一种兼具钻进、水力冲孔和下筛管功能的钻具及施工方法与流程

本发明属于煤矿井下瓦斯抽采钻孔水力增透、护孔技术以及煤与瓦斯治理，涉及煤矿井下钻具和施工方法，具体涉及一种兼具钻进、水力冲孔和下筛管功能的钻具及施工方法。

背景技术：

1、为保障煤矿安全生产，需要提前对待采掘煤体进行瓦斯抽采，将煤体中瓦斯压力降至一定压力方可安全成产。但全国各地的煤矿地质条件不同，煤层的性质不同，使得用钻孔抽采瓦斯方法抽采煤层瓦斯效率低，抽采时间长，既影响采煤工作又不利于煤矿生产降本增效。

2、目前施工瓦斯抽采孔针对不同性质的煤层采用相对应的钻具及施工方法，实际施工中存在以下不足：

3、(1)钻具适应性不强：现有技术中的钻具多为特定地质条件设计，比如在硬到中硬煤层中全面钻进裸眼封孔抽采瓦斯，在坚固性系数f＜1的煤层中水力冲孔卸压增透强化抽采效果，在松软煤层中下筛管护孔延长瓦斯抽采时间。不同的钻具实现不同的功能，当煤层地质条件复杂时，单一钻具适应性不强，工作效果不佳。

4、(2)水力冲孔增透后提钻易塌孔：最近几年针对煤层坚固性系数f＜1的煤矿又大力推广了水力冲孔工艺，利用钻机施工顺层孔或穿层孔深入煤层内部，采用高压水射流冲出大量煤体及瓦斯，形成若干直径较大的洞室，在煤体中形成一定卸压排放瓦斯区域，配合瓦斯抽采措施从而降低煤体地应力及瓦斯压力，从而消除煤体突出危险性。但是提钻后，煤层应力释放后易塌孔埋掉钻孔堵塞瓦斯抽采通道。

5、(3)钻孔裸眼下筛管困难：为解决松软煤层瓦斯抽采孔易坍塌，抽采效率低的问题，目前常采用下筛管护孔的方法，筛管留在孔内防止松软煤层塌孔堵塞瓦斯抽采通道来提高瓦斯抽采效率，但是裸眼下筛管下入率低，人工劳动强度大。

6、(4)水力冲孔增透和下筛管需要分两次作业：目前水力冲孔钻具受其结构限制，在停止水力冲孔增透时也无法具有贯穿于前后轴线的内通孔，无法实现水力冲孔增透完成后不提钻从钻杆内将筛管送入孔内完孔，而需要提钻后再次下入下筛管钻具组合，分两次作业下入筛管护孔。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种兼具钻进、水力冲孔和下筛管功能的钻具及施工方法，解决现有技术中煤矿井下瓦斯抽采孔施工所采用的钻具的适应性不强的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种兼具钻进、水力冲孔和下筛管功能的钻具，包括从前到后依次连接的中心可开闭式钻头、外管和钻杆连接头；所述的中心可开闭式钻头、外管和钻杆连接头均为轴向中空结构且为同轴设置。

4、所述的外管包括外管主体，外管主体的轴向两端均开放，外管主体的轴向前端外安装有中心可开闭式钻头，外管主体的轴向后端内安装有钻杆连接头；所述的外管主体内的腔体从前到后依次分为一级腔体、二级腔体、三级腔体、四级腔体和五级腔体。

5、所述的四级腔体内固定设置有扶正环；所述的五级腔体内可活动式设置有压盖；所述的三级腔体、四级腔体和五级腔体内可活动式设置有活塞杆，活塞杆的轴向后端固定安装在压盖的中心孔内，活塞杆的轴向前端穿过扶正环；活塞杆的轴向两端均开放且为轴向中空结构，活塞杆的腔体与压盖的中心孔相连通；所述的活塞杆外同轴套设有复位弹簧，复位弹簧位于扶正环和压盖之间。

6、所述的活塞杆的轴向前端上可转动式安装有多个节流挡块，多个节流挡块沿着活塞杆轴向前端的周向方向均匀布设，多个节流挡块位于扶正环的轴向前方并且能够伸入二级腔体内。

7、所述的节流挡块包括节流挡块主体；多个节流挡块主体之间能够紧密接触且多个节流挡块主体的外表面形成封闭面，所述的封闭面为从后到前直径逐渐减小的封闭圆锥面，所述的封闭圆锥面与二级腔体的内表面紧密配合；多个节流挡块主体紧密接触后所围成的腔体为节流密封腔，节流密封腔的后部为圆柱体结构，节流密封腔的前部为从后到前逐渐减小的圆锥体结构，节流密封腔与活塞杆的腔体相连通。

8、所述的外管主体上开设有多个喷嘴安装孔，喷嘴安装孔内安装有喷嘴，多个喷嘴沿着外管主体的周向方向均匀布设；所述的喷嘴沿着径向方向设置并且其径向两端均开放；多个喷嘴能够将五级腔体和外界相连通，压盖能够将多个喷嘴的径向内端完全封闭。

9、本发明还具有如下技术特征：

10、所述的中心可开闭式钻头包括钻头主体，钻头主体的轴向两端均开放，钻头主体内的腔体为钻头腔，钻头腔与外管和钻杆连接头的腔体相连通；钻头主体的轴向前端上铰接有中心翼片，中心翼片与定位弹簧的一端固定连接，定位弹簧的另一端固定安装在钻头主体上，中心翼片能够将钻头主体开放的轴向前端部分覆盖。

11、所述的钻杆连接头包括钻杆连接头主体，钻杆连接头主体的轴向两端均开放，钻杆连接头主体内的腔体从前到后依次分为钻杆连接头过水腔、筛管配合腔和钻杆安装腔。

12、所述的压盖包括压盖主体，压盖主体为圆环柱体结构，压盖主体的中心孔从后到前依次分为压盖过水孔和活塞杆安装孔，活塞杆安装孔内安装有活塞杆，压盖过水孔、活塞杆安装孔与活塞杆的腔体相连通；所述的压盖主体的外表面上开设有多个密封圈安装槽，密封圈安装槽内安装有密封圈。

13、所述的活塞杆包括活塞杆主体，活塞杆主体的轴向前端一体化设置有活塞杆限位台肩，活塞杆限位台肩设置在扶正环的轴向前方；活塞杆主体的轴向后端面为活塞杆密封台肩。

14、所述的活塞杆主体的中心处沿着轴向方向开设有活塞杆中心腔，活塞杆中心腔和压盖的中心孔相连通。

15、所述的活塞杆限位台肩的前端面上固定设置有多对节流挡块安装耳板，节流挡块安装耳板上开设有节流挡块安装孔，节流挡块安装孔内设置有销轴，一个节流挡块通过销轴和节流挡块安装孔可转动式安装在一对节流挡块安装耳板内。

16、所述的节流挡块主体的后端一体化设置有节流挡块安装块，节流挡块安装块上开设有节流挡块销轴孔，节流挡块销轴孔内设置有销轴。

17、本发明还保护一种施工方法，该方法采用如上所述的兼具钻进、水力冲孔和下筛管功能的钻具实现；该方法包括正常钻进作业、水力冲孔增透作业和下筛管护孔作业。

18、所述的正常钻进作业的过程为：将水流送入兼具钻进、水力冲孔和下筛管功能的钻具中，水流量小于等于80l/min，水压小于等于2mpa；水流依次流过钻杆的腔体、钻杆连接头的腔体、压盖的中心孔、活塞杆的腔体、多个节流挡块的内部、二级腔体和一级腔体，最后流入中心可开闭式钻头的腔体内。

19、所述的水力冲孔增透作业的过程为：让水流量达到150～200l/min，水流推动压盖、活塞杆和节流挡块作为一个整体向前移动，复位弹簧逐渐被压缩，多个节流挡块逐渐向内转动直至完全闭合后停止在轴向方向上的移动；此时压盖位于喷嘴的轴向前方，压盖将五级腔体的轴向前部完全封闭，水压迅速升高至18～20mpa，高压水流迅速充满节流密封腔和活塞杆的腔体，之后流入五级腔体内高压水流会经由喷嘴向外喷射。

20、所述的下筛管护孔作业的过程为：停止输入水流，被压缩的复位弹簧逐渐伸长并沿着轴向方向向后移动，带动压盖、活塞杆和节流挡块作为一个整体向后移动，多个节流挡块逐渐向外转动打开，直至复位弹簧完全伸展后停止在轴向方向上的移动，此时压盖将喷嘴完全封闭；无需提钻，直接下入筛管，筛管依次穿过钻杆的腔体、钻杆连接头的腔体、压盖的中心孔、活塞杆的腔体、多个节流挡块的内部、二级腔体、一级腔体和中心可开闭式钻头的腔体，筛管将中心可开闭式钻头的前端顶开后继续推送筛管，直至筛管到达孔底。

21、本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：

22、(ⅰ)本发明的钻具能够适应多种工作模式，应用范围广，该钻具兼具普通瓦斯抽采孔施工、高压水力增透和全孔下筛管护孔三种工作模式，针对不同的煤层条件既可选择某一工作模式也可将几种工作模式组合使用，以达到最佳瓦斯抽采效果。

23、(ⅱ)本发明的钻具能够实现良好的水力冲孔增透效果，水力冲孔增透一方面将大量松软煤体破碎并冲出，具有降低煤体地应力的作用；一方面在煤层中形成的洞穴增大煤层裸露面积并且在洞室周围形成巨大的裂隙网络，为瓦斯运移及抽采提供了广阔的空间，改善了煤层渗透性，能够有效提高瓦斯抽采效率和瓦斯抽采量，消除矿井瓦斯灾害隐患。

24、(ⅲ)采用本发明的钻具下筛管时，能够减少一趟起下钻，提高了施工效率。通过泥浆泵控制水流大小推动压盖压缩弹簧，带动活塞杆轴向运动，使得位于活塞杆上的节流挡块组件相对转动，从而实现对中心流道的堵塞和打开，达到不提钻完成正常钻进、水力冲孔增透和全孔下筛管护孔，减少一趟起下钻更换钻具操作，提高了施工效率。

25、(ⅳ)采用本发明的钻具既能够进行普通瓦斯抽采孔施工，也能够进行高压水力冲孔增透，从泥浆泵输出水流流量大小进行控制，实现正常钻进、高压水力冲孔和不提钻全孔下筛管护孔等功能，在正常钻进、钻杆加接、钻杆拆卸等工况下均可稳定工作，提高了上仰钻孔施工综合效率和安全性，改善了施工环境，消除了施工安全风险，为上仰钻孔高质量施工提供了技术装备保障。