CN102116168B

CN102116168B - 低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统及方法

Info

Publication number: CN102116168B
Application number: CN 201110027078
Authority: CN
Inventors: 倪小明; 苏现波; 郭红玉; 贾炳; 沈毅; 夏大平
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102116168A

Abstract

本发明公开了一种低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统，包括动力装置机构、钻压抽一体化机构和计量机构；动力装置机构包括空压机和空气钻机；钻压抽一体化机构包括旋转防喷器、放喷管路、钻杆、多级封隔器、内钻杆连接器、动力马达、电动机和自动变径扩孔三翼钻头，空压机通过高压软管与内钻杆密封连通，高压软管上设有控制阀、流量计和压力表。本发明还公开了一种使用上述系统抽采瓦斯的方法。上述系统既能够用来钻孔，弥补松软煤层塌孔不便改造的难题，又能在钻孔后及时对煤体加压造穴后进行瓦斯抽采。本发明的方法将钻孔和加压造穴一体化，通过造穴改善煤层透气性；钻、压、抽一体化在一定程度上有效防止了煤孔坍塌无法继续进行储层改造的难题。

Description

低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于低渗透、松软煤层抽采瓦斯的系统。

背景技术

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全井下的一种非常严重的自然灾害。它不仅威胁煤矿职工的人身安全，也是制约煤矿生产效率的主要因素。我国是世界上灾害最严重的国家之一，近十年来，每年平均灾害损失近1600亿元，相当于国民生产总值的3.8﹪，这一比例是发达国家的十倍以上。我国煤炭工业战线上的广大工人、干部和科技人员，在同煤和瓦斯突出作斗争的过程中，积累了比较丰富的经验，大家比较一致的观点认为：煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯压力、煤体结构等共同作用下的结果。能否把赋存在煤层中的瓦斯气体抽采出来是防止煤与瓦斯突出的有效措施之一。

煤层瓦斯主要以吸附状态赋存在煤储层中，煤储层是由孔隙系统和裂隙系统组成的网状结构，孔径大小、比表面积大小等决定了煤层中吸附瓦斯量的多少；而裂隙的发育程度从某种程度上决定了瓦斯抽采的难易程度。目前，煤储层裂隙发育程度的改变有两种主要途径，一种途径是煤炭开采过程中的卸压，煤储层裂隙系统得以改善，进而使瓦斯运移产出；另一种途径是地面钻井，进行储层强化工艺，沟通、拓宽煤储层原有的裂隙系统或营造出更多的裂隙，增加煤储层的导流能力，进而使瓦斯运移产出。但对于低渗、松软煤层，井下仅单纯的靠 “打钻—封孔—负压”抽放方式进行抽放瓦斯工作，不仅工程量大，而且抽放效果不太理想；地面钻井遇松软煤层时，目前的水力压裂、氮气泡沫压裂、二氧化碳泡沫压裂技术几乎都不能使原有的裂隙系统更发育，抽采效果很不理想。

如何根据煤储层和瓦斯赋存运移特点，探索出一种行之有效的、针对低渗、松软煤层的瓦斯抽采装置及相应的抽采工艺是一个十分重要的问题，解决此问题不仅可改变目前井下工程量大、安全隐患多、瓦斯抽采率低、抽放效果不好等缺点，同时可节约煤矿井下瓦斯治理的费用，安全系数大大提高，煤矿生产速度也将大大提高。目前，上述问题尚未得到解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于低渗透、松软煤层抽采瓦斯的系统。

为实现上述目的，本发明的低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统包括动力装置机构、钻压抽一体化机构和计量机构；动力装置机构包括空压机和空气钻机并用来为钻压抽一体化机构提供动力；钻压抽一体化机构包括旋转防喷器、放喷管路、钻杆、多级封隔器、内钻杆连接器、动力马达、电动机和自动变径扩孔三翼钻头，自动变径扩孔三翼钻头的两个钻进直径分别为75mm和95mm；钻杆包括间隔滑动套设在一起的外钻杆和内钻杆，内钻杆包括两个以上的内钻杆段，两相邻内钻杆段于连接处分别与内钻杆连接器相连接；内、外钻杆的末端与旋转防喷器相连接，旋转防喷器上设有放喷管路；所述电动机的输出轴转动密封穿过所述旋转防喷器后与所述自动变径扩孔三翼钻头相连接；外钻杆内侧表面设有凹槽，凹槽内设有钢珠，钢珠的内侧顶压在所述内钻杆的外表面上；外钻杆和内钻杆上分别设有外杆出气孔和内杆出气孔，所述钢珠位于所述凹槽的左端时与所述内、外杆出气孔相对应；所述外钻杆与两个以上间隔设置的封隔器相连接，所述外钻杆通过动力马达与自动变径扩孔三翼钻头相连接，动力马达包括定子和转子，定子与所述外钻杆沿钻杆的长度方向滑动卡接在一起，转子与所述自动变径扩孔三翼钻头相焊接；内钻杆的末端密封连通设有放气阀；所述空压机通过高压软管与内钻杆密封连通，所述高压软管上设有控制阀、流量计和压力表，所述气体流量计和所述压力表组成计量系统。

所述空压机并联设有三个。

本发明具有如下的优点：

1.本发明结构简单，既能够用来钻孔，弥补了松软煤层塌孔不便改造的难题，同时又能在钻孔后及时对煤体进行加压造穴，造穴完毕后进行瓦斯抽采，使用十分方便。

2. 所述空压机并联设有三个，能够满足多数情况下加压造穴的需要。

本发明的目的还在于提供一种使用上述低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统的低渗透、松软煤层抽采瓦斯方法。

为实现上述目的，本发明的低渗透、松软煤层抽采瓦斯方法包括如下步骤：一、把所述低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统所包括的各种设备运移到井下前进行检验，确保空压机的数量能满足正常工作所需的压力和流量；确保高压软管和内、外钻杆等处密闭完好；二、运移各种施工设备到施工作业地点；三、结合煤层空间展布、构造发育情况等现场施工条件确定开钻位置、钻孔倾角、方位角、孔深和孔径；四、选择钻头进行钻孔，本步骤是根据现场施工条件选择钻进所需的自动变径扩孔三翼钻头，将钻头与外钻杆连接好，试开动力马达，检查是否能自动旋转、脱离钻头，并进行钻进；五、组装封隔器；本步骤第一是检查封隔器是否能正常工作，第二是将封隔器与钻杆连接好；六、成孔；本步骤是按施工设计程序进行钻孔施工，达到设计要求后停止施工；孔的布置是沿工作面运输平巷布置顺层方向平行钻孔，初始钻进时钻孔直径75mm，钻进15m后钻孔直径为95mm；初始钻进时，空气压力为0.3～0.4Mpa；钻进至15m后，增加空气压力到0.8MPa，从而保证钻孔扩径和排渣能力，同时钻进至15m后，放缓钻进速度，保证孔内排渣完全；钻进间距一般为5m，根据现场煤的透气性系数、钻孔的抽放时间以及钻孔周围卸压圈的大小进行微调；钻孔深度要穿过原岩应力区进入回风巷侧煤壁的支承应力集中区；七、加压、卸压系统组装；本步骤第一是拆卸空气钻机，第二是将空压机、高压软管、旋转防喷器、放喷管线以及内、外钻杆等进行连接，第三是进行试压检查旋转防喷器与放喷管线是否正常；八、本步骤第一是拉动内部钻杆，使所述钢珠沿所述凹槽滑动至凹槽左端，使所述内、外杆出气孔相对应；第二是开启动力马达，使钻头从钻杆上旋转脱离；九、加压造穴；本步骤是启动空压机对煤体进行加压，达到预定压力后，开启放喷管线，释放压力，如此循环多次，在孔内形成一定宽度的洞穴；十、排渣；本步骤是撤除空压机，安装钻机，把孔内的煤渣排出；十一、拆除设备；十二、封孔测流量；本步骤是在孔内插入四分钢管，用聚氨脂封孔，测瓦斯流量。

本发明的方法可以对低渗、松软煤层进行应力释放，造穴后使瓦斯运移的通道更畅通，大大提高了瓦斯抽采效果，同时本发明使钻孔瓦斯抽放间距大大增加，改善了抽采效果，减少了钻孔工程量，节省了工程成本，减少了瓦斯突出事故，提高了采煤速度。本发明方法的优越之处特别在于钻孔和加压造穴一体化，通过造穴起到改善煤层透气性的作用；同时，钻、压、抽一体化在一定程度上有效防止了煤孔坍塌无法继续进行储层改造的难题。

附图说明

图1是本发明的低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统包括动力装置机构、钻压抽一体化机构和计量机构。

动力装置机构包括空压机1和空气钻机2并用来为钻压抽一体化机构提供动力。

钻压抽一体化机构包括旋转防喷器3、放喷管路4（放喷管路4的作用是当压力憋到设定值时进行放喷）、钻杆、多级封隔器6（封隔器6至少设有两个，实践中沿钻杆长度均匀设有三至八个，可以起到封闭煤孔的作用）、内钻杆连接器15、电动机25、动力马达和自动变径扩孔三翼钻头7（推荐采用BZ-Ⅱ型自动变径扩孔三翼钻头，便于在钻进15m后调大钻头直径），自动变径扩孔三翼钻头7的两个钻进直径分别为75mm和95mm；钻杆包括间隔滑动套设在一起的外钻杆8和内钻杆9，内钻杆9包括两个以上的内钻杆段，两相邻内钻杆段于连接处9A分别与内钻杆连接器15相连接。由于设置了内钻杆连接器15，在拉动内钻杆时不会出现相邻内钻杆段相分离的情况；内、外钻杆9、8的末端与旋转防喷器3相连接，旋转防喷器3上设有放喷管路4；所述电动机25的输出轴25A转动密封穿过所述旋转防喷器3后与所述自动变径扩孔三翼钻头7相连接；外钻杆8内侧表面设有凹槽11，凹槽11内设有钢珠12，钢珠12的内侧顶压在所述内钻杆9的外表面上；外钻杆8和内钻杆9上分别设有外杆出气孔13和内杆出气孔14，所述钢珠12位于所述凹槽11的左端时所述内、外杆出气孔13、14相对应；所述外钻杆与两个以上间隔设置的封隔器相连接，所述外钻杆8通过动力马达与自动变径扩孔三翼钻头7相连接，动力马达包括定子16和转子17，定子16与所述外钻杆8沿外钻杆的长度方向滑动卡接在一起，转子17与所述自动变径扩孔三翼钻头7相焊接；内钻杆9的末端密封连通设有放气阀26。

所述空压机1通过高压软管18与内钻杆9密封连通，所述高压软管18上设有控制阀19、流量计21和压力表22，所述气体流量计21和所述压力表22组成计量系统。其中，所述空压机1并联设有三个。

本发明的低渗透、松软煤层抽采瓦斯方法包括如下步骤：

一、把所述低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统所包括的各种设备运移到井下前进行检验，确保空压机1的数量能满足正常工作所需的压力和流量；确保高压软管18和内、外钻杆9、8等处密闭完好；

二、运移各种施工设备到施工作业地点；

三、结合煤层空间展布、构造发育情况等现场施工条件确定开钻位置、钻孔倾角、方位角、孔深和孔径（本步骤为本领域技术人员所具有的普通技能）；

四、选择钻头进行钻孔，本步骤是根据现场施工条件选择钻进所需的自动变径扩孔三翼钻头7，将钻头与外钻杆8连接好，试开动力马达，检查是否能自动旋转、脱离钻头，并进行钻进；

五、组装封隔器6；本步骤第一是检查封隔器6是否能正常工作，第二是将封隔器6与钻杆连接好；

六、成孔；本步骤是按施工设计程序进行钻孔施工，达到设计要求后停止施工；孔的布置是沿工作面运输平巷布置顺层方向平行钻孔，初始钻进时钻孔直径75mm（初始孔的直径较小从而便于封孔），钻进15m后钻孔直径为95mm；初始钻进时，空气压力为0.3～0.4Mpa；钻进至15m后，增加空气压力到0.8MPa，从而保证钻孔扩径和排渣能力，同时钻进至15m后，放缓钻进速度，保证孔内排渣完全；钻进间距一般为5m，根据现场煤的透气性系数、钻孔的抽放时间以及钻孔周围卸压圈的大小进行微调；钻孔深度要穿过原岩应力区进入回风巷侧煤壁的支承应力集中区。（条件允许的情况下，确定钻孔深度为沿工作面走向长度15m；一般情况下，钻孔孔深也要达到100m以上）钻进时，钻进速度主要取决于排渣能力。如因排渣不畅发生卡钻现象，则加大风量和风压，退出一至两根钻杆待排渣完成后再钻进。为了保证钻孔质量符合设计要求，首先要对钻孔工人进行培训，掌握钻孔的技术和理解设计要求。并有一个技术员在现场进行过程指导和完孔检查。

七、加压、卸压系统组装；本步骤第一是拆卸空气钻机2，第二是将空压机1、高压软管18、旋转防喷器3、放喷管线以及内、外钻杆9、8等进行连接，第三是进行试压检查旋转防喷器3与放喷管线是否正常；

八、本步骤第一是拉动内部钻杆，使所述钢珠12沿所述凹槽11滑动至凹槽11左端，使所述内、外杆出气孔13、14相对应；第二是开启动力马达，使钻头从钻杆上旋转脱离；

九、加压造穴；本步骤是启动空压机1通过内钻杆8对煤体进行加压，达到预定压力后，开启放喷管路4，煤孔内的压力通过内钻杆8和放喷管路4释放压力，如此循环多次，在孔内形成一定宽度的洞穴；

十、排渣；本步骤是撤除空压机1，安装钻机，把孔内的煤渣排出；

十一、拆除设备；

十二、封孔测流量；本步骤是在煤孔内插入四分钢管，用聚胺脂封孔，测瓦斯流量。

Claims

1.低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统，其特征在于：包括动力装置机构、钻压抽一体化机构和计量机构；

动力装置机构包括空压机和空气钻机，并用来为钻压抽一体化机构提供动力；

钻压抽一体化机构包括旋转防喷器、放喷管路、钻杆、多级封隔器、内钻杆连接器、动力马达、电动机和自动变径扩孔三翼钻头，自动变径扩孔三翼钻头的两个钻进直径分别为75mm和95mm；钻杆包括间隔滑动套设在一起的外钻杆和内钻杆，内钻杆包括两个以上的内钻杆段，两相邻内钻杆段于连接处分别与内钻杆连接器相连接；内、外钻杆的末端与旋转防喷器相连接，旋转防喷器上设有放喷管路；所述电动机的输出轴转动密封穿过所述旋转防喷器后与所述自动变径扩孔三翼钻头相连接；外钻杆内侧表面设有凹槽，凹槽内设有钢珠，钢珠的内侧顶压在所述内钻杆的外表面上；外钻杆和内钻杆上分别设有外杆出气孔和内杆出气孔，所述钢珠位于所述凹槽的左端时所述内、外杆出气孔相对应；所述外钻杆与两个以上间隔设置的封隔器相连接，所述外钻杆通过动力马达与自动变径扩孔三翼钻头相连接，动力马达包括定子和转子，定子与所述外钻杆沿钻杆的长度方向滑动卡接在一起，转子与所述自动变径扩孔三翼钻头相焊接；内钻杆的末端密封连通设有放气阀；

所述空压机通过高压软管与内钻杆密封连通，所述高压软管上设有控制阀、流量计和压力表，所述流量计和所述压力表组成计量系统。

2.根据权利要求1所述的低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统，其特征在于：所述空压机并联设有三个。

3.使用权利要求1或2中所述低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统的低渗透、松软煤层抽采瓦斯方法，其特征在于包括如下步骤：

一、把所述低渗透、松软煤层抽采瓦斯系统所包括的各种设备运移到井下前进行检验，确保空压机的数量能满足正常工作所需的压力和流量；确保高压软管和内、外钻杆处密闭完好；

二、运移各种施工设备到施工作业地点；

三、结合煤层空间展布、构造发育情况现场施工条件确定开钻位置、钻孔倾角、方位角、孔深和孔径；

四、选择钻头进行钻孔，本步骤是根据现场施工条件选择钻进所需的自动变径扩孔三翼钻头，将钻头与外钻杆连接好，试开动力马达，检查是否能自动旋转、脱离钻头，并进行钻进；

五、组装封隔器；本步骤第一是检查封隔器是否能正常工作，第二是将封隔器与钻杆连接好；

六、成孔；本步骤是按施工设计程序进行钻孔施工，达到设计要求后停止施工；孔的布置是沿工作面运输平巷布置顺层方向平行钻孔，初始钻进时钻孔直径75mm，钻进15m后钻孔直径为95mm；初始钻进时，空气压力为0.3～0.4Mpa；钻进至15m后，增加空气压力到0.8MPa，从而保证钻孔扩径和排渣能力，同时钻进至15m后，放缓钻进速度，保证孔内排渣完全；钻进间距为5m，根据现场煤的透气性系数、钻孔的抽放时间以及钻孔周围卸压圈的大小进行微调；钻孔深度要穿过原岩应力区进入回风巷侧煤壁的支承应力集中区；

七、加压、卸压系统组装；本步骤第一是拆卸空气钻机，第二是将空压机、高压软管、旋转防喷器、放喷管线以及内、外钻杆进行连接，第三是进行试压检查旋转防喷器与放喷管线是否正常；

八、本步骤第一是拉动内钻杆，使所述钢珠沿所述凹槽滑动至凹槽左端，使所述内、外杆出气孔相对应；第二是开启动力马达，使钻头从钻杆上旋转脱离；

九、加压造穴；本步骤是启动空压机对煤体进行加压，达到预定压力后，开启放喷管线，释放压力，如此循环多次，在孔内形成一定宽度的洞穴；

十、排渣；本步骤是撤除空压机，安装空气钻机，把孔内的煤渣排出；

十一、拆除设备；

十二、封孔测流量；本步骤是在孔内插入四分钢管，用聚氨脂封孔，测瓦斯流量。