一種煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔組合鉆具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及煤礦井下鉆孔技術(shù)，具體涉及在低透氣煤層瓦斯抽采過程中自進式鉆進樹狀鉆孔時使用的鉆具。
【背景技術(shù)】
[0002]我國很多煤層具有低滲透率等特點，常規(guī)方法難以對低滲透率的煤層進行有效的瓦斯抽采，如何增加煤層透氣性是解決低透氣性煤層瓦斯抽采難題的關(guān)鍵。
[0003]水力化技術(shù)作為一種有效的儲層增透技術(shù)，為解決煤層低滲問題提供了可行的方法，是增加煤層滲透率的有效途徑。水力化技術(shù)是以高壓水作為動力，使儲層內(nèi)原生裂隙擴大延伸或者人為形成新的孔洞、槽縫、裂隙等，促使巖體產(chǎn)生位移，達到儲層卸壓增滲的目的，如水射流割縫(或擴孔、鉆孔)、水力壓裂等。水力噴射樹狀鉆孔煤層增透技術(shù)作為一種新型的水力化增透技術(shù)，以高壓水為動力，使自進式鉆頭先在巖層母孔中前進，在到達煤層預(yù)定位置后，通過導(dǎo)向器導(dǎo)向，從而鉆鑿出垂直的樹狀子孔，以達到使煤層增透的效果。水力噴射樹狀鉆孔煤層增透技術(shù)是高效、安全的瓦斯預(yù)抽方式，具有縮短鉆孔總長度，進而節(jié)約鉆孔成本縮短鉆孔時間；實現(xiàn)低滲透率煤層的均勻增透;鉆孔不會產(chǎn)生火花與煤塵，增加工作的安全性，改善工作環(huán)境等優(yōu)點。
[0004]目前用于煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔的鉆具是分開獨立的。由于要實現(xiàn)高壓軟管在導(dǎo)向器內(nèi)的轉(zhuǎn)向，母孔必須滿足一定的直徑要求，因此，在使用普通鉆頭鉆進鉆完母孔后，需要用擴孔鉆頭進行擴孔。煤礦現(xiàn)有擴孔鉆頭雖然可以鉆出滿足要求的孔，但由于鉆孔與導(dǎo)向器的送入是單獨進行的，往往會花費許多時間、增加工作量，并且，母孔在導(dǎo)向器下放過程中也可能存在塌孔的情況。
[0005]另外，現(xiàn)在的導(dǎo)向器對導(dǎo)向軌道設(shè)計不合理，一是通常只有一個曲率，高壓軟管轉(zhuǎn)彎時較為困難;二是未對轉(zhuǎn)向?qū)蜍壍缹挾茸龀龊侠碓O(shè)計，存在導(dǎo)向孔過小使高壓軟管鉆頭卡住，過大則不能起到實際約束作用的問題。此外，現(xiàn)在的導(dǎo)向器對鉆進樹狀鉆孔時的排渣問題考慮不足，導(dǎo)向器環(huán)空小，不能順利排渣，從而影響鉆頭的順利前進。
[0006]還有，煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔需要自進式鉆頭，且自進式鉆頭需要與導(dǎo)向器配合，現(xiàn)在的鉆頭存在以下問題:1)鉆頭或噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，轉(zhuǎn)向能力差，壽命短;2)長距離鉆孔時水射流破巖鉆進效率低;3)所鉆孔眼尺寸小，易卡鉆頭，且排渣困難;4)旋轉(zhuǎn)射流鉆頭由于旋轉(zhuǎn)射流中心能量低，破巖效果差，容易在鉆孔中心形成凸臺，阻礙鉆頭推進;5)鉆頭產(chǎn)生的自進力小，孔眼軌跡不易控制，容易鉆偏孔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔組合鉆具，其將鉆桿、導(dǎo)向器、鉆頭、高壓軟管、自進式鉆頭以及刻度盤進行合理組合，并優(yōu)化了鉆桿結(jié)構(gòu)，減小了高壓軟管通過的阻力；優(yōu)化了導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)向器能夠與鉆頭配合使用;優(yōu)化了鉆頭結(jié)構(gòu)，提高鉆進效率;選取了合適的高壓軟管，優(yōu)化了高壓軟管前端自進式鉆頭的結(jié)構(gòu);設(shè)計了刻度盤，使樹狀鉆孔能夠均勻分布。
[0008]本實用新型的技術(shù)解決方案如下:
[0009]煤礦井下水力噴射樹狀鉆孔組合鉆具包括鉆桿、導(dǎo)向器、鉆頭、高壓軟管、導(dǎo)向刻度盤以及自進式鉆頭。
[0010]其中，鉆桿、導(dǎo)向器和鉆頭依次連接，在擴孔時配合使用。高壓軟管、自進式鉆頭和刻度盤在鉆進樹狀鉆孔時使用，在鉆桿與鉆機前端連接的卡盤上安裝有轉(zhuǎn)向刻度盤，刻度盤一端固定在鉆桿上且隨鉆桿轉(zhuǎn)動，另一端固定在鉆機卡盤上，導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動角度通過刻度盤控制，自進式鉆頭連接在高壓軟管前端，鉆進樹狀鉆孔時經(jīng)由鉆桿并通過導(dǎo)向器導(dǎo)向，依靠噴嘴射流產(chǎn)生自進力鉆出樹狀孔。
[0011]所述鉆桿直徑大小與煤礦井下瓦斯抽采常用鉆桿的直徑大小一致，其外徑為73mm，內(nèi)徑50mm；鉆桿前后螺紋均按照國家標準設(shè)計，便于連接;鉆桿內(nèi)部為光滑的通孔，高壓軟管能順利通過。
[0012]所述導(dǎo)向器的直徑大小為100-150mm。導(dǎo)向器上端為具有內(nèi)螺紋的鉆桿連接部，下端為具有外螺紋的鉆頭連接部，兩個連接部都有上下貫通的通孔。導(dǎo)向器內(nèi)有雙曲率轉(zhuǎn)彎導(dǎo)向軌道，其寬度為高壓軟管前端噴嘴寬度的2倍，范圍在20-50mm之間，轉(zhuǎn)彎半徑為75-150mm，屬超短半徑徑向水平井導(dǎo)向器。
[0013]所述導(dǎo)向軌道的進口方向和出口方向的軌道軸線相互垂直，即從軸向進、徑向出，整個導(dǎo)向軌道從進口到出口依次包括軸向直管段、第一圓弧段、斜管段和第二圓弧段。
[0014]所述軸向直管段其長度為30-50mm，鉆桿連接部的通孔通過一斜向的收縮段過渡到該軸向直管段。
[0015]所述第一圓弧段的圓弧弧度a = 10°-30°，直徑75_150mm。
[0016]所述斜管段與兩圓弧段相切，連接第一圓弧段和第二圓弧段。
[0017]所述第二圓弧段的圓弧弧度b= a+90°，直徑75-130mm;在第二圓弧段的底部分布有細孔，且使導(dǎo)向器軌道的高壓水流能夠通過細孔經(jīng)連接部分的通孔到達鉆頭;第二圓弧段的末端是導(dǎo)向軌道出口位置，安裝有空心螺環(huán)，在使用組合鉆具進行擴孔時，圓形水泥塊固定在空心螺環(huán)上，封住導(dǎo)向軌道出口。
[0018]所述導(dǎo)向軌道的壁上設(shè)有四個滾輪，滾輪半徑大小為4-5mm，突出于軌道壁約2mm;且在第一圓弧段上布置一個滾輪、在第二圓弧段上布置三個滾輪。
[0019]所述鉆頭大小與煤礦井下瓦斯抽采常用鉆頭大小一致，鉆螺紋為標準螺紋，便于與導(dǎo)向器連接;鉆頭內(nèi)部有與導(dǎo)向器連接部分連通的流道，使水流能夠通過導(dǎo)向器后再通過鉆頭，以便進行排渣，鉆頭內(nèi)流道由上向下逐漸縮小，并在中間位置有一段增大的空間，形成空化結(jié)構(gòu)，能夠使用于排渣的水流兼具輔助破巖的效果，提升破巖效率;鉆孔產(chǎn)生的煤渣從鉆頭環(huán)空排出。
[0020]所述自進式鉆頭連接在高壓軟管前端。自進式鉆頭包括鉆頭體和鉆頭體上的中心自激振蕩噴嘴、邊噴嘴、中部噴嘴和后部噴嘴，鉆頭體具有前部平臺和內(nèi)部空腔。所述鉆頭體前部為球形，球形前端面為一平臺，在平臺中心即自進式鉆頭軸線上設(shè)置中心自激振蕩噴嘴，在平臺上圍繞中心自激振蕩噴嘴四周均勻布置具有張角α和偏角β的邊噴嘴;鉆頭體中部均勻分布有在橫截面中具有偏向角Θ的中部噴嘴，橫截面是指過中部噴嘴的軸線且與鉆頭軸線垂直的平面;鉆頭體后端為開口端，設(shè)有內(nèi)螺紋用于連接高壓軟管，其側(cè)壁上均勻布置有與鉆頭體軸線呈錐角Φ的后部噴嘴，鉆頭體的內(nèi)部空腔為前段圓錐形和后段圓柱形的組合空腔，圓錐形段的錐度為Φ。本自進式鉆頭的中心自激振蕩噴嘴和邊噴嘴能夠破碎煤巖體；中部噴嘴能夠在自進式鉆頭鉆進過程中向鉆孔垂直噴射高速射流，使自進式鉆頭與鉆孔壁保持一定距離，達到對鉆頭扶正的效果，避免鉆偏;后部噴嘴能夠為自進式鉆頭前進提供一定的反推力，并在鉆進樹狀鉆孔時帶動高壓軟管一起穿過鉆桿和導(dǎo)向器，并破碎導(dǎo)向器出口處的圓形水泥塊，最終進行樹狀鉆孔鉆進。導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動角度通過刻度盤來控制，鉆桿轉(zhuǎn)動時帶動導(dǎo)向器一起轉(zhuǎn)動，刻度盤則能夠顯示鉆桿轉(zhuǎn)動角度，從而得到導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動角度，為樹狀鉆孔的均勻分布提供保證。
[0021]采用本實用新型所述的組合鉆具，在低位巷向煤層預(yù)先使用普通鉆頭鉆孔，成孔后使用本實用新型所述鉆具進行擴孔，形成自進式水力噴射樹狀鉆孔的母孔，再利用高壓軟管和自進式鉆頭在煤層預(yù)定位置鉆進煤層樹狀鉆孔，實現(xiàn)煤層的均勻增透。
[0022]本實用新型具有以下特點:
[0023]1、所述組合鉆具將鉆桿、導(dǎo)