一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置及方法

摘要

本发明涉及一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置及方法，属于煤炭开采及煤矿安全技术领域。该装置包括防爆空压机、钻机、主钻杆、钻头和气动柔性钻进装置。该方法采用钻机动力头施钻主孔，然后采用气动柔性钻进装置施钻梳状孔。主孔由钻机的动力头施工，提高钻进效率；气动柔性钻进装置布置在靠近钻头的钻杆内部；主孔完成施工后，需要施工梳状孔时，由防爆空压机给钻杆供气，气动柔性钻进装置使钻头与主钻杆脱离，钻机动力头不提供旋转动力，只提供轴向推力，气动柔性钻进装置提供钻头旋转破煤动力，完成小曲率拐弯钻进，完成梳状孔施工。本发明通过钻机动力头施工主孔，由气动柔性钻进装置施工梳状孔，提高了井下梳状孔成孔效率。

权利要求

1.一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，包括钻机（2）、主钻杆（3）和钻头（62），其特征在于，该装置还包括防爆空压机（1）和气动柔性钻进装置（4）；所述气动柔性钻进装置（4）包括高低压转换结构和气动马达（59）；所述高低压转换结构包括活塞（51）和弹簧（52）；

所述防爆空压机（1）与钻机（2）和主钻杆（3）依次连接；所述气动柔性钻进装置（4）布置在靠近钻头（62）的钻杆内部，并与主钻杆（3）连接；所述钻机（2）用于带动主钻杆（3）旋转，所述主钻杆（3）带动钻头（62）旋转破煤；

所述高低压转换结构，用于正常钻进时，低压的空气从气动柔性钻进装置（4）和主钻杆（3）的环形空隙进入钻头部位，高压空气则供给气动马达（59）；所述的气动柔性钻进装置（4）工作时，高压气体由主钻杆进入，推动活塞压缩弹簧，将高压气体通道打开并将钻头与主钻杆脱离，气动马达（59）开始工作。

2.根据权利要求1所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征在于，所述气动柔性钻进装置（4）还包括进气轴（53）和芯轴（58）；

所述防爆空压机（1）用于提供高压空气，高压空气通过主钻杆（3）到达气动柔性钻进装置（4）的活塞（51）处，活塞（51）压缩弹簧（52），并推动芯轴（58）前移，芯轴（58）推动进气轴（53）移动，进气轴（53）上开有进气通道，当进气轴（53）推高到一定距离后，高压气体经过所述进气通道进入气动马达（59），气动马达（59）给钻头（62）提供轴向推力；当进气轴（53）移动的同时，钻头（62）与主钻杆（3）脱开，此时，钻机停转，只负责给钻头（62）提供轴向推力。

3.根据权利要求2所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征在于，所述气动柔性钻进装置（4）还包括气动马达壳体凸台（54）、主钻杆凸台（55）和气动马达排气孔（56）；

所述气动马达壳体凸台（54）设置在气动马达（59）壳体的外侧，所述主钻杆凸台（55）设置在主钻杆（3）的内侧；所述气动马达排气孔（56）设置在气动马达（59）侧面，排气通过主钻杆与气动柔性钻进装置的环形空隙流入钻头，用于冷却钻头和排渣；高压通道打开时，气动马达壳体凸台（55）压紧在主钻杆凸台（55）上，封闭低压气体通道。

4.根据权利要求3所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征在于，当进气轴（53）移动时，所述气动马达壳体凸台（54）逐步被压紧在主钻杆凸台（55）上，主钻杆（3）和气动柔性钻进装置的环形空间被堵住，高压压缩空气只能通过气动马达（59）进入，由气动马达排气孔（56）排到钻头（62）处，起到排渣和冷却钻头的作用。

5.根据权利要求1所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征在于，所述气动柔性钻进装置（4）还包括气动马达输出轴（60）、轴承组（61）和轴承组外壳（63）；所述轴承组（61）设置在气动马达输出轴（60）与轴承组外壳（63）中间。

6.根据权利要求5所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征在于，所述轴承组（61）由1个推力球轴承和2个滚珠轴承组成。

7.根据权利要求1所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征在于，所述气动柔性钻进装置（4）布置在近钻头部位，与主钻杆通过销钉连接；所述钻头（62）与主钻杆（3）通过花键（57）连接；气动柔性钻进装置工作时，钻头与主钻杆的花键连接处于脱开状态。

8.根据权利要求1 7中任意一项所述的一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，其特征~

在于，该装置的成孔方法包括以下步骤：

S1：采用钻机（2）带动钻头（62）完成主孔施工；

S2：采用防爆空压机（1）带动气动柔性钻进装置（4）完成梳状孔的施工，具体包括：将气动柔性钻进装置布置在靠近钻头的钻杆内部，在主孔完成施工后需要施工梳状孔时，由防爆空压机给钻杆供气，使钻头与主钻杆脱离，此时气动柔性钻进装置提供钻头旋转破煤动力，完成小曲率拐弯钻进，从而完成梳状孔施工。

说明书

一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤炭开采及煤矿安全技术领域，涉及一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置及方法。

背景技术

[0002] 煤炭是我国能源的基石。但我国开采的绝大多数煤层渗透率较低，随着开采深度的增加，瓦斯抽采难度进一步加大。瓦斯抽采成了制约煤矿安全高效生产的关键，低渗、难
抽煤层瓦斯抽采难题亟需攻克。

[0003] 煤岩体结构改造是破解低渗煤层瓦斯抽采难题的关键。井下梳状孔是煤岩体结构改造的有效途径，高效简单的井下梳状孔成孔方法及装备成了近年研究的重点和热点。但
现阶段井下梳状孔成孔工艺及方法复杂，施工效率低，严重制约着煤矿井下梳状孔在煤矿
井下增透领域内的应用。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置及方法，通过采用钻机动力头施钻的主孔，采用气动柔性钻进装置施钻的梳状孔的方法，提高钻进
效率，减小梳状孔转弯半径。

[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 1、一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，包括防爆空压机(1)、钻机(2)、主钻杆(3)、钻头(62)和气动柔性钻进装置(4)；所述气动柔性钻进装置(4)包括高低压转换结构和
气动马达(59)；所述高低压转换结构包括活塞(51)和弹簧(52)；

[0007] 所述防爆空压机(1)与钻机(2)和主钻杆(3)依次连接；所述气动柔性钻进装置(4)布置在靠近钻头(62)的钻杆内部，并与主钻杆(3)连接；所述钻机(2)用于带动主钻杆(3)旋
转，所述主钻杆(3)带动钻头(62)旋转破煤，

[0008] 所述高低压转换结构，用于正常钻进时，低压的空气从气动柔性钻进装置(4)和主钻杆(3)的环形空隙进入钻头部位，高压空气则供给气动马达(59)；所述的气动柔性钻进装
置(4)工作时，高压气体由主钻杆进入，推动活塞压缩弹簧，将高压气体通道打开并将钻头
与主钻杆脱离，气动马达(59)开始工作。

[0009] 进一步，所述气动柔性钻进装置(4)还包括进气轴(53)和芯轴(58)；

[0010] 所述防爆空压机(1)用于提供高压空气，高压空气通过主钻杆(3)到达气动柔性钻进装置(4)的活塞(51)处，活塞(51)压缩弹簧(52)，并推动芯轴(58)前移，芯轴(58)推动进
气轴(53)移动，进气轴(53)上开有进气通道，当进气轴(53)推高到一定距离后，高压气体经
过所述进气通道进入气动马达(59)，气动马达(59)给钻头(62)提供轴向推力；当进气轴
(53)移动的同时，钻头(62)与主钻杆(3)脱开，此时，钻机停转，只负责给钻头(62)提供轴向
推力。

[0011] 进一步，所述气动柔性钻进装置(4)还包括气动马达壳体凸台(54)、主钻杆凸台(55)和气动马达排气孔(56)；所述气动马达壳体凸台(54)设置在气动马达(59)壳体的外
侧，所述主钻杆凸台(55)设置在主钻杆(3)的内侧；所述气动马达排气孔(56)设置在气动马
达(59)侧面，排气通过主钻杆与气动柔性钻进装置的环形空隙流入钻头，用于冷却钻头和
排渣；高压通道打开时，气动马达壳体凸台(55)压紧在主钻杆凸台(55)上，封闭低压气体通
道。

[0012] 更进一步，当进气轴(53)移动时，所述气动马达壳体凸台(54)逐步被压紧在主钻杆凸台(55)上，主钻杆(3)和气动柔性钻进装置的环形空间被堵住，高压压缩空气只能通过
气动马达(59)进入，由气动马达排气孔(56)排到钻头(62)处，起到排渣和冷却钻头的作用。

[0013] 进一步，所述气动柔性钻进装置(4)还包括气动马达输出轴(60)、轴承组(61)和轴承组外壳(63)；所述轴承组(61)设置在气动马达输出轴(60)与轴承组外壳(63)中间。

[0014] 更进一步，所述轴承组(61)由1个推力球轴承和2个滚珠轴承组成。

[0015] 进一步，所述气动柔性钻进装置(4)布置在近钻头部位，与主钻杆通过销钉连接；所述钻头(62)与主钻杆(3)通过花键(57)连接；气动柔性钻进装置工作时，钻头与主钻杆的
花键连接处于脱开状态。

[0016] 2、一种井下小曲率梳状孔高效成孔方法，包括以下步骤：

[0017] S1：采用钻机(2)带动钻头(62)完成主孔施工；

[0018] S2：采用防爆空压机(1)带动气动柔性钻进装置(4)完成梳状孔的施工，具体包括：将气动柔性钻进装置布置在靠近钻头的钻杆内部，在主孔完成施工后需要施工梳状孔时，
由防爆空压机给钻杆供气，使钻头与主钻杆脱离，此时气动柔性钻进装置提供钻头旋转破
煤动力，完成小曲率拐弯钻进，从而完成梳状孔施工。

[0019] 本发明的有益效果在于：本发明通过采用钻机动力头施钻主孔，采用气动柔性钻进装置施钻梳状孔的方法，将钻机动力头机械钻进和气动柔性钻进有机结合，提高了井下
梳状孔成孔效率；气动柔性钻进装置工作时，依靠气动马达带动钻头旋转，由钻机动力头施
加钻杆轴向推力，减小了梳状孔转弯半径；气动柔性钻进装置中由活塞和弹簧组成高低压
转换装置，确保低压压风能顺利排渣，而高压压风能供给气动马达，且气动马达的排气具有
排渣和冷却钻头的作用。

[0020] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和
获得。

附图说明

[0021] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

[0022] 图1为本发明所述成孔方法的整体示意图；

[0023] 图2为本发明的气动柔性钻进装置内部结构图；

[0024] 图3为本发明的气动柔性钻进装置工作时内部结构示意图；

[0025] 附图标记说明：1、防爆空压机；2、钻机；3、主钻杆；4、气动柔性钻进装置；5、梳状孔；6、主孔；51、活塞；52、弹簧；53、进气轴；54、气动马达壳体凸台；55、主钻杆凸台；56、气动
马达排气孔；57、花键；58、芯轴；59、气动马达；60、气动马达输出轴；61、轴承组；62、钻头；
63、轴承组外壳。

具体实施方式

[0026] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示
意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相
互组合。

[0027] 请参阅图1～图3，为一种井下小曲率梳状孔高效成孔装置，采用钻机2动力头施钻的主孔6，采用气动柔性钻进装置4施钻梳状孔5，工作原理如下：

[0028] 钻机2带动主钻杆3旋转，所述主钻杆3与钻头62通过花键57连接，主钻杆3带动钻头62旋转破煤，低压压缩空气由主钻杆3进入，通过主钻杆3和气动柔性钻进装置4的环形空
隙到达钻头62处，进行排渣和冷却钻头。

[0029] 完成主孔施工后，需要施工梳状孔5时，开启防爆空压机1，高压空气通过主钻杆3到达气动柔性钻进装置4的活塞51处，活塞51压缩弹簧52，并推动芯轴58前移，芯轴58推动
进气轴53移动，进气轴53上开有进气通道，当进气轴推高到一定距离后，高压气体经过所述
的进气通道进入马达59，气动马达开始工作。

[0030] 进气轴53移动同时，气动柔性钻进装置4的前半部分移动(如图3所示)，使钻头62与主钻杆3脱开，此时，钻机停转，只负责提供给钻头62轴向推力。而所述钻头62的旋转动力
由气动马达59的输出轴60提供。

[0031] 进气轴53移动时，气动马达壳体凸台54逐步被压紧在主钻杆凸台55上，所述主钻杆3和气动柔性钻进装置4的环形空间被堵住，高压压缩空气只能通过气动马达进入，由气
动马达排气孔56排到钻头62处，起到排渣和冷却钻头的作用。

[0032] 气动马达60输出轴61与外壳之间设置有轴承组，轴承组由1个推力球轴承和2个滚珠轴承组成。

[0033] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。