矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置及成孔方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，包括：环形钻头、中心钻头、套管靴，所述环形钻头上设置有环形钻头台肩和用于旋转解锁的环形钻头螺旋锁定结构，所述中心钻头上设置有中心钻头台肩和用于旋转解锁的中心钻头螺旋锁定结构，所述中心钻头的侧壁上沿轴向方向设置有排屑槽，所述套管靴的一端套设在环形钻头上，另一端套设在中心钻头上，所述环形钻头螺旋锁定结构与中心钻头螺旋锁定结构配合连接；本发明还公开了一种矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，通过本发明能够实现大直径救援钻孔一次性成孔，钻孔施工效率高，有利于加快救援进度。
【专利说明】矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置及成孔方法
【技术领域】
[0001]本发明属于矿山事故救援【技术领域】，具体涉及一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置及成孔方法。
【背景技术】
[0002]煤矿井下事故主要包括:瓦斯事故、水灾、火灾、冒顶以及粉尘灾害等。这些灾害事故往往会造成巨大的设备及财产损失，乃至人员被困和人身伤亡。在煤矿生产过程中应采取有效措施预防井下灾害事故发生；对于已经发生的灾害事故应及时补救，尤其是在有人员被困的情况，须进行全力、及时营救，将伤亡降至最低。目前，人工救援是矿山事故救援的常规手段，并在矿山救援中占有主导地位。但在有些情况下(如:巷道坍塌、严重火灾、瓦斯突出等)救援人员无法及时到达人员被困区域实施救援，可能会导致被困人员因为缺氧、中毒、食物缺乏等原因造成身心健康受损乃至失去生命。这种情况下，可采用煤矿井下钻孔对被困人员提供给养，维持其生命，等待救援人员的到来；或者直接采用煤矿井下大直径救援钻孔将被困人员救援到井下安全区域。
[0003]钻孔救援是矿山事故救援技术的重要组成部分。煤矿井下救援钻孔是在煤矿井下救援、逃生通道被毁情况下，在煤矿井下安全区域向人员被困区施工的用于生命侦查、心理疏导、给养输送以及人员逃生的钻孔或者向灾害区事故区施工的用于灾害治理的钻孔的统称。救援钻孔根据用途不同可分为常规救援钻孔和大直径救援钻孔，常规救援钻孔是主要用于生命侦查、心理疏导、给养输送以及灾害治理的救援钻孔，这类钻孔孔径一般不大于200mm，施工难度较低，在救援中应用较多；大直径救援钻孔是向人员被困区域施工的用于人员逃生的救援钻孔，这类钻孔形成的通孔直径一般可达到500mm以上，成孔难度大，尤其是在松散破碎地层条件下，目前，煤矿井下还没有将大直径救援钻孔用于事故被困人员救援的成熟方法。
[0004]现有的可用于大直径救援钻孔成孔的工艺主要是常规回转钻进工艺，其技术特点是:先采用常规钻具施工先导孔，再采用大直径螺旋钻杆配套不同规格的扩孔钻头从小到大进行2?3次正向扩孔，最终形成大直径救援钻孔。这种钻进工艺采用的是裸孔钻进工艺，孔壁无支撑保护，仅适用于稳定地层条件下的大直径救援钻孔施工，在松散破碎地层(如:巷道塌岩体、松软破碎煤层、裂隙发育岩层等)中钻进，孔壁稳定性差，成孔难度大，无法满救援的需要；这种施工工艺的钻具配套复杂、施工步骤繁琐，导致钻孔施工工作量大、施工效率低下，从而影响救援进度；采用该钻进工艺进行大直径救援钻孔施工，岩屑往往无法完全排出钻孔，遗留在孔内的岩屑会在孔壁下缘堆积，给救援作业带来不利影响；在煤层中施工的大直径救援钻孔，煤体会向钻孔中释放瓦斯，造成钻孔内氧气缺乏，威胁安全救援。
【发明内容】
[0005]为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置及成孔方法。
[0006]为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的:
本发明实施例提供一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，该装置包括:环形钻头、中心钻头、套管靴，所述环形钻头上设置有环形钻头台肩和用于旋转解锁的环形钻头螺旋锁定结构，所述中心钻头上设置有中心钻头台肩和用于旋转解锁的中心钻头螺旋锁定结构，所述中心钻头的侧壁上沿轴向方向设置有排屑槽，所述套管靴的一端套设在环形钻头上，另一端套设在中心钻头上，所述环形钻头螺旋锁定结构与中心钻头螺旋锁定结构配合连接。
[0007]上述方案中，所述中心钻头的一端与潜孔锤的一端连接，所述潜孔锤的另一端与螺旋钻杆连接。
[0008]上述方案中，所述套管靴与套设在潜孔锤、螺旋钻杆外的套管连接。
[0009]上述方案中，所述环形钻头台肩与第一套管靴台肩重合，所述套管靴上的第二套管靴台肩与所述中心钻头台肩配合。
[0010]本发明实施例还提供一种矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，该方法通过以下步骤实现:
步骤一、在井下安全区与人员被困区之间施工大直径救援钻孔，所述大直径救援钻孔贯通后，缓慢反向转动螺旋钻杆使中心钻头与环形钻头解锁，将螺旋钻杆、潜孔锤、中心钻头提出套管，所述套管留在大直径救援钻孔内，所述环形钻头留在套管中；
步骤二、在套管中下入粗径接头将环形钻头顶出套管，以保持套管内达到最大通径和畅通。
[0011]上述方案中，所述步骤二之后还包括:
步骤三、在套管中下入救援仓，所述救援仓上部与钻杆相连，通过下钻的方式将救援仓下放至人员被困区域，待被困人员进仓后将救援仓上提至安全区域，完成被困人员的救援。
[0012]上述方案中，所述救援仓靠近孔口端设置有单动机构，所述单动机构连接有一稳定器，所述稳定器与钻杆连接。
[0013]上述方案中，所述救援仓的仓体外壁设有滚轮，所述救援仓的底部设置有配重。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果:
本发明能够实现大直径救援钻孔一次性成孔，钻孔施工效率高，有利于加快救援进度；套管对孔壁的实时支撑和保护使得跟管钻进工艺同时适用于稳定地层条件和不稳定地层条件下大直径救援钻孔施工的需要；跟管钻进中，套管内壁形成了最理想的排渣条件，螺旋钻杆可以将岩屑完全排出，保持救援通道畅通；在煤层中施工救援钻孔时，套管可以将救援通道与煤层有效隔离，防止了煤层中瓦斯涌入救援通道，有利于救援安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的环形钻头的结构图；
图2为本发明的中心钻头的结构图；
图3为本发明的套管靴的结构图；
图4为本发明的成孔装置连接结构图；
图5为本发明的成孔方法原理图； 图6为本发明的救援方法原理图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0017]本发明实施例提供一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，如图f 4所示，该装置包括:环形钻头1、中心钻头4、套管靴8，所述环形钻头I上设置有环形钻头台肩2和用于旋转解锁的环形钻头螺旋锁定结构3，所述中心钻头4上设置有中心钻头台肩6和用于旋转解锁的中心钻头螺旋锁定结构5，所述中心钻头4的侧壁上沿轴向方向设置有排屑槽7，所述套管靴8的一端套设在环形钻头I上，另一端套设在中心钻头4上，所述环形钻头螺旋锁定结构3与中心钻头螺旋锁定结构5配合连接。
[0018]所述中心钻头4的一端与潜孔锤11的一端连接，所述潜孔锤11的另一端与螺旋钻杆13连接。
[0019]所述套管靴8与套设在潜孔锤11、螺旋钻杆13外的套管12连接。
[0020]所述环形钻头台肩2与第一套管靴台肩10重合，所述套管靴8上的第二套管靴台肩9与所述中心钻头台肩6配合。
[0021]进行大直径救援钻孔施工时，将套管靴8套在环形钻头I上，使环形钻头台肩2端面与套管靴台肩10端面重合；再将中心钻头4底部向前从套管靴8另一端穿入，顺时针(或逆时针)旋转中心钻头4或逆时针(顺时针)旋转环形钻头1，使中心钻头4和环形钻头I分别以环形钻头螺旋锁定机构3和中心钻头螺旋锁定机构5相互配合，所述中心钻头4可以带动环形钻头I同步顺时针(或逆时针)转动和轴向往复运动；所述潜孔锤11 一端与中心钻头花键相连，另一端与螺旋钻杆13连接，所述螺旋钻杆13可采用顺时针(或逆时针)旋紧螺纹或插接连接方式相连，可以传递钻压、拉力和扭矩；所述套管12与套管靴2通过焊接、顺时针(或逆时针)旋紧螺纹或径向螺钉相连，所述套管12通过顺时针(或逆时针)旋紧螺纹或径向螺钉相连，可传递钻压、拉力和扭矩。
[0022]跟管钻进过程中，钻机通过顺时针(或逆时针)螺旋钻杆13带动潜孔锤11进行回转，并施加钻压，同时高压空气通过螺旋钻杆13中心通孔进入并驱动潜孔锤11，所述潜孔锤11带动中心钻头4进行冲击回转钻进；所述中心钻头4通过中心钻头4的中心钻头螺旋锁定机构5和环形钻头I的环形钻头螺旋锁定机构3之间的作用，带动环形钻头I进行同步冲击回转钻进；所述中心钻头3的中心钻头台肩6与套管靴8的第二套管靴台肩9之间的相互作用，可使套管靴8带动套管12跟随中心钻头4同步进入钻孔；由于环形钻头1、中心钻头4相对套管靴8可相对转动，跟管钻进过程中，套管靴8及套管12不发生转动；高速气流携带岩粉通过排屑槽7和潜孔锤11与套管12之间环空至螺旋钻杆13与套管12之间，螺旋钻杆13通过与套管12间的相对转动发挥排粉功能；由于环形钻头I的环形钻头台肩2受到第一套管靴10的限制，可通过提拉螺旋钻杆13将孔内的套管12同步提出。
[0023]跟管钻进进入稳定岩层14时，在钻机给进力及潜孔锤11冲击作用下带动中心钻头4、环形钻头1、套管靴8、套管12进入钻孔，所述套管12与孔壁见存在间隙；当钻进进入不稳定地层15时，在钻机给进力及潜孔锤11冲击作用下带动中心钻头4、环形钻头1、套管靴8、套管12也可以进入钻孔，不稳定地层15孔段坍塌岩体被套管12支护，保证套管靴8和套管12内部的环形钻头1、中心钻头4、潜孔锤11和螺旋钻杆13的安全和排粉通道畅通，保证钻进正常进行。
[0024]本发明实施例还提供一种矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，如图5所示，该方法通过以下步骤实现:
步骤一、在井下安全区与人员被困区之间施工大直径救援钻孔，所述大直径救援钻孔贯通后，缓慢反向转动螺旋钻杆13使中心钻头4与环形钻头I解锁，将螺旋钻杆13、潜孔锤11、中心钻头I提出套管12，所述套管12留在大直径救援钻孔内，所述环形钻头I留在套管12中；
步骤二、在套管12中下入粗径接头将环形钻头顶出套管12，以保持套管12内达到最大通径和畅通。
[0025]本发明实施例还提供一种矿山事故井下大直径水平救援的救援方法，如图5、6所示，该方法通过以下步骤实现:
步骤一、在井下安全区与人员被困区之间施工大直径救援钻孔，所述大直径救援钻孔贯通后，缓慢反向转动螺旋钻杆13使中心钻头4与环形钻头I解锁，将螺旋钻杆13、潜孔锤11、中心钻头I提出套管12，所述套管12留在大直径救援钻孔内，所述环形钻头I留在套管12中；
步骤二、在套管12中下入粗径接头将环形钻头顶出套管12，以保持套管12内达到最大通径和畅通。
[0026]步骤三、在套管12中下入救援仓18，所述救援仓18上部与钻杆19相连，通过下钻的方式将救援仓18下放至人员被困区域，待被困人员进仓后将救援仓18上提至安全区域，完成被困人员的救援。
[0027]所述救援仓18靠近孔口端设置有单动机构22，所述单动机构22连接有一稳定器23，所述稳定器23与钻杆19连接。
[0028]所述救援仓18的仓体外壁设有滚轮20,所述救援仓18的底部设置有配重。
[0029]当跟管钻进贯穿安全区域16与人员被困区域17之间的岩体后，缓慢逆时针(或顺时针)转动并轻提钻具螺旋钻杆13,使中心钻头4的螺旋锁定机构5与环形钻头I的螺旋锁定机构3解锁；起钻提出套管12内的螺旋钻杆13、潜孔锤11和中心钻头4，环形钻头1、套管靴8套管12留在孔内；中心钻头4与环形钻头I解锁后，环形钻头I可相对套管靴8轴向分离，此时可采用普通钻杆带一外径大于环形钻头I的内径且可穿过套管12和套管靴8内孔的粗径接头，下入套管12和套管靴8中，将环形钻头I顶出套管靴8，然后提出钻具，孔内仅保留套管靴8和套管12形成的救援通道。
[0030]实施救援时，所述单动机构22另一端与稳定器23相连，所述稳定器23另一端与钻杆19相连，并从套管12和套管靴8通孔中穿过，进入人员被困区域17内，待被困人员进入救援仓18后提钻，将救援仓18提至安全区域16内，从而完成救援；救援实施期间，套管12对孔壁进行实时支撑和保护，防止不稳定地层15内塌孔造成救援通道堵塞的情况发生。
[0031]救援作业期间，所述滚轮20可降低救援仓18仓体与套管12之间的摩阻力；单动机构22可以传递起下救援仓18的轴向力，同时防止救援仓18跟随钻杆19同步转动；所述配重21可防止救援仓18在起下过程中在套管12内发生转动；稳定器23可保证起下救援仓18时的稳定性。
【权利要求】
1.一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，其特征在于，该装置包括:环形钻头(I)、中心钻头(4)、套管靴(8)，所述环形钻头(I)上设置有环形钻头台肩(2)和用于旋转解锁的环形钻头螺旋锁定结构(3)，所述中心钻头(4)上设置有中心钻头台肩(6)和用于旋转解锁的中心钻头螺旋锁定结构(5)，所述中心钻头(4)的侧壁上沿轴向方向设置有排屑槽(7)，所述套管靴(8)的一端套设在环形钻头(I)上，另一端套设在中心钻头(4)上，所述环形钻头螺旋锁定结构(3)与中心钻头螺旋锁定结构(5)配合连接。
2.根据权利要求1所述的矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，其特征在于:所述中心钻头(4)的一端与潜孔锤(11)的一端连接，所述潜孔锤(11)的另一端与螺旋钻杆(13)连接。
3.根据权利要求2所述的矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，其特征在于:所述套管靴(8)与套设在潜孔锤(11)、螺旋钻杆(13)外的套管(12)连接。
4.根据权利要求1所述的矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，其特征在于:所述环形钻头台肩(2)与第一套管靴台肩(10)重合，所述套管靴(8)上的第二套管靴台肩(9)与所述中心钻头台肩(6)配合。
5.一种矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，其特征在于，该方法通过以下步骤实现: 步骤一、在井下安全区与人员被困区之间施工大直径救援钻孔，所述大直径救援钻孔贯通后，缓慢反向转动螺旋钻杆(13)使中心钻头(4)与环形钻头(I)解锁，将螺旋钻杆(13)、潜孔锤(11)、中心钻头(I)提出套管(12)，所述套管(12)留在大直径救援钻孔内，所述环形钻头(I)留在套管(12)中； 步骤二、在套管(12)中下入粗径接头将环形钻头顶出套管(12)，以保持套管(12)内达到最大通径和畅通。
6.根据权利要求5所述的矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，其特征在于:所述步骤二之后还包括: 步骤三、在套管(12)中下入救援仓(18)，所述救援仓(18)上部与钻杆(19)相连，通过下钻的方式将救援仓(18)下放至人员被困区域，待被困人员进仓后将救援仓(18)上提至安全区域，完成被困人员的救援。
7.根据权利要求6所述的矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，其特征在于:所述救援仓(18 )靠近孔口端设置有单动机构(22 )，所述单动机构(22 )连接有一稳定器(23 )，所述稳定器(23)与钻杆(19)连接。
8.根据权利要求7所述的矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，其特征在于:所述救援仓(18)的仓体外壁设有滚轮(20)，所述救援仓(18)的底部设置有配重(21)。
【文档编号】E21B7/20GK104453707SQ201410765995
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】石智军, 许超, 李泉新, 刘建林, 方俊, 赵江鹏, 刘勇, 王四一, 冀前辉, 高珺, 毕志琴 申请人:中煤科工集团西安研究院有限公司