本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采钻孔护孔技术及煤与瓦斯治理工程领域，具体涉及一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置及造穴方法。
背景技术：
随着我国煤矿向深部开采，碎软突出煤层在煤矿生产中的比重越来越大，瓦斯治理问题日益突出，特别是在不具备保护层开采条件的矿区(井)高瓦斯低渗透性煤层中，采取增透措施辅助瓦斯抽采是目前应用最为广泛、最为有效的瓦斯治理手段。水力冲孔技术是在钻孔内利用高压水射流冲击破碎煤体，排出大量的煤与瓦斯，在煤层中形成直径较大的孔洞，洞室周围煤体在应力作用下原生裂隙扩展和产生新的裂隙，达到卸压增透，强化抽采的目的。其具有施工操作简单、性价比高、增透效果明显等显著优点，可推广性强。近些年，水力冲孔技术在我国的许多煤矿区，诸如两淮、河南、山西等石门揭煤和本煤层及穿层钻孔泄压增透中进行了大量试验与应用，从试验效果来看，水力冲孔能有效提高煤层渗透性，成倍提高有效抽采半径，缩短瓦斯达标抽采时间。目前水力冲孔完孔后普遍采用裸孔抽采，而煤层一般较破碎易塌孔，大大影响抽采效果，现有的水力冲孔技术还无法实现冲孔后直接护孔，提钻后难以裸孔内下入筛管护孔抽采，因此，尚需进一步研究钻冲护一体化的水力冲孔完孔技术，保障冲孔后的瓦斯抽采。
现有技术存在以下缺陷：
现有水力造穴钻具和机械造穴钻具由于其结构限制，无中空的内通道，均无法实现造穴完成后不提钻从钻杆内将筛管送入孔内完孔，而提钻后由于造穴段易塌孔，难以裸眼下入筛管，因此，目前的造穴钻孔一般采用裸眼抽采。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置及造穴方法，克服现有技术中水力冲孔造穴后无法不提钻下入护孔筛管的技术缺陷。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案包括：
一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，设置管体，管体侧壁内嵌设水道；管体轴接设置造穴短节；管体内设置压力转换活塞组件，所述的造穴短节与压力转换活塞组件轴向对接连通；水流推动压力转换活塞组件轴向移动进行水道封堵，形成的高压水流于造穴短节处进行高压水流造穴。
可选的，所述的压力转换活塞组件包括沿水流流向依次设置的密封承压体、活塞体和复位弹性件；水流依次推动密封承压体和活塞体压缩复位弹性件，活塞体轴向移动后进行水道封堵，形成的高压水流于造穴短节处进行高压水流造穴。
可选的，所述的密封承压体为钢化玻璃材质的圆片；所述的复位弹性件为矩形弹簧。
可选的，所述的压力转换活塞组件还包括设置在活塞体上游的活塞端盖；所述的活塞端盖为管式的接头结构，密封承压体密封压设在活塞端盖与活塞体之间。
可选的，所述的活塞体为管式结构；活塞体外设置导向套和第一密封圈。
可选的，与所述的水道连通，在靠近造穴短节安装端的管体上设置进水孔，管体另一端设置出水孔，出水孔设置在活塞体的轴向移动范围内。
可选的，在所述的出水孔下游的管体上还设置泄水孔。
可选的，所述的造穴短节为管式的结构；造穴短节一端伸入管体与压力转换活塞组件轴向对接连通，并于该端开设通水槽；造穴短节上游开设高压喷嘴孔。
一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴方法，采用本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置进行操作，具体包括：
第一步：依次连接可开闭钻头、钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置、大通径高压密封钻杆和水泵，进行非造穴钻进成孔，此时调整水泵压力不高于3mpa，可开闭钻头回转成孔，来自水泵的水流通过水道流向钻头供钻头冷却及冲孔；
第二步：钻进到预定造穴孔段，开启水力造穴，使水泵压力高于3mpa，水流压力推动活塞体轴向运动封堵出水孔，水流集中通过高压喷嘴孔流出，水压迅速升高进行高压水射流造穴；
第三步：造穴完成后，使泵压下降，活塞体由复位弹性件推回复位，水流通过水道流向钻头，当需要水力造穴时再重复第二步；
第四步：当完成钻孔所有钻进及造穴后，反复冲洗可开闭钻头并关停水泵。
一种基于钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置的冲孔造穴后不提钻筛管护孔方法，采用本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置进行操作，具体包括：
钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置一端连接可开闭钻头，另一端连接大通径高压密封钻杆；
第一步：依次连接筛管冲击器、筛管悬挂装置和筛管，从大通径高压密封钻杆内将筛管推入，筛管冲击器冲击破碎钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置的密封承压体后，将筛管继续推送经过可开闭钻头到达孔底；
第二步：筛管推送到孔底后，筛管悬挂装置打开挂住孔壁，提出钻具将筛管留置孔内进行封孔抽采瓦斯。
本发明的有益效果：
实现了钻孔、水力造穴、筛管护孔一体化施工，避免了提钻后塌孔造成的护孔难题；解决了水力造穴钻具内下筛管难题，拓宽了造穴技术煤层的适用范围，提高了造穴钻孔的瓦斯抽采效果。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1为本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置结构示意图；
1-造穴短节、11-钻杆母接头、12-高压喷嘴孔、13-管体公接头、14-通水槽；
2-管体、21-钻头公接头、22-泄水孔、23-出水孔、24-水道、25-进水孔、26-管体母接头、27-堵头；
3-压力转换活塞组件、31-复位弹性件、32-活塞体、33-导向套、34-第一密封圈、35-第二密封圈、36-密封承压体、37-活塞端盖。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：
结合图1，本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，设置管体2，管体2侧壁内嵌设水道24；管体2轴接设置造穴短节1；管体2内设置压力转换活塞组件3，造穴短节1与压力转换活塞组件3轴向对接连通；水流推动压力转换活塞组件3轴向移动进行水道24封堵，形成的高压水流于造穴短节1处进行高压水流造穴。本发明的装置主要通过调节水压实现非造穴钻进和水力造穴扩孔的切换，并且在成孔后通过内通孔下入护孔筛管实现钻冲护一体化施工。
在本公开的实施例中，压力转换活塞组件3包括沿水流流向依次设置的密封承压体36、活塞体32和复位弹性件31；水流依次推动密封承压体36和活塞体32压缩复位弹性件31，活塞体32轴向移动后进行水道24封堵，形成的高压水流于造穴短节1处进行高压水流造穴。
最好的，密封承压体36为钢化玻璃材质的圆片，不仅具有较好的承压能力，同时还能通过筛管冲击器对其进行破碎后进行筛管的下放，且该部件可以进行替换，属于廉价耗材；复位弹性件31为矩形弹簧，具有较好的回弹力和一定的承压力。
在本公开的实施例中，压力转换活塞组件3还包括设置在活塞体32上游的活塞端盖37；活塞端盖37为管式的接头结构，密封承压体36密封压设在活塞端盖37与活塞体32之间，这样，造穴短节1与活塞端盖37直接接触，不会破坏密封承压体36，同时给水流的分流提供一定的距离。
在本公开的实施例中，活塞体32为管式结构，这样不仅方便进行水道24的水流连通和封闭，同时还能允许同样为管式件的筛管的通过；活塞体32外设置导向套33和第一密封圈34，且在密封承压体36与活塞体32之间还设置第二密封圈35，增加压力转换活塞组件3内外的密封性，为水压的保持提供条件。
在本公开的实施例中，与水道24连通，在靠近造穴短节安装端的管体2上设置进水孔25，管体2另一端设置出水孔23，出水孔23设置在活塞体32的轴向移动范围内。在出水孔23下游的管体2上还设置泄水孔22。进水孔25的进水截面积大于高压喷嘴孔12的出水截面积，泄水孔22的设置是为了防止出水孔23封堵的情况下，对钻头进行冲洗，防止钻头被煤粉堵塞。
在本公开的实施例中，造穴短节1为管式的结构；造穴短节1一端伸入管体2与压力转换活塞组件3轴向对接连通，并于该端开设通水槽14；造穴短节1上游开设高压喷嘴孔12。造穴短节，钻杆母接头用于连接高压密封钻杆，高压喷嘴孔用于安装造穴用高压喷嘴，通水槽用于造穴和正常钻进时将水流分配引流至管体的进水流道。
管体母接头26与管体公接头13连接；进水孔25的进水口直径根据需要的通水量和节流压力确定；水道24一周布置多条，其通径大于进水孔25通水堵头的进水口直径；出水孔23的通水堵头的出水口直径不小于进水孔25的通水堵头的进水口直径；泄水孔22堵头的作用为造穴时通过此泄水堵头释放一定量的水用于防止钻头煤粉堵塞，孔径根据造穴扩孔时所需的泄水量确定；钻头公接头21与钻头连接，于管体2的两端设置堵头27。
本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴方法，包括：
采用本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置进行操作，具体包括：
第一步：依次连接可开闭钻头、钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置、大通径高压密封钻杆和水泵，进行非造穴钻进成孔，此时调整水泵压力不高于3mpa，可开闭钻头回转成孔，来自水泵的水流通过水道24流向钻头供钻头冷却及冲孔；
第二步：钻进到预定造穴孔段，开启水力造穴，使水泵压力高于3mpa，水流压力推动活塞体32轴向运动封堵出水孔23，水流集中通过高压喷嘴孔12流出，水压迅速升高进行高压水射流造穴；
第三步：造穴完成后，使泵压下降，活塞体32由复位弹性件31推回复位，水流通过水道24流向钻头，当需要水力造穴时再重复第二步；
第四步：当完成钻孔所有钻进及造穴后，反复冲洗可开闭钻头并关停水泵。
钻具的初始状态如图1所示，水流由钻杆流经造穴短节1时一部分通过高压喷嘴孔12安装的高压喷嘴喷出，另一部分经压力转换活塞组件3时，由于水被密封承压体36封堵，只能通过进水孔25、水道24、出水孔23和泄水孔22流向钻头。非造穴钻进时，此时钻具内为低压力水(小于3mpa)，水压作用于压力转换活塞组件3上的压力较小不足以推动活塞体32和复位弹性件31将出水孔23封堵，又由于进水孔总的进水截面积远大于高压喷嘴的总出水截面积，所以大部分水流流向钻头，其作用为冷却钻头和冲洗排出岩屑，只有小部分水流通过喷嘴喷出，防止喷嘴被煤粉堵塞。当需要水力造穴时，提高水压(大于3mpa)，此时水压作用于活塞体32的推力增加，当压缩复位弹性件31发生形变、活塞体32向左移动将出水孔23封堵时，由于总的通水截面骤然减小，而水量不变，因此水压迅速增高，大部分水流通过高压喷嘴孔12安装的高压喷嘴喷出进行射流造穴，另有小部分水流由泄水孔22流向钻头，防止钻头被煤粉堵塞。
本发明的基于钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置的冲孔造穴后不提钻筛管护孔方法包括以下步骤：
采用本发明的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置进行操作，具体包括：
钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置一端连接可开闭钻头，另一端连接大通径高压密封钻杆；
第一步：依次连接筛管冲击器、筛管悬挂装置和筛管，从大通径高压密封钻杆内将筛管推入，筛管冲击器冲击破碎钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置的密封承压体36后，将筛管继续推送经过可开闭钻头到达孔底；
第二步：筛管推送到孔底后，筛管悬挂装置打开挂住孔壁，提出钻具将筛管留置孔内进行封孔抽采瓦斯。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
1.一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，设置管体(2)，管体(2)侧壁内嵌设水道(24)；
管体(2)轴接设置造穴短节(1)；
管体(2)内设置压力转换活塞组件(3)，所述的造穴短节(1)与压力转换活塞组件(3)轴向对接连通；
水流推动压力转换活塞组件(3)轴向移动进行水道(24)封堵，形成的高压水流于造穴短节(1)处进行高压水流造穴。
2.根据权利要求1所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，所述的压力转换活塞组件(3)包括沿水流流向依次设置的密封承压体(36)、活塞体(32)和复位弹性件(31)；
水流依次推动密封承压体(36)和活塞体(32)压缩复位弹性件(31)，活塞体(32)轴向移动后进行水道(24)封堵，形成的高压水流于造穴短节(1)处进行高压水流造穴。
3.根据权利要求2所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，所述的密封承压体(36)为钢化玻璃材质的圆片；
所述的复位弹性件(31)为矩形弹簧。
4.根据权利要求2或3所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，所述的压力转换活塞组件(3)还包括设置在活塞体(32)上游的活塞端盖(37)；
所述的活塞端盖(37)为管式的接头结构，密封承压体(36)密封压设在活塞端盖(37)与活塞体(32)之间。
5.根据权利要求2或3所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，所述的活塞体(32)为管式结构；
活塞体(32)外设置导向套(33)和第一密封圈(34)。
6.根据权利要求1、2或3所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，与所述的水道(24)连通，在靠近造穴短节安装端的管体(2)上设置进水孔(25)，管体(2)另一端设置出水孔(23)，出水孔(23)设置在活塞体(32)的轴向移动范围内。
7.根据权利要求1、2或3所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，在所述的出水孔(23)下游的管体(2)上还设置泄水孔(22)。
8.根据权利要求1、2或3所述的钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置，其特征在于，所述的造穴短节(1)为管式的结构；
造穴短节(1)一端伸入管体(2)与压力转换活塞组件(3)轴向对接连通，并于该端开设通水槽(14)；造穴短节(1)上游开设高压喷嘴孔(12)。
9.一种钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置进行操作，具体包括：
第一步：依次连接可开闭钻头、钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置、大通径高压密封钻杆和水泵，进行非造穴钻进成孔，此时调整水泵压力不高于3mpa，可开闭钻头回转成孔，来自水泵的水流通过水道(24)流向钻头供钻头冷却及冲孔；
第二步：钻进到预定造穴孔段，开启水力造穴，使水泵压力高于3mpa，水流压力推动活塞体(32)轴向运动封堵出水孔(23)，水流集中通过高压喷嘴孔(12)流出，水压迅速升高进行高压水射流造穴；
第三步：造穴完成后，使泵压下降，活塞体(32)由复位弹性件(31)推回复位，水流通过水道(24)流向钻头，当需要水力造穴时再重复第二步；
第四步：当完成钻孔所有钻进及造穴后，反复冲洗可开闭钻头并关停水泵。
10.一种基于钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置的冲孔造穴后不提钻筛管护孔方法，采用权利要求1-8任一钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置进行操作，具体包括：
钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置一端连接可开闭钻头，另一端连接大通径高压密封钻杆；
第一步：依次连接筛管冲击器、筛管悬挂装置和筛管，从大通径高压密封钻杆内将筛管推入，筛管冲击器冲击破碎钻冲护一体化煤层钻孔水力造穴装置的密封承压体(36)后，将筛管继续推送经过可开闭钻头到达孔底；
第二步：筛管推送到孔底后，筛管悬挂装置打开挂住孔壁，提出钻具将筛管留置孔内进行封孔抽采瓦斯。
技术总结