一种提高煤层钻孔扩孔效率的装置和方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别涉及一种提高煤层大直径钻孔扩孔效率的方法。

背景技术

在坚硬煤层中，煤层大直径钻孔卸压空间小，卸压效果差，无法实现对冲击地压灾害的有效治理，需要采用水射流扩孔或机械扩孔等方式对巷道侧向高应力区进行扩孔。其中水射流旋切扩孔是最经济、效率最高、安全性最好的一种扩孔方式。但是对于坚硬煤层，由于煤体强度高，普通水射流旋切扩孔工艺不仅扩孔效率低，扩孔半径小，而且容易出现大块煤体造成堵孔问题，严重影响了该技术在坚硬煤层中的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种提高煤层大直径钻孔扩孔效率的方法。该方法采用双射流器同时切割方式，通过低流量高压磨料水对坚硬煤体进行预切割，达到提前破坏煤体强度的目的，同时通过高流量高压非磨料水对煤体进行快速扩孔，能显著提高扩孔效率、增加扩孔半径，同时磨料水能对大块煤体进行二次切割，避免大块煤体堵孔问题。该发明能显著提高煤层水力旋切扩孔技术的应用效果，对煤矿冲击地压灾害治理具有重要意义，推广应用前景广阔。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种提高煤层钻孔扩孔效率的装置，包括：钻机、钻杆和钻头，钻机带动钻杆和钻头旋转以在煤层中形成钻孔，

钻杆为双层密封钻杆，在钻杆中形成有内腔和外腔，在内腔中通有含有磨料的高压水，在外腔中通有不含磨料的高压水；

在钻头和钻杆之间设置第一射流器和第二射流器，第二射流器与内腔连通，将含有磨料的高压水喷出，用于对煤层进行预破坏，第一射流器与外腔连通，将不含磨料的高压水喷出，用于对煤层中形成的钻孔进行扩孔。

第一射流器比第二射流器更靠近钻头。

第一射流器与钻头之间的距离小于0.1m，第一射流器与第二射流器之间距离小于0.1m。

在内腔中的含有磨料的高压水的流速低于在外腔中的不含磨料的高压水的流速。

在内腔中的含有磨料的高压水通过设置在第二射流器中的第二射流器喷嘴喷出，在外腔中的不含磨料的高压水通过设置在第一射流器的第一射流器喷嘴喷出。

第一射流器喷嘴的数量大于第二射流器喷嘴的数量。

第一射流器喷嘴的直径大于第二射流器喷嘴的直径。

在第二射流器内置2个第二射流器喷嘴，第二射流器喷嘴的直径为0.8mm-1.5mm，第一射流器内置2-3个第一射流器喷嘴，第一射流器喷嘴的直径为1.5mm-3.0mm。

含有磨料的高压水的流速为30-100L/min，压力为20-50MPa，不含磨料的高压水的流速为100-300L/min，压力20-50MPa。

一种提高煤层钻孔扩孔效率的方法，使用提高煤层钻孔扩孔效率的装置，包括：

将第一射流器和第二射流器安装在钻头和钻杆之间，使钻机带动钻杆和钻头旋转以在煤层中形成钻孔，在钻孔期间，钻杆的内腔中不供水，钻杆的外腔中供应低压水，用于在钻孔期间排渣；

钻孔至预定深度以后，保持钻杆旋转状态，并使得钻杆回退，同时向钻杆的内腔中供应通含有磨料的高压水，向钻杆的外腔中供应不含磨料的高压水，含磨料的高压水从第二射流器喷出，用于对煤层进行预破坏，不含磨料的高压水从第一射流器喷出，用于对煤层中形成钻孔进行扩孔。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

采用双射流器同时切割方式，通过低流量高压磨料水对坚硬煤体进行预切割，达到提前破坏煤体强度的目的，同时通过高流量高压非磨料水对煤体进行快速扩孔，能显著提高扩孔效率、增加扩孔半径，同时磨料水能对大块煤体进行二次切割，避免大块煤体堵孔问题。该方法在冲击地压灾害防治领域推广应用，前景广阔。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本申请的实施例的施工过程示意图。

附图中各标记表示如下：

1、钻头；2、第一射流器；3、第二射流器；4、第一射流器喷嘴；5、第二射流器喷嘴；6、外腔；7、钻杆；8、内腔；9、钻机；10、内腔通水接头；11、外腔通水接头；12、水鞭；20、煤层；21、钻孔；A、钻杆旋转方向；L1、预切割段；L2、已扩孔段。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本申请的一些实施例，提供一种提高煤层大直径钻孔扩孔效率的方法，包括：

步骤一，将磨砂射流器、普通射流器安装在钻头和双层密封钻杆之间，连接双层钻杆配套水鞭和钻机施工一煤层大直径钻孔，施工大直径钻孔期间，双层密封钻杆内腔不供水，外腔通低压水用于钻孔钻进期间的排渣。

步骤二，施工完煤层大直径钻孔至设计深度后，保持钻杆旋转状态，并缓慢后退钻杆，此时内腔通含有磨料的低流量高压水，外腔通不含磨料的高流量高压水。含磨料的高压水从磨砂射流器高速射出，用于对坚硬煤体的预破坏；不含磨料的高压水从普通射流器中高速喷出，用于对煤层钻孔的扩孔。

步骤三，持续步骤二直至设计扩孔结束位置后，抽出钻杆，完成施工。

普通射流器位于钻头后方，之间距离小于0.1m。

磨砂射流器位于普通射流器后方，之间距离小于0.1m。

磨砂射流器内置2个喷嘴，喷嘴直径0.8mm-1.5mm。

普通射流器内置2-3个喷嘴，喷嘴直径1.5mm-3.0mm。

含有磨料的低流量高压水，流量为30-100L/min，压力20-50MPa。

不含磨料的高流量高压水，流量为100-300L/min，压力20-50MPa。

实施例:

步骤一：在煤层中施工一煤层钻孔，实施至设计深度后，停止钻进。

步骤二：打开孔外高压水泵，通过高压水鞭中的内腔通水接头和外腔通水接头同时向双层密封钻杆中的内腔和外腔供高压水，其中内腔供低流量高压磨料水，外腔供高流量高压非磨料水，同时控制钻机边旋转边缓慢后退钻杆。

步骤三：内腔与磨料射流器相连接，磨料射流器中有两个直径为0.8mm-1.5mm的喷嘴，高压磨料水从两喷嘴中高速喷出，在孔壁内形成螺旋形裂缝，使磨料射流器喷嘴和普通射流器喷嘴之间的坚硬煤体提前遭到破坏，形成预切割段，大大降低了煤体强度。

步骤四：与步骤三同步，外腔与普通射流器连接，普通射流器有2-3个直径为1.5mm-3.0mm的喷嘴，大流量高压非磨料水从喷嘴中高速喷出，能对已经遭到预破坏的煤层进行扩孔。

步骤五：持续步骤三和步骤四，使已扩孔段长度不断增加，直至设计停止扩孔位置，完成整个施工。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。