阅读说明：本技术 一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具及方法 (Tool and method for preventing hole collapse while drilling during roadway drilling of constructional coal ) 是由 倪小明 杨慈祥 金毅 王娟 李怀珍 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具,包括固定套、若干个C型弹性支撑环、控制系统和远程监控系统,固定套套装固定在钻杆的外部,钻杆的前端设有钻头,固定套的外部下侧沿长度方向固定连接有若干个卡座,每个C型弹性支撑环的缺口两端均设有塞柱,两个塞柱左右对称卡接在相应的卡座内,每个卡座内部均设有两个卡紧机构,每个卡座内部均设有定位芯片；控制系统分别与各个卡紧机构和远程监控系统通过井下通信电缆连接,远程监控系统分别与各个定位芯片通过GPRS或无线信号传输连接。本发明可以有效防止钻孔中塌孔现象,能保证构造煤中钻孔的成功率,同时又能在瓦斯抽放时起到护孔的作用,提高瓦斯抽采时间和抽采效果。(A hole collapse prevention tool while drilling when tunnel structural coal is drilled comprises a fixing sleeve, a plurality of C-shaped elastic support rings, a control system and a remote monitoring system, wherein the fixing sleeve is sleeved and fixed outside a drill rod, a drill bit is arranged at the front end of the drill rod, a plurality of clamping seats are fixedly connected to the lower side of the outside of the fixing sleeve along the length direction, two ends of a notch of each C-shaped elastic support ring are respectively provided with a plug, the two plugs are symmetrically clamped in the corresponding clamping seats in a bilateral mode, two clamping mechanisms are arranged inside each clamping seat, and a positioning chip is arranged inside each clamping seat; the control system is respectively connected with each clamping mechanism and the remote monitoring system through underground communication cables, and the remote monitoring system is respectively connected with each positioning chip through GPRS or wireless signal transmission. The invention can effectively prevent hole collapse in the drilled hole, can ensure the success rate of the drilled hole in the constructed coal, and simultaneously can play a role of hole protection in gas drainage, thereby improving the gas drainage time and the gas drainage effect.)

一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具及方法

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯抽放钻孔支护技术领域，具体地说，涉及一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具及方法。

背景技术

井下打抽放钻孔进行瓦斯抽放是目前常用的井下瓦斯抽采方式之一。通过抽放孔进行抽放瓦斯，使煤层中的瓦斯含量降低、瓦斯压力下降，使采掘速度加快，煤与瓦斯突出危险性显著降低。我国大多数地区的煤层形成后都经历了多期构造运动作用，煤层段或多或少存在碎粒煤、糜棱煤等构造煤，当在碎粒煤或糜棱煤发育的构造煤中进行钻孔时，采用常规的工艺方法很容易塌孔，钻孔长度受限。即使成孔，由于煤层比较软，进行一段时间抽放后，很容易塌孔使抽放效果大大降低，最终影响了抽放瓦斯量。采用钻井液泥浆护壁的方法一定程度上能解决钻进成孔的问题，由于泥浆护壁形成了一薄层保护膜，会影响后期的抽放效果。采用双螺旋钻杆方式更多是解决排渣问题，防塌孔效果不理想。采用高强度支撑护孔筛管的方法是在已经钻好的钻孔中进行的支护，但对钻进过程中的塌孔问题则显得力不从心。因此，亟需研制一种钻构造煤时随钻防塌孔工具，既能保证构造煤中钻孔的成功率，同时又能在瓦斯抽放时起到护孔的作用，提高瓦斯抽采时间和抽采效果。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种的巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具及方法，本发明可以有效防止钻孔中塌孔现象，能保证构造煤中钻孔的成功率，同时又能在瓦斯抽放时起到护孔的作用，提高瓦斯抽采时间和抽采效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具，包括固定套、若干个C型弹性支撑环、控制系统和远程监控系统，固定套套装固定在钻杆的外部，以钻进方向为前向，钻杆的前端设有钻头，固定套的外部下侧沿长度方向固定连接有若干个与各个C型弹性支撑环一一对应连接的卡座，各个卡座位于同一直线上，每个C型弹性支撑环的缺口两端均设有塞柱，两个塞柱左右对称卡接在相应的卡座内，每个卡座内部均设有两个分别用于固定和释放两个塞柱的卡紧机构，两个卡紧机构的结构相同且左右对称，C型弹性支撑环和卡座合围成套在固定套外部的封闭圆环，封闭圆环的外径小于钻头的最大外径，每个卡座内部均设有定位芯片；

控制系统分别与各个卡紧机构和远程监控系统通过井下通信电缆连接，远程监控系统分别与各个定位芯片通过GPRS或无线信号传输连接。

固定套的一端内圆与钻杆的外部之间螺纹连接，卡座为中空盒体结构，卡座的上表面为与固定套的外圆周相适配的圆柱面，卡座的前后两侧面上部边缘均设有折边，折边的上表面和固定套的外圆周之间夹设有垫片，折边与固定套通过若干根穿过折边和垫片的紧固螺栓固定连接，卡座的左侧面和右侧面均开设有左右通透且对应的卡孔，两个塞柱分别对应穿过两个卡孔***到卡座内部，每个塞柱的前后两侧均开设有卡槽，两个卡槽前后对应。

位于卡座内部左侧的卡紧机构包括两组前后移动组件，两组前后移动组件的结构相同且关于卡孔的中心线前后对称设置，前侧的前后移动组件包括伺服电机、齿轮、卡紧杆和两块支板，伺服电机的中心线沿左右方向水平设置，伺服电机的底部固定连接在卡座内底部，齿轮固定套装在伺服电机的动力轴上，卡紧杆沿前后方向水平设置，两块支板所在平面与卡紧杆垂直，两块支板前后并排设置，齿轮位于两块支板的中间，两块支板上均开设有前后通透且对应的导向孔，卡紧杆穿过两个导向孔并滑动支撑在两块支板上，卡紧杆的前端穿过前侧支板且位于前侧支板的前侧，卡紧杆的后端穿过后侧支板且位于后侧支板的后侧，卡紧杆的上表面为齿条结构，齿轮的下侧与齿条结构相啮合，卡紧杆的后端对应插接到左侧塞柱的前侧卡槽中，两块支板上分别设有一个限位开关，卡紧杆上设有与两个限位开关配合的接触块，接触块设置在两块支板之间，控制系统分别与伺服电机和两个限位开关通过井下通信电缆信号连接。

封闭圆环的内圆和固定套的外部之间设有用于防止C型弹性支撑环前后偏移的扶正环，各个扶正环套在固定套的外部，各个扶正环的中部周向通过若干根紧固螺栓固定连接在固定套的外部。

C型弹性支撑环上均匀开设有若干个筛孔。

一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具的防塌孔方法，包括以下步骤：

（1）、将固定套安装在对应的钻杆上，并将各个卡座、各个C型弹性支撑环和各个扶正环对应安装在固定套上；

（2）、在煤层中钻孔，并在钻孔钻进到每个预期位置时，在预期位置处煤层为构造煤，煤层较软容易塌孔，在该预期位置对应释放一个C型弹性支撑环，C型弹性支撑环由于弹性作用膨胀撑紧该预期位置处的钻孔内壁，从而起到支撑钻孔的作用；

（3）、释放完所有的C型弹性支撑环后，由于在钻进时钻孔的内径要大于钻头的最大直径，C型弹性支撑环支撑在钻孔内壁上时，C型弹性支撑环的内径同样大于钻头的最大直径，如此将钻头及钻杆从钻孔中退出，钻头不会撞住C型弹性支撑环，之后再将固定套从钻杆上拆卸下来，检查固定套、卡座和扶正环的完好性，重复步骤（1）进行下一次的钻孔支撑。

步骤（1）具体为：将固定套套装固定在对应的钻杆上，将各个扶正环套装在固定套上，通过若干根紧固螺栓将各个扶正环固定在固定套的对应位置处，再将各个卡座的折边通过若干根紧固螺栓固定安装在固定套的对应位置处，然后，将各个C型弹性支撑环分别套在固定套的外部，使C型弹性支撑环的两端塞柱穿过相应卡座上的卡孔***到卡座内部，控制系统控制该卡座内部的各个伺服电机转动，伺服电机带动齿轮转动，齿轮通过和卡紧杆上表面的齿条结构啮合驱动卡紧杆朝向塞柱移动，当卡紧杆移动至卡紧杆上的接触块刚好与靠近塞柱的支板上的限位开关接触时，卡紧杆靠近塞柱的一端完全***到塞柱上的卡槽内部，该限位开关传递信号给控制系统，触发控制系统控制对应的伺服电机停止转动，如此，卡座内的四根卡紧杆的一端分别***到对应的卡槽中，将两个塞柱固定，从将相应的C型弹性支撑环与相应的卡座固定连接成封闭圆环，而且，对应的一个扶正环位于该封闭圆环的内圆和固定套的外部之间，防止C型弹性支撑环偏移。

步骤（2）具体为：操作钻机使钻头朝向煤层钻孔钻进，根据各个C型弹性支撑环中的定位芯片发射的信号，远程监控系统实时监控钻进情况，当钻孔钻进到一预期位置时，对应一个C型弹性支撑环刚好位于该预期位置，停止钻进，控制系统控制对应卡座内部的各个伺服电机反向转动，伺服电机带动齿轮反向转动，齿轮通过和卡紧杆上表面的齿条结构啮合驱动卡紧杆远离塞柱移动，当卡紧杆移动至卡紧杆上的接触块刚好与远离塞柱的支板上的限位开关接触时，卡紧杆靠近塞柱的一端完全从塞柱上的卡槽内部抽出，该限位开关传递信号给控制系统，触发控制系统控制对应的伺服电机停止转动，如此，在C型弹性支撑环的弹性膨胀作用下，C型弹性支撑环两端的塞柱便会从对应卡座的卡孔中弹出，C型弹性支撑环脱离卡座后撑紧该预期位置处的钻孔内壁，支撑该预期位置处的钻孔；然后，继续钻进至下一个预期位置，重复上述操作，将对应的下一个C型弹性支撑环释放并支撑该下一个预期位置处的钻孔，直到所有的C型弹性支撑环全部释放并支撑在钻孔中相应预期位置。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明使用固定套套装固定在钻杆上，并在固定套上固定安装有若干个卡座，对应每个卡座均卡接固定一个套装在固定套外部的C型弹性支撑环，每个卡座内部均设置有两个卡紧机构，两个卡紧机构用于固定和释放***到卡座中的C型弹性支撑环两端的塞柱，每个卡座内部均设有定位芯片，远程监控系统分别与各个定位芯片通过GPRS或无线信号传输连接，控制系统分别通过井下通信电缆与各个卡紧机构的伺服电机和限位开关连接，钻孔前，安装好固定套和各个C型弹性支撑环，C型弹性支撑环和卡座合围成套在固定套外部的封闭圆环，封闭圆环的外径小于钻头的最大外径，如此，在钻孔钻进过程中，固定套随钻杆一起钻进，各个C型弹性支撑环也和固定套一起钻进，远程监控系统能够根据各个定位芯片的信号实时监控钻进情况，在钻孔钻进到每个预期位置时，在预期位置处煤层为构造煤，煤层较软容易塌孔，对应一个C型弹性支撑环刚好位于该预期位置，停止钻进，控制系统控制该预期位置处卡座内的两个卡紧机构，使两个卡紧机构的伺服电机反向转动，各根卡紧杆从该C型弹性支撑环两端的塞柱的卡槽内抽出，释放该C型弹性支撑环，该C型弹性支撑环由于自身的弹性膨胀作用，该C型弹性支撑环两端的塞柱便会从对应卡座的卡孔中弹出，该C型弹性支撑环脱离卡座后撑紧该预期位置处的钻孔内壁，支撑该预期位置处的钻孔，如此，可以有效防止钻孔中塌孔现象，能保证构造煤中钻孔的成功率，同时又能在瓦斯抽放时起到护孔的作用，提高瓦斯抽采时间和抽采效果；C型弹性支撑环上均匀开设有若干个筛孔，主要是用于C型弹性支撑环支撑处的煤层瓦斯抽采。

附图说明

图1是本发明安装在钻杆上时的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的C型弹性支撑环和卡座连接示意图。

图4是本发明的C型弹性支撑环的左视图。

图5是本发明的卡座内部卡紧机构与C型弹性支撑环的塞柱连接结构示意图。

图6是本发明的前后移动组件的结构示意图。

图7是图1中A处局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-7所示，一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具，包括固定套1、若干个C型弹性支撑环2、控制系统3和远程监控系统4，固定套1套装固定在钻杆5的外部，以钻进方向为前向，钻杆5的前端设有钻头6，固定套1的外部下侧沿长度方向固定连接有若干个与各个C型弹性支撑环2一一对应连接的卡座7，各个卡座7位于同一直线上，每个C型弹性支撑环2的缺口两端均设有塞柱8，两个塞柱8左右对称卡接在相应的卡座7内，每个卡座7内部均设有两个分别用于固定和释放两个塞柱8的卡紧机构，两个卡紧机构的结构相同且左右对称，C型弹性支撑环2和卡座7合围成套在固定套1外部的封闭圆环，封闭圆环的外径小于钻头6的最大外径，每个卡座7内部均设有定位芯片9；

控制系统3分别与各个卡紧机构和远程监控系统4通过井下通信电缆10连接，远程监控系统4分别与各个定位芯片9通过GPRS或无线信号传输连接。

固定套1的一端内圆与钻杆5的外部之间螺纹连接，卡座7为中空盒体结构，卡座7的上表面为与固定套1的外圆周相适配的圆柱面，卡座7的前后两侧面上部边缘均设有折边11，折边11的上表面和固定套1的外圆周之间夹设有垫片12，折边11与固定套1通过若干根穿过折边11和垫片12的紧固螺栓13固定连接，卡座7的左侧面和右侧面均开设有左右通透且对应的卡孔，两个塞柱8分别对应穿过两个卡孔***到卡座7内部，每个塞柱8的前后两侧均开设有卡槽14，两个卡槽14前后对应。卡孔在图中未示。

位于卡座7内部左侧的卡紧机构包括两组前后移动组件，两组前后移动组件的结构相同且关于卡孔的中心线前后对称设置，前侧的前后移动组件包括伺服电机15、齿轮16、卡紧杆17和两块支板18，伺服电机15的中心线沿左右方向水平设置，伺服电机15的底部固定连接在卡座7内底部，齿轮16固定套1装在伺服电机15的动力轴上，卡紧杆17沿前后方向水平设置，两块支板18所在平面与卡紧杆17垂直，两块支板18前后并排设置，齿轮16位于两块支板18的中间，两块支板18上均开设有前后通透且对应的导向孔，卡紧杆17穿过两个导向孔并滑动支撑在两块支板18上，卡紧杆17的前端穿过前侧支板18且位于前侧支板18的前侧，卡紧杆17的后端穿过后侧支板18且位于后侧支板18的后侧，卡紧杆17的上表面为齿条结构19，齿轮16的下侧与齿条结构19相啮合，卡紧杆17的后端对应插接到左侧塞柱8的前侧卡槽14中，两块支板18上分别设有一个限位开关20，卡紧杆17上设有与两个限位开关20配合的接触块21，接触块21设置在两块支板18之间，控制系统3分别与伺服电机15和两个限位开关20通过井下通信电缆10信号连接。

封闭圆环的内圆和固定套1的外部之间设有用于防止C型弹性支撑环2前后偏移的扶正环22，各个扶正环22套在固定套1的外部，各个扶正环22的中部周向通过若干根紧固螺栓13固定连接在固定套1的外部。

C型弹性支撑环2上均匀开设有若干个筛孔23。筛孔23的设置有利于C型弹性支撑环2所支撑处的煤层瓦斯抽采。

控制系统3采用可编程自动化控制器，并不涉及新的计算机程序。定位芯片9、伺服电机15、限位开关20、接触块21和扶正环22均是现有成熟技术，均可以在市场上购置，具体构造和工作原理不再赘述。

一种巷道钻构造煤时随钻防塌孔工具的防塌孔方法，包括以下步骤：

（1）、将固定套1安装在对应的钻杆5上，并将各个卡座7、各个C型弹性支撑环2和各个扶正环22对应安装在固定套1上；

（2）、在煤层中钻孔，并在钻孔钻进到每个预期位置时，在预期位置处煤层为构造煤，煤层较软容易塌孔，在该预期位置对应释放一个C型弹性支撑环2，C型弹性支撑环2由于弹性作用膨胀撑紧该预期位置处的钻孔内壁，从而起到支撑钻孔的作用；

（3）、释放完所有的C型弹性支撑环2后，由于在钻进时钻孔的内径要大于钻头6的最大直径，C型弹性支撑环2支撑在钻孔内壁上时，C型弹性支撑环2的内径同样大于钻头6的最大直径，如此将钻头6及钻杆5从钻孔中退出，钻头6不会撞住C型弹性支撑环2，之后再将固定套1从钻杆5上拆卸下来，检查固定套1、卡座7和扶正环22的完好性，重复步骤（1）进行下一次的钻孔支撑。

步骤（1）具体为：将固定套1套装固定在对应的钻杆5上，将各个扶正环22套装在固定套1上，通过若干根紧固螺栓13将各个扶正环22固定在固定套1的对应位置处，再将各个卡座7的折边11通过若干根紧固螺栓13固定安装在固定套1的对应位置处，然后，将各个C型弹性支撑环2分别套在固定套1的外部，使C型弹性支撑环2的两端塞柱8穿过相应卡座7上的卡孔***到卡座7内部，控制系统3控制该卡座7内部的各个伺服电机15转动，伺服电机15带动齿轮16转动，齿轮16通过和卡紧杆17上表面的齿条结构19啮合驱动卡紧杆17朝向塞柱8移动，当卡紧杆17移动至卡紧杆17上的接触块21刚好与靠近塞柱8的支板18上的限位开关20接触时，卡紧杆17靠近塞柱8的一端完全***到塞柱8上的卡槽14内部，该限位开关20传递信号给控制系统3，触发控制系统3控制对应的伺服电机15停止转动，如此，卡座7内的四根卡紧杆17的一端分别***到对应的卡槽14中，将两个塞柱8固定，从将相应的C型弹性支撑环2与相应的卡座7固定连接成封闭圆环，而且，对应的一个扶正环22位于该封闭圆环的内圆和固定套1的外部之间，防止C型弹性支撑环2偏移。

步骤（2）具体为：操作钻机使钻头6朝向煤层钻孔钻进，根据各个C型弹性支撑环2中的定位芯片9发射的信号，远程监控系统4实时监控钻进情况，当钻孔钻进到一预期位置时，对应一个C型弹性支撑环2刚好位于该预期位置，停止钻进，控制系统3控制对应卡座7内部的各个伺服电机15反向转动，伺服电机15带动齿轮16反向转动，齿轮16通过和卡紧杆17上表面的齿条结构19啮合驱动卡紧杆17远离塞柱8移动，当卡紧杆17移动至卡紧杆17上的接触块21刚好与远离塞柱8的支板18上的限位开关20接触时，卡紧杆17靠近塞柱8的一端完全从塞柱8上的卡槽14内部抽出，该限位开关20传递信号给控制系统3，触发控制系统3控制对应的伺服电机15停止转动，如此，在C型弹性支撑环2的弹性膨胀作用下，C型弹性支撑环2两端的塞柱8便会从对应卡座7的卡孔中弹出，C型弹性支撑环2脱离卡座7后撑紧该预期位置处的钻孔内壁，支撑该预期位置处的钻孔；然后，继续钻进至下一个预期位置，重复上述操作，将对应的下一个C型弹性支撑环2释放并支撑该下一个预期位置处的钻孔，直到所有的C型弹性支撑环2全部释放并支撑在钻孔中相应预期位置。

本发明使用固定套1套装固定在钻杆5上，并在固定套1上固定安装有若干个卡座7，对应每个卡座7均卡接固定一个套装在固定套1外部的C型弹性支撑环2，每个卡座7内部均设置有两个卡紧机构，两个卡紧机构用于固定和释放***到卡座7中的C型弹性支撑环2两端的塞柱8，每个卡座7内部均设有定位芯片9，远程监控系统4分别与各个定位芯片9通过GPRS或无线信号传输连接，控制系统3分别通过井下通信电缆10与各个卡紧机构的伺服电机15和限位开关20连接，钻孔前，安装好固定套1和各个C型弹性支撑环2，C型弹性支撑环2和卡座7合围成套在固定套1外部的封闭圆环，封闭圆环的外径小于钻头6的最大外径，如此，在钻孔钻进过程中，固定套1随钻杆5一起钻进，各个C型弹性支撑环2也和固定套1一起钻进，远程监控系统4能够根据各个定位芯片9的信号实时监控钻进情况，在钻孔钻进到每个预期位置时，在预期位置处煤层为构造煤，煤层较软容易塌孔，对应一个C型弹性支撑环2刚好位于该预期位置，停止钻进，控制系统3控制该预期位置处卡座7内的两个卡紧机构，使两个卡紧机构的伺服电机15反向转动，各根卡紧杆17从该C型弹性支撑环2两端的塞柱8的卡槽14内抽出，释放该C型弹性支撑环2，该C型弹性支撑环2由于自身的弹性膨胀作用，该C型弹性支撑环2两端的塞柱8便会从对应卡座7的卡孔中弹出，该C型弹性支撑环2脱离卡座7后撑紧该预期位置处的钻孔内壁，支撑该预期位置处的钻孔，如此，可以有效防止钻孔中塌孔现象，能保证构造煤中钻孔的成功率，同时又能在瓦斯抽放时起到护孔的作用，提高瓦斯抽采时间和抽采效果；C型弹性支撑环2上均匀开设有若干个筛孔23，主要是用于C型弹性支撑环2支撑处的煤层瓦斯抽采。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。