煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法，定向钻扩一体化钻具包括滑动定向钻具、钻进状态切换装置、旋转扩孔钻具，定向钻进随钻扩孔时，钻进状态切换装置调整滑动定向钻具工作状态和造斜钻进方向；滑动定向钻具在钻机提供的给进动力和单弯螺杆马达提供的回转动力作用下，进行定向造斜钻进，形成定向先导孔；旋转扩孔钻具在钻机提供的给进动力和回转动力作用下，沿定向先导孔进行扩孔，实现随钻大直径扩孔。该方法解决了当前煤矿井下定向钻孔一次成孔直径小、二次大直径扩孔效率低、复杂破碎地层成孔难的问题，实现了大直径一次成孔，拓宽了定向钻进适用地层范围，提高了瓦斯抽采效果，确保工作面安全高效开采。

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法
本专利技术属于煤矿井下坑道钻探领域，涉及一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法。
技术介绍
高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井煤炭产量约占全国煤炭产量的三分之一，瓦斯灾害严重制约着煤炭行业的安全可持续发展。煤矿井下定向孔可实现超前、区域、精准瓦斯抽采，是瓦斯灾害治理的重要技术手段，对提升矿井安全保障水平具有重要意义。自本世纪初随钻测量定向钻进技术引入我国煤矿井下钻探工程领域以来，我国自主开发了随钻测控千米定向钻进技术装备和大功率定向钻进技术装备，建立了本煤层集束型定向钻孔预抽采瓦斯、松软煤层梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯、顶板高位定向长钻孔采空区抽采瓦斯及井上、井下联合抽采瓦斯等煤与瓦斯共采体系，在山西、安徽、贵州等地区进行了广泛应用，取得了良好应用效果，对减少煤矿瓦斯事故的发生、促进煤矿井下安全生产、保障煤矿从业人员人身安全发挥了重要作用。钻孔直径是影响瓦斯抽采效果的重要因素，在钻孔深度和抽采压力相同的情况下，随钻孔直径增大瓦斯抽采流量也将显著增大。为提高定向钻孔瓦斯抽采效果，应尽量增大钻孔直径。然而，目前煤矿井下定向孔主要采用小直径一次成孔、大直径二次扩孔的方法提高钻孔直径，存在一次钻孔直径小、二次大直径扩孔效率低、复杂破碎地层成孔困难等不足，具体体现如下：首先，煤矿井下施工巷道条件受限，制约了钻探装备能力和定向钻具规格提升，定向孔一次成孔直径较小，一般小于φ120mm。其次，虽然开发了正向多级大直径扩孔技术，在定向孔成孔后，通过扩孔钻具多次扩孔的方式，可将钻孔孔径扩大至φ200mm以上，但受扩孔作业影响，成孔效率低。再次，我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井约60％的煤层属于碎软、低渗煤层，具有地质构造发育、煤体结构破碎等特点，定向孔钻进施工时，钻孔轨迹调整过程中需要连续滑动钻进，孔内所有定向钻具均不能回转，排渣效果差，易发安全事故。因此，本专利技术结合煤矿井下高效瓦斯抽采需要，针对目前煤矿井下定向钻进技术装备存在的不足，研究设计了一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法，克服了上述缺陷。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术提供了一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法，以解决目前煤矿井下瓦斯抽采定向钻孔一次成孔直径小、二次大直径扩孔效率低、复杂破碎地层成孔困难等问题。为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种钻进状态切换装置，包括传动轴、套在传动轴外壁且依次同轴相连的轴承组A和轴承组B、安装在传动轴端部并能随传动轴转动的传扭盘、与传扭盘同轴配合安装并能轴向移动的活塞、套在活塞外且能随活塞同步转动的活塞壳体且活塞壳体两端分别连接所述轴承组B和翼片壳体；所述传动轴、传扭盘、活塞和翼片壳体均中心贯通；所述活塞包括一体式且沿轴向依次设置的活塞端部、活塞连接部和锥形的活塞尖部以及活塞中心通道I和活塞中心通道II；活塞端部设有定位凸键以与传扭盘上的定位凹槽配合，活塞连接部外套有弹簧A且弹簧A两端通过活塞端部和活塞壳体内壁环形台阶限位，活塞尖部伸至翼片壳体内；所述翼片壳体外壁设有周向布设的多个安装孔，每个安装孔上安装有限位端盖且限位端盖中心设有通孔；在翼片壳体内设有多个与所述通孔一一对应的翼片，翼片和限位端盖之间设有径向的弹簧B，各翼片围绕所述活塞尖部布设。本专利技术还包括如下技术特征：具体的，所述活塞中心通道I的直径大于活塞中心通道II的直径以使冲洗液从活塞中心通道I流向活塞中心通道II时能对活塞施加轴向力至使活塞和传扭盘分离，进而活塞尖部能对各翼片施加径向推力使各翼片伸出通孔；所述弹簧A能对活塞端部施加轴向力以使活塞复位至与传扭盘配合，进而各翼片在弹簧B作用下收回至通孔内。具体的，所述传动轴包括传动轴安装端、传动轴第一外壁、传动轴第二外壁、传动轴端部和传动轴中心通道；传动轴第一外壁直径大于传动轴第二外壁直径，在传动轴第一外壁和传动轴第二外壁间为传动轴环形台阶；所述传扭盘内壁设有与传动轴端部连接的内螺纹，传扭盘端部设有所述定位凹槽。具体的，所述轴承组A包括套在传动轴第一外壁上的径向轴承A以及套在径向轴承A外的轴承壳体A；所述轴承组B包括依次套在传动轴第二外壁上的推力轴承组和径向轴承B以及套在推力轴承组和径向轴承B外的轴承壳体B；所述轴承壳体A和轴承壳体B连接；在推力轴承组和传动轴环形台阶之间的传动轴第二外壁上套有环形的密封体，在径向轴承B和传扭盘之间的传动轴第二外壁上安装有锁紧螺母，锁紧螺母与传动轴环形台阶配合能对密封体、推力轴承组和径向轴承B轴向限位；所述推力轴承组两侧轴向限位在轴承壳体A端部与轴承壳体B内壁环形限位凸台之间；通过传动轴、锁紧螺母、轴承壳体A、轴承壳体B和推力轴承组能传递给进力和起拔力。具体的，所述活塞端部侧壁为六棱柱结构；所述活塞壳体内壁包括沿轴向依次设置的内螺纹连接面以与轴承组B连接、圆筒形内壁以对应传扭盘、六棱柱形内壁和所述环形台阶；所述所述活塞端部与六棱柱形内壁配合安装以使活塞壳体能随活塞转动。具体的，所述翼片包括伸出端、限位台、配合端；伸出端的顶面为圆弧面，在伸出端的顶面上镶嵌有保径合金，限位台和限位端盖之间安装所述弹簧B，配合端的底面为斜面以与活塞尖部配合；所述限位端盖通过螺栓固定在翼片壳体上。具体的，所述翼片与翼片壳体的安装孔内壁间设有密封圈；密封圈和所述密封体配合使钻进状态切换装置密封。一种煤矿井下定向钻扩一体化钻具，包括所述的钻进状态切换装置，还包括滑动定向钻具和旋转扩孔钻具，且滑动定向钻具、钻进状态切换装置和旋转扩孔钻具依次连接；所述滑动定向钻具包括依次相连的随钻测量探管、单弯螺杆马达和定向钻头，且随钻测量探管连接翼片壳体；所述旋转扩孔钻具包括异形钻杆和扩孔钻头，所述异形钻杆外壁设有双曲面螺旋槽，所述扩孔钻头为环状结构且其内径小于定向钻头外径；所述异形钻杆连接传动轴安装端，扩孔钻头套装在传动轴安装端外。具体的，所述随钻测量探管能测量钻孔轨迹空间参数和单弯螺杆马达的工具面方向以根据钻孔实钻轨迹与设计轨迹的偏差确定定向造斜方向；回转动力能依次通过异形钻杆、传动轴、传扭盘、活塞、活塞壳体和翼片壳体传递至滑动定向钻具以带动滑动定向钻具转动至使单弯螺杆马达的工具面方向调整至定向造斜方向；高压冲洗液能依次通过异形钻杆、传动轴、传扭盘至活塞时，能驱动活塞与传扭盘分离致使各翼片伸出支撑在钻孔壁上，以限制滑动定向钻具转动实现定向钻进和随钻扩孔同时进行。一种煤矿井下定向钻进随钻扩孔方法，该方法包括以下步骤：步骤一：连接钻具：依次安装定向钻头、单弯螺杆马达、随钻测量探管、钻进状态切换装置、扩孔钻头和异形钻杆，利用钻机将连接好的定向钻扩一体化钻具下入至距离孔底0.5m处；步骤二：调整定向钻进方向：保持孔口泥浆泵处于关闭状态，活塞在弹簧A作用下与传扭盘接触并啮合，翼片在弹簧B推动下缩回；利用随钻测量探管测量钻孔轨迹空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻进状态切换装置，其特征在于，包括传动轴(31)、套在传动轴(31)外壁且依次同轴相连的轴承组A和轴承组B、安装在传动轴(31)端部并能随传动轴(31)转动的传扭盘(34)、与传扭盘(34)同轴配合安装并能轴向移动的活塞(35)、套在活塞(35)外且能随活塞(35)同步转动的活塞壳体(36)且活塞壳体(36)两端分别连接所述轴承组B和翼片壳体(37)；所述传动轴(31)、传扭盘(34)、活塞(35)和翼片壳体(37)均中心贯通；/n所述活塞(35)包括一体式且沿轴向依次设置的活塞端部(351)、活塞连接部(352)和锥形的活塞尖部(353)以及活塞中心通道I(354)和活塞中心通道II(355)；活塞端部(351)设有定位凸键(356)以与传扭盘(34)上的定位凹槽(341)配合，活塞连接部(352)外套有弹簧A(357)且弹簧A(357)两端通过活塞端部(351)和活塞壳体(36)内壁环形台阶限位，活塞尖部(353)伸至翼片壳体(37)内；/n所述翼片壳体(37)外壁设有周向布设的多个安装孔(375)，每个安装孔(375)上安装有限位端盖(371)且限位端盖(371)中心设有通孔；在翼片壳体(37)内设有多个与所述通孔一一对应的翼片(372)，翼片(372)和限位端盖(371)之间设有径向的弹簧B(373)，各翼片(372)围绕所述活塞尖部(353)布设。/n...

【技术特征摘要】
1.一种钻进状态切换装置，其特征在于，包括传动轴(31)、套在传动轴(31)外壁且依次同轴相连的轴承组A和轴承组B、安装在传动轴(31)端部并能随传动轴(31)转动的传扭盘(34)、与传扭盘(34)同轴配合安装并能轴向移动的活塞(35)、套在活塞(35)外且能随活塞(35)同步转动的活塞壳体(36)且活塞壳体(36)两端分别连接所述轴承组B和翼片壳体(37)；所述传动轴(31)、传扭盘(34)、活塞(35)和翼片壳体(37)均中心贯通；
所述活塞(35)包括一体式且沿轴向依次设置的活塞端部(351)、活塞连接部(352)和锥形的活塞尖部(353)以及活塞中心通道I(354)和活塞中心通道II(355)；活塞端部(351)设有定位凸键(356)以与传扭盘(34)上的定位凹槽(341)配合，活塞连接部(352)外套有弹簧A(357)且弹簧A(357)两端通过活塞端部(351)和活塞壳体(36)内壁环形台阶限位，活塞尖部(353)伸至翼片壳体(37)内；
所述翼片壳体(37)外壁设有周向布设的多个安装孔(375)，每个安装孔(375)上安装有限位端盖(371)且限位端盖(371)中心设有通孔；在翼片壳体(37)内设有多个与所述通孔一一对应的翼片(372)，翼片(372)和限位端盖(371)之间设有径向的弹簧B(373)，各翼片(372)围绕所述活塞尖部(353)布设。


2.如权利要求1所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述活塞中心通道I(354)的直径大于活塞中心通道II(355)的直径以使冲洗液从活塞中心通道I(354)流向活塞中心通道II(355)时能对活塞(35)施加轴向力至使活塞(35)和传扭盘(34)分离，进而活塞尖部(353)能对各翼片(372)施加径向推力使各翼片(372)伸出通孔；
所述弹簧A(357)能对活塞端部(351)施加轴向力以使活塞(35)复位至与传扭盘(34)配合，进而各翼片(372)在弹簧B(373)作用下收回至通孔内。


3.如权利要求1所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述传动轴(31)包括传动轴安装端、传动轴第一外壁、传动轴第二外壁、传动轴端部和传动轴中心通道；传动轴第一外壁直径大于传动轴第二外壁直径，在传动轴第一外壁和传动轴第二外壁间为传动轴环形台阶；所述传扭盘(34)内壁设有与传动轴端部连接的内螺纹，传扭盘端部设有所述定位凹槽(341)。


4.如权利要求3所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述轴承组A包括套在传动轴第一外壁上的径向轴承A(321)以及套在径向轴承A(321)外的轴承壳体A(322)；所述轴承组B包括依次套在传动轴第二外壁上的推力轴承组(331)和径向轴承B(332)以及套在推力轴承组(331)和径向轴承B(332)外的轴承壳体B(333)；所述轴承壳体A(322)和轴承壳体B(333)连接；在推力轴承组(331)和传动轴环形台阶之间的传动轴第二外壁上套有环形的密封体(311)，在径向轴承B(332)和传扭盘(34)之间的传动轴第二外壁上安装有锁紧螺母(312)，锁紧螺母(312)与传动轴环形台阶配合能对密封体(311)、推力轴承组(331)和径向轴承B(332)轴向限位；所述推力轴承组(331)两侧轴向限位在轴承壳体A(322)端部与轴承壳体B(333)内壁环形限位凸台之间；通过传动轴(31)、锁紧螺母(312)、轴承壳体A(322)、轴承壳体B(333)和推力轴承组(331)能传递给进力和起拔力。


5.如权利要求1所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述活塞端部(351)侧壁为六棱柱结构；
所述活塞壳体(36)内壁包括沿轴向依次设置的内螺纹连接面以与轴承组B连接、圆筒形内壁以对应传扭盘(34)、六棱柱形内壁和所述环形台阶；
所述所述活塞端部(351)与六棱柱形内壁配合安装以使活塞壳体(36)能随活塞(35)转动。


6.如权利要求1所述的钻进状态切换装置，其特征在于，所述翼片(372)包括伸出端(3721)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾明群，方俊，李乔乔，吴智峰，范云林，黄寒静，芦甜，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61