一种多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具及造穴方法与流程

本发明涉及煤矿井下坑道钻探及煤与瓦斯治理工程领域，具体涉及一种多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具及造穴方法。

背景技术：

随着碎软煤层在煤矿生产中的比重越来越大，瓦斯治理问题日益突出，特别是在不具备保护层开采条件的矿区(井)高瓦斯低渗透性煤层中，采取增透措施辅助瓦斯抽采是目前应用最为广泛、最为有效的瓦斯治理手段。大量实践证明：煤层增透可以使煤体产生更多的裂隙，扩大泄压及供气面积，是提高煤层瓦斯抽采率的根本途径。钻孔造穴增透技术具有施工操作简单、性价比高、增透效果明显等显著优点，可推广性强。目前，钻孔造穴增透方法主要包括水力造穴增透和机械造穴增透两种。水力造穴增透方法对于煤岩坚固性系数f≤0.5的煤层具有造穴效率高、增透效果好的优势，但对于煤岩坚固性系数f＞0.5的煤层造穴半径随煤岩硬度提高而明显下降；机械造穴方法相比水力造穴方法造穴半径更可控，但在较碎软煤层相比水力造穴效率较低，且现有机械造穴钻具无法实现机械刀具的张开到位报信和张开角度的多级可控。因此，有必要综合水力造穴与机械造穴的优点，推出机械—水力式复合造穴技术，拓宽造穴技术在不同煤层的适用范围，提高造穴钻具的功能和可靠性，满足我国碎软低透煤层矿区对煤层增透作业的实际需求，保障碎软低透煤层的安全高效生产。

水力造穴技术：正常钻孔施工时水压较低，水力造穴器不工作，待钻进到目标造穴位置后，通过提高水压使水力造穴器打开，现有水力造穴钻具在煤层硬度较低时造穴效率高、增透效果好。

机械造穴技术：现有机械造穴钻具刀具打开方式主要分为水力打开和旋转打开两种，水力打开方式为：正常钻孔施工时水压较低，机械造穴刀具不打开，待钻进到目标造穴位置后，通过提高水压使机械造穴刀具打开；旋转打开方式为：正常钻孔施工时钻具转速较低，机械造穴刀具不打开，待钻进到目标造穴位置后，通过提高钻具转速使机械造穴刀具在离心力作用下打开。相比水力造穴技术，机械造穴的造穴半径更可控。

现有技术存在以下缺陷：

(1)现有水力造穴钻具在煤层硬度较大时造穴效率低，造穴半径不可控；

(2)现有机械造穴钻具无法实现机械刀具的张开到位报信和张开角度的可控；

(3)机械造穴技术虽然造穴半径相对可控，但在碎软煤层中造穴效率较水力造穴低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具及造穴方法，克服现有技术中造穴效率、造穴半径、煤层适应性等无法兼顾的缺陷。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案包括：

一种多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具，设置管体；按水流的流向，于所述的管体内沿轴向设置活塞，在所述的管体侧壁上设置造穴口，于造穴口位置设置扩孔翼片，扩孔翼片通过涡轮涡杆机构与活塞机械连接；来自活塞端的水流一方面给活塞的轴向运动转化为扩孔翼片的张开运动提供动力，进行机械力造穴；另一方面，来自活塞端的水流穿过扩孔翼片进行水力造穴。

可选的，所述的活塞包括按水流流向依次设置的一级活塞和二级活塞；在所述的管体内嵌设第一低压水道、第二低压水道和高压水道，第一低压水道进水口和第二低压水道进水口设置于一级活塞的轴向运动范围内，高压水道进水口设置于一级活塞的轴向运动范围上游；涡轮涡杆机构与二级活塞机械连接。

可选的，按水流流向，第一低压水道进水口位于第二低压水道进水口的上游。

可选的，一级活塞和二级活塞间设置一级弹簧；二级活塞与涡轮涡杆机构间设置二级弹簧。

可选的，所述的扩孔翼片嵌设射流水道，通水销轴连通射流水道与高压水道。

可选的，所述的涡轮涡杆机构包括螺杆；所述的螺杆一端设置螺杆第一外螺纹，螺杆的另一端设置螺杆第二外螺纹，螺杆第一外螺纹与活塞机械连接；螺杆第二外螺纹与扩孔翼片根部设置的螺纹啮合。

可选的，在所述活塞与扩孔翼片之间的管体内壁上设置限位环，限位环处设置推力球轴承，螺杆穿过推力球轴承设置。

可选的，所述管体的一端设置第一接口，用于连接钻杆；管体的另一端设置第二接口，用于连接钻头。

一种多通道双活塞机械-水力复合造穴方法，采用本发明所述的多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具进行造穴。

可选的，包括：

第一步：非造穴段正常钻进时，水流压力不高于2mpa，水流通过第一低压水道和第二低压水道流向钻头供钻头冷却及冲孔，高压水道辅助冲孔；

第二步：钻进到预定射流水道段，开启机械造穴，调整水流压力于2～5mpa，不包含5的端点值，扩孔翼片逐渐打开；

第三步：机械-水力复合造穴，水流压力达到5mpa后，扩孔翼片打开至最大，一级活塞将第一低压水道和第二低压水道封堵，水流通过高压水道导致水压迅速上升，实现扩孔翼片的到位报信，开启射流冲孔造穴。

本发明的有益效果：

实现了煤矿井下机械造穴的多级可调及机械-水力的复合造穴；实现了机械造穴刀具的张开到位报信；综合了机械造穴与水力造穴的优点，拓宽了造穴技术在不同硬度煤层的适用范围，提高了造穴钻具的功能和可靠性。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本发明的多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图2的a-a向剖视图；

图4为图2的b-b向剖视图；

图中各标号表示为：

1-管体、11-第一接口、12-第二接口、13-造穴口、14-限位环、2一级活塞、3二级活塞、31-活塞内螺纹、4一级弹簧、5-螺杆、51-螺杆第一外螺纹、52-螺杆第二外螺纹、6二级弹簧、7-推力球轴承、8—扩孔翼片、81-射流水道、9-通水销轴、a-第一低压水道、a1第一低压水道进水口、b-第二低压水道、b1-第二低压水道进水口、c-高压水道、c1-高压水道进水口。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

结合图1-4，本发明的多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具，设置管体1；按水流的流向，于管体1内沿轴向设置活塞，在管体1侧壁上设置造穴口13，于造穴口13位置设置扩孔翼片8，扩孔翼片8通过涡轮涡杆机构与活塞机械连接；来自活塞端的水流一方面给活塞的轴向运动转化为扩孔翼片8的张开运动提供动力，进行机械力造穴；另一方面，来自活塞端的水流穿过扩孔翼片8进行水力造穴。该钻具可以在钻孔施工时通过不同水压控制机械刀具的张开时机和张开到位报信，同时通过内部水道设计实现水力造穴所需要的高压水和普通钻进所需的冲洗水分离，适应不同施工工艺。

在本公开的实施例中，活塞包括按水流流向依次设置的一级活塞2和二级活塞3；在管体1内嵌设第一低压水道a、第二低压水道b和高压水道c，第一低压水道进水口a1和第二低压水道进水口b1设置于一级活塞2的轴向运动范围内，高压水道进水口c1设置于一级活塞2的轴向运动范围上游；涡轮涡杆机构与二级活塞3机械连接。

在本公开的实施例中，按水流流向，第一低压水道进水口a1位于第二低压水道进水口b1的上游。非造穴钻进时，水压不高，此时水压推动一级活塞2的压缩量较小，3条水道均有水流通过，其中第一低压水道a和第二低压水道b的水流流向钻头用于冷却钻头及排出岩屑，高压水道c的水压和低压水道水压一样，水量较小，流向扩孔翼片8防止煤粉堵塞喷嘴。施工造穴钻孔时，此时将水压逐步升高，水压推动一级活塞2压缩一级弹簧4，当压缩一级活塞2与二级活塞3接触时，第一低压水道a被一级活塞2封堵，水流只能通过第二低压水道b和高压水道c分别流向钻头和扩孔翼片8，节流作用使水压进一步升高推动一级活塞2带动二级活塞3向孔底方向运动，通过二级活塞3的活塞内螺纹31与螺杆5的螺杆第一外螺纹51配合将二级活塞3的轴向运动转换为螺杆5的旋转运动，并由螺杆5的左端蜗杆将旋转运动转换为扩孔翼片8的张开动作，当一级活塞2压缩到位后将第一低压水道a和第二低压水道b全部封堵，此时全部水流只能通过高压水道c流向扩孔翼片8，使水压迅速升高，扩孔翼片8同时张开到位，通过水压的阶梯增高可判断扩孔翼片8的到位报信。如果一级活塞2未压缩到位，即使将泵量开到最大，由于总的过流水道面积较大，水压也无法超过设计值(诸如5mpa)，而将第一低压水道a和第二低压水道b全部封闭的瞬间，由于泵量不变过流面积急剧减小，水压会突然升高，通过观察泵压是否超过设计值(5mpa)实现机械造穴钻具的到位报信判别，从而逐步实现钻头降温冲洗、机械造穴和机械-水力复合造穴。

在本公开的实施例中，一级活塞2和二级活塞3间设置一级弹簧4；二级活塞3与涡轮涡杆机构间设置二级弹簧6，用于造穴完成后，扩孔翼片8的收回。

在本公开的实施例中，扩孔翼片8嵌设射流水道81，通水销轴9连通射流水道81与高压水道c，具体通国扩孔翼片8上的射流水道81实现高压水造穴。

在本公开的实施例中，涡轮涡杆机构包括螺杆5；螺杆5一端设置螺杆第一外螺纹51，螺杆5的另一端设置螺杆第二外螺纹52，螺杆第一外螺纹51与活塞机械连接，具体的螺杆第一外螺纹51与二级活塞3的活塞内螺纹31啮合；螺杆第二外螺纹52与扩孔翼片8根部设置的螺纹啮合，当来自一级活塞2端的水流压力推动一级活塞2进行轴向运动时，一方面带动二级活塞3轴向运动，通过螺杆第一外螺纹51与活塞内螺纹31啮合的机械连接，实现轴向位移转化为螺杆5的轴向转动，螺杆5的轴向转动转化为扩孔翼片8的径向打开。

在本公开的实施例中，在活塞与扩孔翼片8之间的管体1内壁上设置限位环14，限位环14处设置推力球轴承7，螺杆5穿过推力球轴承7设置。通水销轴9固定于管体1上，中间连接有2个扩孔翼片8，通水销轴9用于将高压水道c的水分配给扩孔翼片8上的射流水道81，从而实现高压水造穴。

在本公开的实施例中，管体1的一端设置第一接口11，用于连接钻杆；管体1的另一端设置第二接口12，用于连接钻头。管体1两端加工有螺纹，左侧可以连接钻孔钻头，右侧可以连接钻杆，管体上开有3条水道，分别为第一低压水道a、第二低压水道b和高压水道c。

本发明机械-水力复合造穴钻进方法包括以下步骤：

一种多通道双活塞机械-水力复合造穴方法，采用本发明的多通道双活塞机械-水力复合造穴钻具进行造穴。

具体包括：

第一步：非造穴段正常钻进时，水流压力不高于2mpa，水流通过第一低压水道a和第二低压水道b流向钻头供钻头冷却及冲孔，高压水道c辅助冲孔；此时机械刀具不打开，大部分水流通过低压水道流向钻头供钻头冷却及冲孔，高压水道的水流较小，仅起到辅助冲孔及防止高压水道堵塞作用；

第二步：钻进到预定射流水道段，开启机械造穴，调整水流压力于2～5mpa，不包含5的端点值，扩孔翼片8逐渐打开；打开的角度通过泵压调节，此时大部分水流仍通过低压水道流向钻头供钻头冷却及冲孔，高压水道c的水流较小，但随着泵压升高，高压水道c水流逐渐增大，起到冷却刀具及冲刷破碎煤屑的作用；

第三步：机械-水力复合造穴，水流压力达到5mpa后，扩孔翼片8打开至最大，一级活塞2将第一低压水道a和第二低压水道b封堵，水流通过高压水道c导致水压迅速上升，实现扩孔翼片8的到位报信，开启射流冲孔81造穴。此时活塞将流向钻头的低压水道封堵，大部分水流通过高压水道c流向射流冲孔81，泵压迅速上升，实现机械刀具的到位报信，并开启射流冲孔81的高压射流冲孔造穴，在机械刀具的造穴的基础上进一步扩大造穴半径，此时通过调整泵压实现水力冲孔造穴强度的控制；

第四步：当达到设计造穴半径后停泵，此时机械刀具在弹簧力作用下将刀具收回钻具内，并将钻具提出孔内，并封孔抽采。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。