具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：封孔管1、第一胶垫2、粉尘分离器3、第二胶垫4、螺栓5、垫圈6、螺母7、导向器8、钻杆9、水辫10、喷雾器11、筒式除尘器12、排气法兰13、储气罐14、空压机15、供水管16、胶管总成17、抽放管路18、排渣管路19、煤壁20。

实施例基本如附图1所示：碎软煤层大倾角长钻孔施工工艺，包括以下步骤：

步骤(一)，准备钻进设备，钻进设备包括钻机、钻杆9、钻头、封孔管1、空压机15、储气罐14和孔口出渣机构，孔口出渣机构包括粉尘分离器3、喷雾器11和筒式除尘器12；

步骤(二)，钻进，钻机驱动钻杆9和钻头转动而进行钻孔；

步骤(三)，排渣，钻孔过程中，空压机15工作产生的压缩空气通过储气罐14后送入喷雾器11，从喷雾器11上部另外接入供水管16路，进入喷雾器11的水被压缩空气雾化后经过钻杆9进入孔底，携带煤渣的空气通过孔壁与钻杆9间的环空到达孔口，携带煤渣的空气中粒径大的颗粒在孔口处直接掉落，而细小的粉尘通过筒式除尘器12吸附除尘。

本实施例中储气罐14为卧式储气罐14，空压机15与储器管连通，储气罐14与喷雾器11连通，喷雾器11与钻杆9之间连接有水辫10，且喷雾器11与水辫10之间连通有胶管总成17。

煤壁20上插入封孔管1，封孔管1上设有第一胶垫2和第二胶垫4，封孔管1上连通有粉尘分离器3，且粉尘分离器3位于第一胶垫2和第二胶垫4之间，封孔管1上还连接有导向器8，导向器8通过螺栓5和螺母7连接，且导向器8与封孔管1之间设有垫圈6，垫圈6能够起到密封的作用。

粉尘分离器3上与筒式除尘器12连通，筒式除尘器12的右端连通有排渣管路19，筒式除尘器12的上侧连通有接煤矿瓦斯的抽放管路18，抽放管路18通过排气法兰13进行组焊固定，本实施例中筒式除尘器12与喷雾器11上均连通有供水管16。

如图2和图3所示，本实施例中钻杆为三棱螺旋钻杆9，三棱螺旋钻杆9具有三个棱面，且三棱螺旋钻杆9上开设有螺旋凹槽，结合图3所示钻杆9端面设计为近似三角形，具有良好的护孔功能和钻屑扰动能力，不仅有利于增强井壁稳定性，还可以提高钻屑的运动能力。利用三棱螺旋钻杆9搅动孔内沉淀煤屑和辅助排渣的特性，将钻渣机械和压风排出，有效防止排渣效果不好或孔内卡钻，导致的成孔性差的问题。三棱螺旋结构既提高了钻杆9的排渣效率，又可在钻遇破碎煤层时通过旋转钻杆9、反复洗孔等方式有效解决由于垮孔、塌孔造成的卡钻、埋钻事故，可有效提高破碎煤层定向钻进深度。

根据气力输送原理，钻孔内的钻屑能否被压风吹出，首先取决于钻孔内的风速，其次是钻孔倾角、钻屑的粒径和固气混合比(钻孔在单位时间的产渣量与压风流量的比值)等。钻孔的倾角是根据煤层赋存条件和抽放的要求设计的；钻屑的粒径则主要与煤层的破坏程度、是否垮孔和喷孔、钻头形式、钻头钻进和旋转的速度等有关；固气混合比则主要与钻孔在单位时间内的产渣量和压风流量有关；钻孔内的风速与供风的压力、钻杆内孔及钻孔的阻力系数等有关。风速越大，排渣能力越强；固气混合比、钻屑的粒径越小则排渣越容易；下向钻孔排渣比上向钻孔困难。在地质、设备、钻孔直径、钻孔倾角、进钻速度等因素相对不变时，供风参数成为风力排渣能力的主要影响因素。

一、钻进工艺参数

1)最小风速

钻孔产生的钻屑颗粒的沉降速度式中u_t-钻屑颗粒的沉降速度，单位m/s，g-重力加速度，单位m/s²；ρs-钻屑的密度，单位kg/m³；ρa-空气的密度，单位kg/m³；ds-钻屑的平均粒径，单位m；

排出钻屑颗粒的最小风流速度为：式中u_a-排出钻屑颗粒的最小风流速度，单位m/s；ζ-钻屑与孔壁间的磨擦系数，取l；θ-钻孔倾角，上向钻孔时θ取“-”，下向钻孔时θ取“+”。

由于粒子在流体介质中由静止状态开始自由下落时，当加速到一定速度后即变为等速沉降，此时的速度即称为粒子的沉降速度，且这一沉降速度的大小与粒子的物料性质和粒径有关。显然，对于单个的钻屑颗粒，风速必须大于其沉降速度才能被吹出。

同时，根据气力输送原理，实际打钻时还要保证排渣量与产渣量的平衡，即满足不堵塞的条件。对于一定粒径的钻屑颗粒，使其排出钻孔外的风速首先应满足最小沉降速度，同时还要克服颗粒与孔壁之间的摩擦以及因钻孔倾斜所形成的位能。一般来讲，钻屑属于粗粒子，其等速沉降时流体介质(如空气)相对于粒子的风流的雷诺数Re>500，在此工况下钻屑颗粒的沉降速度适用于牛顿阻力定律。

上述u_a只表示颗粒能在孔壁滑动时的气流速度，它是一个临界值。实际施工的钻孔内连续不断地产生大量的颗粒，其间的相互阻碍作用有可能导致阻塞。为保证钻孔内的钻屑不产生阻塞，其风流速度还应满足以下条件：

式中ub-满足钻孔内的钻屑不阻塞条件下的最小风速，单位m/s；Ws-产渣量，kg/s。

因此，保证正常排渣的风速u应取u_a、u_b的最大值，即u＝max{u_a,u_b}才能满足排渣的基本要求。

2)供风流量参数

针对井下空气钻进工艺参数，重点研究了供风流量和供风压力。供风流量以使钻孔内煤粉处于“悬浮”状态为准，结合水平孔内煤粉的运移特点，供风流量可按下式计算：Q≤60VK(λD²-d²)π/4，式中，Q为供风流量，单位为m³/min；D为孔径，单位为m；d为钻杆直径，单位为m；V为上返风速，单位为m/s；K为系数，取值为1-1.5；λ为钻孔扩径系数，取值为1～1.1之间。其中钻孔扩径系数使结果更加趋于准确，具体取值根据所施工煤层的坚固性系数f的值来确定：0.2≤f≤0.5时，λ取1.05～1.1；0.5≤f≤0.8时，λ取1～1.05；0.8≤f时，λ取1。

3)供风压力

空气钻进排渣需要一定的风速，为使风流达到这个风速就要克服风流的各种阻力损失。压缩空气自孔底携带钻屑至孔口的过程可以近似的等同于管内气力输送，根据管内气固两相流理论，气流和钻屑所消耗的各种能量，都是由气流的压力能量来补偿。空气钻进中的压力损失主要包括加速压损、摩擦压损、钻屑悬浮提升压损和局部压力损失。空气钻进供风压力以克服循环过程中各种流动阻力为准应大于各压力损失之和，计算公式如下：△P＝△P_a+△P_sac+△P_s+△P_t+△P_z，供风压力大于△P，式中△P-压风的阻力损失；△P_a-输送纯空气气流从孔底到孔口的阻力损失；△P_sac-使钻屑从孔底加速到一定速度而附加的阻力损失；△P_s-使煤渣以一定的速度输送而附加的阻力损失；△P_t-钻头处的压风阻力损失；△P_z-空气在钻杆内流动产生的阻力损失，△P、△P_a、△P_sac、△P_s、△P_t和△P_z的单位均为Pa。

二、配套设备

φ73螺旋钻杆400根，φ94三翼内凹钻头5个，φ133扩孔钻头1个，φ127封孔管5根，孔口出渣机构1套。其它设备如表1-1、表1-2、表1-3所示：

表1-1LDZYW-3200全液压坑道钻机技术参数

表1-2MLGF13/7-75G空压机技术参数

表1-3C-1.0/1.3储气罐技术参数

三、大倾角下向长钻孔工艺参数

1)钻压

碎软煤层钻进以钻进深度、及孔内情况确定钻压值，一般取2～6Mpa；钻进节理发育煤岩石和产状陡立、松散破碎、软硬互层、强研磨性等地层及钻孔弯曲、超径的情况下，应适当减压；经初磨的新钻头，采用正常钻压可获得高钻速。钻进中随着钻头磨钝，钻速下降，应逐渐平稳增大钻压。

2)转速

线速度以90～160r/min为宜，针对不同口径和煤岩层硬度以及产状的差异，选用不同转速；钻进坚硬弱研磨性地层、裂隙破碎地层、软硬互层及产状陡立易斜地层时，应适当降低转速；在软岩层中钻进，亦应限制转速；钻孔结构和钻具级配要合理，钻杆与孔壁间隙小，适于采用高转速；钻孔结构复杂、换径多、环状间隙大时，钻具回转的稳定性差，不宜开高转速。

3)风量

根据前文所述，保证正常排渣的风速u应取排出钻屑颗粒的最小风流速度u_a和保证钻孔内的钻屑不产生阻塞u_b的最大值，即u＝max{ua,ub}才能满足排渣的基本要求。由于钻孔倾角对排渣最小风流速度的影响较小，且角度越小对最小风流速度的要求更大，为了与工业性试验相结合，本次计算取下向钻孔倾角30°和35°分别计算，如表2-1和表2-2所示。

表2-1钻孔(倾角30°)排渣速度计算表

表2-2钻孔(倾角35°)排渣计算表

钻孔倾角为30°和35°时，钻进速度取1.2m/min计算，空气密度取2kg/m³、钻屑的平均粒径为0.002m时排渣速度为最大，为13.1m/s，此时排渣风量为4.3m³/min；空气密度取6kg/m³、钻屑的平均粒径为0.008m时排渣速度为最小，为10.5m/s，此时排渣风量为3.5m³/min。

4)风压

根据前文所述的理论分析，并结合大倾角下向长钻孔钻进的工艺参数，在实际钻进过程中，理论计算与实际钻进参数存在偏差，一般情况下实际钻进需要的风压，略高于理论计算结果。通过参考相关文献及实际钻进数据分析，在该钻孔保持排渣正常或良好状态所需要的供风压力与钻孔深度的关系为：

式中：L-钻孔深度，单位为m；P-正常排渣需要的最小供风压力，单位为MPa。

通过初步计算得出不同孔深段的所需的风压为0～50m为0.44MPa、50～100m为0.53MPa、100～150m为0.61MPa、150～200m为0.67MPa，目前已指导大倾角下向长钻孔工艺试验与施工。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。