穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采钻进技术领域，具体涉及突出煤层穿层钻孔的钻进、割缝及冲孔技术领域，本发明针对突出煤层穿层钻孔在割缝、冲孔、退钻等作业过程中的喷孔瓦斯超限问题，提出穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法，一方面有助于防范穿层钻孔喷孔瓦斯超限事故，另一方面为退钻前下放护孔筛管提供支持。

背景技术

在突出煤层的底板岩巷内施工穿层钻孔，对突出煤层的待掘区域或待开采区域实施瓦斯抽采，实现消突和抽采达标，这是突出煤层瓦斯抽采与治理的主要措施。为了充分发挥穿层钻孔的抽采消突功效，普遍在穿层钻孔的煤孔段实施“割缝”或“冲孔”的水力化增透作业。现有技术现状是：所采用的钻杆普遍为刻槽钻杆、肋骨钻杆、三棱刻槽钻杆或三棱钻杆等，其中前三种钻杆的专利原始申请人为本申请人，即河南理工大学，专利号分别ZL200610111830.7，ZL200920088879.4， ZL200910064973.0，在这些钻杆与钻头之间，安装带有高压水射流喷嘴的高低压转换装置，钻杆的内孔为供流通道，对煤孔段钻孔实施割缝或冲孔，也有学者称之为水力割缝、水力造穴、水力掏槽、水力掏煤等。由于所用钻杆为单管结构，设置高低压转换装置之后，均失去了退钻时下放护孔筛管的功能。对于极松软煤层还可以不用高低压转换装置，直接在钻头部安装用于冲孔的水射流喷嘴，钻头一旦进入煤层就开始冲孔和钻进同步或间隔进行，同样由于所用钻杆均为单管结构，钻头部安装水射流喷嘴之后，也失去了退钻时下放护孔筛管的功能。

穿层钻孔割缝或冲孔时，采用高压水作为钻头降温、射流动力和排渣动力，排渣通道位于钻杆外壁与钻孔内壁之间，称之为外排渣通道。突出煤层穿层钻孔在煤孔段实施割缝或冲孔的力化增透的过程中会有产生大量的水煤渣和瓦斯气体，煤孔段常会发生孔内煤与瓦斯突出、煤炮等动力现象，煤渣的产出量极不均匀，煤渣的粒径也不均匀，煤渣本身并不具备流动性，需要利用水流作用和钻杆旋搅碎渣作用，使这些煤渣转变为可以流动的固液相水煤渣流体，从钻孔的外排渣通道排出孔外。由于煤孔段割缝或冲孔产出的煤渣量具有突发性和不均衡性，煤渣依靠自重作用和水流作用涌向空间狭小的岩孔段外排渣通道，水流作用和钻杆旋搅作用不能及时将这些煤渣转变为可流动的固液相水煤渣体，时常导致岩孔段外排渣通道的非通透性阻塞，即排渣通道截面之内水煤渣占据截面的100%，水煤渣下泄而瓦斯气体滞留在割缝或冲孔形成松散煤体内和洞穴内，瓦斯不断解吸会导致煤孔段松散煤体内和洞穴内的瓦斯气体压力远大于孔外的大气压，在水流作用和钻杆旋搅作用下，一旦岩孔段非通透性阻塞的外排渣通道被疏通，高压瓦斯气体和水煤渣将从孔口大量喷出，甚至形成持续性、长时间的喷孔，这种喷孔经常导致巷道瓦斯超限，穿层钻孔喷孔瓦斯超限事故，占突出矿井瓦斯超限事故总数的30%～80%，已成为突出矿井的重要安全隐患。

现行突出煤层穿层钻孔打钻时，普遍在孔口安装有防喷孔装置，防喷孔装置一般由收集箱、抽气管和水煤渣排泄管组成，防止喷孔产生的瓦斯向巷道空间扩散，喷孔严重时，防喷孔装置将会失效，导致钻进作业场所的巷道瓦斯浓度超限。有关瓦斯抽采钻孔防喷孔技术已申报了很多项专利，针对具体的井下环境，因地制宜的设计了多种孔口防喷装置。例如，仅在2021年申报的有关防喷孔专利就有：防喷孔装置及系统（CN202120284095X）；一种瓦斯治理防尘防喷孔装置（CN202120183981.3）；一种煤矿用打钻防喷孔除尘装置（CN202120116187.7）；一种半开放式防喷孔组件及瓦斯控制收集排放装置（CN202120080173.4）；瓦斯抽采系统自动防喷孔装置（CN202120006760.9）；一种煤矿井下水力冲孔防喷孔及煤量计量装置（CN202121828212.0）；一种瓦斯治理防喷孔装置（CN202121728316.4）；一种瓦斯治理防喷孔装置（CN202121249379.1）；一种便于安装的瓦斯治理防喷孔装置（CN202120004386.9）。这些防喷孔技术专利的基本出发点类同，即在孔外对钻孔喷出的水煤渣和瓦斯气体进行收集和分离，瓦斯气体进入抽气管，水煤渣进入水煤渣排泄管或进一步进入水煤渣气分离箱，尽可能不让瓦斯气体涌入巷道空间，若遇到瓦斯异常带、孔内煤与瓦斯突出等，喷孔严重时这些防喷装置会因为收集箱容积不够而开裂、抽气管抽采速度不足而脱节或崩裂、缓冲气囊容积不足而爆裂等等，仍然会导致喷孔瓦斯超限事故。从严格的因果关系而言，现行的防喷孔装置并不能防止喷孔现象的发生，而是用来防范喷孔发生期间的瓦斯超限事故。

突出煤层穿层钻孔割缝或冲孔的大量工程实践说明，现行被动的防喷孔方法并不能从根本上解决喷孔瓦斯超限难题，要想解决喷孔瓦斯超限难题应从源头上消除诱发喷孔的气体动力源。喷孔的气体动力源位于煤孔段割缝或冲孔形成的松动煤体内和割缝冲孔形成的洞穴内，松动煤体和洞穴内含有大量游离态瓦斯，为了后续描述的方便，简称“松洞瓦斯包”，其内部同时存在固体（煤渣）、液体（水）和气体（瓦斯），瓦斯气体在高位，水煤渣在下位，瓦斯气体是发生喷孔的气体动力源。割缝或冲孔使煤体得到大范围卸压，煤体会连续不断地解吸出大量瓦斯气体，发生孔内煤与瓦斯突出时，则会突然产生大量煤渣和瓦斯气体，“松洞瓦斯包”的范围会扩大，其内部的瓦斯量和瓦斯压力会升高，为喷孔的发生积聚了大量的气体能量。在穿层钻孔的倾斜环形外排渣通道内，固、液、气三相离析介质不能混合均匀、不能同步运移，固体和液体可以利用自重向岩孔段外排渣通道运移，气体可以利用压力差从外排渣通道的空隙排泄，只有当固体液体的体积之和不能100%充满外排渣通道时，气体才有机会利用气压差向下排泄。现场的实际情况是：外排渣通道不间断地被水煤渣充满，瓦斯气体不能及时向下排泄，“松洞瓦斯包”内的气体压力不断升高，由此为喷孔的发生积聚了瓦斯动力源。基上述背景技术分析，针对隐含喷孔动力源的“松洞瓦斯包”，本申请人提出水煤渣与瓦斯分道排泄的构思，即通过钻具的设计，使水煤渣走钻具外表与钻孔壁之间的外排渣通道，使“松洞瓦斯包”内瓦斯气体走钻具中心的瓦斯抽采通道，设计出具有钻进功能、割缝冲孔功能、随钻瓦斯抽采功能和退钻下放护孔筛管功能的抽采式钻具，利用抽采式钻具实施随钻瓦斯抽采，从源头上消除诱发喷孔的瓦斯动力源。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供穿层钻孔抽采式钻具及配套的防喷孔随钻瓦斯抽采方法，利用抽采式钻具实施随钻瓦斯抽采，解决穿层钻孔在水射流割缝或冲孔过程的喷孔现象和喷孔瓦斯超限事故，提高穿层钻孔水力化增透作业的安全性，同时利用钻具的瓦斯抽采通道作为退钻时下放护孔筛管的通道。

为达到上述目的所采取的技术方案是：

穿层钻孔抽采式钻具包括依次连接的抽采式水辫、多根抽采式钻杆、抽采式高低压转换阀、筛孔进气装置和开闭式钻头；在孔口位置设有与抽采式钻杆配套安装的控喷式引流箱。在穿层钻孔抽采式钻具内腔的中心部位构建瓦斯抽采通道，在穿层钻孔抽采式钻具的抽采式钻杆的外管和内管之间构建钻具的供流通道，“松洞瓦斯包”内的瓦斯走瓦斯抽采通道，“松洞瓦斯包”内的水煤渣走外排渣通道，通过随钻瓦斯抽采“松洞瓦斯包”内的瓦斯气体，及时消除诱发喷孔的瓦斯动力源，并利用瓦斯抽采通道作为退钻时下放护孔筛管的通道。

进一步，所述抽采式钻杆包括插装配合的外管和内管，所述外管沿长度方向采用局部热挤的方式在外管内孔凸出形成两组局部弧面凸起，所述局部弧面凸起与内管的外圆配合，并支撑安装内管使外管和内管保持同轴，每组局部弧面凸起的数量为沿外管内孔圆周均布的两个或三个，所述外管的外表形状为螺旋槽状或螺旋筋状或三棱状或四棱状或三棱刻槽状或四棱刻槽状，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。

进一步，所述抽采式钻杆包括外管、内管和钎焊在外管内壁的两组弧面支撑块，所述抽采式钻杆包括外管、内管和焊接在外管内壁的两组弧面支撑块，每组支撑块沿外管内孔圆周均布有两个或三个，支撑块上设置有与内管焊接的支撑块焊接孔，外管上设置有与支撑块焊接的外管焊接孔，支撑块的外圆弧面半径等于外管内孔的半径，支撑块的内圆弧面半径等于内管外圆的半径；所述外管的外表形状为螺旋槽状或螺旋筋状或三棱状或四棱状或三棱刻槽状或四棱刻槽状，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。

进一步，所述抽采式钻杆包括外管和内管，所述外管为异形外管，所述异形外管的外表设置有轴向凹槽，所述异形外管的内孔设置有与轴向凹槽对应的轴向弧面凸起，所述异形外管内孔的轴向弧面凸起与内管的外圆配合安装，并支撑内管使外管和内管保持同轴，轴向凹槽和轴向弧面凸起的条数圆周均布为两条或三条，所述外管的外表设置螺旋槽或螺旋筋，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。

进一步，所述抽采式钻杆包括插装配合的外管和内管，所述外管为通过约束状态下的热扭方法形成的热扭异形外管，所述热扭异形外管的外表形成大螺旋凹槽，所述热扭异形外管的内孔形成与大螺旋凹槽对应的大螺距弧面凸起，热扭异形外管内孔的大螺距弧面凸起与内管的外圆配合安装，并支撑内管使外管和内管保持同轴，大螺旋凹槽和大螺距弧面凸起的条数为两条或三条；所述外管与内管之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道，所述内管中心孔为瓦斯抽采通道，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。

进一步，抽采式钻杆还可以由外管、内管和支撑件组成，支撑件安装在外管和内管之间，支撑件使外管和内管保持同轴。外管的外表形状可为螺旋凹槽状、螺旋凸筋状、三棱状或三棱刻槽状，凹槽条数或凸筋条数设置为两条或两条以上；凹槽可为矩形凹槽、梯形凹槽、弧面凹槽、来福线形凹槽；凸筋可为焊接而成的凸筋、车加工出的凸筋、耐磨熔覆出的凸筋，凸筋面可为平面凸筋、弧面凸筋，凸筋的形状不受限制，凸筋的宽度等于或大于凸筋的高度。外管外表设置的凹槽、凸筋、弧棱等，其作用是增加外管的碎渣功能、搅拌功能和输送功能。在松软地层钻进、煤层瓦斯含量定点取样、石油钻探等领域所采用的双壁钻杆种类很多，类似双壁钻杆与本发明包含的抽采式高低压转换阀、筛孔进气装置等配套使用时，也在本发明保护范畴。

进一步，所述外管的端部通过挤压成型的方法或摩擦焊接接头的方法转变为厚壁圆形外管，在厚壁圆形外管两端设置公扣和母扣，相邻外管之间采用带密封的丝扣连接，相邻内管之间采用搭接密封或插接密封连接。

进一步，所述抽采式高低压转换阀包括阀外管、阀内管和高低压转换组件，所述阀外管和阀内管同轴配合安装，所述高低压转换组件安装在阀外管和阀内管之间形成的供流通道内；

所述阀内管的中心孔为瓦斯抽采通道；所述阀外管的两端分别设置有公扣和母扣，所述阀外管的母扣与抽采式钻杆的公扣连接，所述阀外管的公扣与筛孔进气装置的母扣连接，所述阀内管一端与抽采式钻杆的内管密封衔接，所述阀内管另一端与筛孔进气装置的凸筋形内管密封衔接，所述阀内管一端设置有密封件。

进一步，所述阀外管的外表上设置有两至四条两端渐变为斜面的轴向凸筋或螺旋凸筋，在斜面的侧面上设置切割刀片；所述阀外管的两条轴向凸筋或两条螺旋凸筋上设置径向水射流喷嘴或斜向水射流喷嘴；所述阀外管的轴向凸筋或螺旋凸筋上设置间断性螺旋凹槽，间断性螺旋凹槽使具阀外管具有碎渣、搅拌和输送功能。

进一步，抽采式高低压转化阀的射流喷嘴可以更换，采用小通径的喷嘴时可实现对中硬煤的水力割缝，采用大通径的喷嘴时可实现对松软煤层的水力冲孔。也可以在阀体的凸筋上设置两组喷嘴，一组为两个径向割缝喷嘴，一组为两个径向或斜向冲孔喷嘴，将上述三工位高低压转换组件设计成四工位高低压转化组件，即闭锁工位、低压打钻工位、中压冲孔工位和高压割缝工位，也在本发明保护范围，但受阀外管外部的孔内介质压力的影响，会导致冲孔工位与割缝工位切换准确性降低，弹簧的选择难度增加，可靠性降低。若将抽采式高低压转化阀设计成四个工位，也在本发明保护范畴。

进一步，所述高低压转换组件包括滑动阀芯、弹簧、前支撑、后支撑和固定销；所述前支撑和后支撑之间安装滑动阀芯，所述滑动阀芯和阀内管之间套装有弹簧，所述前支撑和后支撑均通过固定销与阀外管连接；工作时，弹簧两端与滑动阀芯和后支撑接触配合。

进一步，所述滑动阀芯有三种工作位置：一是停钻闭锁工位，在装卸钻杆等停钻时，防止孔内水煤渣反流至抽采式钻杆的供流通道；二是低压钻进工位，低压流体全部向开闭式钻头供给；三是水射流割缝或冲孔工位，高压流体向射流喷嘴供给，少量流体通过渗漏方式或微孔泄漏的方式供给开闭式钻头，用以钻头的降温。高压状态下向开闭式钻头供给少量水流的方式多种多样，一般工程师可根据需要在滑动阀芯和支撑处稍许改动即可，也在本发明保护范畴。

进一步，所述筛孔进气装置包括凸筋形外管、凸筋形内管和进气筛孔板，所述凸筋形外管和凸筋形内管同轴配合安装，优选的，所述凸筋形内管嵌入凸筋形外管，采用浸渍密封和固定销相结合的方法使凸筋形内管和凸筋形外管组成一体，凸筋形外管与凸筋形内管之间的空间为供流通道，所述凸筋形内管的内孔为瓦斯抽采通道；所述凸筋形外管的两端分别设置有公扣和母扣，所述凸筋形内管的一端安装有密封件；

所述凸筋形外管和凸筋形内管的凸筋设置为轴向凸筋或螺旋凸筋，所述凸筋形外管和凸筋形内管的凸筋条数为两条或三条或四条；所述凸筋形外管的凸筋上和凸筋形内管的凸筋上设置有贯穿内外凸筋的径向进气通孔，所述进气筛孔板焊接在凸筋形外管的凸筋上并覆盖径向进气通孔。

进一步，所述进气筛孔板上设有倒锥形的筛孔，所述筛孔的进气口直径是径向进气通孔的直径的二分之一到五分之一，所有筛孔的进气口面积之和大于凸筋形内管的内孔截面积。

进一步，取消凸筋形外管上的凸筋，或者将凸筋形外管改变为凹槽形外管，将径向通孔布置在凹槽形外管的凹槽内，这种改变不仅会进一步增加瓦斯抽采通道内的煤渣量，还会增加瓦斯抽采通道内的进水量，进气功能削弱，但仍有进气功能，这种改变也在本发明保护范畴。

进一步，所述开闭式钻头包括钻头本体、短节内管和开启盖；所述钻头本体内同轴安装有短节内管；所述钻头本体一端设置有与凸筋形外管配合的母扣；所述钻头本体另一端的外沿安装有端齿，所述钻头本体另一端的中心安装有覆盖短节内管的开启盖；所述开启盖上设置有两副销孔，一副销孔内安装高强度销轴，另一副销孔内安装低强度剪切销。实际实施的过程中，开启盖的开启方式有多种，一般机械工程师可根据带短节内管的开闭式钻头的双道结构及几何空间进行选择性设计，例如剪断销式开启盖、自锁斜碶式开启盖和铰接合页式开启盖等，这些改变若与本发明的部件配套使用，也在本发明的保护范畴。

进一步，所述抽采式水辫包括空心水辫外体、抽采管、压力表、抽采开关和供流口，所述空心水辫外体内腔中空并安装有空心水辫内管，所述空心水辫内管的内孔为瓦斯抽采通道，所述空心水辫外体一端与抽采式钻杆的外管通过丝扣连接，所述空心水辫外体的另一端安装有连接空心水辫内管的抽采管，所述空心水辫内管的另一端与抽采式钻杆的内管通过丝扣连接，所述抽采管上安装压力表和抽采开关，压力表显示随钻瓦斯抽采期间钻具内腔的瓦斯压力和“松洞瓦斯包”内的瓦斯压力。也可以通过关闭开关了解“松洞瓦斯包”内的瓦斯压力，根据钻具内腔的瓦斯压力和“松洞瓦斯包”内的瓦斯压力，调整割缝或冲孔作业方法，采取必要的辅助控喷措施。

进一步，穿层钻孔抽采式钻具其它组合方式说明：筛孔进气装置可以与开闭式钻头设计加工成一体，抽采式高低压转换阀可以与筛孔进气装置加工为一体，同样可实现抽采式钻具的防喷孔功能和提钻前下放护孔筛管的功能，也在本发明保护范畴。

进一步，实现穿层钻孔抽采式钻具的防喷孔功能，需要在孔口配合使用控喷式引流箱，所述控喷式引流箱包括封孔器、引流箱、气体引流管、水煤渣引流管、防尘毛刷和安装在引流箱之内的控喷插板；安装时，通过封孔器将控喷式引流箱安装在孔口；

所述引流箱一端设有封孔器，所述引流箱另一端内部设有防尘毛刷，所述引流箱上部开设有气体引流管，所述引流箱下部开设有水煤渣引流管；引流箱内位于封孔器一端处安装有对称的两块控喷插板，通过移动插板的位置来控制引流箱内的进渣通道的截面积，当煤孔段发生煤与瓦斯突出时，实施强制性防喷和控喷。工作时，人为移动插板的位置，缩小引流箱内排渣通道的截面积。控喷插板上设置有多个圆孔，圆孔的直径与引流箱内的排渣通道的环隙宽度相当。

进一步，当钻孔倾角较小时，筛孔进气装置容易被水煤渣淹没而影响径向进气功能，所述抽采式高低压转换阀与筛孔进气装置之间可加装抽采式钻杆，增加筛孔进气装置与抽采式高低压转换阀之间的高度差，避免筛孔进气装置被水淹没而削弱进气功能。

进一步，当针对难以成孔的极松软突出煤层进行钻进时，拆除抽采式高低压转换阀，而在开闭式钻头部安装2～4个斜向冲孔用水射流喷嘴，水射流喷嘴的出口方向与钻进方向成45度左右的夹角，在煤孔段实施钻进和冲孔同步进行。虽然这种随钻瓦斯抽采方法会导致瓦斯抽采通道有少量水，但钻冲速度较慢时，筛孔进气装置会在冲孔洞穴中处于悬空状态，可通过冲孔进度来控制瓦斯抽采通道内的进水量。

进一步，当针对易于成孔的中硬突出煤层进行钻进时，拆除筛孔进气装置，煤孔段钻进期间不实施割缝或冲孔及随钻瓦斯抽采，煤孔段实施常规钻进，钻头进入煤层顶板后，开始下放护孔筛管，退钻期间实施割缝或冲孔及随钻瓦斯抽采，利用护孔筛管实施退钻割缝或冲孔期间的随钻瓦斯抽采。这种简化处理的方法适应于突出煤层的非突出区域的中硬煤层，若在退钻割缝或冲孔的过程中发生孔内煤与瓦斯突出，会出现护孔筛管被损毁的情况，护孔筛管损毁之后，将难以实施随钻瓦斯抽采。

进一步，采用穿层钻孔抽采式钻具的防喷孔随钻瓦斯抽采方法，可采用前进式割缝及冲孔的随钻瓦斯抽采方法，也可以采用后退式割缝及冲孔的随钻瓦斯抽采方法，这里以前进式割缝及冲孔的随钻瓦斯抽采方法为例，对防控喷随钻瓦斯抽采方法加以说明。当前进式割缝及冲孔时，包括如下步骤：

第一步，准备工作

开孔处扩孔，在孔口安装控喷式引流箱，去除抽采式水辫上的抽采管，抽采管通过可伸缩软管与现行的排渣放水器连接，排渣放水器与抽采管网连接。

因为岩孔段钻进期间没有瓦斯产生，不需要随钻瓦斯抽采，去除抽采式水辫尾部的抽采管（含压力表）可降低工人装卸水辫的劳动强度。也可以设计岩孔段专用轻型抽采式水辫，因为岩孔段不要高压水，抽采式水辫可以加工的更加轻便一些。

第二步，岩孔段钻进

岩孔段钻进不实施随钻瓦斯抽采，同现行钻进类似，向抽采式水辫供给3MPa左右的静压水，实施岩孔段钻进。300m深的矿井，静压水的压力在3Mpa左右，通过流量控制实际使用压力，采用静压水可以节省泵站的动力消耗。

第三步，割缝冲孔前的准备工作

钻孔一旦进入煤层，首先将抽采管安装在抽采式水辫的尾部，开启割缝冲孔所用的高压泵站，连接控喷式引流箱的相关管路。

第四步，防喷孔随钻瓦斯抽采

前进式割缝冲孔工艺与现行前进式割缝冲孔工艺类同，穿层钻孔抽采式钻具充当随钻旋转移动的“抽采管”，其中筛孔进气装置充当随钻旋转移动的“筛孔管”，对割缝冲孔形成的“松洞瓦斯包”内的瓦斯实施随钻瓦斯抽采，随钻瓦斯抽采期间，钻进工人观察抽采式水辫上的压力表，压力表显示随钻瓦斯抽采期间钻具内腔的瓦斯压力，前进式割缝冲孔随钻瓦斯抽采期间会出现三种情况：

情况Ⅰ：正常情况，穿层钻孔抽采式钻具内腔的瓦斯压力处于负压情况下，进行正常的水射流割缝或冲孔作业和钻杆加装，对“松洞瓦斯包”的瓦斯实施随钻瓦斯抽采。正常情况的其它外在表现为：控喷式引流箱的排渣情况正常，水煤渣排出正常，有少量瓦斯气体排出，若发现控喷式引流箱有空气进入钻孔时，说明抽采过渡，可适当关闭抽采式水辫上的开关。

情况Ⅱ：异常情况，穿层钻孔抽采式钻具内腔的瓦斯压力处于正压或压力较高的情况时，降低穿层钻孔抽采式钻具的供流流量、降低穿层钻孔抽采式钻具的旋转速度、停止穿层钻孔抽采式钻具的前后移动、暂停钻杆的安装，当穿层钻孔抽采式钻具内腔的瓦斯压力下降至负压或常压之后，再实施正常的割缝或冲孔作业和钻杆加装，对“松洞瓦斯包”的瓦斯实施随钻瓦斯抽采；异常情况的其它外在变现为：控喷式引流箱的有间断性冲击声，存在钻孔出现间断性堵塞，水煤渣排出异常。

情况Ⅲ：孔内煤与瓦斯突出，发生孔内煤与瓦斯突出等动力现象时，穿层钻孔抽采式钻具内腔的瓦斯压力会急剧升高为正压，这种情况下采取的控喷操作是：1、降低穿层钻孔抽采式钻具的供流流量、降低穿层钻孔抽采式钻具的旋转速度、严禁穿层钻孔抽采式钻具的前后移动；2、适当控制抽采式水辫的抽采管的开关的开启度，防止可伸缩软管及排渣放水器被冲毁而导致瓦斯超限；3、移动控喷式引流箱内控喷插板的位置，防止孔口喷孔导致瓦斯超限。采取以上措施，当穿层钻孔抽采式钻具内腔的瓦斯压力降低至负压或常压后，再恢复实施正常的割缝或冲孔操作和钻杆加装，对“松洞瓦斯包”的瓦斯实施随钻瓦斯抽采；

第五步，退钻前下放护孔筛管

当割缝冲孔作业前进至煤层顶板或钻头进入煤层顶板时，去除抽采式水辫尾部的抽采管及压力表，实施退钻前下放护孔筛管，将带倒刺的护孔筛管经抽采式水辫的内孔、抽采式钻杆内管、阀内管、凸筋形内管、开闭式钻头的短节内管、开启盖放入煤孔段的顶部；护孔筛管下放完成之后，重新装上抽采式水辫的抽采管和压力表，开始退钻随钻瓦斯抽采。

第六步，退钻随钻瓦斯抽采

退钻的过程中，保持抽采式水辫的正常抽采，根据需要还要实施后退式割缝或冲孔的重复作业，所述退钻随钻瓦斯抽采是以插入的护孔筛管取代筛孔进气装置的进气作用，对“松洞瓦斯包”顶部的瓦斯实施退钻随钻瓦斯抽采，保持穿层钻孔抽采式钻具内腔的瓦斯压力处于负压或常压状态，避免退钻过程中的喷孔。

随钻瓦斯抽采方法的其它说明：

针对本发明的抽采式钻具，采用前进式割缝及冲孔的随钻瓦斯抽采方法属最优随钻瓦斯抽采方法，除此之外还有后退式割缝及冲孔随钻瓦斯抽采方法，后退式割缝及冲孔随钻瓦斯抽采方法是在煤孔段采用风力打钻，钻进至煤层顶板后，在煤孔内下放护孔筛管，在退钻的过程中实施割缝及冲孔随钻瓦斯抽采，这种方法存在的风险是：退钻割缝及冲孔的过程中，孔内一旦发生煤与瓦斯突出，护孔筛孔有可能被损毁，由于筛孔进气装置内有护孔筛管存在，会导致护孔筛管和筛孔进气装置双双失效，对后续的割缝及冲孔随钻瓦斯抽采带来困难。因此，后退式割缝及冲孔随钻瓦斯抽采方法仅适应于突出煤层的非突出区域的中硬煤层。

本发明所具有的有益效果为：

1. 现行防喷孔技术，不涉及钻具本身的改进，仅从孔口防喷装置来解决问题，不能消除诱发喷孔的气体动力源。本发明指出诱发喷孔的瓦斯动力源位于煤孔段割缝或冲孔形成的“松洞瓦斯包”内，并提出抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法，防喷孔的原理方法和技术手段与现行防喷孔技术有着本质性区别。

2．抽采式钻具由多根抽采式钻杆、抽采式高低压转换阀、筛孔进气装置、开闭式钻头和抽采式水辫连接组成，其总体特征是：抽采式钻具充当随钻旋转移动的“抽采管”，其中筛孔进气装置充当随钻旋转移动的“筛孔管”，对割缝及冲孔形成的“松洞瓦斯包”内的瓦斯气体实施随钻瓦斯抽采；“松洞瓦斯包”内的瓦斯气体走抽采式钻具的瓦斯抽采通道，“松洞瓦斯包”内的水煤渣走钻具外表与钻孔壁之间的排渣通道，实现了水煤渣与瓦斯气体在孔内的分道抽排，可从源头上解决穿层钻孔喷孔瓦斯超限的难题。

3．现行孔外防喷孔装置，在孔口收集抽采瓦斯，抽采瓦斯的浓度极低，低浓度进入瓦斯抽采管网后对管网瓦斯浓度影响很大，对煤矿瓦斯利用的负面干扰严重。抽采式钻具所抽采的瓦斯是钻孔“松洞瓦斯包”内顶部的没有空气混入的纯净瓦斯，对煤矿瓦斯利用有正面利好作用。

4．突出矿井为了避免穿层钻孔喷孔瓦斯超限事故，很多矿井采取“先打钻，后抽采，再割缝冲孔”的被动措施，不仅大幅度降低了工程效率，也大幅度提高了工程成本，同时也失去了利用突出煤层的天然动力（孔内煤与瓦斯突出）破煤的机会。利用抽采式钻具，在煤孔段实施割缝及冲孔和防喷孔随钻瓦斯抽采，不仅会提高穿层钻孔的瓦斯抽采治理的效率，而且会降低穿层钻孔的瓦斯抽采治理的成本。

5. 突出煤层穿层钻孔喷孔瓦斯超限事故，占突出矿井瓦斯超限事故总数的30%～80%，已成为突出矿井的主要安全隐患，穿层钻孔抽采式钻具及防喷孔随钻瓦斯抽采方法对煤矿安全生产具有重要意义。

附图说明

图1为抽采式钻具及其现场施工总体方案图；

图2局部压槽型抽采式钻杆外表及结构图；

图3 焊接弧面支撑块型抽采式钻杆结构图；

图4异形管型抽采式钻杆外表及结构图；

图5 带支撑件型抽采式钻杆外表及结构图；

图6抽采式钻杆之间的密封连接图；

图7 抽采式高低压转换阀零部件立体图；

图8 抽采式高低压转换阀工位说明图；

图9 筛孔进气装置结构说明图；

图10 开闭式钻头零部件图；

图11 小倾角穿层钻孔用抽采式钻具图；

图12 极松软突出煤层穿层钻孔用抽采式钻具图；

图13 中硬突出煤层穿层钻孔用抽采式钻具图；

图14 抽采式水辫结构图；

图15 控喷式引流箱结构说明图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示为穿层钻孔抽采式钻具的总体方案图，穿层钻孔抽采式钻具包括依次连接的抽采式水辫5、多根抽采式钻杆1、抽采式高低压转换阀2、筛孔进气装置3和开闭式钻头4；为了更好地实现本发明钻具的防喷孔功能，对现行的孔口引流箱进行了改进，在孔口位置设有与抽采式钻杆1配套安装的控喷式引流箱6。在穿层钻孔抽采式钻具内腔的中心部位构建瓦斯抽采通道，在穿层钻孔抽采式钻具的抽采式钻杆的外管和内管之间构建钻具的供流通道，“松洞瓦斯包”内的瓦斯走瓦斯抽采通道，“松洞瓦斯包”内的水煤渣走外排渣通道，通过随钻瓦斯抽采“松洞瓦斯包”内的瓦斯气体，及时消除诱发喷孔的瓦斯动力源，并利用瓦斯抽采通道作为退钻时下放护孔筛管的通道。

如图2所示，所述抽采式钻杆1还包括同轴设置的外管11和内管12，所述外管11采用局部热挤的方式在外管内孔形成两组局部弧面凸起111，外管内孔的局部弧面凸起111与内管的外圆配合并支撑内管12，使外管11和内管12保持同轴，弧面凸起111的每组数量为两个或三个，外管11的外表形状可为螺旋槽状（如图2a-如图2b所示）、螺旋筋状（如图2c所示），钻杆的还可以是三（四）棱状或三（四）棱刻槽状，以增加钻杆碎渣、搅拌和输送能力。抽采式钻杆1的外管11与内管12之间的轴向空间为钻具的供流通道14，抽采式钻杆的内管中心孔为瓦斯抽采通道15，外管与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。

如图3所示，抽采式钻杆1还包括外管11、内管12和焊接在外管11内壁的弧面支撑块13，每组支撑块13沿外管内孔圆周均布有两个或三个，支撑块13上设置有支撑块焊接孔131，外管11上设置外管焊接孔112，支撑块13的外圆弧面半径等于外管11内孔的半径，支撑块13的内圆弧面半径等于内管12外圆的半径。利用外管11上的外管焊接孔112把支撑块13焊接在外管11的内壁，利用支撑块焊接孔131把支撑块13焊接在内管12的外圆上。所述外管11的外表形状为螺旋槽状或螺旋筋状或三棱状或四棱状或三棱刻槽状或四棱刻槽状，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力；

如图4所示，抽采式钻杆1还包括由异形外管11和内管12组成，所述异形外管11的外表设置有轴向凹槽113、内孔设置有与轴向凹槽对应的轴向弧面凸起114，异形外管内孔的轴向弧面凸起114与内管的外圆配合并支撑内管12，使外管11和内管12保持同轴，轴向凹槽113和轴向弧面凸起114的条数为2条或3条，在外管外表的圆弧面上设置螺旋槽或螺旋筋，以增加钻杆的碎渣、搅拌和输送能力。

如图4c所示，抽采式钻杆1包括同轴设置的外管11和内管12，外管11为通过约束状态下的热扭方法形成的热扭异形外管11，所述热扭异形外管11的外表形成大螺旋凹槽115，所述热扭异形外管11的内孔形成与大螺旋凹槽115对应的大螺距弧面凸起，热扭异形外管115内孔的大螺距弧面凸起与内管12的外圆配合，并支撑内管12使外管11和内管12保持同轴，使外管11和内管12保持同轴，大螺旋凹槽115和大螺距弧面凸起的条数两条或三条；所述外管11与内管12之间的轴向空间为抽采式钻具的供流通道14，所述内管12中心孔为瓦斯抽采通道，外管11与钻孔壁之间的环隙为排渣通道。

如图5所示，抽采式钻杆1包括外管11、内管12和支撑件16，支撑件16安装在外管11和内管12之间，支撑件使外管11和内管12保持同轴。外管11的外表形状可为螺旋凸筋状（如图5a所示）、螺旋凹槽状（如图5b所示）、三棱状（如图5c所示）或三棱刻槽状（如图5d所示），凹槽条数、凸筋条数为两条或两条以上；所述凹槽可为矩形凹槽、梯形凹槽、弧面凹槽、来福线形凹槽；所述凸筋可为焊接而成的凸筋、车加工出的凸筋、耐磨熔覆出的凸筋，凸筋面可为平面凸筋、弧面凸筋，凸筋的形状不受限制，凸筋的宽度等于或大于凸筋的高度。外管11外表设置的凹槽、凸筋、弧棱等，其作用是增加外管的碎渣功能、搅拌功能和输送功能。在松软地层钻进、煤层瓦斯含量定点取样、石油钻探等领域所采用的双壁钻杆种类很多，类似双壁钻杆与本发明包含的抽采式高低压转换阀2及筛孔进气装置3等配套使用时，也在本发明保护范畴。

如图6所示，针对图2~图5介绍的几种抽采式钻杆1，抽采式钻杆1的不同形状的外管11在端部通过挤压成型的方法或摩擦焊接接头的方法转变为厚壁圆形外管，在厚壁圆形外管两端设置公扣和母扣，相邻外管11之间采用带密封的丝扣连接，相邻内管12之间采用搭接密封（图6a）或插接密封（图6b）连接。为了减少插接密封或搭接密封对供流通道14的影响，内管12的一端伸出公扣之外，使插接密封或搭接密封位于内孔直径较大的外管11内。

如图7所示为抽采式高低压转换阀2，所述抽采式高低压转换阀2包括阀外管21、阀内管22和高低压转换组件；阀内管22的中心孔为瓦斯抽采通道，所述阀外管21两端分别设置有公扣和母扣，所述阀外管21的母扣与抽采式钻杆1的公扣连接，所述阀外管21的公扣与筛孔进气装置3的母扣连接，所述阀内管22一端与抽采式钻杆1的内管12密封衔接，所述阀内管22另一端与筛孔进气装置3的凸筋形内管32密封衔接，所述阀内管22一端设置有密封件。

如图7所示，所述阀外管21上设置有两条或三条或四条两端渐变为斜面212的轴向凸筋或螺旋凸筋211，在斜面212的侧面上设置切割刀片213；所述阀外管21的两条凸筋上设置两个径向或斜向水射流喷嘴214；所述阀外管的凸筋上设置间断性螺旋凹槽215，使阀外管21具有碎渣和输送功能。阀外管21上设置凸筋的用途主要有：一是为钻具的排渣提供跟多的空间，二是为喷嘴的安装提供更大的径向尺寸，三是让阀外管21具有搅拌功能。若增加阀外管21的壁厚，阀外管21的外表不设置凸筋，而把阀体的外表形状设计成多边形或圆形等，也在本发明保护范畴。

如图7所示，所述高低压转换组件安装在阀外管21和阀内管22之间的环形供流通道内24，所述高低压转换组件包括滑动阀芯231、弹簧232、前支撑233、后支撑234和固定销235；所述前支撑233和后支撑234之间安装滑动阀芯231，所述滑动阀芯231和阀内管22之间套装有弹簧232，所述前支撑233和后支撑234均通过固定销与阀外管21连接；工作时，弹簧232两端与滑动阀芯231和后支撑234接触配合。

如图8所示，滑动阀芯231有三种工作位置，图8中第一行第一个图所示为停钻闭锁工位，在装卸钻杆等停钻时，防止孔内水煤渣反流至抽采式钻杆的供流通道；图8中第一行第二个图所示为低压钻进工位，低压流体全部向开闭式钻头4供给；图8中第一行第三个图所示为水射流割缝或冲孔工位，高压流体向射流喷嘴214供给，少量流体通过渗漏方式或微孔泄漏的方式供给开闭式钻头4，用以钻头的降温。高压状态下向钻头供给少量水流的方式多种多样，一般工程师可根据需要在滑动阀芯和支撑处稍许改动即可，也在本发明保护范畴。

本发明在实施过程中，抽采式高低压转化阀2的射流喷嘴214可以更换，采用小通径的喷嘴时可实现对中硬煤的水力割缝，采用大通径的喷嘴时可实现对松软煤层的水力冲孔。也可以在阀体的凸筋211上设置两组喷嘴214，一组为两个径向割缝喷嘴，一组为两个径向或斜向冲孔喷嘴，将上述三工位高低压转换组件设计成四工位高低压转化组件，即闭锁工位、低压打钻工位、中压冲孔工位和高压割缝工位，也在本发明保护范围，但受阀外管21外部的孔内介质压力的影响，会导致冲孔工位与割缝工位切换准确性降低，弹簧的选择难度增加，可靠性降低。若将抽采式高低压转化阀2设计成四个工位，也在本发明保护范畴。

图9所示为筛孔进气装置3的结构图，所述筛孔进气装置1包括凸筋形外管31、凸筋形内管32和进气筛孔板33；凸筋形外管31两端分别设置有公扣和母扣，母扣与抽采式高低压转换阀2连接，公扣与开闭式钻头4连接；所述凸筋形内管32的一端安装有密封件，凸筋形内管32的中心孔为瓦斯抽采通道，所述凸筋形内管32嵌入凸筋形外管31，采用浸渍密封和固定销相结合的方法使凸筋形内管32和凸筋形外管31组成一体，凸筋形外管31与凸筋形内管32之间的空间为供流通道14。所述外管凸筋311和内管凸筋321可为轴向凸筋，也可为螺旋凸筋，凸筋条数为两条或三条或四条，并在凸筋上设置有贯穿外凸筋的径向进气通孔312和内凸筋的径向进气通孔322；所述进气筛孔板33焊接在凸筋形外管31的凸筋311上并覆盖径向进气通孔312；所述进气筛孔板33的筛孔331为锥孔，锥孔331的进气口直径远小于外凸筋的径向进气通孔312的直径和内凸筋的径向进气通孔322的直径，所有锥孔331的进气口面积之和大于凸筋形内管32的内孔截面积。

更进一步，取消凸筋形外管31上的凸筋311，甚至将凸筋形外管31改变为凹槽形外管，将径向进气通孔312布置在凹槽形外管的凹槽内，这种改变不仅会进一步增加瓦斯抽采通道内的煤渣量，还会增加瓦斯抽采通道内的进水量，进气功能削弱，但仍有进气功能，这种改变也在本发明保护范畴。

如图10所示为开闭式钻头4，所述开闭式钻头4包括钻头本体41、短节内管42和开启盖43；所述钻头本体41内同轴安装有短节内管42；所述钻头本体41一端设置有与凸筋形外管31配合的母扣；所述钻头本体41另一端的外沿安装有端齿，所述钻头本体41另一端的中心安装有覆盖短节内管42的开启盖43；所述开启盖43上设置有两副销孔，一副销孔内安装高强度销轴，另一副销孔内安装低强度剪切销。实际实施的过程中，开启盖43的开启方式有多种，一般机械工程师可根据带短节内管42的开闭式钻头4的双道结构及几何空间进行选择性设计，例如剪断销式开启盖43、自锁斜碶式开启盖43和铰接合页式开启盖43等，这些改变若与本发明的部件配套使用，也在本发明的保护范畴。

如图11所示，由多根抽采式钻杆1、抽采式高低压转换阀2、筛孔进气装置3、开闭式钻头4和抽采式水辫5连接组成的抽采式钻具，当钻孔倾角较小时，筛孔进气装置3容易被水煤渣淹没而影响径向进气功能，为此可在高低压转化阀2与筛孔进气装置3之间加装一定长度的抽采式钻杆7，其目的是增加筛孔进气装置3与抽采式高低压转换阀2之间的高度差，避免筛孔进气装置3被水淹没。

如图12所示，由多根抽采式钻杆1、抽采式高低压转换阀2、筛孔进气装置3、开闭式钻头4和抽采式水辫5连接组成的抽采式钻具，针对难以成孔的极松软突出煤层，取消抽采式高低压转换阀2，而在开闭式钻头4端部安装2～4个斜向冲孔用水射流喷嘴45，水射流喷嘴45的出口方向与钻进方向成45度左右的夹角，在煤孔段实施钻进和冲孔同步进行。虽然这种随钻瓦斯抽采方法会导致瓦斯抽采通道有少量水，但钻冲速度较慢时，筛孔进气装置3会在冲孔洞穴中处于悬空状态，可通过冲孔进度来控制瓦斯抽采通道内的进水量。

如图13所示，由多根抽采式钻杆1、抽采式高低压转换阀2、筛孔进气装置3、开闭式钻头4和抽采式水辫5连接组成的抽采式钻具，针对易于成孔的中硬突出煤层，取消筛孔进气装置3，煤孔段钻进期间不实施割缝或冲孔及随钻瓦斯抽采，煤孔段实施常规钻进，钻头进入煤层顶板后，开始下放护孔筛管，退钻期间实施割缝或冲孔及随钻瓦斯抽采，利用护孔筛管实施退钻割缝或冲孔期间的随钻瓦斯抽采。这种简化处理的方法适应于突出煤层的非突出区域的中硬煤层，若在退钻割缝或冲孔的过程中发生孔内煤与瓦斯突出，会出现护孔筛管被损毁的情况，护孔筛管损毁之后，将难以实施随钻瓦斯抽采。

如图14所示，所述抽采式水辫5包括空心水辫外体51、抽采管52、压力表53、抽采开关54和供流口55，所述空心水辫外体51内腔中空并安装有空心水辫内管56，空心水辫外体51和空心水辫内管56之间形成环形流液通道，所述空心水辫内管56的内孔为瓦斯抽采通道，所述空心水辫外体51一端与抽采式钻杆的外管通过丝扣连接，所述空心水辫外体51的另一端安装有连接空心水辫内管56的抽采管52，所述空心水辫内管56的另一端与抽采式钻杆的内管通过丝扣连接，所述空心水辫外体51外侧开设有供流口55，供流口55与环形流液通道联通。所述抽采管52上安装压力表53和抽采开关54，压力表53显示随钻瓦斯抽采期间钻具内腔的瓦斯压力和“松洞瓦斯包”内的瓦斯压力。也可以通过关闭开关了解“松洞瓦斯包”内的瓦斯压力，根据钻具内腔的瓦斯压力和“松洞瓦斯包”内的瓦斯压力，调整割缝或冲孔作业方法，采取必要的辅助控喷措施。

此外，需要对抽采式钻具其它组合方式说明：对于由多根抽采式钻杆1、抽采式高低压转换阀2、筛孔进气装置3、开闭式钻头4和抽采式水辫5组合构成的抽采式钻具，筛孔进气装置3可以与开闭式钻头4设计加工成一体，抽采式高低压转换阀2可以与筛孔进气装置3加工为一体，同样可实现抽采式钻具的防喷孔功能和提钻前下放护孔筛管的功能，也在本发明保护范畴。

为了实现穿层钻孔抽采式钻具的防喷孔功能，需要在孔口配合使用控喷式引流箱6，所述控喷式引流箱6包括封孔器61、引流箱62、气体引流管63、水煤渣引流管64、防尘毛刷65和安装在引流箱62之内的控喷插板66；安装时，通过封孔器61将控喷式引流箱6安装在孔口；所述引流箱62一端设有封孔器61，所述引流箱62另一端内部设有防尘毛刷65，所述引流箱62上部开设有气体引流管63，所述引流箱62下部开设有水煤渣引流管64；引流箱62内位于封孔器61一端处安装有对称的两块控喷插板66，通过移动控喷插板66的位置来控制引流箱62内的进渣通道的截面积，当煤孔段发生煤与瓦斯突出时，实施强制性防喷和控喷。工作时，人为移动控喷插板66的位置，缩小引流箱62内排渣通道的截面积。控喷插板66上设置有多个圆孔，圆孔的直径与引流箱62内的排渣通道的环隙宽度相当。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。