一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统及排渣方法与流程

本发明涉及煤矿安全工程技术领域，具体为一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统及排渣方法。

背景技术：

我国高瓦斯矿井2000处以上，在瓦斯治理方式中，在煤层中施工钻孔抽采瓦斯是最为重要的手段之一。随着钻孔施工装备和技术的发展，在煤层中施工长距离钻孔，例如“千米钻机”钻进技术的应用愈发广泛，目前成熟的千米长钻孔深度都在800m以上。但是煤层中长距离钻孔的轨迹并不是射线或直线，受煤岩体硬度和钻具自重的影响，钻孔轨迹是斜率不一的“波状”连续起伏的轨迹，通常在“波谷”的低洼处，沉积大量煤渣无法排出钻孔，进而导致无法继续钻进的问题。

目前常用的水动力排渣则是在孔口施加30mpa以上的水泵压力，动压水经钻杆内的管状通道传导至孔底，通过钻孔壁和钻杆表面之间的通道，携煤渣排出孔外。中国专利cn206707754u公开了一种煤矿钻孔用注水排渣装置，引入高压水射流理论，使水力冲孔泵站、压力控制装置、自动转换钻头等并与钻机进行有机结合，实现钻岩孔与冲煤孔一体化，但是这一过程能量损失极大，往往动压水经过起伏的钻杆内壁，到达孔底时已经降低至3mpa，难以有效传递压力排出煤渣，导致卡钻和埋钻，甚至在煤孔内丢失昂贵的定向钻头。

目前在钻孔水排渣方面，基本都是在钻头、钻杆等钻具外形设计上的改变，在一定程度上提高了排渣效率，但未从根本上解决排渣的难题，而通过改变排渣液体物性，中国专利cn106285524a公开了一种煤矿下向钻孔高分子泥浆排渣系统、方法及高分子泥浆，该方法主要通过向钻孔中灌注高分子泥浆，该泥浆为粘性，对钻渣进行浸润粘滞吸附，达到下向孔排渣目的，但泥浆会封堵煤体的多孔介质表面特性，不利于后期煤体瓦斯解吸和抽采，且排渣工艺复杂且并不适用于“千米钻机”钻进的长距离钻孔。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于如何解决煤层内长距离钻孔内煤渣不易排出而导致钻进困难的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统，包括箱体、水泵、钻杆、钻头和旋流装置；所述水泵的进口通过管路与所述箱体的出口连通；所述钻杆的一端口通过管路与所述水泵的出口连通，所述钻杆另一端伸入钻孔内；所述钻头的尾端口与所述钻杆的另一端口连通，所述钻头首端的中心孔与钻孔内部连通；所述旋流装置固定在所述钻头的尾端，所述钻头转动并带动旋流装置转动；

所述箱体内设置有高密度水溶液，所述高密度水溶液为无机盐溶液，所述高密度水溶液的密度大于煤渣的密度。

本发明采用高密度水溶液增加煤渣的升浮力，从而使其失去与钻孔壁面接触的摩擦力，大大降低了煤渣的流动阻力，从而容易带动煤渣流向钻孔的出口并排出；同时再钻头的尾部安装了旋流装置，旋流装置在钻头转动时同时转动，能够为钻孔中的高密度水溶液增加流动的动力，高密度水溶液更容易流向钻孔的出口，从而容易排出煤渣，有利于钻孔钻进。

优选地，所述旋流装置包括主轴；所述主轴套接在所述钻头的尾端。

优选地，所述旋流装置还包括搅拌件，所述搅拌件固定在所述主轴上。

优选地，所述搅拌件为叶轮。

优选地，所述搅拌件为螺旋叶轮结构。

优选地，还包括第一输液管，所述第一输液管一端口与所述箱体的出口连通，所述第一输液管另一端与所述水泵的进口连通。

优选地，还包括第二输液管，所述第二输液管一端口与所述水泵的出口连通，所述第二输液管另一端与所述钻杆的进口连通。

本发明还提供上述煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统的排渣方法。

一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统的排渣方法，包括以下步骤：

s1、首先将高密度水溶液灌入箱体中；

s2、启动钻头，钻头在煤层内钻进形成钻孔；

s3、同时启动水泵，水泵抽取箱体中的高密度水溶液，高密度水溶液再通过管路进入钻杆内，进而通过钻杆中心的通道被输送到钻头处，最后从钻头的中心孔排出至钻孔内；

s4、钻头转动的同时带动旋流装置转动，由于旋流装置的动力作用，增加高密度水溶液动力，促使高密度水溶液带动煤渣向钻孔的出口流动并排出。

进一步地，所述无机盐溶液为na2so4饱和水溶液。

进一步地，所述无机盐溶液的密度大于1.3g/cm³。

工作原理：在箱体内投放na2so4，搅拌融化，作为钻进介质，增加钻孔排渣水的比重，使之成为高密度水溶液提升煤渣的升浮力，减少煤渣与煤层的壁摩擦阻力，有利于煤渣排出；高密度水溶液经钻杆内壁到达钻孔孔底，在钻杆表面和钻孔壁之间形成紊流，煤渣受升浮力影响，不再沉积在起伏钻孔轨迹的“谷底”，与煤层壁的附着力也大大降低；同时孔底钻头尾端加装旋流装置，由于旋流装置的动力作用，增加高密度水溶液动力，加速煤渣排出，有利于钻孔钻进，降低了“卡钻埋钻”的机率，成孔效果和抽采效果大幅提升，钻进效率有效提升。

本发明的优点在于：

1、本发明采用高密度水溶液增加煤渣的升浮力，从而使其失去与钻孔壁面接触的摩擦力，大大降低了煤渣的流动阻力，从而容易带动煤渣流向钻孔的出口并排出；同时再钻头的尾部安装了旋流装置，旋流装置在钻头转动时同时转动，能够为钻孔中的高密度水溶液增加流动的动力，高密度水溶液更容易流向钻孔的出口，从而容易排出煤渣，有利于钻孔钻进。

2、本发明具有煤渣升浮和动力排出的共同优点，与传统泥浆排渣和水动力排渣相比增加了孔底旋流装置，增加了孔底排渣动力，与泥浆排渣吸附煤渣的方法不同，采用高密度水溶液增加煤渣的升浮力，不会封闭煤体多孔介质表面特性，有利于后期瓦斯解吸和抽采。

3、本发明未改变千米钻机施工工艺，只需提前在箱体投料，在千米钻机定向钻头的尾部加装旋流装置即可，操作简单方便，排渣效果提升70％，千米钻孔施工单机台效提升25％，钻进效率、成孔效果、抽采效果均大幅提升。

附图说明

图1为本发明的一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例的a的放大结构示意图。

附图标号说明：

1、箱体；2、水泵；3、钻杆；4、钻头；5、旋流装置；51、主轴；52、搅拌件；6、第一输液管；7、第二输液管；101、高密度水溶液；102、煤层；103、钻孔；104、煤渣。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统，包括箱体1、水泵2、钻杆3、钻头4、旋流装置5、第一输液管6和第二输液管7；如图1所示，图中标号为101的是高密度水溶液，标号为102的是煤层，标号为103的是钻孔，标号为104的是煤渣。

如图1所示，本实施例的箱体1为现有的水箱结构，且箱体1未顶部封口结构，箱体1的顶部装配有与其配套的箱盖，箱盖上还开设有加料口和出水口；高密度水溶液101通过加料口加入到本实施例的箱体1内部。

如图1所示，水泵2的进水口通过第一输液管6与箱体1的出水口连通，第一输液管6的进水端伸入箱体1内部，且第一输液管6的进水端始终位于高密度水溶液101的水面下方，第一输液管6的出水端的管壁与水泵2的进水口的外壁焊接固定，也可以采用现有的法兰盘并配以螺栓或者螺钉连接的方式固定连接；水泵2的出水口通过第二输液管7与钻杆3的进口连通。

如图1所示，第二输液管7的进水口端的管壁与水泵2的出水口的外壁焊接固定，也可以采用现有的法兰盘并配以螺栓或者螺钉连接的方式固定连接；第二输液管7的出水口端的管壁与钻杆3的进口的外壁焊接固定，也可以采用现有的法兰盘并配以螺栓或者螺钉连接的方式固定连接。

如图1所示，钻头4的尾端口与钻杆3的出口连通，且钻头4的尾端口的外壁与钻杆3的出口的外壁焊接固定，也可以是一体成型的，还可以采用现有的法兰盘并配以螺栓或者螺钉连接的方式固定连接；钻头4首端的中心孔与钻孔103内部连通。

如图1、图2所示，旋流装置5包括主轴51和搅拌件52，主轴51套接在钻头4的尾端外壁上，主轴51的内壁可以与钻头4的尾端外壁焊接固定，也可以采用现有的螺栓或者螺钉安装在钻头4的尾端外壁上；搅拌件52焊接在主轴51上，也可以采用现有的螺栓或者螺钉安装在主轴51上。

一种煤层长钻孔钻进水排沉积煤渣系统的成型工艺方法，包括以下步骤：

s1、首先将高密度水溶液101灌入箱体1中；

s2、启动钻头4，钻头4在煤层102内钻进形成钻孔103；

s3、同时启动水泵2，水泵2抽取箱体1中的高密度水溶液101，高密度水溶液101再通过管路进入钻杆3内，进而通过钻杆3中心的通道被输送到钻头4处，最后从钻头4的中心孔排出至钻孔103内；

s4、钻头4转动的同时带动旋流装置5转动，由于旋流装置5的动力作用，增加高密度水溶液101动力，促使高密度水溶液101带动煤渣104向钻孔103的出口流动并排出。

本实施例的无机盐溶液为na2so4饱和水溶液。

本实施例的无机盐溶液的密度大于1.3g/cm³。

工作原理：在箱体1内投放na2so4，搅拌融化，作为钻进介质，增加钻孔103排渣水的比重，使之成为高密度水溶液101提升煤渣104的升浮力，减少煤渣104与煤层102的壁摩擦阻力，有利于煤渣104排出；高密度水溶液101经钻杆3内壁到达钻孔103孔底，在钻杆3表面和钻孔103壁之间形成紊流，煤渣104受升浮力影响，不再沉积在起伏钻孔103轨迹的“谷底”，与煤层102壁的附着力也大大降低；同时孔底钻头4尾端加装旋流装置5，由于旋流装置5的动力作用，增加高密度水溶液101动力，加速煤渣104排出，有利于钻孔103钻进，降低了“卡钻埋钻”的机率，成孔效果和抽采效果大幅提升，钻进效率有效提升。

本发明相比现有技术存在以下优点：其一，本发明采用高密度水溶液101增加煤渣104的升浮力，从而使其失去与钻孔103壁面接触的摩擦力，大大降低了煤渣104的流动阻力，从而容易带动煤渣104流向钻孔103的出口并排出；同时再钻头4的尾部安装了旋流装置5，旋流装置5在钻头4转动时同时转动，能够为钻孔103中的高密度水溶液101增加流动的动力，高密度水溶液101更容易流向钻孔103的出口，从而容易排出煤渣104，有利于钻孔103钻进。其二，本发明具有煤渣104升浮和动力排出的共同优点，与传统泥浆排渣和水动力排渣相比增加了孔底旋流装置5，增加了孔底排渣动力，与泥浆排渣吸附煤渣104的方法不同，采用高密度水溶液101增加煤渣104的升浮力，不会封闭煤体多孔介质表面特性，有利于后期瓦斯解吸和抽采。其三，本发明未改变千米钻机施工工艺，只需提前在箱体1投料，在千米钻机定向钻头4的尾部加装旋流装置5即可，操作简单方便，排渣效果提升70％，千米钻孔1施工单机台效提升25％，钻进效率、成孔效果、抽采效果均大幅提升。

实施例二

本实施例与上述实施例的区别在于：如图2所示，本实施例的搅拌件52采用现有的叶轮结构，且为螺旋叶轮结构。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。