本发明涉及煤矿井下定向钻探领域，尤其涉及一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置及方法。
技术背景
随着煤矿井下定向钻进技术与装备的发展，定向钻孔以其轨迹可控、钻进精度高、有效距离长等优点，应用到煤矿井下瓦斯抽采、水害防治、地质异常体探查等诸多领域，对保障煤矿安全高效生产起到重要的促进作用。
煤矿井下定向钻进技术目前针对不同地层及不同用途钻孔已形成多套工艺技术方案，基本满足常规定向钻孔钻进需要，针对复杂地层定向钻孔孔口段形成了大曲率钻进、大直径扩孔、注浆加固等技术措施，基本解决了复杂地层孔口段定向钻进难题，但是针对定向长钻孔目标层段，尤其是钻孔较深时钻遇大落差断层时，采用开分支方法无法使钻孔轨迹完全避开非目标层位，从而导致钻进困难，严重时甚至钻孔报废，采用注浆加固的方法则需要从孔口开始全孔段注浆，不仅浪费了已施工完成的前段有效钻孔，还严重影响钻孔施工效率，增加打钻成本。
实施煤矿井下定向钻孔定点注浆的关键，是把注浆孔段和非注浆孔段封隔开来，目前石油钻井领域中应用较为成熟的封隔器，一般用来注水或注气，且结构较为复杂，制造工艺也较为复杂，不适合直接应用于煤矿井下注浆作业中。
为此，本发明的设计者有鉴于煤矿井下定向长钻孔定点注浆的需要及目前存在的问题，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置及方法，实现定向长钻孔定点注浆和装置回收重复利用，解决定向长钻孔深孔局部复杂地层钻进困难的难题，提高煤矿井下定向长钻孔复杂地层成孔率、成孔效率及地层适应性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置及方法，其装置结构简单，实现方便快捷，可以实现定向长钻孔定点注浆及装置回收，提高定向钻孔复杂地层成孔率及成孔效率。
为解决上述问题，本发明公开了
一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，包括：
大直径钻杆，其一端部连接橡胶塞，所述橡胶塞内设置有第一通孔；
小直径钻杆，其一端位于所述大直径钻杆内部并且与一金属塞连接；所述金属塞内设置有第二通孔，所述第二通孔与小直径钻杆内径相通并且内部设置有一单向阀；
其中，所述金属塞的直径大于所述第一通孔的内径。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，包括：所述小直径钻杆与所述金属塞相邻的一侧设置有若干个通向所述小直径钻杆腔的单向阀；所述大直径钻杆和小直径钻杆的环空与水便相连。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，所述水便为设置于所述大直径钻杆上的旁通水便。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，所述金属塞与所述橡胶塞相邻的一端设置有轴截面为梯形的第一变径段，所述橡胶塞与所述金属塞相邻的一端设置有与所述第一变径段相配合的第二变径段。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，所述小直径钻杆与所述金属塞螺纹丝扣连接；所述大直径钻杆与所述橡胶塞固定连接。
一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，包括：
在一大直径钻杆端部连接橡胶塞，所述橡胶塞内设置有第一通孔；
在小直径钻杆的端部设置一金属塞，所述金属塞内设置有第二通孔；
利用所述小直径钻杆将所述金属塞插入所述橡胶塞的第一通孔内以使所述橡胶塞膨胀坐封于孔壁；
利用所述小直径钻杆、所述第二通孔、所述第一通孔向所述钻孔内注浆并候凝；
待候凝完成后，起拔所述小直径钻杆带动所述金属塞脱离所述橡胶塞，完成解封，起出孔内所述小直径内平钻杆及所述金属塞；
待所述橡胶塞缩回后起拔孔口大直径钻杆。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，在所述第一通孔内设置一单向阀。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，所述小直径钻杆与所述金属塞相邻的一侧设置有若干个通向所述小直径钻杆腔的单向阀；所述大直径钻杆和小直径钻杆的环空与水便相连。
优选的，上述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，所述金属塞长度稍大于橡胶塞的长度。
一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，包括：
步骤一：确定定点注浆孔深。定向钻进中通过测量孔深计算及提钻钻杆数计算确定需要注浆的复杂地层位置，根据注浆影响范围大致确定需要的浆液量；
步骤二：下入橡胶塞。通过所述大直径内平钻杆把所述橡胶塞送入钻孔内特定位置，并详细记录橡胶塞所处孔深，使橡胶塞位置处于钻孔较为完整的孔段内，孔口处通过钻机夹持器夹持固定住大直径内平钻杆；
步骤三：下入金属塞；通过所述小直径内平钻杆把所述金属塞从所述大直径内平钻杆中心通孔内送入到特定位置，孔口处通过钻机卡盘夹持固定住；
步骤四：坐封；通过所述大直径内平钻杆及所述小直径内平钻杆长度计算，通过钻机推力把所述金属塞精确送入到所述橡胶塞内通孔，使所述橡胶塞膨胀坐封于孔壁；
步骤五：带压注浆；从所述小直径内平钻杆及所述金属塞内通孔向钻孔内注浆，注浆达到一定压力后停止，通过所述金属塞内部所述单向阀封堵孔内水泥浆，注浆过程中保持所述橡胶塞坐封状态，即所述橡胶塞和所述金属塞的相对位置不变；
步骤六：驱替钻杆内水泥浆；注浆完成后从所述旁通水便及所述大直径内平钻杆与所述小直径内平钻杆环空注入清水，用来驱替所述小直径内平钻杆内部的水泥浆；
步骤七：候凝；根据所注水泥浆性质及封堵孔段长度确定候凝时间，候凝过程中保持所述橡胶塞及所述金属塞处于坐封状态；
步骤八：装置回收；候凝完成后用钻机在孔口强力起拔所述小直径内平钻杆，带动所述金属塞脱离所述橡胶塞，完成解封，起出孔内所述小直径内平钻杆及所述金属塞，随后在所述橡胶塞缩回状态下起拔孔口大直径内平钻杆，使橡胶塞脱离孔底，回收全部装置。
通过上述描述可知，本发明的煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置具有如下效果：
1、能够实现定向长钻孔深孔位置定点注浆，避免全孔段注浆造成的有效孔段浪费，提高钻孔施工效率，降低钻进施工成本。
2、能够实现定向长钻孔定点注浆装置的回收重复利用。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1是本发明的煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置结构示意图；
图2是本发明的煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法的流程图；
附图标记：
1为大直径钻杆、2为橡胶塞、3为小直径钻杆、4为金属塞、5、7为单向阀、6为过水孔、8为旁通水便
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的详细描述。
参见图1，一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，由大直径钻杆1、橡胶塞2、小直径钻杆3、金属塞4、旁通水便8及单向阀5组成。
本实施例的大直径钻杆1可选择为内平式，即大直径内平钻杆；小直径钻杆3可选择为内平式，即小直径内平式钻杆。
所述橡胶塞2及金属塞4均设置有贯通孔，所述大直径钻杆1内径稍大于所述金属塞4外径，所述金属塞4外径稍大于所述橡胶塞2内径，所述大直径钻杆1与橡胶塞2固定连接，所述小直径钻杆3与金属塞4螺纹丝扣连接，所述单向阀5固定于金属塞4内通孔，所述小直径钻杆3及金属塞4可以自由通过大直径钻杆1内通孔，并且在力的作用下可以通过橡胶塞2内通孔并形成密封，所述小直径钻杆3可以穿过旁通水便8通孔并在端部形成简易密封。
其中，所述橡胶塞2直径、金属塞4直径与钻孔直径相配合，使橡胶塞2能顺利下入孔内，又能在金属塞4的支撑作用下坐封于钻孔与金属塞4环空。
其中，所述金属塞4长度稍大于橡胶塞2长度，为保证橡胶塞2坐封后的效果，橡胶塞2及金属塞4长度不应设置较短。
其中，所述橡胶塞2与大直径钻杆1的固定连接能抵抗一定强度拉应力，防止注浆完成后，回拉钻杆使橡胶塞2脱开。
其中，所述小直径钻杆3与金属塞4接头附近侧壁上设置有两个由外向内的单向阀7，方便注浆完成后由大直径钻杆1与小直径钻杆3环空内注水驱替小直径钻杆3内部的泥浆。
其中，所述金属塞4及橡胶塞2的前端与后端均设置有较大倒角，以利于橡胶塞2和金属塞4的下入和回收。
本发明还公开了一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，主要包含以下步骤：
步骤一：确定定点注浆孔深。定向钻进中通过测量孔深计算及提钻钻杆数计算确定需要注浆的复杂地层位置，根据注浆影响范围大致确定需要的浆液量。
步骤二：下入橡胶塞。通过所述大直径钻杆1把所述橡胶塞2送入钻孔内特定位置，并详细记录橡胶塞2所处孔深，使橡胶塞2位置处于钻孔较为完整的孔段内，孔口处通过钻机夹持器夹持固定住大直径钻杆1。
步骤三：下入金属塞。通过所述小直径钻杆3把所述金属塞4从所述大直径钻杆1中心通孔内送入到特定位置，孔口处通过钻机卡盘夹持固定住。
步骤四：坐封。通过所述大直径钻杆1及所述小直径钻杆3长度计算，通过钻机推力把所述金属塞4精确送入到所述橡胶塞2内通孔，使所述橡胶塞2膨胀坐封于孔壁。
步骤五：带压注浆。从所述小直径钻杆3及所述金属塞4内通孔向钻孔内注浆，注浆达到一定压力后停止，通过所述金属塞4内部所述单向阀5封堵孔内水泥浆，注浆过程中保持所述橡胶塞2坐封状态，即所述橡胶塞2和所述金属塞4的相对位置不变。
步骤六：驱替钻杆内水泥浆。注浆完成后从所述旁通水便8及所述大直径钻杆1与所述小直径钻杆3环空注入清水，用来驱替所述小直径钻杆3内部的水泥浆。
步骤七：候凝。根据所注水泥浆性质及封堵孔段长度确定候凝时间，候凝过程中保持所述橡胶塞2及所述金属4塞处于坐封状态。
步骤八：装置回收。候凝完成后用钻机在孔口强力起拔所述小直径钻杆3，带动所述金属塞4脱离所述橡胶塞2，完成解封，起出孔内所述小直径钻杆3及所述金属塞4，随后在所述橡胶塞2缩回状态下起拔孔口大直径钻杆1，使橡胶塞2脱离孔底，回收全部装置。
由此可见，本发明的优点在于：
1、能够实现定向长钻孔深孔位置定点注浆，避免全孔段注浆造成的有效孔段浪费，提高钻孔施工效率，降低钻进施工成本。
2、能够实现定向长钻孔定点注浆装置的回收重复利用。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
技术特征：
1.一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，其特征在于，包括：
大直径钻杆(1)，其一端部连接橡胶塞(2)，所述橡胶塞(2)内设置有第一通孔；
小直径钻杆(3)，其一端位于所述大直径钻杆(1)内部并且与一金属塞(4)连接；所述金属塞(4)内设置有第二通孔，所述第二通孔与小直径钻杆(3)内径相通并且内部设置有一单向阀(5)；
其中，所述金属塞(4)的直径大于所述第一通孔(2)的内径。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，其特征在于，包括：所述小直径钻杆(3)与所述金属塞(4)相邻的一侧设置有若干个通向所述小直径钻杆(3)腔的单向阀(6)；所述大直径钻杆(1)和小直径钻杆(3)的环空与水便相连。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，其特征在于，所述水便为设置于所述大直径钻杆(1)上的旁通水便(8)。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，其特征在于，所述金属塞(4)与所述橡胶塞(2)相邻的一端设置有轴截面为梯形的第一变径段，所述橡胶塞(2)与所述金属塞(4)相邻的一端设置有与所述第一变径段相配合的第二变径段。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，其特征在于，所述小直径钻杆(3)与所述金属塞(4)螺纹丝扣连接；所述大直径钻杆(1)与所述橡胶塞(2)固定连接。
6.一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，其特征在于，包括：
在一大直径钻杆(1)端部连接橡胶塞(2)，所述橡胶塞(2)内设置有第一通孔；
在小直径钻杆(3)的端部设置一金属塞(4)，所述金属塞(4)内设置有第二通孔；
利用所述小直径钻杆(3)将所述金属塞(4)插入所述橡胶塞(2)的第一通孔内以使所述橡胶塞膨胀坐封于孔壁；
利用所述小直径钻杆(3)、所述第二通孔、所述第一通孔向所述钻孔内注浆并候凝；
待候凝完成后，起拔所述小直径钻杆带动所述金属塞脱离所述橡胶塞，完成解封，起出孔内所述小直径内平钻杆及所述金属塞；
待所述橡胶塞缩回后起拔孔口大直径钻杆。
7.根据权利要求6所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，其特征在于，在所述第一通孔内设置一单向阀(5)。
8.根据权利要求6所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，其特征在于，所述小直径钻杆(3)与所述金属塞(4)相邻的一侧设置有若干个通向所述小直径钻杆(3)腔的单向阀(6)；所述大直径钻杆(1)和小直径钻杆(3)的环空与水便相连。
9.根据权利要求6所述的一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，其特征在于，所述金属塞(4)长度稍大于橡胶塞(2)的长度。
10.一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，其特征在于，包括：
步骤一：确定定点注浆孔深。定向钻进中通过测量孔深计算及提钻钻杆数计算确定需要注浆的复杂地层位置，根据注浆影响范围大致确定需要的浆液量；
步骤二：下入橡胶塞。通过所述大直径内平钻杆把所述橡胶塞送入钻孔内特定位置，并详细记录橡胶塞所处孔深，使橡胶塞位置处于钻孔较为完整的孔段内，孔口处通过钻机夹持器夹持固定住大直径内平钻杆；
步骤三：下入金属塞；通过所述小直径内平钻杆把所述金属塞从所述大直径内平钻杆中心通孔内送入到特定位置，孔口处通过钻机卡盘夹持固定住；
步骤四：坐封；通过所述大直径内平钻杆及所述小直径内平钻杆长度计算，通过钻机推力把所述金属塞精确送入到所述橡胶塞内通孔，使所述橡胶塞膨胀坐封于孔壁；
步骤五：带压注浆；从所述小直径内平钻杆及所述金属塞内通孔向钻孔内注浆，注浆达到一定压力后停止，通过所述金属塞内部所述单向阀封堵孔内水泥浆，注浆过程中保持所述橡胶塞坐封状态，即所述橡胶塞和所述金属塞的相对位置不变；
步骤六：驱替钻杆内水泥浆；注浆完成后从所述旁通水便及所述大直径内平钻杆与所述小直径内平钻杆环空注入清水，用来驱替所述小直径内平钻杆内部的水泥浆；
步骤七：候凝；根据所注水泥浆性质及封堵孔段长度确定候凝时间，候凝过程中保持所述橡胶塞及所述金属塞处于坐封状态；
步骤八：装置回收；候凝完成后用钻机在孔口强力起拔所述小直径内平钻杆，带动所述金属塞脱离所述橡胶塞，完成解封，起出孔内所述小直径内平钻杆及所述金属塞，随后在所述橡胶塞缩回状态下起拔孔口大直径内平钻杆，使橡胶塞脱离孔底，回收全部装置。
技术总结
本发明公开了一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置，可回收定点注浆装置由大直径钻杆、橡胶塞、小直径钻杆、金属塞、旁通水便及单向阀组成，所述橡胶塞、金属塞及旁通水便均设置有贯通孔，所述大直径钻杆与橡胶塞固定连接，所述小直径钻杆与金属塞螺纹丝扣连接，所述单向阀固定于金属塞内通孔，所述小直径钻杆及金属塞可以自由通过大直径钻杆内通孔，所述金属塞在力的作用下可以通过橡胶塞内通孔并形成密封，所述小直径钻杆可以穿过所述旁通水便并形成简易密封。本发明还公开了一种煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆方法，可以实现定向长钻孔深孔定点注浆，避免局部孔段地层破碎造成定向钻进困难甚至钻孔报废，提高定向钻孔成孔率及成孔效率。
技术研发人员：许超;姜磊;郝世俊;李泉新;王鲜;陈盼;刘智;褚志伟
受保护的技术使用者：中煤科工集团西安研究院有限公司
技术研发日：2021.05.24
技术公布日：2021.08.27
声明：
“煤矿井下定向长钻孔可回收定点注浆装置及方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：中煤科工集团西安研究院有限公司
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2024年06月21日 ~ 23日 
