一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头及其使用方法技术

本发明专利技术公开一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头及其使用方法，防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下串动，通过肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复。

【技术实现步骤摘要】
一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头及其使用方法
本专利技术涉及一种在松散软弱破碎地层钻孔内不提钻防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头，属于矿山、交通、水利水电等隧道及地下工程钻探和围岩注浆加固领域。
技术介绍
目前在矿山、隧道及地下工程施工中，经常遇到松散软弱破碎甚至富水的不良地质环境，经常出现围岩变形、坍塌甚至出现突水突泥的地质灾害。在对地质灾害治理中，须通过注浆钻孔对不良地质体进行注浆加固。但在注浆钻孔施工中，经常出现钻孔缩径，孔壁坍塌，孔内掉块等孔壁失稳现象，造成钻孔内的钻具被埋、被卡等钻孔事故。为防止出现因孔壁失稳造成的钻孔事故，除在钻进中采取预防措施外，还要专门对钻孔孔壁进行注浆加固。钻进中的预防措施是在软岩和易缩径地层内使用肋骨钻头，其目的是尽量增大钻孔孔径；调节冲洗液性能或采用注浆加固方式防止坍塌。钻进中一旦因为孔壁缩径、坍塌、掉块等原因出现钻孔事故，处理措施是先把钻孔内被埋卡夹的部位以上的钻杆卸开提出钻孔外，然后采用套取，锥取的办法处理被埋或卡夹部位，等把钻头打捞出钻孔后再对钻孔进行注浆；注浆后在钻孔内再次下入钻具复钻，如此反复。其弊端是钻进和注浆不连续，工序衔接差，效率低，注浆时通过孔口管把浆液压入全孔段，对钻孔深部松散软弱破碎的局部注浆的针对性不强，注浆加固效果差；使用的水泥浆固结候凝时间较长，一般候凝时间72小时；结果造成在同一松软破碎孔段内反复注浆，反复钻进，浪费大量的时间和成本。对于治理突水突泥这种抢险工程极为不利。当上述问题出现在关键钻孔并造成关键孔报废时，会给整个治灾工程带来难以挽回的损失。传统的钻头，存在下述缺点：1.在松散破碎地层内钻进防塌的钻头使用方面，一般多选用三翼无芯钻头或PDC无芯钻头。在钻进过程中，钻头在坍塌掉块孔内只能向前推进和回转，而无法向后回拉；一旦在钻头以上钻杆与孔壁之间出现孔壁缩径或掉块，就会出现钻具被夹卡事故，因缺乏向上和侧部的切削刃，这类钻头难以消除钻头以上部位的孔壁缩径或坍塌掉块，难以顺利把钻具提出孔外。2.传统钻头的水口都设置在钻头底部，难以通过喷射注浆浆液对孔壁进行固结，即使通过钻头体上的水口进行喷射注浆，浆液只能向钻头底部方向喷射，难以向侧部和上部喷射，喷射没有针对性且不均匀，对松散破碎围岩喷射加固效果较差。3.由于速凝浆液的凝固时间短，操作工艺复杂，安全风险大，传统的钻具在使用时，一旦出现卡钻掉钻等事故，根本无法在浆液初凝时间以内完成事故的处理，导致速凝浆液凝固，将钻头和孔壁固结，造成更难解决的工程事故。因此注浆时无法使用速凝浆液，而选择候凝时间为72小时的浆液，这大大拖延了施工进度。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头。直接用防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头在不良地层内钻进，遇到出现孔壁缩径，坍塌掉块等孔内事故时，无需提出钻具，直接通过防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头的回转，上下窜动、切削、挤压和喷射注浆等工序的连续作业，实现不提钻一次性对失稳孔壁围岩注浆加固，并同时修整钻孔，做到了钻进和注浆的同步进行。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头，包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述肋翼上设有硬质碎块；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下窜动，通过钻头的所述肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复。在钻头体表面安设肋形的肋翼，钻头转动时可以带动所述肋翼回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。肋翼上设有硬质碎块，起到切削刃的作用，并对掉块进行挤压破坏和剪切破坏。钻头体特有的形状，以及正向翼片、反向翼片和侧向翼片的设置，实现了钻头体回拉切削掉块的功能，解决了一般钻头只能向前推进、回转，而无法向后回拉；导致在钻进过程中，一旦在钻头体上部发生孔壁缩径、坍塌、掉块等原因出现钻孔事故，只能先把钻孔内被埋卡夹的部位以上的钻杆卸开提出钻孔外，再单独打捞钻头这一技术难题。所述双向肋翼喷射注浆钻头的后端通过单向阀与所述外平钻杆连接；所述双向肋翼喷射注浆钻头后端的内扣螺眼扣型、单向阀扣型与外平钻杆的扣型均相同。设置单向阀可以保证浆液流动方向的单向性，避免钻孔内未凝固的浆液向钻杆内回流。内扣螺眼扣型、单向阀扣型与外平钻杆的扣型相同，有利于部件的顺利连接。所述喷射孔分布于所述钻头体的前端、侧面、和后端。在钻头体的前端、侧面和后端均设有喷射孔，解决了传统钻头只能向钻头底部方向喷射的技术问题，使浆液能够向侧部和上部喷射，喷射更加具备针对性，也更加均匀，大大改善了松散破碎围岩的喷射加固效果。同时配合反向翼片和侧向翼片的工作，有利于对钻孔坍塌段的全方位切削和修复。所述肋翼为三个，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置；所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为135°；所述肋翼的厚度为20mm，侧面高度由钻孔孔径与所述钻头体直径之差确定。所述肋翼为三个，上下两端为三角锥形，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置，符合力学原理，可以更好的实现回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内的作用。所述肋翼上设有若干硬质合金碎块；各所述肋翼的侧缘至所述钻头体轴线的距离相等。所述肋翼上设有硬质合金碎块，利用其高硬度的特点，可以进一步的达到对掉块挤压破碎和剪切破坏的作用，以实现对所述孔壁的修复。一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头的使用方法，包括以下步骤：步骤1：将连接有外平钻杆的双向肋翼喷射注浆钻头送入钻孔内一定深度，安装钻机的其余装置；步骤2：向所述钻孔内注入稀水泥浆冲洗钻孔；当所述稀水泥浆注满所述钻孔时，开动钻机，使所述双向肋翼喷射注浆钻头回转，并改注速凝浆液，直至孔口密封装置和钻杆之间溢出速凝浆液；步骤3：通过孔口密封装置对所述钻孔孔口进行密封，之后利用所述外平钻杆将回转的所述钻头送至修复段，当注浆压力达到设定值时停止速凝浆液的注浆，并继续保持所述防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头在修复段处反复上下窜动回转，对所述修复段进行修复，直至修复过程达到设定要求；步骤4：修复达到设定时间时，向钻孔外抽拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头离开需要注浆加固和钻孔修复的孔段，并解除孔口处密封装置的密闭；向钻孔内注入清水，直到孔口密封装置和外平钻杆之间溢出清水，且钻头在钻孔内回转自如后，钻机停止转动，并在孔口处卸开所述外平钻杆；步骤5：卸掉孔口密封装置，将外平钻杆再次连接，通过注浆泵向钻孔内压入清水，当孔口返出清水后，开动钻机慢慢回转并上拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头上端的肋翼向钻孔外方向切削清除钻孔内凝固的速凝浆液，并逐根卸除外平钻杆，直到把双向肋翼喷射注浆钻头提出钻孔，操作步骤结束。在孔口密封装置和钻杆溢出速凝浆液之后再封闭密封装置，可以确保钻孔内的稀水泥浆全部排出钻孔，使速凝浆液充满整个钻孔，并继续进行静压注浆，确保整个钻孔全段的注浆效果。步骤3中关闭密封装置后继续注浆达到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头，其特征在于：包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述肋翼上设有硬质碎块；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下串动，通过钻头的所述肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复。

【技术特征摘要】
1.一种防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头的使用方法，其特征在于，所述防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述肋翼上设有硬质碎块；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下窜动，通过钻头的所述肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复；所述使用方法包括以下步骤：步骤1：将连接有外平钻杆的双向肋翼喷射注浆钻头送入钻孔内一定深度，安装钻机的其余装置；步骤2：向所述钻孔内注入稀水泥浆冲洗钻孔；当所述稀水泥浆注满所述钻孔时，开动钻机，使所述双向肋翼喷射注浆钻头回转，并改注速凝浆液，直至孔口密封装置和钻杆之间溢出速凝浆液；步骤3：通过孔口密封装置对所述钻孔孔口进行密封，之后利用所述外平钻杆将回转的所述钻头送至修复段，当注浆压力达到设定值时停止速凝浆液的注浆，并继续保持所述防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头在修复段处反复上下窜动回转，对所述修复段进行修复，直至修复过程达到设定要求；步骤4：修复达到设定时间时，向钻孔外抽拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头离开需要注浆加固和钻孔修复的孔段，并解除孔口处密封装置的密闭；向钻孔内注入清水，直到孔口密封装置和外平钻杆之间溢出清水，且钻头在钻孔内回转自如后，钻机停止转动，并在孔口处卸开所述外平钻杆；步骤5：卸掉孔口密封装置，将外平钻杆再次连接，通过注浆泵向钻孔内压入清水，当孔口返出清水后，开动钻机慢慢回转并上拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头上端的肋翼向钻孔外方向切削清除钻孔内凝固的速凝浆液，并逐根卸除外平钻杆，直到把双向肋翼喷射注浆钻头提出钻孔，操作步骤结束。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆松，李术才，潘光明，林春金，孙立新，潘东懿，杨腾，随海通，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37