树状”抽采孔网。
[0017]参考图4，以上装置的具体施工工艺步骤如下:
(1)在巷道中预先使用钻机5和钻杆8向煤层13钻先导孔7，即自进式“树状”钻孔的主干孔，14为底板煤层；
(2)将所述转向器10通过螺纹与钻杆8连接送入先导孔7至预定位置，通过钻机夹持器固定钻杆及主干孔内的转向器；
(3 )所述自进式钻头11通过螺纹与高压软管9连接，自进式钻头经钻杆进入主干孔，开启高压泵2，高压水射流从自进式钻头后喷嘴喷出产生推力推动自进式钻头沿钻杆前进，自进式钻头推进至转向器后，经转向器转向沿煤层钻进，钻进过程中前喷嘴破煤岩，后喷嘴推进;
(4)钻进至预定深度时或钻具停止钻进时，关闭高压泵，然后通过伸缩供给装置4拉出高压软管和自进式钻头；
(5)改变定向器档位调整转向器角度，重复以上(3)、(4)动作，直至在煤层中构造出如图4所示的“树状”抽采孔网；
(6)当进行完一组“树状”钻孔的完成时，重复(I)-(6)动作完成另一组“树状”钻孔，直到达到预定的“树状”钻孔数量为止。
[0018]可见，本发明的水力喷射自进式树状钻孔装置可以增加煤层透气性，减少钻孔数量，缩短施工周期；增加单个钻场卸压范围，卸压半径一般为10nT20m;可以为煤矿的安全高效开采提供技术支持，用于在减少瓦斯抽采孔数量的同时，提高煤层透气性系数和单孔瓦斯抽采量，提供更加安全有效的煤炭开采条件。
【权利要求】
1.一种水力喷射自进式钻孔装置，其特征在于:包括水箱、高压泵、高压储能罐、高压软管伸缩供给装置、钻机、定向器、高压软管、转向器、钻杆和自进式钻头； 所述水箱、高压泵、高压储能罐和高压软管依次连接，高压软管装在高压软管伸缩供给装置上； 所述定向器为正N边形柱状体，中心有通孔，前端与钻杆连接，后端通过螺纹固定在钻机上；定向器有N个档位，360° /N为一档； 所述转向器装在钻杆内，与钻杆螺纹连接，转向器内部具有由轴向转向径向的半径为R的弧形通道，使自进式钻头钻进方向由轴向转为径向；钻机上动力头每旋转360° /N，安装在动力头上定向器带动钻杆和转向器也跟随转动相应角度，转向器调整一个档位； 所述自进式钻头连接在高压软管前端，自进式钻头具有前喷嘴，通过射流向前破煤岩钻进，还具有反向喷嘴，产生推力使钻头向前推进。
2.一种利用权利要求1所述的装置进行水力喷射自进式钻孔的方法，包括以下步骤: (1)在巷道中预先使用钻机和钻杆向煤层钻出先导孔，即形成树状钻孔的主干孔； (2)将所述定向器与钻机连接后，将转向器与钻杆连接，送入主干孔至预定位置，通过钻机夹持器固定钻杆及主干孔内的转向器； (3)将所述自进式钻头与高压软管连接，自进式钻头经钻杆进入主干孔，开启高压泵，高压水射流从自进式钻头的后喷嘴喷出产生推力推动自进式钻头沿钻杆前进，当自进式钻头推进至转向器时，经转向器的弧形通道转向，钻头沿主干孔径向向煤层钻进，钻进过程中前喷嘴破煤岩，后喷嘴推进； (4)钻进至预定深度时或钻机停止钻进时，关闭高压泵，然后通过高压软管伸缩供给装置拉出高压软管和自进式钻头； (5)松开钻机夹持器，通过转动钻机改变定向器档位，360°/N为一档，进而调整转向器角度，然后重复以上(3)、(4)动作，直至在煤层中钻出沿主干孔径向分布的若干孔，形成一组树状抽米孔； (6)当进行完一组树状钻孔后，重复(I)- (6)动作完成另一组树状钻孔，直到达到预定的树状钻孔数量，形成树状抽采孔网为止。
【文档编号】E21B7/18GK103924925SQ201410189992
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】卢义玉, 葛兆龙, 程玉刚, 夏彬伟, 汤积仁, 程亮, 杨枫, 周哲 申请人:重庆大学