軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿及鉆進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于松軟煤層鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿及鉆進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]井下瓦斯抽采主要包括成孔、封孔、聯(lián)孔等技術(shù)環(huán)節(jié)，其中以成孔技術(shù)最為關(guān)鍵，成孔深度及效率決定著瓦斯抽采的效率及范圍。目前，軟煤層鉆孔施工是瓦斯抽采的一項(xiàng)技術(shù)難題，軟煤層以m類碎粒煤(煤堅(jiān)固性系數(shù)f=0.25-0.5)和IV類糜棱煤(f〈0.3)為主，鉆進(jìn)過程中，受地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤體構(gòu)造應(yīng)力等因素影響，鉆孔收縮嚴(yán)重，鉆進(jìn)過程中，鉆孔易堵塞，鉆進(jìn)阻力大，卡鉆、斷鉆現(xiàn)象頻發(fā)，致使鉆孔深度淺、鉆進(jìn)效率低、成孔率低，直接影響瓦斯的抽采范圍和抽采效率，間接影響煤層的開采效率、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。解決軟煤層鉆進(jìn)難題，應(yīng)從降低鉆進(jìn)阻力、提高排渣效率兩個(gè)方面著手，降低鉆進(jìn)阻力主要從改變鉆桿的截面形狀入手，提高排渣效率主要從鉆桿結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)速度、供風(fēng)量等方面入手。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿及鉆進(jìn)方法，利用鉆桿的多翼內(nèi)凹結(jié)構(gòu)提供護(hù)孔排渣通道，利用鉆桿表面的凸形或凹槽降低鉆進(jìn)阻力，實(shí)現(xiàn)了護(hù)孔排渣、低阻鉆進(jìn)作業(yè)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿，包括多翼內(nèi)凹開放式凹連接件、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件，所述多翼內(nèi)凹開放式凹連接件、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件同軸向設(shè)置，多翼內(nèi)凹開放式凹連接件和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件分別連接在多翼內(nèi)凹開放式中空桿體的兩端，多翼內(nèi)凹開放式凹連接件、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件內(nèi)部軸向設(shè)有連通的流體通道;多翼內(nèi)凹開放式凹連接件、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件的表面沿軸向方向設(shè)有至少兩條長槽，所有長槽均沿圓周方向均勻布置，長槽的橫截面為弧形結(jié)構(gòu)；多翼內(nèi)凹開放式凹連接件、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件的圓周表面由長槽隔開形成高速旋轉(zhuǎn)鉆孔的弧形翼。
[0005]多翼內(nèi)凹開放式凹連接件、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件的外圓周表面，或者多翼內(nèi)凹開放式中空桿體及多翼內(nèi)凹開放式凸連接件的外圓周表面，或者多翼內(nèi)凹開放式中空桿體及多翼內(nèi)凹開放式凹連接件的外圓周表面，或者多翼內(nèi)凹開放式中空桿體的外圓周表面均勻設(shè)置有仿生結(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)為凹槽和/或凸起。
[0006]相鄰的兩個(gè)凹槽、相鄰的兩個(gè)凸起或者相鄰的凹槽及凸起之間的距離為1mm?10mm0
[0007]凹槽的深度為Omm?5 mmD
[0008]凸起的高度為Omm?15謹(jǐn)。
[0009]軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿的鉆進(jìn)方法，包括以下步驟:
(1)、根據(jù)施工地點(diǎn)煤層瓦斯放散初速度Ap、堅(jiān)固性系數(shù)f、瓦斯壓力P確定采用不同的鉆桿；
(2)、在施工地點(diǎn)設(shè)置鉆機(jī)，將鉆桿安裝到鉆機(jī)上，鉆桿連接風(fēng)管或水管，開啟鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，待鉆進(jìn)到煤層預(yù)定設(shè)計(jì)深度后停鉆，退出鉆桿；
(3)、調(diào)整鉆機(jī)位置，對另一個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)；
(4)、重復(fù)步驟(2)和(3)。
[0010]步驟(I)確定采用不同的鉆桿結(jié)構(gòu)的具體方式為:
當(dāng)瓦斯放散初速度A P > 10、煤堅(jiān)固性系數(shù)f < 0.5、瓦斯壓力P 20.74時(shí)，鉆桿設(shè)計(jì)為兩翼或三翼；當(dāng)瓦斯放散初速度Ap〈10或煤堅(jiān)固性系數(shù)0.5〈 I或瓦斯壓力P〈0.74時(shí)，鉆桿設(shè)計(jì)為四翼或五翼；
當(dāng)瓦斯放散初速度A P > 10、當(dāng)煤堅(jiān)固性系數(shù)f < 0.5、瓦斯壓力P > 0.74時(shí)，鉆桿表面凸起高度設(shè)置為5 mm?15 mm范圍內(nèi)，鉆桿表面凹槽深度設(shè)置為3 mm?5 mm范圍內(nèi)；當(dāng)瓦斯放散初速度Ap〈10或煤堅(jiān)固性系數(shù)0.5〈 I或瓦斯壓力P〈0.74時(shí)，鉆桿表面凸起高度設(shè)置為O mm?8 mm范圍內(nèi)，鉆桿表面凹槽深度設(shè)置為O mm?3 mm范圍內(nèi)；
當(dāng)瓦斯放散初速度A P > 10、當(dāng)煤堅(jiān)固性系數(shù)f < 0.5、瓦斯壓力P > 0.74時(shí)，鉆桿表面凸起或凹槽之間間距設(shè)置為10 mm?50 mm范圍內(nèi)；當(dāng)瓦斯放散初速度Δ p〈10或煤堅(jiān)固性系數(shù)0.5〈 f < I或瓦斯壓力P〈0.74時(shí)，鉆桿表面凸起或凹槽之間間距設(shè)置為20 mm?100 mm范圍內(nèi)。
[0011]步驟(2)在鉆進(jìn)過程中的具體技術(shù)參數(shù)為:
當(dāng)瓦斯放散初速度△ P MO、當(dāng)煤堅(jiān)固性系數(shù)f < 0.5、瓦斯壓力P 2 0.74時(shí)，鉆進(jìn)速度設(shè)計(jì)為0.4 m/min?0.8 m/min;當(dāng)瓦斯放散初速度Δ p 2 10或煤堅(jiān)固性系數(shù)0.5〈 f < I或瓦斯壓力P〈0.74時(shí)，鉆進(jìn)速度設(shè)計(jì)為0.8 m/min?1.2 m/min；
當(dāng)瓦斯放散初速度A P 2 10、當(dāng)煤堅(jiān)固性系數(shù)f < 0.5、瓦斯壓力P 2 0.74時(shí)，供風(fēng)風(fēng)量設(shè)計(jì)為12 m3/min?16 m3/min;當(dāng)瓦斯放散初速度Δ p 2 10或煤堅(jiān)固性系數(shù)0.5〈 f < I或瓦斯壓力P〈0.74時(shí)，供風(fēng)風(fēng)量設(shè)計(jì)為8 m3/min?12 m3/min。
[0012]以上技術(shù)方案所采用的原理如下:鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆孔內(nèi)發(fā)生堵塞、鉆桿被完全包裹時(shí)，根據(jù)仿生學(xué)理論，將鉆具表面設(shè)計(jì)為凸凹不平結(jié)構(gòu)，可有效降低鉆桿與堵塞段接觸面積，從而降低鉆桿的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)阻力，此外，鉆桿表面的凹凸結(jié)構(gòu)使煤渣處于流動狀態(tài)，及時(shí)將散失，預(yù)防堵塞段局部熱量聚集，避免鉆孔內(nèi)熱量聚集引起的鉆孔事故。本發(fā)明根據(jù)煤層地質(zhì)條件評估鉆孔收縮比dc并確定鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑cb、鉆桿表面凸起高度或凹槽深度、鉆桿表面凸形或凹槽之間間距、鉆進(jìn)速度等技術(shù)參數(shù)，應(yīng)用降阻散熱仿生鉆桿施工鉆孔，實(shí)現(xiàn)低阻、低溫一體化鉆進(jìn)。
[0013]由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下效果:
本發(fā)明提供一種鉆進(jìn)方法并設(shè)計(jì)相應(yīng)鉆桿，從而有效降低鉆桿的鉆進(jìn)阻力，有利于提高軟煤巖鉆孔深度和鉆進(jìn)效率。通過本發(fā)明鉆進(jìn)方法指導(dǎo)降阻散熱仿生鉆桿的合理鉆桿旋轉(zhuǎn)外徑CU、鉆桿表面凸起高度或凹槽深度、鉆桿表面凸起或凹槽之間間距和鉆進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)了基于煤層地質(zhì)條件仿生鉆桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且利用鉆桿表面的凸起或凹槽降低鉆進(jìn)阻力，實(shí)現(xiàn)了護(hù)孔排渣、低阻鉆進(jìn)作業(yè)。鉆桿表面設(shè)置的長槽起到順暢排渣的作用。
[0014]本發(fā)明針對軟煤巖鉆進(jìn)困難的技術(shù)難題，結(jié)合大量工程實(shí)踐，依據(jù)巖石力學(xué)、仿生學(xué)相關(guān)理論，充分考慮煤層地質(zhì)條件，本發(fā)明鉆進(jìn)方法指導(dǎo)降阻散熱仿生鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮降阻散熱仿生鉆桿的“降阻”和“散熱”的雙重作用，有利于提高軟煤巖鉆孔深度，值得在煤礦企業(yè)推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的軸向剖視圖；
圖3是圖1的左視圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例二的軸向剖視圖；
圖6是圖4的左視圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例三的軸向剖視圖；
圖9是圖7的左視圖；
圖10是本發(fā)明實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖11是圖10的左視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例一:如圖1?圖3所示，本發(fā)明的軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿，包括多翼內(nèi)凹開放式凹連接件1、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3，多翼內(nèi)凹開放式凹連接件1、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3同軸向設(shè)置，多翼內(nèi)凹開放式凹連接件I和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3分別連接在多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2的兩端，多翼內(nèi)凹開放式凹連接件1、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3內(nèi)部軸向設(shè)有連通的流體通道8;多翼內(nèi)凹開放式凹連接件1、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3的表面沿軸向方向設(shè)有至少兩條長槽6，所有長槽6均沿圓周方向均勻布置，長槽6的橫截面為弧形結(jié)構(gòu)；多翼內(nèi)凹開放式凹連接件1、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3的圓周表面由長槽6隔開形成高速旋轉(zhuǎn)鉆孔的弧形翼5。
[0017]多翼內(nèi)凹開放式凹連接件1、多翼內(nèi)凹開放式中空桿體2和多翼內(nèi)凹開放式凸連接件3的外圓周表面均勻設(shè)置有仿生結(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)為凸起。
[0018]相鄰的兩個(gè)凸起之間的距離為1mm?100mm。凸起的高度為Omm?15 mm。
[0019]軟煤層鉆進(jìn)多翼內(nèi)凹開放式仿生降阻護(hù)孔鉆桿的鉆進(jìn)方法，包括以下步驟:
(1)、根據(jù)施工地點(diǎn)煤層瓦斯放散初速度Ap、堅(jiān)固性系數(shù)f、瓦斯壓力P確定采用不同的鉆桿；
(2)、在施工地點(diǎn)設(shè)置鉆機(jī)，將鉆桿安裝到鉆機(jī)上，鉆桿連接風(fēng)管或水管，開啟鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，待鉆進(jìn)到煤層預(yù)定設(shè)計(jì)深度后停鉆，退出鉆桿；
(3)、調(diào)整鉆機(jī)位置，對另一個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)；
(4)、重復(fù)步驟(2)和(3)。
[0020]步驟(I)確定采用不同的鉆桿結(jié)構(gòu)的具體方式為:
當(dāng)瓦斯放散初速度A P > 10、煤堅(jiān)固性系數(shù)f < 0.5、瓦斯壓力P 20.74時(shí)，鉆桿設(shè)