CN100462522C - 突出煤层保压钻进切缝设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种突出煤层保压钻进切缝设备及其方法，该保压钻进切缝设备包括钻机、钻杆钻具系统以及分离系统，钻杆钻具系统一端装有带有轴向喷射孔的钻头和带有径向喷射孔的液控阀，而在钻杆另一端套设有保压管。使用上述设备主要是利用套设有保压管的钻杆钻具进行钻进和切缝，同时利用补压泵和保压溢流阀对钻孔内压力进行调节以保持钻孔内压力基本恒定。利用轴向喷射孔喷射液流以冲出导引孔，辅助钻头钻进，利用径向喷射孔在钻孔壁上切缝。通过采用上述设备和方法，可以防止在钻进过程中发生喷孔或者塌孔，从而实现在突出煤层中打深孔，并对钻孔壁进行切缝，进而提高突出煤层中瓦斯的抽放效果和消突效果。

Description

突出煤层保压钻进切缝设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于采矿的钻进切缝设备及其方法，具体而言，尤其涉及一种用于煤矿突出煤层的保压钻进切缝设备及突出煤层的保压钻进切缝方法。

背景技术

在我国的煤炭开采工业中，在对具有煤与瓦斯突出危险性的矿井采掘之前需要在煤层中钻孔，以抽放或排放瓦斯，从而达到消除煤与瓦斯突出隐患的目的。

但是，在很多具有煤与瓦斯突出危险性的煤层(下称“突出煤层”)中钻孔深度难以逾越100米。造成上述现象的原因是复杂的，但是其主要原因在于孔内突出。所谓孔内突出，即钻孔径向周围的煤体连同瓦斯向钻孔的空间喷出，从而煤体堆积、阻塞钻孔空间，使钻杆受到很大的阻力，从而产生卡钻现象。

造成孔内突出的原因主要在于煤体内存在高压瓦斯。煤属于空隙体，瓦斯以吸附态和游离态两种状态存在于煤体中，在约束条件和外界环境变化时，两者可以相互转化。每吨煤的瓦斯含量高达数十立方米，瓦斯压力高达2～6MP不等。钻进引起钻孔周围煤体约束条件突变，吸附态瓦斯向游离态瓦斯转化，在钻孔周边煤体的空隙中充满高压瓦斯，高压瓦斯的膨胀力使钻孔周围的煤体破坏，形成煤与瓦斯喷射流(即喷孔)，使钻孔坍塌或者钻孔堵塞，从而使钻杆被卡，被迫停止继续向前钻进。利用强力钻机增大转矩，虽然可以缓解卡钻现象，但因钻杆受到的摩擦阻力太大，容易引起钻杆过度发热，在河南平顶山、山西晋城出现钻杆引燃瓦斯、钻杆被烧断的现象。所以，单纯依靠强力钻机，仍然不能解决问题。

基于上述原因，在突出煤层中难以打出深度较大的钻孔，从而导致钻进作业效率低，制约瓦斯的抽放范围、抽放效果和排放效果。

因此，为了大范围、高效率抽放或排放瓦斯，有必要设计一种新的钻进切缝设备以克服上述各种缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的突出煤层保压钻进切缝设备及其使用方法，以防止在钻进切缝过程中发生喷孔或者塌孔，实现在突出煤层中钻进深孔和在钻孔壁上切缝，从而提高瓦斯的抽放效果和消突效果。

为了实现上述发明目的，本发明是这样设计的：

本发明的突出煤层保压钻进切缝设备，其包括设有供压接口的钻机、与钻机工作连接的钻杆钻具系统以及与钻杆钻具系统配合使用的分离系统，在所述钻机的输出端装卡连接有钻杆钻具系统，该钻杆钻具系统包括与钻机输出端工作连接的空心的钻杆，钻杆远离钻机的最远端装有钻头，在靠近钻头处依次设有螺旋叶片和径向喷射孔，而在钻杆的靠近钻机的一端套设有保压管，在径向喷射孔处设有液控阀，液控阀控制轴向喷射孔和径向喷射孔的喷射压力和喷射顺序，保压管和钻杆之间设有旋转密封装置，所述保压管的周壁上分别开设有压力补充孔和溢流孔，并还于该保压管周壁进一步安装有压力监测装置，所述分离系统包括与溢流孔连接的保压溢流阀和与保压溢流阀连通的收集装置。

本发明的突出煤层保压钻进切缝方法主要包括以下步骤：

首先，在突出煤层钻设一段孔并将一保压管部分插入到该孔内，并对保压管与该孔壁之间采用密封或封堵措施，其中保压管上设有压力补充孔、溢流孔和压力监测装置；

然后将一钻杆插入保压管，并在钻杆和保压管之间安装旋转密封装置；

随后，通过一保压溢流阀将设有收集装置的一分离系统与保压管的溢流口连接；

接下来，开动钻机以驱动钻杆，为钻杆提供扭矩和推力，同时，将高压液流供给设备与钻机的供液接口相连接，以提供高压液流，所述高压液流从空心的钻杆内部进入液控阀，当供液压力低于某一值时，径向喷射孔处于关闭状态，高压液流从轴向喷射孔喷出，以在孔底的煤壁上切割小直径引导孔，然后钻头将这一引导孔扩大，钻杆逐节加长，逐步向前钻进；达到要求的钻进深度后，停止向前钻进，并提高供液压力，当供液压力高于某一值时，液控阀发生作用使轴向喷射孔处于关闭状态，高压液流从径向喷射孔喷出，配合钻杆的旋转或轴向移动，在钻孔径向切割出不同形状的缝槽，钻杆逐节拆除，逐步后退切缝；

在上述过程中要对钻孔内压力进行监测和调节，当孔内压力低于一定数值时，利用外接于保压管的压力补充孔的一供压设备为孔内加压直至某一数值；当钻孔内压力超过一定数值时，保压溢流阀打开，钻孔内的液体、煤粉和瓦斯通过保压溢流阀进入收集装置，同时钻孔内的压力下降，当钻孔内压力下降到一定数值时，保压溢流阀关闭，以保持钻孔内的压力基本恒定；

最后，完成要求的钻进和切缝工作之后，可拆除钻杆钻具系统，开始下一个地点的施工。

通过使用本发明的钻进设备，可以大幅度地提高在突出煤层中的钻进深度，同时有效地控制在钻进过程中的瓦斯解吸(甚至突出)，并利用保压的技术手段来支撑孔壁，解决了卡钻、喷孔和顶钻等问题，以实现集中掘进和集中抽放，使得月进长度大幅度提高。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是示出了本发明的钻杆钻具装置截面的保压钻进切缝设备的示意图。

图2是本发明的保压钻进切缝设备的钻进切缝部分的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的突出煤层保压钻进切缝设备1包括用于提供动力的钻机2、与钻机2工作连接的钻杆钻具系统4以及与钻杆钻具系统4配合使用的用于收集钻进过程产生的煤粉、水以及其他物质的分离系统6。

其中钻机2一端设有供压接口20，其他部分与现有的钻机构造基本相同。该供压接口20用于连接为突出煤层保压钻进切缝设备1提供高压液流的供给装置。

在钻机2的输出端装卡连接有钻杆钻具系统4，该钻杆钻具系统4包括与钻机2输出端工作连接的空心的钻杆44，该钻杆44的空心部分用于通过高压液流。所述钻杆44的靠近钻机2的一端套设有保压管40，该保压管40可以采用钢管等金属材料制成，也可以采用高分子聚合材料制成。所述保压管40和钻杆44之间设有旋转密封装置43以实现对液流或者气体的密封。在保压管40靠近钻机2的一端设有堵头42，该堵头42与保压管40之间可通过螺纹连接、法兰连接以及本领域普通技术人员所熟悉的其他方式连接。钻杆44上设有托架46，该托架46用以防止钻孔过度偏斜，这是因为当钻杆44钻进深度较大时，通过托架46可保证保护钻杆的直线度。

所述保压管40的周壁上分别开设有用于对保压管40内气体或其他物质取样的取样孔400、压力补充孔402和溢流孔404，并且还于该保压管40周壁进一步安装有压力表406以监测保压管40内的压力。当保压管40内压力过小时，可通过外接的压力补充装置通过压力补充孔402增加钻孔内压力；当压管40的压力过大时，溢流孔404开启以降低钻孔内压力，直至钻孔内压力降到一定数值以后，溢流孔404才会关闭。

请参阅图2，钻杆44的钻进切缝部分440在其距离钻机2的最远端安装有钻头440a，在钻头440a的中心部分设有至少一个轴向喷射孔440b，即所述轴向喷射孔440b设置在钻头440a的钻齿(未标号)之间，该轴向喷射孔440b可以向外喷射轴向的高压液流，该高压液流从轴向喷射孔440b喷出以在孔底的煤壁上切割一小直径引导孔，然后钻头440a将这一小孔扩大，从而大幅度地降低钻进时所需要的推力。在邻近钻头440a的部分设有螺旋的叶片440c，所述叶片440c可以整理钻头440a所钻的孔的孔壁并且将钻进过程中产生的煤粉等物质向孔口输送。钻进部分440于靠近叶片440c处还设有径向喷射孔440d，该径向喷射孔440d可以向外喷射径向或者其他方向的高压液流，通过该径向高压液流在钻孔内煤壁切割缝隙以获得较佳的瓦斯抽放效果。所述径向喷射孔440d可以为多个，且彼此在轴向上相互间隔并均匀交错排列，通过上述径向喷射孔440d的高压液流在钻孔内的煤壁上的割缝更加密集且均匀，从而使瓦斯的抽放效果更好。此外，钻进部分440设有控制轴向喷射孔440b和径向喷射孔440d喷射压力和喷射顺序的液控阀440e。此种液控阀440e可以采用现有的可实现上述功能的液控阀，当然也可以采用本领域普通技术人员熟知的其他替代手段或装置。

分离器6包括收集装置60和保压溢流阀62，其作用是将钻进切缝过程中排出的水、煤粉与瓦斯分离。分离后的水、煤粉与瓦斯可以根据需要被合理利用。

在应用本发明的钻进切缝设备1的过程中，首先要在突出煤层煤壁上钻设一段孔并将保压管40部分插入到该孔内，所述孔的直径以适合对保压管40和该孔之间采用封堵施工为宜；然后将钻杆44插入保压管40，其中在钻杆44和保压管40之间安装旋转密封装置43，随后将堵头42加盖在保压管40上。

然后，通过保压溢流阀62将分离系统6的收集装置60与保压管40的溢流口404连接。当时钻孔内压力过大时，钻孔内的水、瓦斯和煤粉可以通过保压溢流阀62进入收集装置60内；当钻孔内压力降到某一数值时，保压溢流阀62关闭。

接下来，开动钻机2以驱动钻杆44，为钻杆44提供扭矩和推力，从而使钻杆44在突出煤层内旋转推进。此过程中高压液流供给设备(如高压泵站)与钻机2的供液接口20相连接以为其提供高压液流，所述高压液流从空心的钻杆44内部进入液控阀440e，当供液压力低于某一值时，径向喷射孔440d处于关闭状态，高压液流从轴向喷射孔440b喷出，以在孔底的煤壁上切割一小直径引导孔，然后钻头440a将这一小孔扩大，从而大幅度地降低钻进时所需要的推力，并使钻孔保持平直，这一过程中钻杆逐节加长、逐步向前钻进；达到要求的钻进深度后停止钻进，然后提高供液压力，当供液压力高于某一值时，通过液控阀440e的作用使轴向喷射孔440b关闭，可以采用现有的液控阀440e或本领域普通技术人员所熟知的其他替代性技术手段来实现上述功能。此时高压液流从径向喷射孔440d喷出，在径向方向或者其他方向上对煤壁进行切割，以增加煤体的透气性，进而提高瓦斯的抽放效果和消突效果，这一过程中钻杆逐节拆除、逐步后退切缝。

在整个钻进切缝的过程中，要保持钻孔内的压力基本恒定，以防止塌孔。当钻孔内压力达到一定数值时，保压溢流阀62打开，钻进、液力切缝时产生的液体、煤粉和瓦斯通过保压溢流阀62进入收集装置60。通过保压溢流阀62，可以保证钻孔内压力基本恒定。当旋转密封失效或因其它原因导致钻孔内压力下降时，可通过压力补充孔402提高钻孔内压力。以上所述的各种压力参数的制定需要根据具体突出煤层的瓦斯参数来确定，并且在对某一突出煤层进行钻进切缝的过程中，仍需根据实际情况适当调节参数，在钻进与切缝的不同阶段，钻孔内的保压值可以是不一样的，需要根据具体情况进行调试和选择。

最后，完成钻进和切缝施工后，可拆除钻进切缝设备1，到下一个施工地点施工。

通过采用本发明的钻进切缝设备1对突出煤层进行钻进和切缝，可提高钻孔深度的同时增加煤层的透气性，这对突出煤层的瓦斯治理具有促进作用。

Claims (10)

1.一种突出煤层保压钻进切缝设备，其特征在于：该保压钻进切缝设备包括设有供压接口的钻机、与钻机工作连接的钻杆钻具系统以及与钻杆钻具系统配合使用的分离系统，在所述钻机的输出端装卡连接有钻杆钻具系统，该钻杆钻具系统包括与钻机输出端工作连接的空心的钻杆，钻杆远离钻机的一端装有钻头，而在钻杆的靠近钻机的一端套设有保压管，保压管和钻杆之间设有旋转密封装置，所述保压管的周壁上分别开设有压力补充孔和溢流孔，并还于所述保压管周壁进一步安装有压力监测装置，所述分离系统包括与溢流孔连接的保压溢流阀和与保压溢流阀连通的收集装置。

2.如权利要求1所述的突出煤层保压钻进切缝设备，其特征在于：钻杆在靠近钻头处设有控制液流的液控阀，而钻头设有用于喷射轴向液流的轴向喷射孔，其中液控阀控制轴向喷射孔的开启和关闭。

3.如权利要求2所述的突出煤层保压钻进切缝设备，其特征在于：钻杆进一步设有至少一个径向喷射孔，该径向喷射孔可在径向或者其他方向上向外喷射高压液流，其中液控阀控制径向喷射孔的开启和关闭。

4.如权利要求3所述的突出煤层保压钻进切缝设备，其特征在于：所述轴向喷射孔沿钻杆轴向沿伸，并且该轴向喷射孔出口设置在钻头的钻齿之间。

5.如权利要求3所述的突出煤层保压钻进切缝设备，其特征在于：所述径向喷射孔为多个，且彼此在轴向上相互间隔并交错排列。

6.一种突出煤层保压钻进切缝方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

首先，在突出煤层煤壁上钻设一段孔并将一保压管部分插入到该孔内，并对该孔与保压管之间的间隙进行密封或封堵，其中保压管上设有压力补充孔、溢流孔和压力监测装置；

然后将一钻杆插入保压管，并在钻杆和保压管之间安装旋转密封装置，该钻杆一端工作连接一钻机；

随后，通过一保压溢流阀将设有收集装置的一分离系统与保压管的溢流口连接；

接下来，开动钻机以驱动钻杆，为钻杆提供扭矩和推力；

在钻进同时，要对钻孔内压力进行监测和调节，当钻孔内压力低于一定数值时，利用外接于保压管的压力补充孔的一供压设备为孔内加压直至某一数值；当孔内压力超过一定数值时，保压溢流阀打开，钻进过程中产生的煤粉和瓦斯通过保压溢流阀进入收集装置，同时孔内的气压下降，当气压下降到达一定数值时，保压溢流阀关闭，以保持钻孔孔内的压力基本恒定；

在钻进一定长度后，可以将钻杆逐步加长，各钻杆之间设有密封装置，以开始进一步的钻进工作；

最后，完成钻进长度之后，将钻杆起拔。

7.如权利要求6所述的突出煤层保压钻进切缝方法，其特征在于：在靠近钻头处设有控制液流的液控阀，而钻头上设有用于喷射轴向液流的轴向喷射孔，钻机的供液接口与一高压液流供给设备相连接，所述高压液流从空心的钻杆内部进入液控阀，当供液压力低于某一值时，高压液流从轴向喷射孔喷出，以在孔底的煤壁上切割小直径引导孔，然后钻头将这一小孔扩大。

8.如权利要求7所述的突出煤层保压钻进切缝方法，其特征在于：当供液压力高于某一值时，高压液流从径向喷射孔喷出，在径向方向或者其他方向上对孔内煤壁进行切割。

9.如权利要求8所述的突出煤层保压钻进切缝方法，其特征在于：所述轴向喷射孔沿钻杆轴向沿伸，并且该轴向喷射孔出口设置在钻头的钻齿之间。

10.如权利要求8所述的突出煤层保压钻进切缝方法，其特征在于：所述径向喷射孔为多个，且彼此在轴向上相互间隔并交错排列，通过上述径向喷射孔喷射高压液流对钻孔内煤壁进行交错式割缝。

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