瓦斯抽采定向钻套一体机及钻孔方法

技术领域

本发明涉及钻孔瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种瓦斯抽采定向钻套一体机及钻孔方法。

背景技术

钻孔瓦斯抽采技术是防治瓦斯灾害事故有效保障手段之一。瓦斯抽采钻孔施工工艺主要是先用钻机在预抽采区进行钻孔，而后退出钻杆，再利用人工向孔内推入套管，这种钻、套工序不同步导致操作效率低，采掘接替紧张，而且当套孔滞后于进钻时，在一些松软岩层中会出现钻孔塌孔、钻头抱钻等情况，造成下套管难、成孔难等各种问题，进而导致部分抽采钻孔漏气或失效，甚至导致一些钻孔无法利用而需要重新进行钻孔作业。例如，公告号为CN114382410A的中国发明专利，公开了“煤矿井下破碎地层孔底驱动快速跟管钻进工具及方法”，通过钻机驱动钻杆，进而驱动传扭轴，传扭轴通过键将扭矩传递给传扭壳，传扭壳前端带动套管钻头破岩，实现钻头与小套管的同步作业，但此种同步方式存在以下缺陷：

(1)钻头钻进与套管跟进只依靠一个钻机旋转器马达驱动，只能应用于一些破碎地层，对于一些较硬岩体，套管转动动力不足，无法钻进；

(2)该钻进工具中的套管与钻杆作为主要的部件，在结构上有其特殊性与相互配合连接才可使用，而钻孔作业需要大量的钻杆及套管接续钻进，其替代性较差，对于频繁进行瓦斯钻孔抽采的高瓦斯矿井经济成本较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瓦斯抽采定向钻套一体机及钻孔方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明一方面公开了一种瓦斯抽采定向钻套一体机，包括钻头、钻杆、套管、套管夹持器、套管旋转器、钻杆夹持器和钻杆旋转器，钻头与钻杆前端可拆卸连接，钻杆后端通过钻杆夹持器进行固定，通过与钻杆旋转器连接带动旋转；套管前端外周设有合金齿，后端通过套管夹持器进行固定，通过与套管旋转器连接带动旋转；钻杆与套管轴心重合，钻杆与钻头可在套管内进出。

进一步地，所述套管夹持器、套管旋转器位于所述钻杆夹持器和钻杆旋转器的前部。

进一步地，所述钻杆直径为73mm，所述钻头直径为96mm，所述套管内径为118mm，合金齿的外径为127mm。

另一方面，本发明还分开了一种瓦斯抽采钻孔方法，基于上述所述的瓦斯抽采定向钻套一体机，包括如下步骤：

(1)在瓦斯抽采巷道，沿着巷道方向利用定向钻套一体机的钻头进行钻孔；

(2)当钻杆钻进小于N米时，套管不动作，一直位于孔外；当钻杆钻进大于N米时，套管旋转器启动，带动套管旋转，套管带动合金齿旋扩孔，其扩孔速度与钻杆钻进速度同步；

(3)钻杆接续替换，套管接续替换，直到钻头到达瓦斯采区停止钻孔作业，套管递进N米后停止作业；

(4)钻杆和钻头从套管中退出，套管留在钻孔内，套管后端与套管夹持器和套管旋转器脱离；

(5)在套管外与煤层之间的缝隙中，通过注浆进行固定。

进一步地，所述N的值在3-10米之间选择。

与现有技术相比，本发明具有以下优势，

(1)本发明通过将钻杆和套管各自设置一个动力驱动，可以不受对方制约，动力足，钻孔及套管跟进自由顺畅，前后跟进距离方便控制，可根据岩层质地不同而选择跟进距离；由于较强的驱动，其钻孔距离可以达到更长，满足不同距离要求的钻孔作业，具有一定的选择灵活性。

(2)本发明主要的替换部件为钻杆与套管，本发明除了带合金齿的套管比较特殊外，其它都属于通用套管，钻杆、钻头均可通用，从而降低定向钻机的钻孔作业的成本。

附图说明

图1是本发明的瓦斯抽采定向钻套一体机的结构示意图；

图2是钻套一体机准备钻孔作业的状态图；

图3是钻杆先钻进岩层的作业状态图；

图4是套管后钻进岩层的作业状态图；

图5钻杆和套管的相对位置图。

图1中，1-钻杆，2-钻头，3-套管，4-合金齿，5-钻杆夹持器，6-钻杆旋转器，7-套管夹持器，8-套管旋转器，9-瓦斯抽采巷道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种瓦斯抽采定向钻套一体机，包括钻杆1、钻头2、套管3、套管夹持器5、套管旋转器6、钻杆夹持器7和钻杆旋转器8，钻头2与钻杆1前端可拆卸连接，钻杆1后端通过钻杆夹持器7进行固定，通过与钻杆旋转器8连接带动旋转。套管3前端外周设有合金齿4，后端通过套管夹持器5进行固定，通过与套管旋转器6连接带动旋转。钻杆1与套管2轴心重合，钻杆1与钻头2可在套管3内进出。具体地，所述套管夹持器、套管旋转器位于所述钻杆夹持器和钻杆旋转器的前部。具体地，钻杆直径为73mm，钻头直径为96mm，套管内径为118mm，合金齿的外径为127mm，图5展示了钻杆1、钻头2与套管3、合金齿4的相对位置。

如图2-图4所示，本发明还公开了一种瓦斯抽采钻孔方法，图中在岩层中设置两个区域，即区域I和区域II，为了方便说明钻头2在前，套管3在后，二者保持一定的前后距离，该方法具体包括如下步骤：

(1)在瓦斯抽采巷道9，沿着巷道方向利用定向钻套一体机的钻头2进行钻孔；

(2)当钻杆1钻进小于5米时，套管3不动作，一直位于孔外；当钻杆1钻进大于5米时，套管旋转器5启动，带动套管3旋转，套管带动合金齿4旋扩孔，其扩孔速度与钻杆1钻进速度同步；

(3)钻杆1接续替换，套管3接续替换，直到钻头2到达瓦斯采区停止钻孔作业，套管1递进5米后停止作业；

(4)钻杆1和钻头2从套管3中退出，套管3留在钻孔内，套管3后端与套管夹持器5和套管旋转器6脱离；

(5)在套管3外与煤层之间的缝隙中，通过注浆进行固定。

本发明通过将钻杆和套管的动力分开设置，各司其职，相互不影响，一方面可以使钻杆1可以自由钻进，钻进动力强，另一方面，套管3只需要保持与钻杆一定距离即可，套管3通过其外的合金齿4通过旋转扩孔，为套管3打开一条通路，从而降低了套管3的前进阻力，也使其可以更好地跟进钻杆同步作业，当然，合金齿4的外径不需要过大，其只需要使套管3不基本不受阻力前进即可。同时，设置两个驱动独立作业，可以使钻孔作业距离达到更远，其只需要保证足够的驱动力，其它阻力很少。相对于现有技术，其钻杆、钻对及套管的替代性强，在需要大量钻杆钻对及套管的时候，可以借用其它钻机上的进行替换，从而减少了其钻孔作业的成本。

需要说明的是，钻头2与合金齿4之间的距离，应根据岩层的质地不同而进行灵活选择，当岩层相对松软时，为防止蹋孔，合金齿4需要与钻头2之间保持更近的距离，比如3米，当岩层较硬时，合金齿4可以与钻头2保持较远的距离，比如10米。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。