一种煤矿用大直径螺旋钻进装备的制作方法

本实用新型涉及井下钻进技术领域，特别是煤矿用大直径螺旋钻进技术。

背景技术：

目前，《煤矿安全规程》取消了尾巷的布置，大部分矿井由原来的“u+l”布置方针改变为”u“型布置方式，而当前的采掘工艺技术的发展使得生产强度不断增加，造成回采工作面及上隅角瓦斯存在超限的隐患。煤矿井下地质条件复杂，在软煤层、构造煤和断层褶皱发育的地带进行大直径钻孔施工存在以下几个问题：

1、钻进过程中，孔内壁出现垮塌，岩煤抱住钻具，使钻具无法继续钻进；

2、钻孔形成后，抽出钻具，钻孔垮塌形成废孔；当钻进时，遇到瓦斯突然涌出，会产生人员伤亡。

上述问题的发生，使煤矿井下瓦斯抽采钻孔成孔率低于30％，成孔深度低，成孔直径小，导致抽采作用半径小；钻孔深度短，导致钻孔抽采周期短。煤层渗透率低，影响抽采效率降低。

虽然有常规大螺旋钻进设备及方法在地面施工中的成功应用，但是煤矿井下施工环境相较于地面施工更为复杂，因此常规大螺旋钻进设备及方法，在煤矿井下是无法使用的。首先，煤矿井下对设备尺寸要求极为严苛，常规大螺旋钻进设备尺寸过大，无法进入井下施工面；其次，常规大螺旋钻进设备施工需要设置接收巷道，煤矿井下无法做到；再次，常规大螺旋钻进设备在钻进过程中，螺旋钻杆与套管摩擦容易产生火花，造成瓦斯爆炸等隐患。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出一种煤矿用大直径螺旋钻进装备，其可实现防止松软煤层坍塌的钻进工艺，利用形成的大直径钻孔通道，使抽采瓦斯的效率成倍的提高，该技术与装备也可以为煤矿井下解决上隅角及采空区瓦斯积聚的难题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种煤矿用大直径螺旋钻进装备，包括液压转驱机构、主顶推机构、大直径螺旋钻杆、大直径螺旋钻头、定向钻头和定向钻杆，其中大直径螺旋钻头安装在大直径螺旋钻杆的头部，所述定向钻头安装在定向钻杆的头部，大直径螺旋钻杆为管状结构，大直径螺旋钻头为环形结构，定向钻杆可通过转接头连接在大直径螺旋钻头的头部，大直径螺旋钻杆和定向钻杆的尾部均可连接在液压转驱机构的动力输出端，所述液压转驱机构安装在主顶推机构上，该主顶推机构可驱动液压转驱机构、以及大直径螺旋钻杆和/或定向钻杆推进或退回；

所述煤矿用大直径螺旋钻进装备还包括防火花套管，大直径螺旋钻杆外部设有用于将钻孔产生的杂削排出的螺旋叶片，大直径螺旋钻以及螺旋叶片插装在防火花套管内，且所述防火花套管可与大直径螺旋钻杆协同推进或退回。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述大直径螺旋钻杆的内径与所述定向钻杆的外径相匹配。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述大直径螺旋钻头为爪状，使得大直径螺旋钻头钻进产生的杂削可通过大直径螺旋钻头的间隙进入到防火花套管中。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述防火花套管主体为钢制套管，钢制套管的内壁镶嵌采用聚酰胺材料注塑成型的内嵌套。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述煤矿用大直径螺旋钻进装备还包括至少一个夹持器，该夹持器设置在防火花套管的行进路径上，所述夹持器主题为环状结构，夹持器上设有用于承托防火花套管直线移动的滚轮。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述夹持器具有用于调节高度夹持器位置的高度调节机构；所述夹持器上的滚轮通过径向调节结构安装夹持器主题上，以调节滚轮承托面的径向位置。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述定向杆为中空结构，定向钻头的尾部设有激光发射器，主顶推机构上设有与激光发射器匹配的激光接收标靶，该激光接收标靶与激光发射器配合用于监控定向钻头的钻进方向。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述主顶推机构包括行进滑轨、导向光轴和推进油缸，所述液压转驱机构可滑动的安装在行进滑轨上，推进油缸的伸出端连接在液压转驱机构的后方，所述导向光轴上套装有导向活动结构，导向活动结构安装与液压转驱机构连接，所述推进油缸可推动液压转驱机构沿行进滑轨直线移动并由导向光轴导向。

使用本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用定向钻杆控制大直径钻孔的走向，钻孔轨迹不会因为复杂的煤层地质环境而偏移；无需单独开接收巷道；采用大直径螺旋钻杆带动大直径螺旋钻头在套管内的钻进方式可有效增大钻孔孔径和降低1液压转驱机构的扭矩损失，增快了瓦斯抽采的效率；采用防火花套管有利于井下高瓦斯环境的钻进；采用套管跟进的施工方法，能有效解决松软煤层的成孔易垮塌的问题，使松软煤层的成孔率由30％提升至100％。

附图说明

图1为本实用新型煤矿用大直径螺旋钻进装备中执行车结构示意图。

图2为本实用新型煤矿用大直径螺旋钻进装备动力车结构示意图。

图3为本实用新型煤矿用大直径螺旋钻进装备钻进安装示意图。

图4为本实用新型煤矿用大直径螺旋钻进装备防火花套管结构示意图。

附图标记包括：

1、液压转驱机构；2、主顶推机构；21、行进滑轨；22、稳固梁；23、导向光轴；24、激光接收标靶；25、推进油缸；3、夹持器；4、支撑组件；5、行走底盘；6、操作台；7、负载敏感泵；8、矿用防爆电机；9、矿用防爆软启动器；10、油箱；11、大直径螺旋钻杆；111、螺旋叶片；12、防火花套管；121、钢制套管；122、内嵌套；123、套管接头；13、大直径螺旋钻头；14、定向钻头；141、激光发射器；15、定向钻杆；16、高压胶管。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1-图4所示，本实施了提出一种煤矿用大直径螺旋钻进装备，包括液压转驱机构1、主顶推机构2、大直径螺旋钻杆11、大直径螺旋钻头13、定向钻头14和定向钻杆15，其中大直径螺旋钻头13安装在大直径螺旋钻杆11的头部，所述定向钻头14安装在定向钻杆15的头部，大直径螺旋钻杆11为管状结构，大直径螺旋钻头13为环形结构，定向钻杆15可通过转接头连接在大直径螺旋钻头13的头部，大直径螺旋钻杆11和定向钻杆15的尾部均可连接在液压转驱机构1的动力输出端，所述液压转驱机1安装在主顶推机构2上，该主顶推机构2可驱动液压转驱机构1、以及大直径螺旋钻杆11和/或定向钻杆15推进或退回。

其中大直径螺旋钻头13安装在大直径螺旋钻杆11的头部，所述定向钻头14安装在定向钻杆15的头部，中大直径螺旋钻杆11为管状结构，大直径螺旋钻头13的环形结构，定向钻杆15插装在大直径螺旋钻头13的环形结构处，所述大直径螺旋钻杆11的尾部连接在液压转驱机构1的动力输出端，该液压转驱机构1可驱动大直径螺旋钻杆11旋转，所述液压转驱机构1安装在主顶推机构2上，该主顶推机构2可驱动液压转驱机构1、以及大直径螺旋钻杆11和定向钻杆15推进或退回。

具体的，本煤矿用大直径螺旋钻进装备安装在动力车上，煤矿用大直径螺旋钻进装备包括执行车和辅助部件，执行车主要由主顶推机构2、行走底盘5、液压转驱机构1、操作台6、夹持器3、支撑组件4组成。动力车主要由矿用防爆电机8、负载敏感泵7、矿用防爆软启动器9、油箱10组成。辅助部件主要包括定向钻头14、定向钻杆15、大直径螺旋钻杆11、防火花套管12、大直径螺旋钻头13、高压胶管16。

其中动力车中，行走底盘5为履带式，底盘上安装负载敏感泵7、矿用防爆电机8、矿用防爆软启动器9和油箱10，油箱10通过发动机(图中未示出)驱动行走底盘5移动，矿用防爆电机8通过负载敏感泵7驱动执行车动作，矿用防爆软启动器9形成控制、软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装备。

作为优选的，大直径螺旋钻杆11的内径与定向钻杆15的外径相匹配。

煤矿用大直径螺旋钻进装备还包括防火花套管12，大直径螺旋钻杆11外部设有用于将钻孔产生的杂削排出的螺旋叶片111，大直径螺旋钻以及螺旋叶片111插装在防火花套管12内，且防火花套管12可与大直径螺旋钻杆11协同推进或退回，防火花套管12的作用是避免大直径螺旋钻进装备产生火花，同时防火花套管12配合螺旋叶片111将钻孔杂削从钻孔中排出。

大直径螺旋钻头13为爪状，使得大直径螺旋钻头13钻进产生的杂削可通过大直径螺旋钻头13的间隙进入到防火花套管12中，大直径螺旋钻头13可漏过钻孔杂削。

作为优选的，防火花套管12主体为钢制套管121，钢制套管121的内壁镶嵌采用聚酰胺材料注塑成型的内嵌套122。

煤矿用大直径螺旋钻进装备还包括至少一个夹持器3，该夹持器3设置在防火花套管12的行进路径上，夹持器3主题为环状结构，夹持器3上设有用于承托防火花套管12直线移动的滚轮，滚轮起到承托防火花套管12主体中部的作用，避免防火花套管12因自身重量导致大直径螺旋钻杆11或防火花套管12移动方向因自身重力导致偏移。

夹持器3具有用于调节高度夹持器3位置的高度调节机构；夹持器3上的滚轮通过径向调节结构安装夹持器3主题上，以调节滚轮承托面的径向位置，使得夹持器3可调节支撑角度和位置。

定向杆为中空结构，定向钻头14的尾部设有激光发射器141，主顶推机构2上设有与激光发射器141匹配的激光接收标靶24，该激光接收标靶24与激光发射器141配合用于监控定向钻头14的钻进方向。

主顶推机构2包括行进滑轨21、导向光轴23和推进油缸25，液压转驱机构1可滑动的安装在行进滑轨21上，推进油缸25的伸出端连接在液压转驱机构1的后方，导向光轴23上套装有导向活动结构，导向活动结构安装与液压转驱机构1连接，推进油缸25可推动液压转驱机构1沿行进滑轨21直线移动并由导向光轴23导向。

总体来说，本装备的使用过程如下，根据设计需求，将煤矿用大直径螺旋钻进装备布置并支护在工作面，液压转驱机构1和夹持器3配合，带动定向钻杆15同步旋转定向钻头14，钻出符合设计路线的导向孔。成孔后，利用液压转驱机构1和夹持器3相互配合，将大直径螺旋钻杆11和大直径螺旋钻头13套在定向钻杆15的外壁；液压转驱机构1带动大直径螺旋钻杆11和大直径螺旋钻头13按照定向钻杆15的轨迹钻进；大直径孔成孔后，依次起拔出定向钻杆15及大直径螺旋钻杆11。

其他部分中，执行车和动力车之间用高压胶管16连接，实现液压驱动系统动力传递。液压转驱机构1为主轴通孔式，通过并夹持定向钻杆15同步旋转的定向钻头14，钻出符合设计线路的导向孔。大直径螺旋钻杆11和大直径螺旋钻头13内部为中空结构。防火花套管12是在钢制套管121内部镶嵌采用聚酰胺材料注塑成型的内嵌套122，防止大直径螺旋钻杆11与套管摩擦产生火花，相邻的防火花套管12之间通过套管接头123连接。钻孔产生的渣土由大直径螺旋钻杆11利用螺旋叶片111导出。主顶推机构2上设有显示钻进位置精度的激光接收标靶24，在定向钻头14内部设有激光发射器141。

实施例2

一种煤矿用大直径螺旋钻进方法，使用如实施例1中的煤矿用大直径螺旋钻进装备，包括以下步骤：

步骤1、将煤矿用大直径螺旋钻进装备稳固在已经掘好的煤矿井下工作巷道内(对面无接收巷)；

步骤2、液压转驱机构1夹持定向钻杆15同步旋转定向钻头14，钻出符合设计线路的导向孔；

步骤3、利用液压转驱机构1将大直径螺旋钻杆11和大直径螺旋钻头13套在定向钻杆15的外壁；液压转驱机构1带动大直径螺旋钻杆11和大直径螺旋钻头13按照定向钻杆15的轨迹钻进；

步骤4、成孔后，依次起拔出定向钻杆15及大直径螺旋钻杆11。

结合实施例1中的煤矿用大直径螺旋钻进装备，本装备的使用方法包括如下步骤

首先通过控制操作台6驱动行走底盘5将本装备开进到合适的位置，即在已经掘好的煤矿井下工作巷道内，然后通过支撑组件4将行动车稳定支撑在地面以及待钻孔面。

然后操作台6驱动矿用防爆电机8、负载敏感泵7的配合，使得液压转驱机构1驱动定向钻杆15旋转，主顶推机构2推进液压转驱机构1向前顶出，在此过程中，液压转驱机构1沿着行进滑轨21迁移，行进滑轨21的中部以及前部被稳固梁22承托在行走底盘5的前部，主顶推机构2持续推进，将定向钻杆15以及定向钻头14钻进到待钻孔面内到合适的深度，在此过程中，主顶推机构2首先连接定向钻杆15的尾部，将带有定向钻头14的定向钻杆15首段推入到煤壁中，然后液压转驱机构1和定向钻杆15尾部脱开，主顶推机构2带动液压转驱机构1退回，再将另一个定向钻杆15尾部连接在液压转驱机构1上，头部连接在顶入煤壁中的定向钻杆15的尾部，主顶推机构2带动液压转驱机构1推进，将第二段定向钻杆15顶部煤壁中，如此往复，在此过程中，激光发射器141和激光接收标靶24配合测量钻进深度及钻进角度。

在定向钻杆15顶入到合适的深度后，主顶推机构2带动液压转驱机构1退回，大直径螺旋钻杆11连接在液压转驱机构1上，大直径螺旋钻杆11的头部通过转接装置连接在最后一个定向钻杆15的尾部，然后主顶推机构2带动液压转驱机构1推进，大直径螺旋钻杆11和防火花套管同时推入到煤壁中，与将定向钻杆15推入到煤壁中类似，将大直径螺旋钻杆11分段的逐个顶入到煤壁中。大直径螺旋钻杆11沿着定向钻杆15的延伸方向推进，直至顶入到合适的深度，形成如图3所示效果。最后通过主顶推机构2将大直径螺旋钻杆11和大直径螺旋钻头13、以及定向钻杆15和定向钻头14依次拔出，完成钻进。

本实用新型采用定向钻杆15控制大直径钻孔的走向，钻孔轨迹不会因为复杂的煤层地质环境而偏移；无需单独开接收巷道回收钻具；采用大直径螺旋钻杆11带动大直径螺旋钻头13在套管内的钻进方式可有效增大钻孔孔径和降低1液压转驱机构1的扭矩损失，增快了瓦斯抽采的效率；采用防火花套管12有利于井下高瓦斯环境的钻进；采用套管跟进的施工方法，能有效解决松软煤层的成孔易垮塌的问题，使松软煤层的成孔率由30％提升至100％。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本实用新型的构思，均属于本专利的保护范围。