煤矿井下上仰长钻孔防逆流有线传输定向钻进机具及方法与流程

本发明属于煤矿井下坑道钻探，涉及上仰钻孔施工，具体涉及一种煤矿井下上仰长钻孔防逆流有线传输定向钻进机具及方法。

背景技术：

1、煤矿井下定向钻孔具有孔深长、轨迹控制精度高、覆盖范围广、可集中和超前进行灾害治理等优点，是进行煤矿井下地质探查和灾害防治的重要技术手段。根据定向钻孔开孔角度不同，可分为上仰定向钻孔、下斜定向钻孔、水平定向钻孔等。其中上仰定向钻孔在矿井顶板水探放、采动卸压瓦斯治理、碎软煤层瓦斯预抽、坚硬顶板灾害治理等领域应用广泛，如顶板水探放定向钻孔、顶板高位定向钻孔、底板梳状定向钻孔等均为上仰定向钻孔。

2、目前上仰定向钻孔施工时，主要采用常规中空钻具进行施工，或在钻具之间间隔一定距离安装单向阀，实际使用中存在以下不足：

3、(a)作业条件恶劣。加卸钻杆时，孔内钻渣与水体易沿钻杆内过流通道流出，导致水体四散飞溅，操作人员易被水淋湿，作业环境潮湿；尤其是当钻孔出水时，难以完全放完钻孔内水体，操作人员需要冒水作业，严重影响操作人员安全防护。

4、(b)辅助作业时间长。加卸钻杆时，钻杆内水体全部流出后才可进行加杆作业，放水时间长；加完钻杆钻进时，需要重新向钻孔补水，打水时间长；待孔口返水正常后才能判断水已经到达孔底，此时方可正常钻进，等待时间长。随孔深增加，受钻孔放水、打水、等待等影响越大，短则几分钟，多则半个小时，综合施工效率低。

5、(c)截流效果差。采用间隔一定距离加设单向阀的方式避免钻杆内水体外泄时，虽然一定程度上减少了钻孔放水量和打水量，但每次单向阀加设后，下一个单向阀加设前，最后一段钻杆内的水体均无法截流，必然导致水体外泄。

6、(d)设备负荷大。定向钻孔孔深长，上仰定向钻孔施工时需要加设许多单向阀，各单向阀打开时均需要消耗一定的泵压，增加了泥浆泵负荷。

7、(e)钻具易损坏。孔内钻渣、坍塌掉块等易随水体一起反向进入钻具内部，导致损坏钻具。

8、(f)安全风险大。当孔内发生瓦斯喷孔或出水时，瓦斯气体和水体等易沿钻杆过流通道外泄，导致钻场瓦斯超限、出水失控等问题，严重威胁施工安全。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿井下上仰长钻孔防逆流有线传输定向钻进机具及方法，解决现有技术中上仰钻孔施工综合效率和安全性有待进一步提升的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种防逆流有线传输定向钻进机具，包括随钻测控探管，随钻测控探管的后端依次安装有多个可拆卸的有线传输逆止钻杆：

4、所述的随钻测控探管包括中空且两端开放的无磁外管，无磁外管的内部居中安装有测量短节，测量短节通过无磁外管的内部后侧安装的锁紧母实现锁紧固定。

5、所述的无磁外管包括无磁外管本体，无磁外管本体内设置有第四过流腔。

6、所述的测量短节包括依次连接的端盖、导流筒、测量筒和定位块；所述的端盖与导流筒之间设置有限流座。

7、所述的锁紧母包括锁紧母本体，锁紧母本体安装在无磁外管的内壁上，锁紧母本体的中间位置开设有母插头穿过孔，母插头穿过孔周围的锁紧母本体上设置有多个第三过流孔。

8、所述的端盖包括前端封闭后端开放的端盖本体，端盖本体的前端开设有多个第一过流孔，端盖本体内的腔体为第一过流腔。

9、所述的导流筒包括前端开放的导流筒本体，导流筒本体的前段设置为限流座安装腔，导流筒本体的中段设置为第三过流腔，第三过流腔的侧壁上开设有径向贯通的多个第二过流孔；导流筒本体的后段设置为限位座，限位座的前端面上沿着轴向开设有测量盲孔。

10、所述的测量筒为两端开放的筒体，所述的测量筒的前端安装在限位座的后端，所述的测量筒与所述的无磁外管之间的腔体为第四过流腔。

11、所述的定位块的前端安装有测量筒的后端，所述的定位块的后端面上设置有第一母插头。

12、所述的限流座包括限流座本体，限流座本体内开设有两端开放的第二过流腔，第二过流腔的内径从前至后依次减小，第二过流腔的内壁为第一密封壁面。

13、所述的第一过流孔、第一过流腔、第二过流腔、第三过流腔、第二过流孔、第四过流腔和第三过流孔依次相连通组成所述的随钻测控探管的第一过流通道。

14、所述的端盖内的中心位置安装有导正套的前端，导正套内安装有第一复位弹簧，导正套内插入有限流轴的前端，限流轴的前端顶在第一复位弹簧的后端，第一复位弹簧的前端顶在端盖内的中心位置；限流轴的后端伸出导正套穿过第二过流腔伸入至测量盲孔内。

15、所述的限流轴的后端端部嵌入式安装有到位报警磁铁；限流轴上固定设置有限位块，限位块顶在测量盲孔的前端端面上的状态下，到位报警磁铁与测量盲孔的孔底不接触。

16、所述的限流轴上固定设置有限流凸台，限流凸台能够进入第二过流腔内，限流凸台与限流座相配合能够实现第一过流通道的流量限制。

17、所述的有线传输逆止钻杆包括钻杆体，钻杆体内部固定安装有依次连接的推动座、支撑杆和定位座；钻杆体内部还固定安装有密封座。

18、所述的钻杆体包括钻杆体本体，钻杆体本体内中空的腔体为第五过流腔。

19、所述的推动座包括推动座本体，推动座本体安装在所述的钻杆体的内壁上，推动座本体的前端开设有导正口，导正口周围的推动座本体上沿着轴向开设有贯通的多个第四过流孔；导正口底部沿着轴向开设有贯通的连接孔。

20、所述的定位座包括定位座本体，定位座本体安装在所述的钻杆体的内壁上，定位座本体的中间轴向贯通设置有定位孔，定位孔周围的定位座本体上开设有多个第五过流孔。

21、所述的密封座包括密封座本体，密封座本体内开设有两端开放的第六过流腔，第六过流腔的内径从前至后依次减小，第六过流腔的内壁为第二密封壁面。

22、所述的第四过流孔、第五过流孔和第六过流腔通过第五过流腔串联相通后形成所述的有线传输逆止钻杆的第二过流通道。

23、所述的支撑杆为中空结构，支撑杆的前端嵌入式安装有弹簧座，所述的弹簧座上安装有伸出支撑杆端部的信号弹簧；所述的支撑杆的后端嵌入式安装有第二母插头，第二母插头通过设置在支撑杆内的第二信号线与弹簧座电连接。

24、所述的支撑杆的后段安装有能够在支撑杆的后段往复运动的截止塞；所述的截止塞的后端面上设置有驱动轴，所述的截止塞和驱动轴上设置有轴向贯通的滑动通孔，滑动通孔套装在所述的支撑杆的后段。

25、所述的支撑杆的前端安装在推动座的连接孔内，所述的支撑杆穿过定位孔后套装有第二复位弹簧，所述的第二复位弹簧的后端顶在截止塞的前端，第二复位弹簧的前端顶在所述的定位座的后端，使得截止塞能够进入第六过流腔内，截止塞与密封座相配合能够实现第二过流通道的流量截止。

26、所述的测量筒内部的腔体中从前至后依次设置有磁测量模块、轨迹参数测量模块、主控板、信号调制隔离模块、供电通讯模块；磁测量模块和轨迹参数测量模块分别与主控板的输入端相连接，主控板的输出端与信号调制隔离模块相连，信号调制隔离模块与供电通讯模块相连，供电通讯模块通过第一信号线与第一母插头电连接。

27、所述的无磁外管本体的前端设置有马达连接母螺纹头，马达连接母螺纹头与螺杆马达相连接；所述的无磁外管本体的后端设置有钻杆连接母螺纹头，钻杆连接母螺纹头与有线传输逆止钻杆的连接公螺纹头相连接。

28、所述的限流凸台在第一复位弹簧的作用下，能够与第一密封壁面紧密接触，封堵第二过流腔，实现第一过流通道的流量的断流密封。

29、所述的杆体本体的前端设置有连接公螺纹头，所述的杆体本体的后端设置有连接母螺纹头，连接公螺纹头与钻杆连接母螺纹头或相邻的上一个所述的有线传输逆止钻杆的连接母螺纹头相连接；所述的连接母螺纹头与相邻的下一个所述的有线传输逆止钻杆的连接公螺纹头或送水器相连接。

30、所述的截止塞在第二复位弹簧的作用下，能够与第二密封壁面紧密接触，封堵第六过流腔，实现第二过流通道的流量的截止密封。

31、所述的支撑杆的后端能够伸入至相邻的下一个所述的有线传输逆止钻杆的导正口内，使得第二母插头和弹簧座通过信号弹簧实现紧密的电连接。

32、本发明还保护一种防逆流有线传输定向钻进机具，其特征在于，包括如上所述的随钻测控探管。

33、本发明还保护一种煤矿井下上仰长钻孔的施工方法，该方法采用如上所述的防逆流有线传输定向钻进机具。

34、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

35、(ⅰ)本发明的机具包括随钻测控探管和有线传输逆止钻杆，其中随钻测控探管既可随钻实时测量正向供水情况，当正向供水到达孔底时进行报信提示；又可在停止供水时及时关闭钻具反向进水、进渣通道，避免钻孔瓦斯气体、水体和钻渣等进入钻具；还可随钻实时测量钻孔轨迹参数，指导钻孔轨迹控制。有线传输逆止钻杆既可在钻杆加装或拆卸时自动打开或关闭过流通道，避免钻具内瓦斯气体、水体和钻渣等沿钻杆外泄；又可自动连接导通有线信号传输通道，为孔底随钻测控探管供电的同时，实现孔底与孔口双向快速传输。

36、(ⅱ)本发明从钻具过流通道入口和出口两个方向进行控制，具有过流通道正向连通报信、反向关闭截止、双向信号传输等功能，在正常钻进、钻杆加接、钻杆拆卸等工况下均可稳定工作，提高了上仰定向钻孔施工综合效率和安全性，改善了施工环境，消除了施工安全风险，为上仰钻孔高质量施工提供了技术装备保障。

37、(ⅲ)避免水体沿钻杆外泄，改善了作业环境。停止向钻孔供水的同时，钻具过流通道立即关闭，避免了钻孔内水体沿钻杆过流通道外泄，钻场不存在四处溅水问题，操作人员不用冒水作业，作业环境明显改善。

38、(ⅳ)减少了辅助作业时间，提高了综合施工效率。有线传输逆止钻杆在每根钻杆加卸的同时保持过流通道关闭，避免了钻杆内水体外泄，减少了放水和再次开钻向钻杆内补水的时间；随钻测控探管利用实时测量正向供水情况，当供水到达孔底时，向孔口发出信息，指示可以开始正常钻进，减少了等待孔口返水的时间，提高了综合施工效率。

39、(ⅴ)逐根关闭钻杆过流通道，截流效果好。钻杆采用过流通道入口截流的方式进行防逆流控制，即加装时采用逐根打开过流通道方式，每加装一根钻杆，前一根钻杆过流通道即被打开，最后一根钻杆过流通道保持关闭状态；钻杆拆卸时采用逐根关闭过流通道方式，每拆卸一根钻杆，最后一根钻杆的过流通道关闭，从而实现钻杆过流通道全截流，确保钻杆加装和拆卸过程不发生外泄现象。

40、(ⅵ)过流通道自动打开，减少了钻探设备负荷。钻杆加装时采用逐根打开过流通道方式，每加装一根钻杆，前一根钻杆过流通道即被打开，仅随钻测控探管和最后一根钻杆的过流通道保持关闭状态，打水钻进时，泥浆泵提供的高压水只需要推开随钻测控探管的限流轴和最后一根钻杆的截止塞，水力损耗小。

41、(ⅶ)避免固相颗粒进入钻具，保障了钻具使用性能。当停止向钻孔供水时，到位随钻测控探管的限流轴在第一复位弹簧的作用下，迅速关闭过流通道，避免孔内钻渣、坍塌掉块等固体颗粒沿水体进入钻具，避免了钻具异常损坏。

42、(ⅷ)避免了孔内异常气体/水体沿钻杆外泄，保障了施工安全。当停止向钻孔供水时，随钻测控探管的限流轴在第一复位弹簧的作用下，迅速关闭过流通道，避免钻孔异常涌出的瓦斯气体、水体等进入钻具，并沿钻具过流通道外泄至钻场，保障了施工安全。