本发明属于井下防喷孔保压钻孔技术领域，具体涉及一种井下防喷孔保压钻孔装置。
背景技术：
在对煤矿井下高瓦斯含量、高瓦斯压力的煤岩层进行打钻时，随着钻孔的煤体揭露，钻孔的孔壁煤岩体应力重新分布，钻孔内压力较低，煤岩层中的高压瓦斯等气流入钻孔内，煤体在瓦斯压力、地应力和钻孔扰动应力共同作用下容易喷孔，甚至诱导突出，喷出的煤炭随水流导致浪费资源、影响作业环境，同时喷孔形成钻孔的空洞较大，影响钻孔的成型和稳定性，对后期采取压裂等方法改造煤岩体裂隙不利，从而不利于瓦斯抽采；因不可控的喷孔诱导喷出的气、煤、钻井液、钻屑混合物影响作业安全，大量的瓦斯等气体涌出容易引起瓦斯超限，易导致瓦斯窒息、瓦斯爆炸等事故。在煤矿井下采用钻机钻孔时，现有的钻杆无法配合钻井液平衡钻孔内压力，退钻时，之前注入的钻井液会喷孔，喷孔改变煤岩体整体性，增加采掘顶板管理难度，从而影响安全生产。在软弱岩中进行钻进时，在地应力和钻孔扰动应力共同作用下容易引起钻孔坍塌，影响钻孔的稳定性和成型。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种井下防喷孔保压钻孔装置，其设计新颖合理，利用钻井液保压回液机构平衡钻孔内外的压力，并利用高压回流管向钻井液保压回液机构输送钻孔间隙回流的气液固混合物，通过独立钻杆连接多节连接钻杆组成钻杆，实现钻孔保压，防止钻井液喷孔，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：包括钻机和与所述钻机配合且伸入至煤岩层的钻杆机构，所述钻杆机构伸出煤岩层的一端外套设有防护管，所述防护管包括与钻孔的封孔段连接的高压导流管和设置在高压导流管远离封孔段一端用于保护钻机的套管，钻头的直径小于高压导流管的内径，所述钻杆机构与钻孔内壁之间形成与高压导流管连通的钻孔间隙，高压导流管上连接有与钻井液保压回液机构连通的高压回流管，所述钻井液保压回液机构包括保压回液容器、设置在所述保压回液容器内的保压活塞和设置在所述保压回液容器旁侧且与所述保压回液容器连通的积液池，所述保压回液容器位于保压活塞下侧的空间为储液腔，所述保压回液容器位于保压活塞上侧的空间为保压液腔，所述保压回液容器的底部设置有排液进液管，所述排液进液管上安装有排液进液控制阀，所述保压回液容器的顶部设置有高压排气管、安全卸压阀和保压进液管，所述保压进液管上安装有单向阀，保压活塞上开设有高压回气孔，高压回气孔通过高压排气管与高压排气管连通，所述高压排气管上安装有排气阀，深度指示杆伸入至所述保压回液容器内与保压活塞连接，所述深度指示杆的顶部安装有压力表；
所述钻杆机构包括独立钻杆、安装在独立钻杆前侧的钻头和安装在独立钻杆后侧的连接钻杆组件，所述连接钻杆组件包括n个依次连接的连接钻杆，其中，n为正整数。
上述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述独立钻杆包括中空结构的杆体以及设置在杆体内的弹簧挡台和保压球挡台，弹簧挡台和保压球挡台之间的空间形成通液腔，所述通液腔内设置有保压弹簧和与保压弹簧配合的保压球，弹簧挡台上开设有与通液腔连通的弹簧挡台通水孔，保压球挡台上开设有与通液腔连通的保压球挡台通水孔，弹簧挡台设置在杆体中靠近钻头的一侧，钻头通过杆头与杆体连接，杆体远离钻头的一端设置有与保压球挡台通水孔连通的连接孔。
上述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述连接钻杆包括独立钻杆和设置在独立钻杆前端的且为中空结构的钻杆连接头，钻杆连接头前端设置有保压球顶杆，保压球顶杆内开设有与独立钻杆连通的钻杆头通水孔。
上述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述高压回流管通过保压回液管与排液进液管连通，所述高压回流管上安装有回流阀。
上述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述保压回液容器底部还设置有排液出液管，所述保压回液容器通过排液出液管与积液池连通，所述排液出液管上安装有排液出液控制阀，所述排液出液管的高度高于排液进液管的高度。
上述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述保压球的外径大于保压球挡台通水孔的内径，保压球的外径大于保压弹簧的内径，所述保压弹簧的外径大于弹簧挡台通水孔的内径，所述保压球顶杆的外径小于保压球挡台通水孔的内径，所述连接孔的孔内壁上设置有内螺纹。
上述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述钻杆连接头外设置有外螺纹。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在钻杆机构伸出煤岩层的一端外套设防护管，防护管中高压导流管回收钻孔间隙回流的气液固混合物，并通过高压回流管传输至钻井液保压回液机构，有效调节钻孔内外的压力，高压导流管远离封孔段一端设置有套管，实现密封的同时减小钻杆与高压导流管的摩擦，便于推广使用。
2、本发明钻井液保压回液机构中保压活塞将保压回液容器分为储液腔和保压液腔，保压液腔通过安全卸压阀设置保压液腔压力，平衡钻孔内外的压力，避免钻孔内外的压力失衡，造成喷孔，保压活塞上开设高压回气孔，释放储液腔中回收的瓦斯等气体，利用积液池收集储液腔中回收的液体和沉淀回收固体钻屑物，往复进行，实现保压钻孔，安全可靠，深度指示杆直观显示保压活塞的移动位置，避免保压活塞挤压高压排气管，使用寿命长，同时还可指示储液腔的工作状态，效果好。
3、本发明设计新颖合理，独立钻杆和连接钻杆均通过设置弹簧挡台和保压球挡台将保压弹簧和保压球限位在杆体内，弹簧挡台上开设有弹簧挡台通水孔，保压球挡台上开设有保压球挡台通水孔，保证钻井液能够顺利灌注入煤岩层，将保压球设置在杆体远离钻头的一端，当钻机钻进时，钻机顶推保压球，使保压球与保压球挡台分离，钻井液经保压球挡台通水孔进入通液腔并经弹簧挡台通水孔流出杆体，保证钻井液顺利灌注，退钻时，保压球退回至保压球挡台位置处，封堵保压球挡台通水孔，实现钻孔保压，防止钻孔内钻井液喷孔造成失压，安全可靠，每连接一节连接钻杆，连接钻杆上的钻杆连接头与前一节中的连接孔螺纹配合钻杆连接头前侧的保压球顶杆顶推前一节钻杆中的保压球，保证钻杆的中空通道，便于钻井液流通，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，利用钻井液保压回液机构平衡钻孔内外的压力，并利用高压回流管向钻井液保压回液机构输送钻孔间隙回流的气、液、固混合物，通过独立钻杆连接多节连接钻杆组成钻杆，实现钻孔保压，防止钻井液喷孔，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明独立钻杆的结构示意图。
图3为本发明连接钻杆的结构示意图。
附图标记说明:
1—钻头；2—独立钻杆；2-1—杆体；
2-2—杆头；2-3—弹簧挡台；2-4—弹簧挡台通水孔；
2-5—通液腔；2-6—保压弹簧；2-7—保压球；
2-8—保压球挡台；2-9—保压球挡台通水孔；
2-10—连接孔；3—连接钻杆；3-1—保压球顶杆；
3-2—钻杆连接头；3-3—钻杆头通水孔；4—封孔段；
5—高压导流管；6—高压回流管；6-1—保压回液管；
6-2—回流阀；7—钻井液保压回液机构；
7-1—储液腔；7-2—保压液腔；7-3—保压活塞；
7-4—高压回气孔；7-5—高压排气管；7-6—高压排气管；
7-7—安全卸压阀；7-8—保压进液管；7-9—排液进液管；
7-10—排液出液管；7-11—排液进液控制阀；
7-12—排液出液控制阀；7-13—深度指示杆；
7-14—压力表；7-15—排气阀；7-16—积液池；
7-17—单向阀；8—钻机；9—煤岩层；
10—套管；11—钻孔间隙。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明包括钻机8和与所述钻机8配合且伸入至煤岩层9的钻杆机构，所述钻杆机构伸出煤岩层9的一端外套设有防护管，所述防护管包括与钻孔的封孔段4连接的高压导流管5和设置在高压导流管5远离封孔段4一端用于保护钻机8的套管10，钻头1的直径小于高压导流管5的内径，所述钻杆机构与钻孔内壁之间形成与高压导流管5连通的钻孔间隙11，高压导流管5上连接有与钻井液保压回液机构7连通的高压回流管6，所述钻井液保压回液机构7包括保压回液容器、设置在所述保压回液容器内的保压活塞7-3和设置在所述保压回液容器旁侧且与所述保压回液容器连通的积液池7-16，所述保压回液容器位于保压活塞7-3下侧的空间为储液腔7-1，所述保压回液容器位于保压活塞7-3上侧的空间为保压液腔7-2，所述保压回液容器的底部设置有排液进液管7-9，所述排液进液管7-9上安装有排液进液控制阀7-11，所述保压回液容器的顶部设置有高压排气管7-6、安全卸压阀7-7和保压进液管7-8，所述保压进液管7-8上安装有单向阀7-17，保压活塞7-3上开设有高压回气孔7-4，高压回气孔7-4通过高压排气管7-5与高压排气管7-6连通，所述高压排气管7-6上安装有排气阀7-15，深度指示杆7-13伸入至所述保压回液容器内与保压活塞7-3连接，所述深度指示杆7-13的顶部安装有压力表7-14；
所述钻杆机构包括独立钻杆2、安装在独立钻杆2前侧的钻头1和安装在独立钻杆2后侧的连接钻杆组件，所述连接钻杆组件包括n个依次连接的连接钻杆3，其中，n为正整数。
需要说明的是，通过在钻杆机构伸出煤岩层9的一端外套设防护管，防护管中高压导流管5回收钻孔间隙回流的气、液、固混合物，并通过高压回流管6传输至钻井液保压回液机构7，有效调节钻孔内外的压力，高压导流管5远离封孔段4一端设置有套管10，实现密封的同时减小独立钻杆2与高压导流管5的摩擦；钻井液保压回液机构7中保压活塞7-3将保压回液容器分为储液腔7-1和保压液腔7-2，保压液腔7-2通过安全卸压阀7-7设置保压液腔7-2压力，平衡钻孔内外的压力，避免钻孔内外的压力失衡，造成喷孔，保压活塞7-3上开设高压回气孔7-4，释放储液腔7-1中回收的气体，利用积液池7-16收集储液腔7-1中回收的液体，往复进行，实现保压钻孔，安全可靠，深度指示杆7-13直观显示保压活塞7-3的移动位置，避免保压活塞7-3挤压高压排气管7-5，使用寿命长，同时还可指示储液腔7-1的工作状态，效果好，钻头1的直径小于高压导流管5的内径，便于钻头1的取出。
本实施例中，所述独立钻杆2包括中空结构的杆体2-1以及设置在杆体2-1内的弹簧挡台2-3和保压球挡台2-8，弹簧挡台2-3和保压球挡台2-8之间的空间形成通液腔2-5，所述通液腔2-5内设置有保压弹簧2-6和与保压弹簧2-6配合的保压球2-7，弹簧挡台2-3上开设有与通液腔2-5连通的弹簧挡台通水孔2-4，保压球挡台2-8上开设有与通液腔2-5连通的保压球挡台通水孔2-9，弹簧挡台2-3设置在杆体2-1中靠近钻头1的一侧，钻头1通过杆头2-2与杆体2-1连接，杆体2-1远离钻头1的一端设置有与保压球挡台通水孔2-9连通的连接孔2-10。
本实施例中，所述连接钻杆3包括独立钻杆2和设置在独立钻杆2前端的且为中空结构的钻杆连接头3-2，钻杆连接头3-2前端设置有保压球顶杆3-1，保压球顶杆3-1内开设有与独立钻杆2连通的钻杆头通水孔3-3。
需要说明的是，通过设置弹簧挡台2-3和保压球挡台2-8将保压弹簧2-6和保压球2-7限位在杆体2-1内，弹簧挡台2-3上开设有弹簧挡台通水孔2-4，保压球挡台2-8上开设有保压球挡台通水孔2-9，保证钻井液能够顺利灌注入钻孔；将保压球2-7设置在杆体2-1远离钻头1的一端，当钻机8钻进时，钻机8配合保压球顶杆3-1顶推保压球2-7，使保压球2-7与保压球挡台2-8分离，钻井液经保压球挡台通水孔2-9进入通液腔2-5并经弹簧挡台通水孔2-4流出杆体2-1，保证钻井液顺利灌注，退钻时，保压球2-7退回至保压球挡台2-8位置处，封堵保压球挡台通水孔2-9，实现钻孔保压，防止钻井液喷孔而导致失压，安全可靠，可靠稳定；每连接一节连接钻杆3，连接钻杆3上的钻杆连接头3-2与前一节中的连接孔2-10螺纹配合钻杆连接头3-2前侧的保压球顶杆3-1顶推前一节钻杆中的保压球2-7，保证钻杆的中空通道，便于钻井液流通。
本实施例中，所述高压回流管6通过保压回液管6-1与排液进液管7-9连通，所述高压回流管6上安装有回流阀6-2，回流阀6-2为常开状态，更换保压回液管6-1时关闭回流阀6-2。
本实施例中，所述保压回液容器底部还设置有排液出液管7-10，所述保压回液容器通过排液出液管7-10与积液池7-16连通，所述排液出液管7-10上安装有排液出液控制阀7-12，所述排液出液管7-10的高度高于排液进液管7-9的高度。
需要说明的是，排液出液管7-10的高度高于排液进液管7-9的高度的目的是保持保压回液容器中留存一定体积的液体，避免液体经排液出液管7-10全部流入积液池7-16而排空，限位保压活塞7-3下移位置，避免保压活塞7-3下移至保压回液容器底部而封堵排液进液管7-9，导致钻井液保压回液机构7保压失效。
本实施例中，所述保压球2-7的外径大于保压球挡台通水孔2-9的内径，保证保压球挡台2-8对保压球2-7的有效阻挡限位，保压球2-7的外径大于保压弹簧2-6的内径，保证保压球2-7与保压弹簧2-6的有效挤压，所述保压弹簧2-6的外径大于弹簧挡台通水孔2-4的内径，保证弹簧挡台2-3对保压弹簧2-6的有效阻挡限位，所述保压球顶杆3-1的外径小于保压球挡台通水孔2-9的内径，便于保压球顶杆3-1伸入至保压球挡台通水孔2-9内，实现对保压球2-7的顶推，实际使用时，保压球顶杆3-1长度能保证将保压球2-7顶离保压球挡台2-8，所述连接孔2-10的孔内壁上设置有内螺纹。
本实施例中，所述钻杆连接头3-2外设置有外螺纹，便于与连接孔2-10的孔内壁上的内螺纹配合。
本发明使用时，利用钻机8和与所述钻机8配合且伸入至煤岩层9中的钻杆机构在设计位置按照设计方位角和设计倾角打钻，直至打钻深度达到设计深度，所述设计深度等于封孔段4的长度，此时钻杆机构的长度不小于封孔段4的长度；
在钻杆机构的后侧安装连接钻杆3，延长钻杆机构，当钻杆机构的长度等于封孔段4、高压导流管5和套管10的长度总和时，将高压导流管5套设在钻杆机构伸出煤岩层9的一端，并与封孔段4密封连接，高压导流管5远离封孔段4一端设置有套管10并与高压导流管5密封连接；
根据公式p＝kp1，获取保压压力值p，其中，k为安全系数，p1为钻井液补偿地层压力的径向应力值；
从保压进液管7-8加注保压液，经单向阀7-17将保压液进入保压液腔7-2推动保压活塞7-3，保压活塞7-3下移将储液腔7-1中的气体经保压活塞7-3中高压回气孔7-4、高压排气管7-5和高压排气管7-6排出至废气回收系统，直至深度指示杆7-13位置不再移动且压力表7-14显示的压力值不变，停止加注保压液，完成储液腔7-1排气；
调节安全卸压阀7-7的压力值为保压压力值p，通过压力表7-14实时监测保压液腔7-2内的保压压力值；在钻杆机构后连接一节新的连接钻杆3，更新钻杆机构，通过钻机8向更新后的钻杆机构注入压力为p的钻井液，钻井液经新的连接钻杆3中的连接孔2-10和保压球挡台通水孔2-9，经连接钻杆3前侧的保压球顶杆3-1顶推前一节钻杆中的保压球2-7，推动保压球2-7压缩保压弹簧2-6，使保压球2-7离开保压球挡台2-8，钻井液经保压球2-7和通液腔2-5的间隙，再经弹簧挡台通水孔2-4和杆头2-2进入前一节钻杆，直至输送至钻头1进入煤岩层9，钻井液混合气体和钻屑物经钻孔间隙11回流，回流至高压导流管5中经高压回流管6进入储液腔7-1，随着钻井液混合气体和钻屑物的回流，储液腔7-1中压力不断升高，推动保压活塞7-3向上运动，当保压液腔7-2压力大于保压压力值p时，安全卸压阀7-7开启，储液腔7-1中的钻井液混合钻屑物保持保压压力值p推动保压活塞7-3不断向上运动，实现保压钻孔；
钻机8停止钻进后退钻，高压钻井液回流，保压弹簧2-6推动保压球2-7复位，保压球2-7抵接保压球挡台2-8封堵保压球挡台通水孔2-9，钻杆机构实现停钻保压密封钻杆；同时关闭排液进液控制阀7-11，采取前述储液腔排气过程，排出随钻井液混合钻屑物带出的气体，排气结束后关闭排气阀7-15，打开排液出液控制阀7-12，向保压液腔7-2加注保压液，保压液推动保压活塞7-3向下运动，储液腔7-1中钻井液混合钻屑物经排液出液管7-10流入积液池7-16，再连接一节新的连接钻杆3钻孔保压钻进、排气并排液，以此类推，实现煤岩层9的持续保压钻孔；当回撤钻杆机构退钻时，继续向钻孔注入钻井液，并同时退钻，保证钻孔中压力不会骤降，实现保压退钻。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
1.一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：包括钻机(8)和与所述钻机(8)配合且伸入至煤岩层(9)的钻杆机构，所述钻杆机构伸出煤岩层(9)的一端外套设有防护管，所述防护管包括与钻孔的封孔段(4)连接的高压导流管(5)和设置在高压导流管(5)远离封孔段(4)一端用于减小钻杆摩擦和密封钻杆的套管(10)，钻头(1)的直径小于高压导流管(5)的内径，所述钻杆机构与钻孔内壁之间形成与高压导流管(5)连通的钻孔间隙(11)，高压导流管(5)上连接有与钻井液保压回液机构(7)连通的高压回流管(6)，所述钻井液保压回液机构(7)包括保压回液容器、设置在所述保压回液容器内的保压活塞(7-3)和设置在所述保压回液容器旁侧且与所述保压回液容器连通的积液池(7-16)，所述保压回液容器位于保压活塞(7-3)下侧的空间为储液腔(7-1)，所述保压回液容器位于保压活塞(7-3)上侧的空间为保压液腔(7-2)，所述保压回液容器的底部设置有排液进液管(7-9)，所述排液进液管(7-9)上安装有排液进液控制阀(7-11)，所述保压回液容器的顶部设置有高压排气管(7-6)、安全卸压阀(7-7)和保压进液管(7-8)，所述保压进液管(7-8)上安装有单向阀(7-17)，保压活塞(7-3)上开设有高压回气孔(7-4)，高压回气孔(7-4)通过高压排气管(7-5)与高压排气管(7-6)连通，所述高压排气管(7-6)上安装有排气阀(7-15)，深度指示杆(7-13)伸入至所述保压回液容器内与保压活塞(7-3)连接，所述深度指示杆(7-13)的顶部安装有压力表(7-14)；
所述钻杆机构包括独立钻杆(2)、安装在独立钻杆(2)前侧的钻头(1)和安装在独立钻杆(2)后侧的连接钻杆组件，所述连接钻杆组件包括n个依次连接的连接钻杆(3)，其中，n为正整数。
2.按照权利要求1所述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述独立钻杆(2)包括中空结构的杆体(2-1)以及设置在杆体(2-1)内的弹簧挡台(2-3)和保压球挡台(2-8)，弹簧挡台(2-3)和保压球挡台(2-8)之间的空间形成通液腔(2-5)，所述通液腔(2-5)内设置有保压弹簧(2-6)和与保压弹簧(2-6)配合的保压球(2-7)，弹簧挡台(2-3)上开设有与通液腔(2-5)连通的弹簧挡台通水孔(2-4)，保压球挡台(2-8)上开设有与通液腔(2-5)连通的保压球挡台通水孔(2-9)，弹簧挡台(2-3)设置在杆体(2-1)中靠近钻头(1)的一侧，钻头(1)通过杆头(2-2)与杆体(2-1)连接，杆体(2-1)远离钻头(1)的一端设置有与保压球挡台通水孔(2-9)连通的连接孔(2-10)。
3.按照权利要求1所述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述连接钻杆(3)包括独立钻杆(2)和设置在独立钻杆(2)前端的且为中空结构的钻杆连接头(3-2)，钻杆连接头(3-2)前端设置有保压球顶杆(3-1)，保压球顶杆(3-1)内开设有与独立钻杆(2)连通的钻杆头通水孔(3-3)。
4.按照权利要求1所述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述高压回流管(6)通过保压回液管(6-1)与排液进液管(7-9)连通，所述高压回流管(6)上安装有回流阀(6-2)。
5.按照权利要求1所述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述保压回液容器底部还设置有排液出液管(7-10)，所述保压回液容器通过排液出液管(7-10)与积液池(7-16)连通，所述排液出液管(7-10)上安装有排液出液控制阀(7-12)，所述排液出液管(7-10)的高度高于排液进液管(7-9)的高度。
6.按照权利要求2所述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述保压球(2-7)的外径大于保压球挡台通水孔(2-9)的内径，保压球(2-7)的外径大于保压弹簧(2-6)的内径，所述保压弹簧(2-6)的外径大于弹簧挡台通水孔(2-4)的内径，所述保压球顶杆(3-1)的外径小于保压球挡台通水孔(2-9)的内径，所述连接孔(2-10)的孔内壁上设置有内螺纹。
7.按照权利要求3所述的一种井下防喷孔保压钻孔装置，其特征在于：所述钻杆连接头(3-2)外设置有外螺纹。
技术总结