本發(fā)明屬于軟弱煤巖層鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿及鉆進方法。

背景技術(shù)：

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆孔施工是鉆探工程領(lǐng)域一項技術(shù)難題。受地質(zhì)條件影響，鉆進過程中鉆孔變形、破壞嚴(yán)重，鉆進阻力大、排渣效率低，致使鉆孔施工存在著“深度淺、效率低、事故多”的工程難題。特別是松軟煤層突出煤層鉆孔施工尤為困難，松軟煤層以Ⅲ類碎粒煤（煤堅固性系數(shù)f=0.25~0.5）和Ⅳ類糜棱煤（f<0.3）為主，很多礦區(qū)的鉆孔施工深度不足20 m，致使煤層中形成抽采盲區(qū)，其結(jié)果嚴(yán)重影響煤層瓦斯抽采效率，同時影響煤礦安全高效開采，給煤礦生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。針對軟煤層鉆進難題，發(fā)展了一系列新型鉆具，專利名稱為“突出煤層扒孔降溫鉆具及其鉆進方法”（ZL200610111830.7）、“用于瓦斯抽采鉆孔施工的低螺旋耐磨鉆桿及其加工工藝”（ZL200810049974.3）、“非對稱異型截面鉆桿”（ZL200910064223.3）、“異型多棱刻槽鉆桿”（ZL200910064973.0）都取到了較好的鉆進效果。由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多變，軟煤層鉆孔施工仍然是制約煤層瓦斯抽采效率的重要難題。根據(jù)仿生學(xué)理論，將物體表面設(shè)計為仿生結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)了仿生減阻、仿生降噪和仿生增效等功能。因此，結(jié)合仿生學(xué)理論，本發(fā)明本發(fā)明通過在鉆桿表面設(shè)計變導(dǎo)程螺旋結(jié)構(gòu)的仿生流紋，能夠有效降低鉆進阻力，提高鉆進排渣效率，預(yù)防鉆孔內(nèi)局部熱量聚集引起的鉆孔事故，有利于提高復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆孔深度和鉆進效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿及鉆進方法，解決常規(guī)鉆具鉆進阻力大、鉆孔深度淺、鉆進效率低、鉆孔事故多的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿，包括仿生凹連接件、仿生中空桿體、仿生凸連接件，所述仿生凹連接件、仿生中空桿體、仿生凸連接件同軸，仿生凹連接件連接于仿生中空桿體的一端，仿生凸連接件連接于中空桿體的另一端，仿生凹連接件表面、仿生中空桿體表面、仿生凸連接件表面設(shè)置為凸形仿生流紋或凹形仿生流紋或凸形仿生流紋與凹形仿生流紋并存。

所述的凸形仿生流紋或凹形仿生流紋設(shè)置為多頭變導(dǎo)程螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線頭數(shù)設(shè)置范圍為2~20，螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程設(shè)置范圍為0.03 m~20 m，凸形仿生流紋凸起的高度為0 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為0 mm～10 mm。

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，所述鉆桿采用如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，包括以下步驟：

（1）、根據(jù)施工地點巖石強度確定采用不同結(jié)構(gòu)的仿生流紋降阻鉆桿；

（2）、根據(jù)施工地點巖石強度確定鉆進工藝技術(shù)參數(shù)；

（3）、將鉆桿安裝在鉆機上，連接好排渣動力系統(tǒng)，啟動鉆機施工鉆孔，待安裝在鉆機上的首根鉆桿沒入巖層中后，在鉆桿尾部加長鉆桿，該工序循環(huán)進行；

（4）、待鉆進到巖層預(yù)定設(shè)計深度后停鉆，退出鉆桿；

（5）、調(diào)整鉆機位置，對另一個鉆孔進行鉆進作業(yè)；

（6）、重復(fù)步驟（2）、（3）、（4）、（5）。

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，步驟（1）確定采用不同的鉆桿結(jié)構(gòu)的具體方式為：

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，鉆桿凹連接件一側(cè)開始鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程長度呈由小到大或兩端大中間小趨勢變化，凸形仿生流紋凸起的高度為0 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為0 mm～10 mm；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，從鉆桿凹連接件一側(cè)開始鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程長度呈由大到小或兩端小中間大趨勢變化，凸形仿生流紋凸起的高度為5 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為3 mm～10 mm；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程長度呈由大到小或兩端小中間大趨勢變化，凸形仿生流紋凸起的高度為8 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為5 mm～10 mm。

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，步驟（2）確定鉆進工藝技術(shù)參數(shù)的具體方式為：

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，鉆桿轉(zhuǎn)速度設(shè)70 r/min～140 r/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，鉆桿轉(zhuǎn)速度為80 r/min～160 r/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，鉆桿轉(zhuǎn)速度為90 r/min～280 r/min；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，鉆進速度為0.3 m/min～1.2 m/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，鉆進速度為0.2 m/min～1 m/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，鉆進速度為0.1 m/min～0.8 m/min；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，空氣動力排渣時供風(fēng)風(fēng)量為5 m³/min～10 m³/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，空氣動力排渣時供風(fēng)風(fēng)量為5 m³/min～12 m³/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，空氣動力排渣時供風(fēng)風(fēng)量為8 m³/min～18 m³/min；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，水動力排渣時供水流量為0.1 m³/min～0.3 m³/min，供水壓力為0.3 MPa～0.6 MPa；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，水動力排渣時供水流量為0.1 m³/min～0.4 m³/min，供水壓力為0.3 MPa～0.8 MPa；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，水動力排渣時供水流量為0.2 m³/min～0.6 m³/min，供水壓力為0.5 MPa～1 MPa。

由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下效果：

本發(fā)明通過在鉆桿表面設(shè)計變導(dǎo)程螺旋結(jié)構(gòu)的仿生流紋，并根據(jù)施工地點巖石強度，依據(jù)復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，確定仿生流紋降阻鉆桿結(jié)構(gòu)和鉆進工藝技術(shù)參數(shù)。本發(fā)明針對復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進困難問題，依據(jù)巖石力學(xué)、仿生學(xué)相關(guān)理論，發(fā)明了復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿及鉆進方法，能夠有效降低鉆進阻力，提高鉆進排渣效率，預(yù)防鉆孔內(nèi)局部熱量聚集引起的鉆孔事故，有利于提高復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆孔深度和鉆進效率，值得在煤礦企業(yè)推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實施例一的剖視圖；

圖3是圖2的左視圖；

圖4是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明實施例二的剖視圖；

圖6是本發(fā)明實施例三的結(jié)構(gòu)圖；

圖7是本發(fā)明實施例三的剖視圖；

圖8是本發(fā)明實施例四的結(jié)構(gòu)圖；

圖9是本發(fā)明實施例四的剖視圖；

圖10是本發(fā)明實施例五的結(jié)構(gòu)圖；

圖11是本發(fā)明實施例五的剖視圖；

圖12是本發(fā)明實施例六的結(jié)構(gòu)圖；

圖13是本發(fā)明實施例六的剖視圖；

圖14是圖13的左視圖。

具體實施方式

實施例一：如圖1～圖3所示，本發(fā)明復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿，包括仿生凹連接件1、仿生中空桿體2、仿生凸連接件3，仿生凹連接件1、仿生中空桿體2、仿生凸連接件3同軸，仿生凹連接件1連接于仿生中空桿體2的一端，仿生凸連接件3連接于中空桿體2的另一端，仿生凹連接件1表面、仿生中空桿體2表面、仿生凸連接件3表面設(shè)置為凸形仿生流紋4或凹形仿生流紋5或凸形仿生流紋4與凹形仿生流紋5并存。

凸形仿生流紋4或凹形仿生流紋5設(shè)置為多頭變導(dǎo)程螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線頭數(shù)設(shè)置范圍為2~20，螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程設(shè)置范圍為0.03 m~20 m，凸形仿生流紋凸起的高度為0 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為0 mm～10 mm。

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，所述鉆桿采用如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，包括以下步驟：

（1）、根據(jù)施工地點巖石強度確定采用不同結(jié)構(gòu)的仿生流紋降阻鉆桿；

（2）、根據(jù)施工地點巖石強度確定鉆進工藝技術(shù)參數(shù)；

（3）、將鉆桿安裝在鉆機上，連接好排渣動力系統(tǒng)，啟動鉆機施工鉆孔，待安裝在鉆機上的首根鉆桿沒入巖層中后，在鉆桿尾部加長鉆桿，該工序循環(huán)進行；

（4）、待鉆進到巖層預(yù)定設(shè)計深度后停鉆，退出鉆桿；

（5）、調(diào)整鉆機位置，對另一個鉆孔進行鉆進作業(yè)；

（6）、重復(fù)步驟（2）、（3）、（4）、（5）。

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，步驟（1）確定采用不同的鉆桿結(jié)構(gòu)的具體方式為：

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，鉆桿凹連接件一側(cè)開始鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程長度呈由小到大或兩端大中間小趨勢變化，凸形仿生流紋凸起的高度為0 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為0 mm～10 mm；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，從鉆桿凹連接件一側(cè)開始鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程長度呈由大到小或兩端小中間大趨勢變化，凸形仿生流紋凸起的高度為5 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為3 mm～10 mm；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線導(dǎo)程長度呈由大到小或兩端小中間大趨勢變化，凸形仿生流紋凸起的高度為8 mm～20 mm，凹形仿生流紋凹槽的深度為5 mm～10 mm。

復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆進仿生流紋降阻鉆桿的鉆進方法，步驟（2）確定鉆進工藝技術(shù)參數(shù)的具體方式為：

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，鉆桿轉(zhuǎn)速度設(shè)70 r/min～140 r/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，鉆桿轉(zhuǎn)速度為80 r/min～160 r/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，鉆桿轉(zhuǎn)速度為90 r/min～280 r/min；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，鉆進速度為0.3 m/min～1.2 m/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，鉆進速度為0.2 m/min～1 m/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，鉆進速度為0.1 m/min～0.8 m/min；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，空氣動力排渣時供風(fēng)風(fēng)量為5 m³/min～10 m³/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，空氣動力排渣時供風(fēng)風(fēng)量為5 m³/min～12 m³/min；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，空氣動力排渣時供風(fēng)風(fēng)量為8 m³/min～18 m³/min；

當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為30 MPa≥f_r＞15 MPa范圍內(nèi)的較軟巖層時，水動力排渣時供水流量為0.1 m³/min～0.3 m³/min，供水壓力為0.3 MPa～0.6 MPa；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為15 MPa≥f_r＞5 MPa范圍內(nèi)的軟巖層時，水動力排渣時供水流量為0.1 m³/min～0.4 m³/min，供水壓力為0.3 MPa～0.8 MPa；當(dāng)施工地點巖樣飽和單軸抗壓強度為f_r＜5 MPa范圍內(nèi)的極軟巖層時，水動力排渣時供水流量為0.2 m³/min～0.6 m³/min，供水壓力為0.5 MPa～1 MPa。

下面介紹一下本發(fā)明實施例一仿生流紋降阻鉆桿鉆進原理：

如圖1、圖4所示，本發(fā)明仿生流紋降阻鉆桿表面設(shè)計變導(dǎo)程螺旋結(jié)構(gòu)的凸形仿生流紋4或凹形仿生流紋5，變導(dǎo)程螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計，沿鉆桿軸向，鉆桿表面的螺旋凸棱或凹槽導(dǎo)程逐漸變小，在鉆進排渣時，由于鉆桿表面螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)程的變化，便得其輸送鉆屑的速度也在發(fā)生著變化，排渣速度的波動，有利于避免鉆孔發(fā)生堵塞，從而實現(xiàn)降低排渣阻力的目的。此外，根據(jù)煤巖體的強度，調(diào)節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)仿生流紋導(dǎo)程的變化，間接調(diào)節(jié)了鉆屑在孔內(nèi)的流動速度，因此，科研及工程人員可根據(jù)施工地點的地質(zhì)條件，設(shè)計螺旋結(jié)構(gòu)仿生流紋的具體參數(shù)，使得排渣效率最優(yōu)，有利于提高復(fù)雜地質(zhì)條件煤巖層鉆孔深度和鉆進效率。

實施例二：如圖4～圖5所示，與實施例一不同的在于，鉆鉆桿表面設(shè)計為凹形仿生流紋5，實施例二的使用方法與實施例一相同。

實施例三：如圖6～圖7所示，與實施例一不同的在于，鉆桿表面的凸形仿生流紋4導(dǎo)程沿鉆桿軸向分布特征為兩端大中間小，實施例三的使用方法與實施例一、實施例二相同。

實施例四：如圖8～圖9所示，與實施例一不同的在于，鉆桿表面的凸形仿生流紋4導(dǎo)程沿鉆桿軸向分布特征為兩端小中間大，實施例四的使用方法與實施例一、實施例二、實施例三相同。

實施例五：如圖10～圖11所示，與實施例一不同的在于，鉆桿表面的凸形仿生流紋4導(dǎo)程沿鉆桿軸向分布特征為逐漸變大，實施例五的使用方法與實施例一、實施例二、實施例三、實施例四相同。

實施例六：如圖12～圖14所示，與實施例五不同的在于，鉆桿表面的螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線頭數(shù)設(shè)置為5，實施例六的使用方法與實施例一、實施例二、實施例三、實施例四、實施例五相同。

以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。