CN103306657A - 一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置及方法，该系统包括钻机和高压泵，钻机钻杆中设置有输送高压水流的高压水管和输送填料的高压管，高压水管和高压管一端通过复合轴承分别与钻机钻头上的割缝喷嘴和充填喷嘴连通；高压泵进口与供水管连通，高压泵出口经三通阀分为两路，一路安装填料混合器后与钻机钻杆中的高压管另一端连通，另一路直接与钻机钻杆中的高压水管另一端连通；利用高压水在煤层中割出与主应力近似平行的缝槽，缝槽受煤层中三向应力影响小，缝槽合闭概率小，利于瓦斯流动和抽采；经碎石对缝槽充填后，增加了缝槽保持时间，瓦斯可从碎石之间的夹缝中流动，有益于瓦斯长时间抽采。

Description

一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下瓦斯治理技术领域，涉及煤层瓦斯抽采技术，尤其涉及一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置及方法。

背景技术

高瓦斯高应力低透气性煤层的开采往往伴随着大量瓦斯涌出及煤与瓦斯突出等灾害，特别是随着开采深度的增加，瓦斯及地应力有明显的增大趋势，煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害对生产的威胁也日趋严重。因此如何有效的解决高瓦斯高应力低透气性煤层开采过程中瓦斯问题，对煤矿安全高效生产具有十分重要的意义。解决高瓦斯高应力低透气性煤层的瓦斯问题主要措施为瓦斯抽采，但高瓦斯高应力低透气性煤层瓦斯不易流动，难以达到预期抽采效果。目前现场在高瓦斯高应力低透气性煤层采用深孔爆破、深孔控制爆破、水力压裂、脉动水力压裂以及水力割缝等措施，但采用以上方法后在煤层形成的裂隙均沿着煤层最新应力方向延伸、缝槽大多与钻孔轴向垂直，根据岩石力学理论，以上方法形成的缝隙或缝槽受煤层主应力影响均难以保持，且瓦斯抽采周期较长，因此以上方法均不能达到理想效果。因而为了有效解决高瓦斯高应力低透气性煤层瓦斯抽采问题，急需寻求一种方法能够在钻孔周围制造有效裂隙或缝槽，且能够使裂隙或缝槽保持更长时间，保证瓦斯抽采和治理效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置及方法，以提高水力割缝卸压增透效果，并长时间保持缝槽的存在，结合抽采钻孔密封，增加瓦斯抽采效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，包括钻机和高压泵，钻机钻杆中设置有输送高压水流的高压水管和输送填料的高压管，高压水管和高压管一端通过复合轴承分别与钻机钻头上的割缝喷嘴和充填喷嘴连通；高压泵进口与供水管连通，高压泵出口经三通阀分为两路，一路安装填料混合器后与钻机钻杆中的高压管另一端连通，另一路直接与钻机钻杆中的高压水管另一端连通。

所述高压泵出口通过三通安装有溢流阀。

所述三通阀分别与钻机钻杆中的高压水管和高压管连通的两支路上均安装有调节阀和压力表。

所述复合轴承包括轴承本体和两侧的密封盖，轴承本体中开设有两个沿轴线贯穿轴承本体的环形槽，一侧密封盖上开设有分别与两环形槽连通的接口，另一侧密封盖上开设有分别与两环形槽连通的出水口和出料口，出水口和出料口分别与钻机钻头上的割缝喷嘴和充填喷嘴连通。

所述填料混合器顶部安装有给料仓。

所述高压水管和高压管由多根分管组成，各分管通过快速接头连接。

一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持的方法，包括以下步骤:

（1）打开钻机开始钻孔，当钻机施工至指定位置后停止打钻；

（2）开启高压泵，将三通阀扳至高压水管开通位置，对煤层进行割缝作业，保持水力割出的缝槽与主应力平行；

（3）割缝作业结束后，将三通阀扳至高压管开通位置，混料器开始混料供料，开始对缝槽进行充填作业；

（4）充填作业结束后关闭高压泵，并将钻杆退钻至下个割缝处重复进行步骤（2），步骤（3）；直至钻头退至钻孔封孔位置时，煤层割缝卸压和缝槽保持作业完毕。

所述步骤（1）中钻孔前收集现场煤层所受三向应力资料，根据三向应力设计抽采钻孔，使水力割缝方向与主应力平行以减少主应力对缝槽闭合作用。

所述高压泵输出压力为0～100MPa。

所述混料器顶部安装有给料仓，给料仓连续定量给混合器供给2～5mm的不规则碎石，混合器将不规则碎石与水混合后输送至钻机内的高压管中

本发明具有以下有益效果：

本发明的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置及方法，利用高压水在煤层中割出与主应力近似平行的缝槽，此时缝槽受煤层中三向应力影响小，缝槽合闭概率达到最小，利于瓦斯流动和抽放；割出的缝槽也对煤层应力释放起到一定作用，消减了煤与瓦斯突出概率；经碎石对缝槽充填后，增加了缝槽保持时间，瓦斯可从碎石之间的夹缝中流动，有益于瓦斯长时间抽采。其装置和方法更符合现场复杂地质条件、煤层增透效果好、缝槽保持时间长，更利于瓦斯长期抽采，具有广泛的应用性。

附图说明

图1为本发明的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置的结构示意图；

图2为本发明的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置中复合轴承的结构示意图；

图3为本发明煤层割缝卸压增透和缝槽保持方法的流程图；

附图标记：1-供水管，2-矿用快插接头，3-高压泵，4-三通，5-溢流阀，6-三通阀，7-给料仓，8-混合器，9-调节阀，10-压力表，11-钻机，12-机架，13-钻杆，14-高压水管，15-高压管，16-快速接头，17-轴承，18-钻头，19-水槽，21-割缝喷嘴，22-充填喷嘴，23-高压软管，26-接口，28-环形槽，30-出水口，31-出料口，32-密封盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

如图1所示，本发明的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，由液压动力系统、水力割缝系统、充填系统组成。液压动力系统的高压泵3经矿用快插接头2与矿井供水管1连接，高压泵3出水管连接三通4，三通4另外接有溢流阀5和三通阀6；水力割缝系统的调节阀9与液压动力系统的三通阀6一接口连接，调节阀9与压力表10连接后再经矿用快插接头2与钻机11连接，钻机固定在机架12上，并经钻机11内一水槽19、与钻杆13内高压水管14相通，钻杆13内的高压水管14与钻杆13长度相同，高压水管由多根分管组成，前一根水管可通过快速接头16与下根钻杆13内的高压水管14连接，当钻杆13连接钻头18时，钻杆13内的高压水管14与钻头18内置的复合轴承17内部一接口26连接，并经钻头18内水槽19连通钻头18的割缝喷嘴21；充填系统的调节阀9与液压动力系统的三通阀另一接口6连接，调节阀9后接有一混合器8，混合器8顶部接有给料仓7，给料仓7与压力表10连接后和钻机11连接，并经钻机11内另一水槽19与钻杆13内高压管15相通，钻杆13内的高压管15与钻杆13长度相同，高压管由多根分管组成，前一根高压管并可通过快速接头16与下跟钻杆13内的高压管15连接，当钻杆13连接钻头18时，钻杆13内的高压管15与钻头18内置的复合轴承17内部另一接口26连接，并经钻头18内水槽19连通钻头18的充填喷嘴22。

所述的高压泵3输出压力为0～100MPa，给料仓7能够连续定量给混合器8供给2～5mm的不规则碎石，混合器8可将不规则碎石与水混合后供给至钻机11内的高压管15，钻头18上的割缝喷嘴21和充填喷嘴22在同一断面，角度可根据现场煤层应力方向进行设置，水力割出的缝槽宽度为15～25mm，半径300～1100mm，钻杆13内高压水管14和高压管15经复合轴承17控制不随着钻头18、钻杆13转动，钻杆13内的高压管15、钻机内水槽19以及钻头内水槽内径为7mm，可使给料仓7供给的碎石流动，液压动力系统、水力割缝系统、充填系统中连接管理均为高压软管23。

如图2所示，复合轴承17包括轴承本体和两侧的密封盖32，轴承本体中开设有两个沿轴线贯穿轴承本体的环形槽28，一侧密封盖32上开设有分别与两环形槽连通的接口26，另一侧密封盖32上开设有分别与两环形槽连通的出水口30和出料口31，出水口30和出料口31分别与钻机钻头18上的割缝喷嘴21和充填喷嘴22连通。水及充填材料经两个接口26分别进入复合轴承17的两环形槽28中，并分别从密封盖32的出水口30、出料口31与两水槽19相通，经割缝喷嘴21和充填喷嘴22进行割缝和充填。

如图3所示，本发明的煤层割缝卸压增透和缝槽保持方法，包括以下步骤：

a.收集现场煤层所受三向应力资料，根据三向应力设计抽采钻孔，使水力割缝方向尽量与主应力平行以减少主应力对缝槽闭合作用；

b.设计好钻头18上的割缝喷嘴21和充填喷嘴22角度，连接液压动力系统和水力割缝系统以及充填系统；

c.将三通阀6扳至充填系统，打开钻机11施工钻孔；

d.当钻孔施工至需要换钻杆13时，取出新的高压水管14和高压管15并与上根钻杆13的高压水管14和高压管15对应连接，并将高压水管14和高压管15穿过钻杆13后和钻机对应接口连接，最后将钻杆13和钻机和前一根钻杆13连接；

e.打开钻机11继续施工钻孔，当需要换加接钻杆13时，重复d项工作，直至钻机11施工至设计位置；

f.当钻机施工至指定位置后，停止打钻并开启高压泵3，高压泵输出压力0～100MPa，将三通阀6扳至水力割缝系统对煤层进行割缝，尽量保持水力割出的缝槽与主应力平行；

g.割缝作业结束后，将三通阀6扳至充填系统并开启给料仓7，给料仓连续定量给混合器供给2～5mm的不规则碎石，开始对缝槽进行充填；

h.充填作业结束后关闭高压泵3，并将钻杆13退钻至下个割缝处重复进行步骤f、d项作业；

i.当需要拆卸一根钻杆13时，先将钻杆13拆卸，然后拆卸钻杆内的高压水管14和高压管15，同时留在钻孔内的高压水管14和高压管15与钻机11接口对应连接；

j.当钻头18退至钻孔封孔位置时，直接退出钻杆13，移动机架12进行下一个钻孔的钻进、割缝、缝槽充填作业。

Claims (10)

1.一种煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，其特征在于：包括钻机（11）和高压泵（3），钻机钻杆（13）中设置有输送高压水流的高压水管（14）和输送填料的高压管（15），高压水管（14）和高压管（15）一端通过复合轴承（17）分别与钻机钻头（18）上的割缝喷嘴（21）和充填喷嘴（22）连通；高压泵（3）进口与供水管（1）连通，高压泵（3）出口经三通阀（6）分为两路，一路安装填料混合器（8）后与钻机钻杆（13）中的高压管（15）另一端连通，另一路直接与钻机钻杆（13）中的高压水管（14）另一端连通。

2.根据权利要求1所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，其特征在于：所述高压泵（3）出口通过三通（4）安装有溢流阀（5）。

3.根据权利要求1所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，其特征在于：所述三通阀（6）分别与钻机钻杆（13）中的高压水管（14）和高压管（15）连通的两支路上均安装有调节阀（9）和压力表（10）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，其特征在于：所述复合轴承（17）包括轴承本体和两侧的密封盖（32），轴承本体中开设有两个沿轴线贯穿轴承本体的环形槽（28），一侧密封盖（32）上开设有分别与两环形槽连通的接口（26），另一侧密封盖（32）上开设有分别与两环形槽连通的出水口（30）和出料口（31），出水口（30）和出料口（31）分别与钻机钻头（18）上的割缝喷嘴（21）和充填喷嘴（22）连通。

5.根据权利要求1-3任一项所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，其特征在于：所述填料混合器（8）顶部安装有给料仓（7）。

6.根据权利要求1-3任一项所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持装置，其特征在于：所述高压水管（14）和高压管（15）由多根分管组成，各分管通过快速接头（16）连接。

7.一种采用权利要求1装置进行煤层割缝卸压增透和缝槽保持的方法，其特征在于包括以下步骤:

（1）打开钻机开始钻孔，当钻机施工至指定位置后停止打钻；

（2）开启高压泵，将三通阀扳至高压水管开通位置，对煤层进行割缝作业，保持水力割出的缝槽与主应力平行；

（3）割缝作业结束后，将三通阀扳至高压管开通位置，混料器开始混料供料，开始对缝槽进行充填作业；

（4）充填作业结束后关闭高压泵，并将钻杆退钻至下个割缝处重复进行步骤（2），步骤（3）；直至钻头退至钻孔封孔位置时，煤层割缝卸压和缝槽保持作业完毕。

8.根据权利要求7所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持方法，其特征在于：所述步骤（1）中钻孔前收集现场煤层所受三向应力资料，根据三向应力设计抽采钻孔，使水力割缝方向与主应力平行以减少主应力对缝槽闭合作用。

9.根据权利要求7所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持方法，其特征在于：所述高压泵输出压力为0～100MPa。

10.根据权利要求7所述的煤层割缝卸压增透和缝槽保持方法，其特征在于：所述混料器顶部安装有给料仓，给料仓连续定量给混合器供给2～5mm的不规则碎石，混合器将不规则碎石与水混合后输送至钻机内的高压管中。

Images