复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法与流程

本发明涉及煤矿井下坑道钻探的技术领域，尤其涉及一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法。

背景技术：

钻孔抽采是现阶段我国煤矿瓦斯治理的重要途径，顶板高位大直径定向钻孔是抽采工作面采动影响区卸压瓦斯的重要手段，对于促进煤矿瓦斯灾害治理，保障煤矿安全高效开采，实现瓦斯资源化抽采利用具有重要意义。

顶板高位定向钻孔是从工作面回风顺槽或者临近巷道开辟的高位定向钻场向煤层顶板施工的一组走向定向长钻孔，通过抽采工作面采动裂隙与采空区内聚集的高浓度瓦斯达到工作面瓦斯治理的目的。顶板高位定向钻孔结构上由套管孔段、爬升孔段与主抽采孔段组成。套管孔段主要用于下入孔口套管，对孔口段孔壁裂隙实施封堵，并与抽采管路连接；爬升孔段是高位定向钻孔自回风顺槽爬升至工作面采动裂隙发育高度的过渡孔段，其长度与采动影响区裂隙带发育高度以及钻孔开孔倾角、方位角等因素有关；主抽采孔段是高位定向钻孔介入抽采的主孔段，布置于稳定岩层中，沿采动影响区裂隙带发育高度向工作面切眼走向延伸，其在工作面回采过程中能够与顶板采动裂隙贯通从而对采动裂隙内聚集的高浓度瓦斯实施抽采。

对于复杂顶板工作面，爬升孔段在穿越软弱破碎层时，冲洗介质的冲蚀作用容易导致孔壁岩体强度降低，诱发局部或整体性孔壁失稳，轻则造成钻进受阻，钻进工期延长，重则导致塌孔卡埋钻事故，造成直接经济损失。即便顺利成孔，在后期瓦斯抽采阶段也存在较高的孔壁垮塌风险，致使抽采气路通道受阻，钻孔抽采中断，无法形成连续抽采。

下入套管对软弱破碎层孔段实施封固是解决上述问题的最为直接有效的方法之一。但在现有顶板高位定向钻孔结构基础上，传统下套管工艺存在以下弊端：首先，下入套管内径必须大于钻孔终孔直径，同时套管孔段扩孔直径也必须大于套管外径，以φ153mm顶板高位大直径定向钻孔为例，下入钢制套管的规格一般为φ178mm，套管孔段扩孔直径应不小于φ193mm，如终孔直径增大，则套管规格与扩孔直径相应增大，这样不仅导致扩孔工作量的增加，套管刚度与套管自重也随之增大，增加了套管的下入难度；其次，为了获得理想的孔壁稳固效果，套管下放深度理论上应穿过软弱破碎层，最深可能覆盖整个爬升孔段，由于该孔段钻孔轨迹整体弯曲，大直径套管的下入难度进一步增大，甚至无法下放至预定位置，导致下套管失败。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，其通过对软弱破碎层孔壁实施保护，避免主抽采孔段施工阶段与后期抽采阶段软弱破碎层孔壁垮塌导致钻孔成孔困难与钻孔瓦斯抽采中断，还可实现穿越套管孔段对主抽采孔段实施大直径扩孔，达到提高瓦斯抽采效果的目的。

为实现上述目的，本发明公开了一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，复杂顶板高位大直径定向钻孔由套管孔段与主抽采孔段构成，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：自煤层内正角度开孔，采用随钻测量定向钻具组合沿设计轨迹钻进套管孔段先导定向孔，直径为dd，使其穿过煤层顶板与软弱破碎层，达到稳定抽采层；

步骤二：使用导向式扩孔钻具沿套管孔段先导定向孔扩钻至孔底，直径为dk；

步骤三：退出导向扩孔钻具，自孔口下入护壁套管对软弱破碎层孔段实施保护；

步骤四：向护壁套管与钻孔壁环空注入封孔材料对护壁套管实施封固；

步骤五：使用钻测量定向钻具组合穿过套管孔段，沿设计轨迹钻进主抽采孔段先导定向孔至设计孔深，直径为dd；

步骤六：采用水力扩张式扩孔装置在主抽采孔段先导定向孔的基础上实施扩孔，并以裸眼形式终孔。

其中：所述主抽采孔段的终孔直径大于护壁套管的外径。

其中：所述水力扩张式扩孔装置由后接头、螺母、本体、芯管、刀翼、撑杆、限位块、活塞与球形导向器连接组成，所述本体的前端连接有直径大于本体外径的球形导向器，本体的后端连接有后接头，所述本体的中心通孔内依次安装芯管、活塞、弹簧与活塞内套，所述芯管相对本体固定，所述活塞可滑动地套合于芯管，活塞的后端连接于限位块，所述限位块的后端铰接至刀翼的前端，所述刀翼的后端铰接至撑杆的前端，所述撑杆的后端铰接至本体，且所述限位块、刀翼与撑杆形成刀翼总成，所述刀翼总成为多个且能通过活塞的轴向滑动带动刀翼径向扩张从本体向外伸出。

其中：所述活塞和本体之间设有弹簧以实现弹性恢复功能，所述活塞和芯管之间设有活塞内套。

其中：所述本体内轴向自前向后分别为内径逐渐减少的一级孔、二级孔、三级孔和四级孔，且所述本体的外壁周向等间距布置n个法向贯通的矩形槽，各矩形槽的前端轴向设置凸形截面限位槽，所述矩形槽的后端设置贯穿矩形槽内壁的横向销孔。

其中：所述芯管包含直径较小的细径体和直径较大的粗径体，所述粗径体位于前部且直径等于本体内三级孔的内径，所述细径体位于后部且直径等于本体内四级孔的内径，所述细径体的后端设置细径体外螺纹，所述粗径体的前端设置粗径体外螺纹。

其中：所述活塞沿轴线设置活塞中心通孔3，沿轴线包括位于前端的活塞头与后端的活塞杆，所述活塞头外径与本体的一级孔内径一致并置于其内，所述活塞杆的外径与本体的二级孔内径一致并置于其内，所述活塞杆的尾部设置有矩形截面环形槽，环形槽的后侧周向布置n个螺钉孔。

其中：活塞头的外壁设置一o型圈槽，所述o型圈槽供一o型圈容置于内以用于与本体的一级孔内壁之间的密封。

其中：所述活塞内套的外径等于活塞中心通孔的内径，所述粗径体的直径小于活塞的活塞中心通孔的直径，所述活塞内套的内壁设有与芯管粗径体外螺纹配合的内螺纹。

其中：步骤六还包含如下子步骤：

子步骤6.1：将水力扩张式扩孔装置安装于扩孔钻杆前端，刀翼处于闭合状态；

子步骤6.2：使用扩孔钻杆将刀翼处于闭合状态的水力扩张式扩孔装置穿过套管孔段送入主抽采孔段；

子步骤6.3：开启泥浆泵，泵送循环介质推动活塞轴向滑动带动刀翼径向扩张从本体向外伸出；

子步骤6.4：启动钻机旋转水力扩张式扩孔装置原位扫孔，使水力扩张式扩孔装置刀翼充分扩张直至完全打开，沿主抽采孔段先导定向孔实施扩孔作业；

子步骤6.5：扩钻至孔底或预定孔深之后，停泵，原位旋转水力扩张式扩孔装置，收缩复位后退钻，扩孔作业完成。

通过上述内容可知，本发明的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法具有如下效果：

1、本顶板高位定向钻孔在合理增大主抽采孔段钻孔直径，保证钻孔瓦斯抽采效果的同时，控制套管孔段直径与下入套管规格，降低套管下放难度，保证顶板高位大直径定向钻孔顺利穿越软弱破碎地层，解决钻孔施工以及后期抽采过程中软弱破碎地层孔壁垮塌导致的钻孔成孔难度大、施工效率低以及钻孔抽采中断等问题。

2、水力扩张式扩孔装置是本高位定向钻孔实施的核心装置，可通过循环介质控制刀翼的张开，能够实现穿越套管孔段对主抽采孔段实施跨越式扩孔，保证复杂顶板高位定向钻孔的顺利实施。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的复杂顶板高位大直径定向钻孔的示意图。

图1a和图1b分别显示了图1中a-a和b-b处的剖视图。

图2a和图2b显示了本发明中水力扩张式扩孔装置在刀翼张开状态和刀翼闭合状态的结构示意图。

图3显示了本发明中水力扩张式扩孔装置内本体的结构示意图。

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e分别显示了图3中a-a、b-b、c-c、d-d和e-e处的剖视图。

图4显示了本发明中水力扩张式扩孔装置内芯管的结构示意图。

图5显示了本发明中水力扩张式扩孔装置内活塞内套的结构示意图。

图6显示了本发明中水力扩张式扩孔装置内活塞的结构示意图。

附图标记：

l1.套管孔段，l2.主抽采孔段，101.护壁套管，102.封孔材料，i.煤层，ii.顶板，iii.软弱破碎层，iv.稳定抽采层，1.后接头，2.螺母，3.本体，4.芯管，5.撑杆，6刀翼，7.限位块，8.活塞，9.弹簧，10.活塞内套，11.球形导向器，3-1.外螺纹，3-2.四级孔，3-3.横向销孔，3-4三级孔，3-5矩形槽，3-6.二级孔，3-7.凸形截面槽，3-8.一级孔，3-9.内螺纹，4-1.细径体外螺纹，4-2.细径体，4-3.粗径体，4-4.粗径体外螺纹，6-1.o形圈槽，6-2.活塞头，6-3.中心通孔，6-4活塞杆，6-5.矩形截面环形槽，6-6.螺钉孔。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的复杂顶板高位大直径定向钻孔的一个优选实施例，复杂顶板高位大直径定向钻孔由套管孔段l1与主抽采孔段l2构成，所述主抽采孔段l2布置于稳定抽采层iv，所述套管孔段l1从煤层i沿一倾角依次进入顶板ii和软弱破碎层iii以及稳定抽采层iv，在稳定抽采层iv弯曲后接续于主抽采孔段l2。

所述套管孔段l1内下入护壁套管101，同时参见图1a，所述护壁套管的101内径为dc1、外径为dc2，所述套管孔段l1的内径为dk，所述护壁套管101与套管孔段l1的钻孔壁环空之间注入封孔材料102后对护壁套管101实施封固。

同时参见图1b，所述主抽采孔段l2的直径d大于护壁套管的外径dc2。

参见图2a和图2b，显示了本申请使用的水力扩张式扩孔装置的一个优选实施例，所述水力扩张式扩孔装置由后接头1、螺母2、本体3、芯管4、刀翼5、撑杆6、限位块7、活塞8、弹簧9、活塞内套10与球形导向器11等连接组成，所述本体3的前端连接有直径大于本体3外径的球形导向器11，所述球形导向器11位于前端可引导整个水力扩张式扩孔装置沿主抽采孔段先导定向孔轨迹实施扩孔，本体3的后端连接有后接头1，所述后接头用于连接扩孔钻杆及其他附属钻具。所述本体3的中心通孔内依次安装芯管4、活塞8、弹簧9与活塞内套10，所述芯管4相对本体3固定，所述活塞8可滑动的套合于芯管4上，活塞8的后端连接于限位块7，所述限位块7的后端铰接至刀翼6的前端，所述刀翼6的后端铰接至撑杆5的前端，所述撑杆5的后端铰接至本体3，且所述限位块7、刀翼6与撑杆5形成刀翼总成，所述刀翼总成为多个且能通过活塞8的滑动从本体3向外伸出，所述活塞8和本体3之间设有弹簧9，以实现弹性恢复功能，所述活塞8和芯管4之间设有活塞内套10。

参见图3、图3a、图3b、图3c、图3d和图3e，在其中一个实施例中，所述的本体3后端外缘设置外螺纹3-1以连接后接头1，前端内缘设置内螺纹3-9以连接球形导向器11，所述本体3内轴向设置四级阶梯形的中心通孔，自前向后分别为内径逐渐减少的一级孔3-8、二级孔3-6、三级孔3-4和四级孔3-2，且所述本体3的外壁周向等间距布置n个法向贯通的矩形槽3-5，各矩形槽3-5的前端轴向设置凸形截面限位槽3-7，所述矩形槽3-5的后端设置贯穿矩形槽3-5内壁的横向销孔3-3，如图3b所示，所述横向销孔3-3可垂直于矩形槽3-5设置。

参见图4，显示了芯管4的一个优选实施例，所述芯管4采用内平结构，其包含直径较小的细径体4-2和直径较大的粗径体4-3，所述粗径体4-3位于前部且直径等于本体3内三级孔3-4的内径，所述细径体4-2位于后部且直径等于本体3内四级孔3-2的内径，所述细径体4-2的后端设置细径体外螺纹4-1，所述粗径体4-3的前端设置粗径体外螺纹4-4。

参见图6，显示了活塞8的一个优选实施例。所述的活塞8沿轴线设置活塞中心通孔6-3，沿轴线包括位于前端的活塞头6-2与活塞杆6-4两个主体部分，所述活塞头6-2外径与本体的一级孔3-8内径一致并置于其内，且活塞头的外壁设置一o型圈槽6-1，所述o型圈槽6-1供一o型圈容置于内以用于与本体3的一级孔3-8内壁之间的密封，所述活塞杆6-2的外径与本体3的二级孔3-6内径一致并置于其内，所述活塞杆6-4的后部距后端面一定距离设置有矩形截面环形槽6-5，环形槽6-5的后侧周向等间距布置n个螺钉孔6-6。

参见图5，显示了活塞内套的一个优选实施例。所述活塞内套10为圆筒结构，其外径等于活塞中心通孔6-3的内径，外壁设置另一o型圈槽，以容置一o型密封圈来实现与活塞中心通孔6-3内壁间的密封。

其中，所述粗径体4-3的直径小于活塞8的活塞中心通孔6-3的直径，所述活塞内套10的内壁设有与所述粗径体4-4外螺纹配合的内螺纹。

其中，所述活塞头6-2置于本体3的一级孔3-8内，活塞杆6-4置于本体3的二级孔3-6内，弹簧9置于本体二级孔3-6与活塞杆6-4外壁环空内，弹簧9的两端由活塞头6-2的后端面与本体二级孔3-6的台肩进行轴向限位，所述活塞头6-2在循环介质推动作用下可压缩弹簧9进行轴向滑动，所述限位块7、刀翼6与撑杆5使用圆柱形销铰接以形成刀翼总成，所述限位块7安装于本体矩形槽3-5前端，其外壁的凸形体置于本体的凸形限位槽3-7内，内壁的凹形体卡于活塞的矩形槽并使用螺钉固定，所述撑杆5下端使用圆柱形销铰接固定于本体矩形槽3-5后端，所述芯管细径体4-2置于本体四级孔3-8内，并使用螺母2固紧，所述粗径体4-3穿过活塞中心通孔6-3，所述活塞内套10安装于芯管粗径体外螺纹4-4。

其中，本发明的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法包括以下步骤：

步骤一：自煤层i内正角度开孔，采用随钻测量定向钻具组合沿设计轨迹钻进套管孔段l1先导定向孔，直径为dd，使其穿过顶板ii与软弱破碎层iii，达到稳定抽采层iv；

步骤二：使用导向式扩孔钻具沿套管孔段l1先导定向孔扩钻至孔底，直径为dk；

步骤三：退出定向钻具组合，自孔口下入护壁套管101对软弱破碎层iii孔段实施保护；

步骤四：向护壁套管101与钻孔壁环空注入封孔材料102对护壁套管101实施封固；

步骤五：使用钻测量定向钻具组合穿过套管孔段l1，沿设计轨迹钻进主抽采孔段l2先导定向孔至设计孔深，直径为dd；

步骤六：采用上述水力扩张式扩孔装置在主抽采孔段l2先导定向孔的基础上实施扩孔，并以裸眼形式终孔。

其中，还包含如下子步骤：

子步骤6.1：将水力扩张式扩孔装置安装于扩孔钻杆前端，活塞8在弹簧9的推力作用下位于初始位置，活塞内套10位于活塞中心通孔6-3内，此时，钻进循环介质流道关闭，刀翼6收缩于扩孔装置本体矩形槽3-5内，处于闭合状态；

子步骤6.2：使用扩孔钻杆将刀闭合状态的水力扩张式扩孔装置穿过套管孔段l1送入主抽采孔段l2；

子步骤6.3：开启泥浆泵，扩孔装置活塞8在钻进循环介质的推力作用下，压缩弹簧9向后移动，活塞内套10被动脱出活塞中心通孔6-3，冲洗介质流道打开，活塞8带动限位块7后移，将刀翼6推出扩孔装置本体矩形槽3-5，与此同时冲洗介质沿芯管4与活塞中心通孔环6-3空返流，并经扩孔装置本体矩形槽3-5流出，冲洗刀翼6；

子步骤6.4：启动钻机旋转扩孔装置原位扫孔，使刀翼6充分扩张直至完全打开，沿主抽采孔段l2先导定向孔实施扩孔作业；

子步骤6.5：扩钻至孔底或预定孔深之后，停泵，原位旋转水力扩张式扩孔装置，活塞8在弹簧9的推力作用下复位并带动限位块7前移将刀翼8收缩至本内矩形槽3-5内，退钻，扩孔作业完成。

由此，套管孔段自煤层内正角度开孔，首先采用随钻测量定向钻具组合按设计轨迹钻进套管孔段先导定向孔，直径为dd，使其穿过软弱破碎层后达到稳定抽采层；然后使用导向式扩孔钻具沿套管孔段先导定向孔扩钻至孔底，扩孔直径为dk；之后退出定向钻具组合，自孔口下入内径为dc1外径为dc2的护壁套管对软弱破碎层孔段实施保护，下入护壁套管长度与软弱破碎层距煤层高度以及自身厚度有关，最深可覆盖整个爬升孔段；最后向护壁套管与钻孔壁环空注入封孔材料，候凝固结形成封固环对护壁套管进行封固，进而达到保护孔壁，防止软弱破碎层孔段孔壁坍塌的目的。

主抽采孔段布置于稳定抽采层，接续套管孔段以煤层倾角在稳定抽采层内沿工作面走向延伸至，在套管孔段施工完成以后，使用随钻测量定向钻具组合穿过套管孔段，沿设计轨迹钻进主抽采孔段先导定向孔至设计孔深，直径为dd，然后采用水力扩张式扩孔装置在主抽采孔段先导定向孔的基础上实施扩孔，并以裸眼形式终孔，终孔直径为d，终孔直径d大于护壁套管外径dc2。

水力扩张式扩孔装置可通过循环介质控制刀翼的张开与闭合，总体由后接头、本体、芯管、刀翼、撑杆、限位块、活塞、弹簧、活塞内套与球形导向器等连接组成。

所述球形导向器顶端采用球形结构，球形表面焊接硬质合金保径，侧壁设置螺旋槽并焊接硬质合金保径，所述球形结构外径略小于主抽采孔段先导定向孔直径，对主抽采孔段先导定向孔壁侧向切削作用弱，导向性强，可避免扩孔作业过程中时开出分支孔导致扩孔偏离预定轨迹；本体后端连接后接头，用于连接扩孔钻杆及其他附属钻具。

所述芯管、活塞、弹簧与活塞内套安装于本体四级阶梯式中心通孔内；其中，活塞的活塞头与活塞杆分别置于本体一级孔与二级孔内，弹簧安装于活塞杆与本体二级孔壁的环形空间，活塞在循环介质的压力推动作用下能够压缩弹簧向后移动，使活塞杆坐于本体二级孔台肩到达死点，弹簧用于推动活塞复位；芯管细径体穿过本体四级孔，使用螺母自细径体端部螺纹处固紧，使芯管轴向限位，芯管粗径体贯穿活塞中心通孔，其外径小于活塞中心通孔直径，两者间形成环形流道，循环介质自芯管中心通道流至本体前端，在推动活塞压缩弹簧后移后，可经此环形流道返流至矩形槽流出；活塞内套安装与芯管粗径顶端，其外径与活塞中心通孔内径一致，随着活塞的前后移动，活塞内套可被动进入和脱出活塞中心通孔，以此控制芯管外壁与活塞中心通孔内壁间环形流道的关闭和打开。

所述限位块、刀翼与撑杆的宽度与本体矩形槽宽度一致，限位块后端以及刀翼与撑杆的两端均设置横向贯穿销孔，三者间采用圆柱形销依次铰接组成刀翼总成；其中，限位块安装于本体矩形槽前端，其外壁设置的轴向凸形体置于本体的凸形限位槽内，使其仅能做轴向滑动，同时内壁设置的横向凹槽卡住活塞矩形槽下侧壁，并使用螺钉将两者固定，使其可随活塞同步轴向前后移动；撑杆下端使用圆柱形销铰接固定于本体矩形槽后端；所述刀翼采用优质合金钢或者粉末冶金技术加工而成，其外缘焊接高性能pdc复合片切削齿；当限位块随活塞向后移动时，与之铰接连接的刀翼在撑杆的支撑作用下，便会向外张开，直至活塞运行至后死点，刀翼打开至最大，即可旋转水力扩张式扩孔装置，利用张开的刀翼实施扩孔作业。

所述芯管置于扩孔装置本体中心贯通孔内，并贯穿活塞中心贯通孔，芯管粗径体外径小于活塞中心贯通孔内径，其外壁与活塞中心贯通孔内壁形成循环介质环形通道，芯管细端穿过本体四级孔并使其台肩坐于本体三级孔台肩处，使用螺母自细径体外螺纹锁紧。

而且，所述水力扩张式扩孔装置的使用方法为：a.主抽采孔段先导定向孔完成之后，将水力扩张式扩孔装置安装于扩孔钻杆前端，停泵状态下，刀翼收缩于本体矩形槽内处于闭合状态；b.将刀翼处于闭合状态的水力扩张式扩孔装置穿过套管孔段送入主抽采孔段；c.开启泥浆泵，扩孔装置活塞在钻进循环介质压力的推动作用下，压缩弹簧向后移动，活塞内套被动脱出活塞内孔，冲洗介质流道打开，活塞带动滑块下移，将刀翼推出扩孔装置本体矩形槽，同时冲洗介质沿芯管与活塞内孔环空返流，经扩孔装置本体矩形槽流出对刀翼进行冲洗；d.启动钻机旋转扩孔装置原位扫孔，使刀翼充分扩张直至完全打开后即可实施扩孔作业；e.扩钻至孔底或预定孔深之后，停泵，原位旋转水力扩张式扩孔装置，活塞在弹簧的推力作用下复位并带动滑块前移将刀翼收缩至本内矩形槽内，退钻。

由此，本发明通过对软弱破碎层孔壁实施保护，避免主抽采孔段施工过程中与后期抽采过程中软弱破碎层孔壁垮塌导致钻孔成孔困难与钻孔瓦斯抽采中断。主抽采孔段布置于稳定抽采层，用于抽采工作面采动裂隙与采空区瓦斯的高效抽采。涉及的水力扩张式扩孔装置由后接头、螺母、本体、芯管、撑杆、刀翼、限位块、弹簧、活塞、活塞内套以及球形导向器连接组成，可通过循环介质压力控制刀翼张开与闭合，实现穿越套管孔段对主抽采孔段实施大直径扩孔，达到提高瓦斯抽采效果的目的。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。