煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法与流程

本发明涉及煤矿井下施工的技术领域，尤其涉及一种应用于煤矿井下松软煤层顺层长钻孔施工的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法。

背景技术：

随着煤炭开采深度的增加和开采范围的扩大，以钻孔抽采为主要技术手段的煤层瓦斯治理难度越来越大。在松软破碎煤层中施工瓦斯抽采钻孔容易出现塌孔、卡钻，存在成孔难度大的问题；而采用回转钻进则出现钻孔轨迹控制难，易钻进至煤层顶(底)板岩石，无法实现煤层顺层长钻孔施工，瓦斯抽采不均匀，导致产生抽采盲区，造成安全隐患。因此，目前在松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔施工的关键问题是以深度和精度为主的成孔问题。

目前煤矿井下定向钻进技术是以液动螺杆马达作为孔底动力，驱动钻头回转碎岩的钻进技术方法；对于松软煤层、破碎的、泥岩水敏性地层，为保证钻孔稳定性，则主要采用空气钻进和螺旋钻进作为成孔方法，无法采用水力作为冲洗介质。

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，研究设计出一种煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法，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煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法，能够增加钻孔深度和煤层钻遇率，提高钻孔瓦斯抽采效果。

为解决上述问题，本发明公开了1.一种煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合，其特征在于包括依次连接的定向钻头、空气螺杆马达、下无磁钻杆、无线电磁波随钻测量短节、上无磁钻杆、中间钻杆和送风器，该钻具组合可以进行复合钻进和滑动定向钻进两种方法进行施工：复合钻进时，定向钻头在空气螺杆马达驱动下回转碎岩，同时中间钻杆回转带动空气螺杆马达回转，孔底钻渣由压缩空气从孔底沿着环空间隙排到孔外，中间钻杆能起到辅助排渣作用；滑动定向钻进时，中间钻杆不回转，压缩空气驱动空气螺杆马达回转带动定向钻头回转破碎，通过改变空气螺杆马达的弯头朝向来控制钻孔轨迹，其中，所述无线电磁波随钻测量短节将测量数据发送至孔口接收装置，由孔口接收装置显示施工钻孔轨迹，大大增加钻孔深度和煤层钻遇率，提高钻孔瓦斯抽采效果。

其中：所述空气螺杆马达由压缩空气驱动内部的转子回转，该空气螺杆马达的前端设有弯外管，所述转子通过弯外管以及万向节连接至定向钻头以带动定向钻头回转来实现切削碎岩。

其中：所述空气螺杆马达的外部壳体从上部接头至所述弯外管的衬垫处设置有连续右旋螺旋槽，从而能当螺杆马达整体回转时螺旋叶片能够对沉积钻渣起到搅动作用，提高排渣能力。

其中：所述下无磁钻杆与上无磁钻杆采用无磁钢材料加工，两者内部均设有大通孔结构，外部设计螺旋槽结构。

其中：所述中间钻杆采用大通孔螺旋钻杆或三棱钻杆，大通孔结构能够减小气体压力损失，保证所需风压和风量；大通孔螺旋钻杆螺旋结构或三棱钻杆的三棱结构在钻杆回转时起到搅动和辅助排渣的作用，提高软煤钻进的排粉效果。

其中：所述无限电磁波随钻测量短节由无线电磁波测量探管、电池筒、无磁外管和绝缘短节组成，无线电磁波测量探管与电池筒连接后安装在无磁外管内，电池筒为无线电磁波测量探管提供电源，而无线测量探管将测得的钻孔数据通过发射装置以电磁波形式传输到孔口接收装置。

如上所述的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合的施工方法，其特征在于包含：

(一)回转钻进开孔并扩孔，安装孔口装置；

通过钻具并调整好倾角和方位角后回转钻进开孔，采用风力排渣，钻进9～12m，后提钻；连接扩孔钻头和钻杆进行扩孔钻进，完成后安装好孔口装置；

(二)连接钻具进行复合钻进；

连接钻具组合，开始旋转复合钻进施工，此时通过中间钻杆回转带动空气螺杆马达回转，空气螺杆马达在压缩空气驱动下回转带动钻头回转切削破碎；压缩空气通过送风器、沿着中间钻杆中心输送到孔底，由于空气螺杆马达的弯外管随着中间钻杆回转不断变换，不起造斜作用，提高软煤排粉效果；

(三)采用滑动定向钻进纠偏；

根据孔口接收装置显示结果，调整空气螺杆马达的弯外管的朝向，此时中间钻杆和空气螺杆马达外壳不回转，压缩空气从孔口沿着中间钻杆的中心进入孔内驱动空气螺杆马达回转从而带动钻头回转切削破碎，由于空气螺杆马达弯外壳作用，改变定向钻头切削方向，实现钻孔造斜和纠偏的目的，钻进过程中，孔内测量装置将测量的钻孔倾角、方位角等数据传输到孔口接收装置，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹，根据显示结果，判断如何进行钻孔轨迹控制，从而使钻孔轨迹尽可能沿着煤层或预定方向延伸；

(四)复合钻进与滑动定向钻进交替进行完成钻孔施工

滑动定向钻进完成后，即造斜完成或纠偏结束，停止滑动定向钻进，重新开始旋转复合钻进，同步骤二所述；当再次需要造斜或纠偏时，则停止旋转复合钻进，重新开始滑动定向钻进，同步骤三所述，如此反复交替进行，直至钻进至设计深度和要求，完成钻孔施工。

其中：复合钻进过程中，压缩空气携带钻头切削的钻渣沿着钻杆与孔壁的环空间隙排出孔外；中间钻杆回转时起到搅动和辅助排渣的作用，孔内无线电磁波随钻测量短节将测量的钻孔倾角、方位角等数据传输到孔口接收装置，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹。

其中：在滑动定向钻进时，以空气螺杆马达的高边方向线为始边，高边工具面角为0°360°，顺时针方向为正方向，工具面角范围为0～360°；通过孔口顺时针转动钻杆带动整个空气螺杆马达回转，调整工具面角的大小，来实现对倾角和方位角的调整，从而控制钻孔轨迹。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法具有如下效果：

1、能够实现煤矿井下松软煤层顺层长钻孔施工，通过对钻孔轨迹有效控制，能够提高钻孔深度，增加煤层钻遇率；

2、通过对钻孔轨迹测量，能够确定实际钻孔轨迹，尽可能避免常规钻孔施工中存在的抽采盲区，有利于实现区域瓦斯治理。

3、采用旋转复合钻进与滑动定向钻进相结合，整体式螺旋钻杆起到辅助排渣作用，有利于孔内钻渣的排出，减少孔内事故发生的可能。

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显示了本发明的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合的示意图。

图2显示了本发明滑动定向钻进的施工原理图。

图3显示了本发明复合钻进的施工原理图。

附图标记：

1-送风器；2-中间钻杆；3-上无磁钻杆；4-无线电磁波随钻测量短节；5-下无磁钻杆；6-空气螺杆马达；7-定向钻头。

具体实施方式

参见图1至图3，显示了本发明的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合与施工方法。

如图1所示，所述煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合包括依次连接的定向钻头7、空气螺杆马达6、下无磁钻杆5、无线电磁波随钻测量短节4、上无磁钻杆3、中间钻杆2和送风器1，该钻具组合可以进行复合钻进和滑动定向钻进两种方法进行施工：复合钻进时，定向钻头7在空气螺杆马达6驱动下回转碎岩，同时中间钻杆2回转带动空气螺杆马达6回转，孔底钻渣由压缩空气从孔底沿着环空间隙排到孔外，中间钻杆能起到辅助排渣作用；滑动定向钻进时，中间钻杆不回转，压缩空气驱动空气螺杆马达6回转带动定向钻头7回转破碎煤(岩)，通过改变空气螺杆马达6的弯头朝向来控制钻孔轨迹，其中，所述无线电磁波随钻测量短节4将测量数据发送至孔口接收装置，由孔口接收装置显示施工钻孔轨迹。施工时主要采用复合钻进工艺，需要造斜或纠偏时，采用滑动定向钻进。采用该钻具组合和施工方法可实现煤矿井下松软煤层工作面顺层长钻孔施工，大大增加钻孔深度和煤层钻遇率，提高钻孔瓦斯抽采效果。该钻具组合可直接回转进行复合钻进，也可滑动定向钻进实现纠偏或造斜。

其中，所述空气螺杆马达6由压缩空气驱动内部的转子回转，该空气螺杆马达6的前端设有弯外管，所述转子通过弯外管以及万向节连接至定向钻头以带动定向钻头回转来实现切削碎岩。

其中，所述空气螺杆马达6的外部壳体从上部接头至所述弯外管的衬垫处设置有连续右旋螺旋槽，从而能当螺杆马达整体回转时螺旋叶片能够对沉积钻渣起到搅动作用，提高排渣能力，所述下无磁钻杆5与上无磁钻杆3采用无磁钢材料加工，两者内部均设有大通孔结构，外部设计螺旋槽结构，从而，本申请的上下无磁钻杆具有强度高，风阻小的特点，起到减小测量时前后组件产生的磁性干扰作用。

其中，所述中间钻杆2采用大通孔螺旋钻杆或三棱钻杆，大通孔结构能够减小气体压力损失，保证所需风压和风量；大通孔螺旋钻杆螺旋结构或三棱钻杆的三棱结构在钻杆回转时起到搅动和辅助排渣的作用，提高软煤钻进的排粉效果。

所述无限电磁波随钻测量短节4由无线电磁波测量探管、电池筒、无磁外管和绝缘短节组成，无线电磁波测量探管与电池筒连接后安装在无磁外管内，电池筒为无线电磁波测量探管提供电源，而无线测量探管将测得的钻孔数据通过发射装置以电磁波形式传输到孔口接收装置；中间钻杆由整体结构的材料铣出，整体性好，保证钻杆结构强度，可具有大通孔结构，尽可能减小风阻，钻杆回转过程中，对孔内下部沉积钻渣起到搅动作用，将沉积钻渣搅起来，有利于排渣；送风器设计成大通孔结构，与钻杆结构配套丝扣连接，连接供风管路和钻杆，将压缩空气从孔口通过钻杆送入孔内，内部设计有轴承结构，当钻杆回转时，送风器一端与钻杆连接部分回转，而另一端与风管连接部分则不回转。

参见图2，滑动定向钻进时，钻杆和空气螺杆马达外壳不回转，压缩空气从孔口沿着钻杆中心进入孔内驱动螺杆马达回转从而带动钻头回转切削破碎，由于螺杆马达弯外壳作用，改变钻头切削方向，实现钻孔造斜和纠偏的目的。

参见图3，复合钻进时，空气螺杆马达在压缩空气驱动下回转带动钻头回转，同时孔内整套钻具在孔口钻机回转作用下一起回转，即钻头在孔口动力和孔底空气螺杆马达双重作用下切削碎岩，螺杆马达的弯外管随着钻杆回转不断回转，不起造斜作用。

本发明的煤矿井下空气螺杆马达定向成孔钻具组合的施工方法如下：

(五)回转钻进开孔并扩孔，安装孔口装置

通过钻具并调整好倾角和方位角后回转钻进开孔，采用风力排渣，钻进9～12m，后提钻；连接扩孔钻头和钻杆进行扩孔钻进，完成后安装好孔口装置；

(六)连接钻具进行复合钻进

连接钻具组合，该钻具组合由送风器1、中间钻杆2、上无磁钻杆3、无线电磁波随钻测量短节4、下无磁钻杆5、空气螺杆马达6和定向钻头7组成。

连接好上述钻具组合，开始旋转复合钻进施工，此时通过中间钻杆2回转带动空气螺杆马达回转6，空气螺杆马达6在压缩空气驱动下回转带动钻头7回转切削破碎；压缩空气通过送风器1、沿着中间钻杆2中心输送到孔底。此时，由于空气螺杆马达6的弯外管随着中间钻杆2回转不断变换，不起造斜作用，整个钻具与常规回转钻进效果类似，主要提高软煤排粉效果。空气螺杆马达定向成孔钻具组合复合钻进施工原理图2所示。

钻进过程中，压缩空气携带钻头切削的钻渣沿着钻杆与孔壁的环空间隙排出孔外；中间钻杆2回转时起到搅动和辅助排渣的作用。孔内无线电磁波随钻测量短节4将测量的钻孔倾角、方位角等数据传输到孔口接收装置，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹。

在回转过程中，整体式大通孔螺旋钻杆或三棱钻杆的螺旋叶片或棱边对钻孔堆积的钻渣起到搅动作用，将钻孔内沉积钻渣搅动起来，同时具有一定研磨效果，空气螺杆马达外部螺旋叶片作用类似，回转过程中钻渣被搅起的同时，压缩空气将搅起的钻渣排出孔外。在螺旋叶片三棱边辅助排渣作用下，减少孔内钻渣的堆积，降低钻孔施工阻力，大大降低钻进系统压力，有利于实现顺层长钻孔施工。

孔底钻头切削破碎产生的钻渣由空气从孔底沿着环空间隙排到孔外，回转过程中，螺旋钻杆起到辅助排渣作用。钻进过程中，孔内测量装置通过其信号发射装置将测量的钻孔倾角、方位角等数据以无线电磁波的形式传输到孔口接收装置，孔口接收装置接收数据并存储、计算，同时显示测量结果和钻孔轨迹。

(七)采用滑动定向钻进纠偏

根据孔口接收装置显示结果，调整空气螺杆马达6的弯外管的朝向，此时中间钻杆2和空气螺杆马达6外壳不回转，压缩空气从孔口沿着整体式大通孔螺旋钻杆或三棱钻杆2中心进入孔内驱动空气螺杆马达6回转从而带动钻头回转切削破碎，由于空气螺杆马达6弯外壳作用，改变定向钻头7切削方向，实现钻孔造斜和纠偏的目的。空气螺杆马达定向成孔钻具组合滑动定向钻进施工原理图3所示。

优选的是，在滑动定向钻进时，以空气螺杆马达6的高边方向线为始边，高边工具面角为0°360°，顺时针方向为正方向，工具面角范围为0～360°；通过孔口顺时针转动钻杆带动整个空气螺杆马达回转，调整工具面角的大小，来实现对倾角和方位角的调整，从而控制钻孔轨迹。一般情况下，当工具面角在0～90°之间，轨迹控制效果为倾角增加，方位角增加；工具面角在90～180°时，轨迹控制效果为倾角减小，方位角增加；工具面角在180°～270°时，轨迹控制效果为倾角减小，方位角减小；工具面角在270°～360°时，轨迹控制效果为倾角增加，方位角减小。其中，工具面角越靠近0°和180°，则增倾角和降倾角的作用越强，改变方位角的效果越小；工具面角越靠近90°和270°，则增方位和减方位的作用越强，改变倾角的效果越小。

钻进过程中，孔内测量装置将测量的钻孔倾角、方位角等数据传输到孔口接收装置，接收装置将显示测量结果和钻孔轨迹，根据显示结果，判断如何进行钻孔轨迹控制，从而使钻孔轨迹尽可能沿着煤层或预定方向延伸。实施过程中，孔内测量装置将测得参数通过发射装置以无线电磁波的形式发射出去，然后孔口接收装置接收信号并存储数据，孔口接收装置根据测得倾角和方位角，结合孔深数据，按照钻孔轨迹计算模型，计算出对应测点的三维坐标值，即在相对坐标系中的坐标值一般称为水平位移、左右位移和上下位移，然后通过计算坐标值绘制出钻孔轨迹图形。根据实钻轨迹与设计轨迹之间的偏差，确定如何调整轨迹，即钻孔应该向上、向下或者向左、向右钻进，根据前述工具面角对钻孔倾角和方位角的影响作用，调整螺杆马达工具面角，即改变弯头朝向，之后在给进作用下继续钻进就能实现对钻孔轨迹的控制；当输送压缩空气驱动马达转子回转时，万向轴和传动抽带动钻头回转，此时钻杆串和螺杆马达外部壳体不回转，之后孔口给进作用通过钻杆传递到孔底，不同工具面角情况下钻头产生不同的造斜力，从而导致钻头在水平方向和竖直方向的切削各不相同，从而使钻孔按照预定轨迹钻进延伸。

(八)复合钻进与滑动定向钻进交替进行完成钻孔施工

滑动定向钻进完成后，即造斜完成或纠偏结束，停止滑动定向钻进，重新开始旋转复合钻进，同步骤二所述；当再次需要造斜或纠偏时，则停止旋转复合钻进，重新开始滑动定向钻进，同步骤三所述，如此反复交替进行，直至钻进至设计深度和要求，完成钻孔施工。

由此，本发明的优点在于：

1、能够实现煤矿井下松软煤层顺层长钻孔施工，通过对钻孔轨迹有效控制，能够提高钻孔深度，增加煤层钻遇率；

2、通过对钻孔轨迹测量，能够确定实际钻孔轨迹，尽可能避免常规钻孔施工中存在的抽采盲区，有利于实现区域瓦斯治理。

3、采用旋转复合钻进与滑动定向钻进相结合，整体式螺旋钻杆起到辅助排渣作用，有利于孔内钻渣的排出，减少孔内事故发生的可能。

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。