CN106223997B - 一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置及方法，属于煤层钻孔的防喷防突装置及方法。装置的钻杆密封套连接在气水渣分离腔的一端，气水渣分离腔的另一端连接有胶囊封孔短套管，并且胶囊封孔短套管通过防突支撑加强固定；钻杆贯穿钻杆密封套、气水渣分离腔和胶囊封孔短套管直至钻孔内；气水渣分离腔通过高强度弹簧软管与气水渣分离箱连接，气水渣分离箱安装在称重系统上；方法是：水、渣通过气水渣分离腔排渣口排放到气水渣分离箱中，气水渣分离腔和气水渣分离箱中的瓦斯完全进入抽放管路，防突支撑起防止防喷装置拨孔和突出的作用。具有安全和易操作的特点，适用于高瓦斯突出煤层各类水力冲孔、水力扩孔、水力割缝、拨钻防喷和钻孔防喷。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤层钻孔的防喷防突装置及方法，特别是一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置及方法。
背景技术
我国煤与瓦斯突出灾害非常严重，并且随采深加大，地应力和瓦斯压力越来越高，煤与瓦斯突出危险日趋严重及复杂，对煤炭安全高效开采造成严重威胁。钻孔抽采是最主要的瓦斯抽采和防突手段。水力冲孔和水力割缝等水力措施被广泛应用于穿层钻孔强化抽采，水力冲孔、水力割缝和钻孔过程喷孔会造成瓦斯灾害事故或工作面、巷道瓦斯超限。为了防止钻孔或水力措施喷孔，学者和工程技术人员发明了多种防喷装置或方法。但目前应用的防喷装置及方法存在钻杆处未完全密封、严重喷孔时时常发生巷道瓦斯超限，安全性差，封孔套管较长且用砂浆封孔、固化占用时间长、无法重复利用，三通或四通较小、堵塞风险大，安装和拆卸等操作复杂、占用时间长、工人不愿意使用等问题。另外，由于存在顺层水力措施时大量喷孔、甚至引起突出而无法防喷防突等问题，水力冲孔和水力割缝未能有效应用于顺层煤层。
发明内容
技术问题：本发明是针对需求及现有技术中存在的问题，提供一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置及方法，解决现有技术中存在水力冲孔或煤层钻孔时钻杆处未完全密封、严重喷孔时时常发生巷道瓦斯超限、封孔复杂且不能重复利用、安全性差及顺层水力措施引起突出而无法有效防喷防突的问题。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：防喷防突装置包括：胶囊封孔短套管、气水渣分离腔、钻杆密封套、气水渣分离箱、称重系统和防突支撑；钻杆密封套连接在气水渣分离腔的一端，气水渣分离腔的另一端连接有能够密封钻孔的胶囊封孔短套管，并且胶囊封孔短套管通过防突支撑加强固定；气水渣分离腔通过高强度弹簧软管与气水渣分离箱连接，气水渣分离箱安装在称重系统上，钻杆贯穿钻杆密封套，气水渣分离箱和胶囊封孔短套管直至钻孔内。
所述的气水渣分离腔有分离腔体，在分离腔体的两端分别连接有快速连接法兰，快速连接法兰分为上游快速连接法兰和下游快速连接法兰；在分离腔体的下方有排渣口，在分离腔体的上方连接有带有流量计、压风接口的瓦斯出口和带有压力表和阀门的控制口，在瓦斯出口与分离腔体连接处有筛网；所述的压风接口具有压风清堵的功能，所述的控制口实施除堵和泄压；气水渣分离腔通过上游快速法兰与胶囊密封短套管连接，钻杆穿过钻杆密封套后安装钻头，钻杆密封套通过下游快速连接法兰与气水渣分离腔连接，出渣口通过弹簧软管连接气水渣分离箱的进渣口。
所述的胶囊封孔短套管通过胶囊注液口向固定于套管外的密封胶囊内注入高压液体，膨胀的密封胶囊实现套管与钻孔壁的快速固定与密封，不影响作业，泄液时抽出胶囊封孔短套管，重复使用。
所述的钻杆密封套包括：V型密封圈组、密封圈组压盖螺栓、密封圈组压盖、O型密封圈、滚珠密封轴承、轴承压盖、密封轴承套、法兰盘和压盖固定螺栓；在密封轴承套内顺序安装有V型密封圈组和滚珠密封轴承，V型密封圈组和滚珠密封轴承之间的密封轴承套有隔断；在密封圈组压盖上有钻杆孔和连通孔；钻杆穿过V型密封圈组和滚珠密封轴承，在V型密封圈组一端通过密封圈组压盖螺栓固定有密封圈组压盖，在滚珠密封轴承一端通过压盖固定螺栓固定有轴承压盖，在V型密封圈组一端的密封轴承套外壁上有法兰盘；钻杆密封套实现钻杆与气水渣分离腔之间的密封，防止在实施钻孔或喷孔时瓦斯气体泄露，造成巷道瓦斯超限；通过密封圈组压盖的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组变形实现随喷孔严重程度自适应密封，在减少V型密封圈组磨损的情况下保证密封。
所述的防突支撑为固定于胶囊封孔短套管两侧的支撑杆或紧固链；两侧支撑杆分别由单体液压支柱固定；或者采用紧固链紧固于两侧巷道支架或锚杆底座上，可有效防止胶囊封孔短套管外移、喷出或水力措施诱发煤与瓦斯突出事故。
所述的称重系统包括：记录仪和固定于支架上的称重传感器；与称重传感器连接的记录仪实时记录和分析水渣重量和煤的重量,并可以分析计算出冲出煤量的速度和总煤量。
所述的气水渣分离箱包括：内壁光滑的箱体、进渣口、瓦斯出口、高度标尺、观察窗口、角度标尺、出渣口和排水口；在箱体底部安装有支架，支架对箱体实施支撑；在箱体的一端有进渣口与弹簧软管相连；在箱体的顶部安装有瓦斯出口，瓦斯出口连接抽放管路；在箱体的尾部安装有出渣口和排水口，出渣口和排水口上都分别安装有阀门，控制出渣口和排水口关闭；在箱体侧面上安装有观察窗口、高度标尺和角度标尺，通过观察窗口直观的看到箱体内水渣的积存情况，通过高度标尺和角度标尺读数进一步的计算出水渣的具体体积。
使用高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置的方法，具体步骤如下：
(1)在钻孔位置处固稳钻机，先施工大钻孔，深度超过胶囊封孔短套管长度，将胶囊密封短套管装入，通过胶囊注液口向密封胶囊注入高压液体，实现套管与钻孔壁的固定与密封，将气水渣分离腔通过快速连接法兰与胶囊封孔短套管连接；
(2)钻头更换成正常钻进或水力冲割钻头，钻杆穿过钻杆密封套后安装钻头，钻杆密封套与气水渣分离腔通过快速连接法兰连接；
(3)固稳气水渣分离箱，关闭出渣口和排水口，接通称重系统，气水渣分离箱的进渣口通过高强度弹簧软管连接气水渣分离腔的排渣口，各瓦斯出口连接抽放管路；安装好防突支撑，用单体支柱支护于巷道顶底板间紧贴固定支撑杆，或者采用紧固链紧固于两侧巷道支架或锚杆底座上；
(4)开始钻进或水力冲割，水和煤渣进入气水渣分离箱，瓦斯被抽走，水通过排水口间断性排出或连续排出，渣通过出渣口人为控制阀门间断性排出或连续排出，排水和排渣时，当气水渣分离箱内的渣较少不足以防止气体喷出时，应关闭排水阀门和排渣阀门；
(5)喷孔时，通过密封圈组压盖的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组变形实现随喷孔严重程度自适应密封；出现气水渣分离腔堵塞时，将控制口接高压水管冲涮；
(6)瓦斯出口被堵塞时，可接压风清堵；
(7)钻进或水力冲割完成后，将瓦斯抽放到直至压力表无表压，才允许拨钻及卸除防喷防突装置，以防止拨钻过程中瓦斯、粉尘喷出，顶钻伤人或损坏设备。
有益效果，实现了钻杆处完全动态自适应密封、胶囊套管封孔、腔式气水渣初级分离和防突支撑，钻孔与水力冲割或喷孔时，水、渣通过气水渣分离腔出渣口排放到气水渣分离箱中，气水渣分离腔和气水渣分离箱中的瓦斯完全进入抽放管路，防突支撑起防止防喷装置拨孔和防止突出的作用。
能有效防止水力扩孔、水力冲孔、水力割缝或钻孔时发生喷孔和杜绝巷道瓦斯超限；能有效防止钻孔或防喷装置堵塞；能防止拨钻过程中顶钻伤人或损坏设备；能将喷出的气水渣进行有效分离：采用胶囊封孔，封孔套管短，安装及操作方便、快捷，可重复利用；能有效防止突出事故发生。具有安全和易操作的特点。适用于高瓦斯突出煤层穿层和顺层各类水力冲孔、水力扩孔、水力割缝、拨钻防喷和钻孔防喷防突。
附图说明
图1为本发明的高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置图。
图2为本发明的钻杆密封套结构图。
图中：1、钻机；2、钻杆；3、钻杆密封套；4、快速连接法兰；5、控制口；6、阀门；7、瓦斯出口；8、流量计；9、压风接口；10、筛网；11、支撑杆；12、套管；13、密封胶囊；14、钻头；15、煤层；16、岩层；17、胶囊注液口；18、单体支柱；19、气水渣分离腔；20、排渣口；21、高强度弹簧软管；22、进渣口；23、瓦斯出口；24、高度标尺；25、观察窗口；26、角度标尺；27、气水渣分离箱；28、出渣口；29、排水口；30、称重传感器；31、支架；32、压力表；33、记录仪；1-2、V型密封圈组；1-3、密封圈组压盖螺栓；1-4、密封圈组压盖；1-5、滚珠密封轴承；1-6、连通孔；1-7、轴承压盖；1-8、密封轴承套；1-9、法兰盘；1-10、压盖固定螺栓；1-11、O型密封圈。
具体实施方式
防喷防突装置包括：胶囊封孔短套管、气水渣分离腔19、钻杆密封套3、气水渣分离箱27、称重系统和防突支撑；钻杆密封套3连接在气水渣分离腔19的一端，气水渣分离腔19的另一端连接有能够密封钻孔的胶囊封孔短套管，并且胶囊封孔短套管通过防突支撑加强固定；气水渣分离腔19通过高强度弹簧软管与气水渣分离箱27连接，气水渣分离箱27安装在称重系统上，钻杆2贯穿钻杆密封套3、气水渣分离箱27和胶囊封孔短套管直至钻孔内。
所述的气水渣分离腔19有分离腔体，在分离腔体的两端分别连接有快速连接法兰4，快速连接法兰分为上游快速连接法兰和下游快速连接法兰；在分离腔体的下方有排渣口20，在分离腔体的上方连接有带有流量计8、压风接口9的瓦斯出口7和带有压力表32和阀门6的控制口5，在瓦斯出口7与分离腔体连接处有筛网10；所述的压风接口9具有压风清堵的功能，所述的控制口5实施除堵和泄压；气水渣分离腔通过上游快速法兰与胶囊密封短套管连接，钻杆2穿过钻杆密封套3后安装钻头14，钻杆密封套3通过下游快速连接法兰与气水渣分离腔19连接，出渣口20通过弹簧软管21连接气水渣分离箱27的进渣口22；所述的弹簧软管21为高强度弹簧软管。
所述的胶囊封孔短套管通过胶囊注液口17向固定于套管12外的密封胶囊13内注入高压液体，膨胀的密封胶囊13实现套管12与钻孔壁的快速固定与密封，不影响作业，泄液时可抽出胶囊封孔短套管，重复使用。
所述的钻杆密封套包括：V型密封圈组1-2、密封圈组压盖螺栓1-3、密封圈组压盖1-4、O型密封圈1-11、滚珠密封轴承1-5、轴承压盖1-7、密封轴承套1-8、法兰盘1-9和压盖固定螺栓1-10；在密封轴承套1-8内顺序安装有V型密封圈组1-2和滚珠密封轴承1-5，V型密封圈组1-2和滚珠密封轴承1-5之间的密封轴承套1-8有隔断；在密封圈组压盖1-4上有钻杆孔和连通孔1-6；钻杆2穿过V型密封圈组1-2和滚珠密封轴承1-5，在V型密封圈组1-2一端通过密封圈组压盖螺栓1-3固定有密封圈组压盖1-4，在滚珠密封轴承1-5一端通过压盖固定螺栓1-10固定有轴承压盖1-7，在V型密封圈组1-2一端的密封轴承套1-8外壁上有法兰盘1-9；钻杆密封套实现钻杆2与气水渣分离腔19之间的密封，防止在实施钻孔或喷孔时瓦斯气体泄露，造成巷道瓦斯超限；通过密封圈组压盖1-4的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组1-2变形实现随喷孔严重程度自适应密封，在减少V型密封圈组1-2磨损的情况下保证密封效果。
所述的防突支撑为固定于胶囊封孔短套管两侧的支撑杆11或紧固链；两侧支撑杆11分别由单体液压支柱18固定；或者采用紧固链紧固于两侧巷道支架或锚杆底座上，可有效防止胶囊封孔短套管外移、喷出或水力措施诱发煤与瓦斯突出事故。
所述的称重系统包括：记录仪和固定于支架31上的称重传感器30；与称重传感器连接的记录仪实时记录和分析水渣重量和煤的重量,并可以分析计算出冲出煤量的速度和总煤量。
所述的气水渣分离箱27包括：内壁光滑的箱体、进渣口22、瓦斯出口23、高度标尺24、观察窗口25、角度标尺26、出渣口28和排水口29；在箱体底部安装有支架31，支架31对箱体实施支撑；在箱体的一端有进渣口22与高强度弹簧软管21相连；在箱体的顶部安装有与瓦斯出口23，瓦斯出口23连接抽放管路；在箱体的尾部安装有出渣口28和排水口29，出渣口28和排水口29上都分别安装有阀门，控制出渣口28和排水口29关闭；在箱体侧面上安装有观察窗口25、高度标尺24和角度标尺26，通过观察窗口25直观的看到箱体内水渣的积存情况，通过高度标尺24和角度标尺26读数可以进一步的计算出水渣的具体体积。
使用高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置的方法，具体步骤如下：
(1)在钻孔位置处固稳钻机1，先施工大钻孔，深度超过胶囊封孔短套管长度，将胶囊密封短套管装入，通过胶囊注液口17向密封胶囊13注入高压液体，实现套管12与钻孔壁的固定与密封，将气水渣分离腔19通过上游快速连接法兰与胶囊封孔短套管连接；
(2)钻头14更换成正常钻进或水力冲割钻头，钻杆2穿过钻杆密封套3后安装钻头14，钻杆密封套3与气水渣分离腔19通过快速连接法兰4连接；
(3)固稳气水渣分离箱27，关闭出渣口28和排水口29，接通称重系统，气水渣分离箱27的进渣口22通过高强度弹簧软管21连接气水渣分离腔的排渣口20，各瓦斯出口连接抽放管路；安装好防突支撑，用单体支柱18支护于巷道顶底板间紧贴固定支撑杆11；
(4)开始钻进或水力冲割，水和煤渣进入气水渣分离箱27，瓦斯被抽走，水通过排水口29间断性排出或连续排出，渣通过出渣口28人为控制阀门间断性排出或连续排出，排水和排渣时，当气水渣分离箱27内的渣较少不足以防止气体喷出时，应关闭排水阀门和排渣阀门；
(5)喷孔时，通过密封圈组压盖1-4的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组1-2变形实现随喷孔严重程度自适应密封；出现气水渣分离腔19堵塞时，将控制口5接高压水管冲涮；
(6)瓦斯出口7被堵塞时，可接压风清堵；
(7)钻进或水力冲割完成后，将瓦斯抽放到直至压力表32无表压，才允许拨钻及卸除防喷防突装置，以防止拨钻过程中瓦斯、粉尘喷出，顶钻伤人或损坏设备。
一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置由胶囊封孔短套管、气水渣分离腔、钻杆密封套、内壁光滑的气水渣分离箱、称重系统和防突支撑组成。具体实施时，在钻孔位置处固稳钻机，先施工大直径钻孔，钻孔直径大于胶囊封孔短套管外径,钻孔深度达到胶囊封孔短套管长度。将胶囊封孔短套管装入大钻孔中，通过高压胶管将水泵或液压泵与胶囊注液口连接，打开胶囊注液口上的阀门，向胶囊注液，胶囊膨胀，密封孔壁，实现对钻孔的快速密封并固定套管。将气水渣分离腔通过上游快速法兰与胶囊密封短套管连接。钻杆密封套在正常使用时为一体化装置，可整体安装或拆卸(如需更换V型密封圈组时，松开密封圈组压盖螺栓，取下密封圈组压盖，将V型密封圈组装入密封轴承套中，盖上压盖，螺栓拧紧固定)，钻杆穿过钻杆密封套，安装正常钻进或水力冲割所需钻头，将钻杆密封套通过下游快速法兰与气水渣分离腔连接；通过压盖的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组变形实现随喷孔严重程度自适应密封，在减少密封圈组磨损的情况下保证密封效果；固稳气水渣分离箱，关闭出渣口和排水口，气水渣分离腔的出渣口通过高强度弹簧软管连接气水渣分离箱进渣口，各瓦斯出口连接抽放管路，接通称重系统；安装好防突支撑，用单体支柱支护于巷道顶底板间紧贴固定支撑杆，或用紧固链紧固于两侧巷道支架或锚杆底座上，可有效防止防喷防突装置外移、喷出或水力措施诱发煤与瓦斯突出事故。开始钻进或水力冲割，水和煤渣从钻孔流出，经过气水渣分离腔和弹簧软管后进入气水渣分离箱，瓦斯通过连接抽放管路的瓦斯出口被抽走。在气水渣分离箱侧面上安装有观察窗口、高度标尺和角度标尺，通过观察窗口可以直观的看到气水渣分离箱内水渣的积存情况，通过高度标尺和角度标尺读数可以进一步的计算出水渣的具体体积。固定于气水渣分离箱支架上的称重传感器及与其连接的记录仪，实时记录和分析水渣重量和煤的重量,并可以分析计算出冲出煤量的速度和总煤量。水通过排水口间断性排出或连续排出，渣通过出渣口人为控制阀门间断性排出或连续排出。排水和排渣时，当气水渣分离箱内的渣较少不足以防止气体喷出时，应关闭排水阀门和排渣阀门；喷孔时，通过压盖的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组变形实现随喷孔严重程度自适应密封；出现气水渣分离腔堵塞时，可将控制口接高压水管冲涮；瓦斯出口被堵塞时，可接压风清堵；钻进或水力冲割完成后，抽放瓦斯到直至压力表无表压，才允许拨钻及卸除防喷防突装置，以防止拨钻过程中瓦斯、粉尘喷出，顶钻伤人或损坏设备。断开高强度弹簧软管和瓦斯抽放管路，打开快速连接法兰，依次卸下钻杆密封套和气水渣分离腔，打开胶囊注液口的阀门泄液后，抽出胶囊封孔短套管，重复使用。
Claims (6)
1.一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置，其特征在于：防喷防突装置包括：胶囊封孔短套管、气水渣分离腔、钻杆密封套、气水渣分离箱、称重系统和防突支撑；钻杆密封套连接在气水渣分离腔的一端，气水渣分离腔的另一端连接有能够密封钻孔的胶囊封孔短套管，并且胶囊封孔短套管通过防突支撑加强固定；气水渣分离腔通过高强度弹簧软管与气水渣分离箱连接，气水渣分离箱安装在称重系统上，钻杆贯穿钻杆密封套、气水渣分离箱和胶囊封孔短套管直至钻孔内。
2.根据权利要求1所述的一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置，其特征在于：所述的气水渣分离腔有分离腔体，在分离腔体的两端分别连接有快速连接法兰，快速连接法兰分为上游快速连接法兰和下游快速连接法兰；在分离腔体的下方有排渣口，在分离腔体的上方连接有带有流量计、压风接口的瓦斯出口和带有压力表和阀门的控制口，在瓦斯出口与分离腔体连接处有筛网；所述的压风接口具有压风清堵的功能，所述的控制口实施除堵和泄压；气水渣分离腔通过上游快速法兰与胶囊密封短套管连接，钻杆穿过钻杆密封套后安装钻头，钻杆密封套通过下游快速连接法兰与气水渣分离腔连接，出渣口通过弹簧软管连接气水渣分离箱的进渣口。
3.根据权利要求1所述的一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置，其特征在于：所述的胶囊封孔短套管通过胶囊注液口向固定于套管外的密封胶囊内注入高压液体，膨胀的密封胶囊实现套管与钻孔壁的快速固定与密封，不影响作业，泄液时抽出胶囊封孔短套管，重复使用。
4.根据权利要求1所述的一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置，其特征在于：所述的钻杆密封套包括：V型密封圈组、密封圈组压盖螺栓、密封圈组压盖、Ｏ型密封圈、滚珠密封轴承、轴承压盖、密封轴承套、法兰盘和压盖固定螺栓；在密封轴承套内顺序安装有V型密封圈组和滚珠密封轴承，V型密封圈组和滚珠密封轴承之间的密封轴承套有隔断；在密封圈组压盖上有钻杆孔和连通孔；钻杆穿过V型密封圈组和滚珠密封轴承，在V型密封圈组一端通过密封圈组压盖螺栓固定有密封圈组压盖，在滚珠密封轴承一端通过压盖固定螺栓固定有轴承压盖，在V型密封圈组一端的密封轴承套外壁上有法兰盘；钻杆密封套实现钻杆与气水渣分离腔之间的密封，防止在实施钻孔或喷孔时瓦斯气体泄露，造成巷道瓦斯超限；通过密封圈组压盖的可调静力作用和喷孔气体的动压作用由V型密封圈组变形实现随喷孔严重程度自适应密封，在减少V型密封圈组磨损的情况下保证密封。
5.根据权利要求1所述的一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置，其特征在于：所述的防突支撑为固定于胶囊封孔短套管两侧的支撑杆或紧固链；两侧支撑杆分别由单体液压支柱固定；或者采用紧固链紧固于两侧巷道支架或锚杆底座上，可有效防止胶囊封孔短套管外移、喷出或水力措施诱发煤与瓦斯突出事故。
6.根据权利要求1所述的一种高瓦斯突出煤层钻孔与水力冲割防喷防突装置，其特征在于：所述的称重系统包括：记录仪和固定于支架上的称重传感器；与称重传感器连接的记录仪实时记录和分析水渣重量和煤的重量,并可以分析计算出冲出煤量的速度和总煤量。
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