一种钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置、系统及方法与流程

本发明涉及煤矿井下煤层钻孔造穴增透，具体涉及一种钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置、系统及方法。

背景技术：

1、多数矿井以碎软低渗煤层为主，提高碎软煤层的透气性以提升瓦斯抽采效果是瓦斯灾害治理与煤层气开发过程的有效手段。水力冲孔技术是在钻孔穿过煤层段内高压水以射流的方式冲击煤体，使煤岩体破碎排出形成造穴腔体，增大了煤层的裸露面积并产生新的裂隙网络从而提高煤层的渗透性，保证瓦斯抽采效果。由于其具备原理简单、可操作性强、增透效果显著、施工成本低等显著特点，我国许多矿区进行了大量的应用与试验，结果证明水力冲孔技术可以有效提高碎软低渗煤层的渗透性、成倍提高瓦斯钻孔的有效抽采半径，从而有效提高瓦斯抽采与治理效果。现有的水力冲孔装置受钻具与冲孔装置结构的限制，仅能在钻孔施工完成提钻后在已形成的钻孔内进行冲孔，无法实现钻孔后不提钻直接冲孔，且冲孔后需提出冲孔装置再裸眼下入筛管，在易塌孔的碎软煤层中难以保证冲孔与筛管护孔的效率且操作繁琐，无法完全发挥水力冲孔的优势，对瓦斯抽采效果产生巨大影响。因此，对可实现钻冲护一体化施工的水力冲孔装置及施工工艺方法有现实需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置、系统及方法，以解决现有技术中存在的因受到钻具结构的限制而无法实现在造穴完成后不提钻，从螺旋钻杆内下筛管进行完孔的技术问题，从而实现碎软低渗煤层瓦斯及煤层气的高效抽采及开发。

2、为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：

3、一种钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，包括造穴管体，所述造穴管体的后端连接有螺旋钻杆，造穴管体的前端连接有钻头，所述造穴管体内同轴套设有外管体，所述外管体包括连接设置的定位套和滑动套，在所述定位套和滑动套连接处的管壁上还设置有限位销钉；

4、沿水流方向，于外管体内依次连通设置有定位活塞、增压活塞和堵座；所述增压活塞和堵座之间设置有限位板，所述限位板的中心贯通开设有第一安装孔；所述造穴管体的的管壁上开设有造穴口；

5、所述定位活塞包括弹簧座，所述弹簧座上设置有能够沿弹簧座轴向伸缩的第一弹簧，所述第一弹簧上连接有压缩套筒；

6、所述增压活塞包括增压活塞本体，所述增压活塞本体的前端从所述安装孔中穿出，所述滑动套内壁与增压活塞本体外壁之间形成安装腔，所述安装腔内设置有第二弹簧，所述第二弹簧能够在增压活塞本体的作用下轴向移动；所述增压活塞本体靠近堵座端设置有第一锥面；

7、所述堵座包括堵座本体，所述堵座本体中心沿轴向开设有第一通孔，在堵座本体上沿第一通孔外围沿轴向等间隔开设多个第二通孔，所述堵座本体靠近增压活塞段设置有能够与所述第一锥面抵接的第二锥面；

8、来自螺旋钻杆的水流一部分由造穴口喷出形成造穴水流；另一部分水流进入连接于造穴管体头端的钻头，经钻头喷出形成冲洗孔水流；

9、水压增大后，水压压力推动增压活塞和定位活塞轴向移动，封闭第二通孔，提高造穴水流的压力。

10、本发明还具有以下技术特征：

11、具体的，所述压缩套筒的侧壁上沿周向开设多个轴向滑槽，所述定位套上设置有能够与所述滑槽匹配的滑块。

12、更进一步的，所述定位套侧壁上贯穿开设有第二安装孔，所述造穴管体的内壁上凹设有容纳槽，所述容纳槽与第二安装孔能够位置相对，使嵌设于所述第二安装孔内的限位球从第二安装孔伸出进入容纳槽；所述压缩套筒的外壁上开设有与所述限位球外廓匹配的限位槽，在压缩套筒压缩第一弹簧实现轴向位移后，限位球能够进入限位槽中，实现对外管体的轴向限位解锁。

13、更进一步的，所述弹簧座的前端面和所述增压活塞本体的后端面分别与限位销钉的侧壁抵接。

14、更进一步的，所述外管体内靠近钻头一端还连通设置有第一内腔体和第二内腔体，所述第一内腔体与第二内腔体的连接处形成限位凸台；

15、所述堵座穿设在所述第一内腔体中，且所述第一通孔和第二通孔能够通过第二内腔体与增压活塞本体内的过流孔连通。

16、更进一步的，所述造穴口内设置有高压喷嘴。

17、更进一步的，所述增压活塞本体过流孔的内径大于第一通孔的内径。

18、一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴系统，包括由前向后顺序连接设置的钻头、水力冲孔装置、螺旋钻杆、钻机、水便、高压胶管和高压水泵；所述的水力冲孔装置为本发明任一所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置。

19、一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴方法，采用本发明所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴系统完成，包括以下步骤：

20、步骤1、依次连接钻头、水力冲孔装置、螺旋钻杆、钻机、水便、高压胶管和高压水泵，进行非造穴钻进成孔，调整高压水泵压力不高于3mpa，钻头回转成孔，来自高压水泵的水流通过第一通孔和第二通孔流向钻头，供钻头冷却及冲孔，此时，第一通孔和第二通孔的过水面积之和大于高压喷嘴的出水面积；

21、步骤3、造穴完成后，调整高压水泵压力低于3mpa，增压活塞本体由第二弹簧推回，水流再次通过水道第一通孔和第二通孔流向钻头，配合钻机回转进行下一阶段的非造穴钻进，当需要造穴时再重复第二步；

22、步骤4、当完成钻孔所有钻进及造穴后，反复冲洗钻头并关停高压水泵；

23、步骤5、卸掉水便，将由筛管冲击器、筛管悬挂装置和筛管依次连接构成的筛管总成下入螺旋钻杆，筛管冲击器接触到定位活塞后继续推进，推动压缩套筒移动，使定位活塞解除限位，继续施力将增压活塞与定位活塞经过钻头被送入孔底；

24、步骤6、将筛管悬挂装置推出钻头，筛管悬挂装置张开挂住孔壁，完成筛管定位，提出钻具将筛管留置于孔内，进行封孔抽采瓦斯。

25、本发明的有益效果：

26、(1)本发明装置实现了钻孔、水力冲孔、筛管护孔一体化施工，减少了施工中起下钻的频率、降低了施工复杂度、提高了施工效率；本发明装置通过结构设计将钻孔冲孔压力转换时所需组件集成为增压活塞，结构设计简单紧凑；能够根据需要调整增压活塞的组成部件的尺寸、强度；由于增压组件的过流阻力小，所以本装置适用于碎软煤层内的风动钻进和不同水压下条件下的水力钻进、冲孔造穴要求，适用范围广。

27、(2)本放装置的定位活塞限位稳定、解卡顺畅，装置结构简单、易安装、强度高，钻孔、造穴工作稳定可靠，寿命有保证。

28、(3)本发明方法实现了水力冲孔后不提钻直接下入筛管护孔，解决了现有技术中煤层钻孔成孔、冲孔后，因提钻导致塌孔难以护孔的技术问题，保证冲孔造穴的技术优势，提高了瓦斯抽采的效果。

29、(4)本发明装置的堵座设置有第一通孔和第二通孔，借助这种结构设计可以确保涌入的煤粉大部分受到堵座的阻隔，少部分通过堵座过流通道的煤粉不会直接与第二弹簧接触造成装置压力转换功能的失效，同时，过流通道内的煤粉易被压力水冲走，提高了使用可靠性。

技术特征：

1.一种钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，包括造穴管体(31)，所述造穴管体(31)的后端连接有螺旋钻杆(4)，造穴管体(31)的前端连接有钻头(2)，其特征在于，所述造穴管体(31)内同轴套设有外管体(32)，所述外管体(32)包括连接设置的定位套(321)和滑动套(322)，在所述定位套(321)和滑动套(322)连接处的管壁上还设置有限位销钉(323)；

2.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，所述压缩套筒(333)的侧壁上沿周向开设多个轴向滑槽(3332)，所述定位套(321)上设置有能够与所述轴向滑槽(3332)匹配的滑块(37)。

3.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，所述定位套(321)侧壁上贯穿开设有第二安装孔，所述造穴管体(31)的内壁上凹设有容纳槽，所述容纳槽能够与第二安装孔位置相对，使嵌设于所述第二安装孔内的限位球(38)从第二安装孔伸出进入容纳槽；所述压缩套筒(333)的外壁上开设有与所述限位球(38)外廓匹配的限位槽(3331)，在压缩套筒(333)压缩第一弹簧(332)实现轴向位移后，限位球(38)能够进入限位槽(3331)中，实现对外管体的轴向限位解锁。

4.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，所述弹簧座(331)的前端面和所述增压活塞本体(341)的后端面分别与限位销钉(323)的侧壁抵接。

5.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，所述外管体(32)内靠近钻头(2)一端还连通设置有第一内腔体和第二内腔体，所述第一内腔体与第二内腔体的连接处形成限位凸台(324)；

6.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，所述造穴口(311)内设置有高压喷嘴(3111)。

7.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，设置于所述增压活塞本体(341)内的过流孔(3411)的内径大于第一通孔(352)的内径。

8.如权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置，其特征在于，所述第一通孔(352)的过水面积与第二通孔(353)的过水面积之和大于高压喷嘴(3111)的过水面积。

9.一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴系统，其特征在于，包括由前向后顺序连接设置的钻头(2)、水力冲孔装置(3)、螺旋钻杆(4)、钻机(5)、水便(6)、高压胶管(7)、高压水泵(8)和风压装置(9)；

10.一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴方法，其特征在于，采用权利要求9所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴系统完成，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种钻冲护一体化煤层钻孔水力冲孔装置、系统及方法，装置包括造穴管体，造穴管体的后端连接有螺旋钻杆，造穴管体的前端连接有钻头，造穴管体内同轴套设有外管体；沿水流方向，于外管体内连通设置有定位活塞、增压活塞和堵座；增压活塞和堵座之间设置有限位板；造穴管体的的管壁上开设有造穴口；来自螺旋钻杆的水流一部分由造穴口喷出形成造穴水流；另一部分水流进入连接于造穴管体头端的钻头，经钻头喷出形成冲洗孔水流；水压增大后，水压压力推动增压活塞轴向移动，封闭堵头上的第二通孔，提高造穴水流压力。本发明装置实现了钻冲护一体化施工，减少了施工中起下钻的频率、降低了施工复杂度、提高了施工效率。

技术研发人员：张金宝,魏宏超,宋海涛,李程程,韩健,聂超,赵兆,李浩
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12