[发明专利]煤矿井下定向钻扩一体化钻具及定向钻进随钻扩孔方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，本发明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。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明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，本发明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；