[发明专利]煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法

说明书

一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具及方法，本发明的钻具组合由前置导向器、初级扩孔钻头、次级扩孔钻头、双动力扩孔工具依次连接组成。利用前置导向器引导扩孔钻具沿岩层定向先导孔扩孔施工；双动力扩孔工具在泥浆泵高压水驱动动力作用下，带动初级扩孔钻头旋转破岩，实现钻孔直径的初级增扩，在孔口钻机回转驱动动力作用下，带动次级扩孔钻头旋转破岩，实现钻孔直径的次级阶梯式增扩。该方法充分利用钻机机械动力和泥浆泵水驱动力，实现定向钻孔的单次双级大直径增扩，可有效节约扩孔钻进钻次，提升扩孔钻进施工效率与岩层钻孔直径，降低扩孔作业劳动强度。

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻探的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法。

背景技术

工作面回采时，煤层瓦斯大量涌出并集聚在顶板裂隙带和上隅角内，导致回风巷道和上隅角瓦斯浓度极易超标，严重影响工作面回采安全。

顶板高位定向钻孔是工作面采动影响区卸压瓦斯抽采治理的重要技术措施，钻孔直径是影响顶板高位定向钻孔瓦斯抽采效果的重要因素。实践证明，在相同煤层赋存条件，相同钻孔深度与相同瓦斯抽采负压等条件下，顶板高位定向钻孔的瓦斯抽采效果与其直径正相关。

在现有定向钻进装备能力、钻具性能以及钻进工艺等技术条件下，顶板高位定向钻孔主要采用“定向先导孔+多次回转扩孔”的成孔方法，既首先采用随钻测量定向钻进技术实施小直径的定向先导钻孔，然后依次下入不同尺寸规格的扩孔钻具，采用常规回转钻进技术将钻孔直径多次分级增扩至所需直径。

目前利用现有定向钻进装备实施的定向先导孔直径有Φ98mm与Φ120mm两种规格，为充分发挥顶板高位定向钻孔瓦斯抽采治理效果，同时考虑现有定向钻进装备能力，目前通过多次分级扩孔方式可施工完成最大直径Φ200mm的顶板高位定向钻孔，其中在Φ98mm定向先导孔的基础上至少需采用三次扩孔，在直径Φ120mm定向先导孔的基础上至少需采用两次扩孔。在具体实施过程中，现有多次分级扩孔方法主要存在以下不足：(1)扩孔效率低。岩层强度大，需要的碎岩动力高，而现有技术扩孔动力均来自孔口钻机回转动力，动力小，且由于定向先导孔轨迹弯曲，动力传递效果差，碎岩效率低；(2)扩孔工程量大。每增加初级扩孔意味着增加一趟钻进施工，增加了扩孔钻进工程量和扩孔作业劳动强度；(3)施工周期长。每增加一次扩孔意味着钻孔成孔周期的延长，制约了工作面准备进度，甚至影响工作面的有效接替。

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岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具与方法，其操作性强，能有效提高扩孔钻进效率，降低扩孔作业劳动强度，缩短钻孔施工周期。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下岩层定向孔双动力大直径阶梯式扩孔钻具，由前置导向器、初级扩孔钻头、次级扩孔钻头、双动力扩孔工具组成，所述前置导向器、初级扩孔钻头与次级扩孔钻头的外径逐级增加，其特征在于：

所述前置导向器连接于初级扩孔钻头的前端，其顶部为球面结构，以有效减小前置导向器对先导定向孔孔壁的侧向切削；

所述初级扩孔钻头包含初级钻头本体和切削扩孔单元，所述切削扩孔单元包含设置于初级钻头本体周缘的多个初级切削刀翼、初级正向切削齿和初级反向切削齿，所述多个初级切削刀翼为螺旋状设置，所述多个初级正向切削齿采用金刚石复合片且镶焊于各初级切削刀翼前端，所述初级反向切削齿镶焊于各初级切削刀翼尾部；

所述的次级扩孔钻头为中空的环形结构以供双动力扩孔工具穿置，所述次级扩孔钻头包含切削扩孔组件，所述切削扩孔组件包含多个次级切削刀翼、次级正向切削齿和次级反向切削齿，所述多个次级切削刀翼为螺旋状设置，多个正向切削齿采用金刚石复合片并镶焊于次级切削刀翼前端，多个次级反向切削齿镶焊于各次级切削刀翼尾部。