CN103758484B - 软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置 - Google Patents

Abstract

软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，包括动力系统、支撑系统、控制系统和定位系统，动力系统通过第一高压水管与支撑系统连接，控制系统和定位系统设在支撑系统上。本发明设计合理、易于操作、安全可靠，可以有效解决软煤发育区瓦斯抽采孔成孔难的问题，为软煤发育区瓦斯治理提供一种新方法，并且可以对三个弧形管进行回收再利用，降低了成本。本发明中控制系统的合理设计，有效限制了三个弧形管的轴向运动，提高了三个弧形管施工的稳定性以及准确性。

Description

软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置。

背景技术

煤炭在我国国民经济建设，能源需求方面占有举足轻重的地位。随着国家对煤炭需求的增加，煤矿开采深度及开采强度也在逐年增加。随着煤矿开采深度以及开采强度的增大，瓦斯含量、瓦斯压力也在逐渐增加，增加了煤与瓦斯突出的可能性。降低煤层中的瓦斯含量是减少煤与瓦斯突出可能性的重要举措之一。降低煤层瓦斯含量的方法有很多，目前通过在煤层或顶、底板岩层中打抽放钻孔进行瓦斯抽放是目前应用较广泛的措施之一。

随着煤矿开采机械化程度的提高，与以往相比，采煤工作面的长度、宽度也发生了巨大变化，工作面长度更长，宽度也更宽，为了更加有效、快速的降低采煤工作面的瓦斯，钻孔长度也由原来的几十米发展到现在的几百米甚至近1000米。随着钻孔深度的增加，不同深度煤层透气性系数的差异性、抽放负压的差异性等引起的不同深度抽放有效半径的差异性突显。而目前的钻孔间距的设计，大多是根据浅孔煤层透气性、抽放负压等计算或经验得出的抽放半径进行的。当钻孔深度较深，煤层透气性变化较大时，采用大致相同的孔间距进行施工，间距过大可能导致一些区域瓦斯含量不能有效降低，形成瓦斯抽采的盲区；间距过小可能造成在一些区域重叠，造成资源的浪费。

煤层是一种非均质性很强的岩石，由于煤层裂隙宽度、长度、方向、密度等的差异性，导致同一钻孔内煤层的透气性可能存在很大的差异性，进而导致进行抽放时，若不考虑煤层透气性随钻孔深度的变化，可能导致一些区域瓦斯含量降低的快，一些区域瓦斯含量难以下降，不能有效降低煤与瓦斯突出的危险性。

目前，治理瓦斯的方法主要有地面钻井瓦斯抽采和井下钻孔瓦斯抽采。地面钻井瓦斯抽采主要是通过钻井、压裂改善储层渗透性后进行瓦斯抽采，但是由于目前技术的限制，对于软煤发育区难以实现较好的储层改造效果，导致软煤发育区煤层气地面抽采效果较差，难以快速、有效的降低储层瓦斯含量。采用井下瓦斯抽采的方法，在软煤发育区，煤体松软，导致钻进过程容易塌孔，成孔难度大，钻孔成本增加；煤层破坏严重，渗透性较差，导致抽采孔抽采有效范围有限，无形中钻孔数量增加，钻孔施工费用和抽采时间相应增加。

大量现场实践以及理论研究表明，构造破碎带是容易发生煤与瓦斯突出的主要区域之一。主要是因为构造带煤层破碎严重，煤体强度低、渗透性差，容易造成瓦斯积聚，较高的瓦斯压力、含量以及低的煤体强度使构造煤发育区更容易发生煤与瓦斯突出。我国华北地区、华南地区的煤一般经历了多期地质构造运动，导致这些地区构造煤普遍发育，因此对构造煤发育区进行瓦斯抽采变得迫切重要。但是构造煤的低强度特点，导致常规瓦斯抽采钻孔工艺难以有效成孔，钻进过程中易塌孔，钻孔深度小，致使常规瓦斯抽采方法难以有效实施。因此，迫切需要一种装置和工艺，可以有效解决构造煤发育区成孔难的问题，实现构造煤发育区瓦斯的高效抽采，降低煤与瓦斯突出危险性，实现煤矿的安全、高效生产。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在构造煤发育区瓦斯抽采钻孔钻进过程中易塌孔导致钻孔成孔难、钻孔深度小等不足之处，提供一种软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，通过该装置可以有效解决构造煤发育区成孔难的问题，提高钻孔成孔率和钻孔深度，实现瓦斯的高效抽采，有效降低煤与瓦斯突出事故的发生，为煤矿工人的生命安全提供重要保障。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，包括动力系统、支撑系统、控制系统和定位系统，动力系统通过第一高压水管与支撑系统连接，控制系统和定位系统设在支撑系统上。

所述支撑系统包括由半径相同且可围成圆筒形的三个弧形管和设在三个弧形管内的弹性收缩机构，每个弧形管左侧的内壁上均设有一个限位块，每个弧形管的右侧外壁上均设有一个可容纳限位块的卡孔，一个弧形管的右端与相邻一个弧形管左侧的内壁之间设有拉伸弹簧，弹性收缩机构包括圆筒形的限位筒和橡胶筒，橡胶筒的一端通过所述第一高压水管与动力系统连接，橡胶筒同轴向设在限位筒内，橡胶筒的外圆周表面设有三块弧形板，每个弧形板外表面设有沿橡胶筒径向设置的顶杆，顶杆上穿套有位于限位筒和弧形板之间的压缩弹簧，每个顶杆均伸出限位筒并在外端设有一个支撑块，三个支撑块分别与一个弧形管内壁顶压配合。

所述弹性收缩机构设有两个，两个弹性收缩机构的橡胶筒通过第二高压水管连接。

所述控制系统包括沿环向设在每个弧形管内壁的导向槽以及沿环向设在每个弧形管的外壁的导向块，一个弧形管上的导向块滑动连接在与之相邻的弧形管的导向槽内。

所述动力系统包括储水箱、高压水泵和放水管，高压水泵通过第三高压水管与储水箱连接，高压水泵的出水口与第一高压水管的进口连接，放水管与第一高压水管连接，放水管上设有放水阀门，第一高压水管上设有进水阀门和压力表。

所述定位系统包括计算机以及设在支撑块上的微型照明灯和微型摄像头，微型照明灯和微型摄像头通过电缆连接在计算机上。

所述弧形管内壁设有位于卡孔周围的控制槽，控制槽的面积大于支撑块与弧形管的接触面积。

采用上述技术方案，本发明中动力系统主要是为支撑系统的有效支撑提供动力。该系统通过高压水泵将水加压以后注入到橡胶筒内部，使橡胶筒膨胀、橡胶筒再通过弧形板、顶杆和支撑块向外顶三块弧形管，使三个弧形管张开呈圆筒形，这样就可以对抽采孔进行支撑。根据压力表对施工压力进行实施监测，当压力过低时，开启高压水泵进行加压，使其压力达到设计压力。当压力过高时通过开启放水阀门降低施工压力。

动力系统中高压水泵通过第三高压软管与储水箱中的水连通，其中第三高压水管为橡胶制的高压软管。高压水泵与橡胶筒之间通过第一高压水管连接，第一高压水管为钢管，橡胶筒的一段固定在第一高压水管上。在第一高压水管上安装有压力表和进水阀门，在加压过程中放水阀门处于关闭状态，在压力过高需要降压时，关闭进水阀门，打开放水阀门，实现压力的有效降低。

支撑系统主要是实现多级三个弧形管的有效支撑和多级三个弧形管的回收。该系统主要是通过橡胶筒的膨胀与收缩控制支撑块的伸展与收缩。在钻进过程中遇到易塌孔井段时，在该段完成钻进以后，首先将三个弧形管放入易塌孔段，然后通过两个支撑系统中支撑块的伸张，使由三个原来在拉伸弹簧拉力作用下处于收缩状态的三个弧形管逐渐张开，当三个弧形管上均匀分布的限位块分别进入对应卡孔时，在限位块的阻力作用下，三个弧形管不能再继续扩张或收缩。当钻孔施工完毕以后，需要进行三个弧形管回收时，首先启动将只有一个支撑系统的支撑块送入三个弧形管内部，通过定位系统的照明和摄像，使支撑块进入控制槽内，向外将限位块压出卡孔下去，在拉伸弹簧的作用下以及岩层压力作用下使三个弧形管重新闭合，实现三个弧形管的回收。

支撑系统主要是通过橡胶筒的膨胀与收缩控制支撑块的伸张与收缩，然后实现三个弧形管的支撑与回收。其中在橡胶筒外边由三个弧形管组成的弧形板包围，通过增加弧形板与橡胶筒的接触面积，增加有效的支撑压力，其中弧形板与支撑块之间通过顶杆焊接连接，为了保证支撑块随橡胶筒的收缩而收缩，在顶杆外围套有压缩弹簧，其中压缩弹簧一直处于压缩状态，这样可以确保支撑块随橡胶筒一起运动，为了避免橡胶筒无限制膨胀导致破裂，在弧形板的外边设计有限位筒，这样可以有效控制橡胶筒的膨胀程度，其中限位筒为圆柱形钢制材料制成，可以抵抗较高的压力。其中关于限位筒、顶杆以及弧形板的尺寸，可以根据钻孔直径进行适当调整。在此仅以钻孔直径为94mm为例进行设计，弧形板的直径为40mm，顶杆长度为18mm，限位筒的直径为76mm，这样可以使支撑块的有效运动范围在直径76mm~108mm之间的环形区域内，满足对94mm钻孔的有效支撑。当开始进行支撑时，采用两个支撑系统同时工作，如图2所示。在进行支撑操作时，通过加压使橡胶筒膨胀，使处于收缩状态的三个弧形管逐渐张开，当限位块进入卡孔即完成了支撑，此时可以退出弹性伸缩机构，换小一级钻头继续钻进。

在进行三个弧形管回收时，首先根据定位系统确定控制槽的位置，然后使支撑块进入控制槽，通过支撑块的伸长将限位块压下去，这样消除了限位块的阻挡，三个弧形管在地应力作用下发生收缩，同时为了避免应力不足导致三个弧形管不收缩，在三个弧形管的三个弧形管之间连接了拉伸弹簧。

控制系统主要是对三个弧形管进行有效控制，确保施工时三个弧形管的稳定性。该系统中支撑管是由三个弧形管组成，为了确保三个弧形管在轴向不发生相对滑动，在三个弧形管的内壁沿环向设计了导向槽，在外壁沿环向设计了导向块，使导向块一直在导向槽内部运动，这样使三个弧形管只可以在环向上发生相对运动，而在轴向上由于受到导向槽的控制作用，不能发生相对滑动，确保了三个弧形管的稳定性。矩形的导向槽的尺寸稍大于矩形的导向块的尺寸，确保导向块可以进入导向槽的内部。

定位系统主要是确定控制槽的位置，确保三个弧形管回收顺利进行。该系统主要是通过摄像头对三个弧形管内部控制槽的位置进行确定，为了避免三个弧形管内部光线不足，难以准确观测，在支撑块上安装微型照明等，确保三个弧形管内部光线充足，实现准确定位。

定位系统中微型摄像头和微型照明灯安装在支撑块的中间，在支撑块表面分别设计两个圆形钻孔用于安装微型摄像头和微型照明灯，并且两者均不能超过三个支撑块的外表面，避免施工时对其造成破坏。微型摄像头和微型照明灯通过电缆连接到计算机上，其中电缆固定在钢制高压管路上。

本发明设计合理、易于操作、安全可靠，可以有效解决软煤发育区瓦斯抽采孔成孔难的问题，为软煤发育区瓦斯治理提供一种新方法，并且可以对三个弧形管进行回收再利用，降低了成本。本发明中控制系统的合理设计，有效限制了三个弧形管的轴向运动，提高了三个弧形管施工的稳定性以及准确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A-A剖视图；

图3是图1中B-B剖视图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，包括动力系统、支撑系统、控制系统和定位系统，动力系统通过第一高压水管1与支撑系统连接，控制系统和定位系统设在支撑系统上。

支撑系统包括由半径相同且可围成圆筒形的三个弧形管2和设在三个弧形管2内的弹性收缩机构，每个弧形管2左侧的内壁上均设有一个限位块3，每个弧形管2的右侧外壁上均设有一个可容纳限位块3的卡孔4，一个弧形管2的右端与相邻一个弧形管2左侧的内壁之间设有拉伸弹簧5，弹性收缩机构包括圆筒形的限位筒6和橡胶筒7，橡胶筒7的一端通过所述第一高压水管1与动力系统连接，橡胶筒7同轴向设在限位筒6内，橡胶筒7的外圆周表面设有三块弧形板8，每个弧形板8外表面设有沿橡胶筒7径向设置的顶杆9，顶杆9上穿套有位于限位筒6和弧形板8之间的压缩弹簧10，每个顶杆9均伸出限位筒6并在外端设有一个支撑块11，三个支撑块11分别与一个弧形管2内壁顶压配合。

弹性收缩机构设有两个，两个弹性收缩机构的橡胶筒7通过第二高压水管12连接。

控制系统包括沿环向设在每个弧形管2内壁的导向槽以及沿环向设在每个弧形管2的外壁的导向块，一个弧形管2上的导向块滑动连接在与之相邻的弧形管2的导向槽内。导向块和导向槽在图中未示意出来。

动力系统包括储水箱13、高压水泵14和放水管15，高压水泵14通过第三高压水管与储水箱13连接，高压水泵14的出水口与第一高压水管1的进口连接，放水管15与第一高压水管1连接，放水管15上设有放水阀门16，第一高压水管1上设有进水阀门17和压力表18。

定位系统包括计算机19以及设在支撑块11上的微型照明灯20和微型摄像头21，微型照明灯20和微型摄像头21通过电缆连接在计算机19上。

弧形管2内壁设有位于卡孔4周围的控制槽22，控制槽22的面积大于支撑块11与弧形管2的接触面积。

本发明中动力系统主要是为支撑系统的有效支撑提供动力。该系统通过高压水泵14将水加压以后注入到橡胶筒7内部，使橡胶筒7膨胀、橡胶筒7再通过弧形板8、顶杆9和支撑块11向外顶三块弧形管2，使三个弧形管2张开呈圆筒形，这样就可以对抽采孔进行支撑。根据压力表18对施工压力进行实施监测，当压力过低时，开启高压水泵14进行加压，使其压力达到设计压力。当压力过高时通过开启放水阀门16降低施工压力。

动力系统中高压水泵14通过第三高压软管与储水箱13中的水连通，其中第三高压水管为橡胶制的高压软管。高压水泵14与橡胶筒7之间通过第一高压水管1连接，第一高压水管1为钢管，橡胶筒7的一段固定在第一高压水管1上。在第一高压水管1上安装有压力表18和进水阀门17，在加压过程中放水阀门16处于关闭状态，在压力过高需要降压时，关闭进水阀门17，打开放水阀门16，实现压力的有效降低。

支撑系统主要是实现多级三个弧形管2的有效支撑和多级三个弧形管2的回收。该系统主要是通过橡胶筒7的膨胀与收缩控制支撑块11的伸展与收缩。在钻进过程中遇到易塌孔井段时，在该段完成钻进以后，首先将三个弧形管2放入易塌孔段，然后通过两个支撑系统中支撑块11的伸张，使由三个原来在拉伸弹簧5拉力作用下处于收缩状态的三个弧形管2逐渐张开，当三个弧形管2上均匀分布的限位块3分别进入对应卡孔4时，在限位块3的阻力作用下，三个弧形管2不能再继续扩张或收缩。当钻孔施工完毕以后，需要进行三个弧形管2回收时，首先启动将只有一个支撑系统的支撑块11送入三个弧形管2内部，通过定位系统的照明和摄像，使支撑块11进入控制槽22内，向外将限位块3压出卡孔4下去，在拉伸弹簧5的作用下以及岩层压力作用下使三个弧形管2重新闭合，实现三个弧形管2的回收。

支撑系统主要是通过橡胶筒7的膨胀与收缩控制支撑块11的伸张与收缩，然后实现三个弧形管2的支撑与回收。其中在橡胶筒7外边由三个弧形管2组成的弧形板8包围，通过增加弧形板8与橡胶筒7的接触面积，增加有效的支撑压力，其中弧形板8与支撑块11之间通过顶杆9焊接连接，为了保证支撑块11随橡胶筒7的收缩而收缩，在顶杆9外围套有压缩弹簧10，其中压缩弹簧10一直处于压缩状态，这样可以确保支撑块11随橡胶筒7一起运动，为了避免橡胶筒7无限制膨胀导致破裂，在弧形板8的外边设计有限位筒6，这样可以有效控制橡胶筒7的膨胀程度，其中限位筒6为圆柱形钢制材料制成，可以抵抗较高的压力。其中关于限位筒6、顶杆9以及弧形板8的尺寸，可以根据钻孔直径进行适当调整。在此仅以钻孔直径为94mm为例进行设计，弧形板8的直径为40mm，顶杆9长度为18mm，限位筒6的直径为76mm，这样可以使支撑块11的有效运动范围在直径76mm~108mm之间的环形区域内，满足对94mm钻孔的有效支撑。当开始进行支撑时，采用两个支撑系统同时工作，如图2所示。在进行支撑操作时，通过加压使橡胶筒7膨胀，使处于收缩状态的三个弧形管2逐渐张开，当限位块3进入卡孔4即完成了支撑，此时可以退出弹性伸缩机构，换小一级钻头继续钻进。

在进行三个弧形管2回收时，首先根据定位系统确定控制槽22的位置，然后使支撑块11进入控制槽22，通过支撑块11的伸长将限位块3压下去，这样消除了限位块3的阻挡，三个弧形管2在地应力作用下发生收缩，同时为了避免应力不足导致三个弧形管2不收缩，在三个弧形管2的三个弧形管2之间连接了拉伸弹簧5。

控制系统主要是对三个弧形管2进行有效控制，确保施工时三个弧形管2的稳定性。该系统中支撑管是由三个弧形管2组成，为了确保三个弧形管2在轴向不发生相对滑动，在三个弧形管2的内壁沿环向设计了导向槽，在外壁沿环向设计了导向块，使导向块一直在导向槽内部运动，这样使三个弧形管2只可以在环向上发生相对运动，而在轴向上由于受到导向槽的控制作用，不能发生相对滑动，确保了三个弧形管2的稳定性。矩形的导向槽的尺寸稍大于矩形的导向块的尺寸，确保导向块可以进入导向槽的内部。

定位系统主要是确定控制槽22的位置，确保三个弧形管2回收顺利进行。该系统主要是通过摄像头对三个弧形管2内部控制槽22的位置进行确定，为了避免三个弧形管2内部光线不足，难以准确观测，在支撑块11上安装微型照明等，确保三个弧形管2内部光线充足，实现准确定位。

定位系统中微型摄像头21和微型照明灯20安装在支撑块11的中间，在支撑块11表面分别设计两个圆形钻孔用于安装微型摄像头21和微型照明灯20，并且两者均不能超过三个支撑块11的外表面，避免施工时对其造成破坏。微型摄像头21和微型照明灯20通过电缆连接到计算机19上，其中电缆固定在钢制高压管路上。

采用本发明进行施工作业，对于钻孔的有效支撑可以是全段支撑或局部支撑，其施工程序相似，在此仅以局部支撑为例进行说明。

具体施工步骤如下：

1）对本发明进行调试，做好施工前的准备工作。

2）在钻进过程中，当遇到易塌孔、难以钻进井段时，退出钻进装置，连接好该装置，关闭放水阀门16、打开进水阀门17。

3）将三个弧形管2套在支撑装置的外边，送入到塌孔位置，启动高压水泵14，达到设计压力，然后停泵，通过微型摄像头21对支撑效果进行观测，若未形成有效支撑，重启高压水泵14，加压至更高压力。若已经形成有效支撑则退出支撑系统。

4）采用小一级钻头继续钻孔的钻进，若再次遇到易塌孔区域重复步骤3），否则继续钻进。

5）对设备进行清洗，整理。

6）如需要进行三个弧形管2回收时，首先将一套支撑系统放入钻孔内部，根据微型摄像头21确定控制槽22位置，将支撑块11对准控制槽22位置，开启高压水泵14，加压以后，关闭高压水泵14，观测三个弧形管2是否已解除支撑，否则加压至更高压力。

7）依次重复步骤6）直到所有三个弧形管2均完成回收。

8）对回收三个弧形管2及装置进行处理。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，其特征在于：包括动力系统、支撑系统、控制系统和定位系统，动力系统通过第一高压水管与支撑系统连接，控制系统和定位系统设在支撑系统上，所述支撑系统包括由半径相同且可围成圆筒形的三个弧形管和设在三个弧形管内的弹性收缩机构，每个弧形管左侧的内壁上均设有一个限位块，每个弧形管的右侧外壁上均设有一个可容纳限位块的卡孔，一个弧形管的右端与相邻一个弧形管左侧的内壁之间设有拉伸弹簧，弹性收缩机构包括圆筒形的限位筒和橡胶筒，橡胶筒的一端通过所述第一高压水管与动力系统连接，橡胶筒同轴向设在限位筒内，橡胶筒的外圆周表面设有三块弧形板，每个弧形板外表面设有沿橡胶筒径向设置的顶杆，顶杆上穿套有位于限位筒和弧形板之间的压缩弹簧，每个顶杆均伸出限位筒并在外端设有一个支撑块，三个支撑块分别与一个弧形管内壁顶压配合。

2.根据权利要求1所述的软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，其特征在于：所述弹性收缩机构设有两个，两个弹性收缩机构的橡胶筒通过第二高压水管连接。

3.根据权利要求2所述的软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，其特征在于：所述控制系统包括沿环向设在每个弧形管内壁的导向槽以及沿环向设在每个弧形管的外壁的导向块，一个弧形管上的导向块滑动连接在与之相邻的弧形管的导向槽内。

4.根据权利要求1或2或3所述的软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，其特征在于：所述动力系统包括储水箱、高压水泵和放水管，高压水泵通过第三高压水管与储水箱连接，高压水泵的出水口与第一高压水管的进口连接，放水管与第一高压水管连接，放水管上设有放水阀门，第一高压水管上设有进水阀门和压力表。

5.根据权利要求1或2所述的软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，其特征在于：所述定位系统包括计算机以及设在支撑块上的微型照明灯和微型摄像头，微型照明灯和微型摄像头通过电缆连接在计算机上。

6.根据权利要求1或2所述的软煤发育区瓦斯抽采孔多级防塌孔施工装置，其特征在于：所述弧形管内壁设有位于卡孔周围的控制槽，控制槽的面积大于支撑块与弧形管的接触面积。