CN106761385A - 松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺，主要用于对松软突出煤层进行钻孔，装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元。钻孔施工工艺是采用可变径钻头对松软突出煤层进行冲击钻进，以不排渣钻进方式回避排渣问题，极大地减少了粉尘排放，改善了工作环境；设置有仿生结构的透气筛管由可变径钻头牵引并随钻护壁，大大减小了筛管与孔壁煤体之间的摩擦力，解决了筛管下放困难的问题，避免了孔壁坍塌，且能保证筛管具有优良的透气性能。所述的成孔装备及工艺的实施可有效防止钻孔坍塌，增加松软煤层钻进成孔率，减少钻孔的工作量，降低瓦斯灾害事故发生的概率和威胁，最终实现煤矿安全和煤层气高效开采。

Description

松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺
技术领域
本发明涉及煤矿开采工程中瓦斯抽采和煤层气开发领域，尤其涉及一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及实现工艺。
背景技术
煤及煤层气是中国重要的化石能源矿产，而具有高瓦斯或煤与瓦斯突出倾向的煤层极易在施工作业时发生煤矿瓦斯灾害，特别是松软突出煤层的安全生产面临巨大挑战。如表1所示，针对坚固性系数f<0.8的松软煤层，渗透性和强度均较低，煤体稳定性差，瓦斯含量和瓦斯压力高。除了巷道极易发生顶板冒落和底膨破坏，给支护造成极大的困难，煤与瓦斯突出灾害事故防治也是困扰产业界的一大难题。因此，煤层气或瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的重要安全技术措施，一般采用大量钻孔作业以便进行人工增渗施工，降低煤矿瓦斯灾害发生的概率。
表1 按坚固性系数划分的煤层分类
松软突出煤层广泛分布于贵州、云南、重庆、湖南、安徽、河南等矿区，据不完全统计，重点矿区含松软突出煤层的煤矿数量占总矿井数量的53.3％。但松软突出煤层具有渗透性低、瓦斯压力和瓦斯含量高、强度低的特点，因此松软煤层钻孔过程中往往发生卡钻、移出钻头后孔壁往往严重变形缩颈甚至坍塌等钻孔失效问题，很难保证钻孔成功率，从而严重制约了松软突出煤层的开发。
目前，一般采用将护孔筛管送入钻孔的方式保护钻孔，以减少钻孔变形缩颈或坍塌的可能性，然而钻孔中残留的煤屑容易导致护孔筛管难以下放。例如，公开号为CN102587961A的专利介绍了一种松软煤层瓦斯抽采孔的护孔管的送入工艺，解决了松软煤层瓦斯抽采孔送入护孔管时遇到钻孔残留煤屑和局部塌孔难以下放的问题，但是该工艺是在成孔退钻后实施，增加了工程量，耗时耗力；公开号为CN 103114810A的专利介绍了一种煤层钻孔防塌孔随钻钻进下套筒装备及钻孔工艺，该工艺起到了防止钻孔塌孔且避免钻孔报废的作用，但是筒式钻头无法退出，在钻孔结束后留在孔内，造成浪费，甚至有可能在采煤机回采切割煤体时相互摩擦而产生火花，存在极大的安全隐患。
为解决上述问题，本发明提出了一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺，能够避免卡钻、移出钻头后孔壁严重变形缩颈甚至坍塌等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺，能够避免卡钻、移出钻头后孔壁严重变形缩颈甚至坍塌等问题，以实现煤层气、瓦斯高效抽采，降低煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故发生的概率和威胁，最终实现煤矿安全和煤层气高效开采。
为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，用于对松软突出煤层进行钻孔，其特征在于，所述装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元；其中，所述可变径钻头通过所述推进单元与所述驱动单元连接，所述筛管包裹于所述推进单元的外表面，用于防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，所述驱动单元驱动所述推进单元作用于所述可变径钻头，使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至其进入所述松软突出煤层，并对所述松软突出煤层进行冲击钻进直至一预定深度后再对所述可变径钻头变径，使其能够缩回所述筛管内。
优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述筛管的构成材料包括抗静电阻燃的PVC、PC、PE等新型高分子材料、轻金属及其合金；所述筛管的外表面均匀设有多个凸起的波粒，用于减少所述筛管与孔壁煤体之间的摩擦力；每个波粒上均设有至少一个通孔，用于流通所述筛管内外的气体。
优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述推进单元包括：推进杆以及液压管线，所述液压管线布置于所述推进杆上的管线卡槽内；所述驱动单元通过所述液压管线分别与所述可变径钻头以及推进杆连接。
优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述推进杆还包括：凸起机构、第一弹簧、第一活塞、第二弹簧、第二活塞以及至少一个卡头，所述凸起机构用于使所述可变径钻头变径；所述至少一个卡头用于固定并拖动所述筛管进入松软突出煤层的钻孔，并在钻孔结束后脱离所述筛管并从中退出；所述液压管线包括第一液压管线及第二液压管线，所述驱动单元通过所述第二液压管线与所述第一活塞连接，所述驱动单元通过所述第一液压管线与所述第二活塞连接，所述第一弹簧用于牵引所述凸起机构，所述第二弹簧用于牵引所述第二活塞，并在冲进钻进时传递所述第二活塞产生的作用力至所述可变径钻头。
优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述驱动单元包括：动力机构、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述第一阀门及第二阀门用于控制所述第二活塞中的液压，所述第三阀门用于控制所述第一活塞中的液压，所述动力机构通过所述液压管线与所述可变径钻头、第一活塞以及第二活塞连接。
优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备还包括一降温单元，用于对所述可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元进行降温、润滑。
为达到上述目的，本发明的另一方面提出了一种使用上述任一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备对松软突出煤层进行钻进成孔的工艺，包括：
获取所需钻进的煤层的基本物理力学参数，根据煤体地质强度指标GSI统计和Hoek-Brown准则等理论计算，设计和优化筛管的尺寸参数及构成材料，设计钻进方案和施工参数，并进行装备的安装及调试；
驱动单元驱动推进单元工作，所述推进单元作用于可变径钻头，使其携带筛管进行冲击钻进；
以及当钻进至预定深度时，所述可变径钻头脱离所述筛管并从中退出，所述筛管留于钻孔内，防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，完成钻孔。
优选地，在上述松软突出煤层进行钻进成孔的工艺中，所述驱动单元驱动推进单元工作，所述推进单元作用于可变径钻头，使其携带筛管进行冲击钻进的步骤还包括：
所述可变径钻头变径使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至所述可变钻头进入所述松软突出煤层；以及
对钻孔的钻进质量进行检测，若钻进质量未达到要求，则调整所述钻孔装备的施工参数，包括所述可变径钻头的冲击频率，直到钻进质量达到要求。
优选地，在上述松软突出煤层进行钻进成孔的工艺中，所述当钻进至要求孔深所述预定深度时，所述可变径钻头脱离所述筛管并从中退出，所述筛管留于钻孔内，防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，完成钻孔的步骤还包括：
所述推进单元作用于所述可变径钻头变径，使其外径小于所述筛管的内径缩回所述筛管内并从所述筛管中退出。
优选地，在上述松软突出煤层进行钻进成孔的工艺中，所述工艺还包括；
降温单元对所述可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元进行降温、润滑。
综上所述，在本发明提出的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺中，采用可变径钻头对松软突出煤层进行冲击钻进，以不排渣钻进方式回避排渣问题，极大地减少了粉尘排放，改善了工作环境；设置一定结构的筛管，减小了筛管与孔壁煤体之间的摩擦力，由可变径钻头及推动单元对其进行牵引，解决了筛管下放困难的问题；钻孔结束后，可变径钻头从筛管中退出，留下筛管对钻孔进行保护，有效防止孔壁坍塌。
附图说明
图1为本发明中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备结构示意图；
图2为本发明中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备沿垂直于X方向的截面示意图；
图3为本发明中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备的筛管波粒示意图；
图4为本发明中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔工艺的工作流程图。
1-可变径钻头；2-筛管；21-波粒；211-椭圆形孔；3-推进单元；31-第一弹簧；32-第一活塞；33-第二弹簧；34-第二活塞；35-凸起机构；36-推进杆；371-第一液压管线；372-第二液压管线；38-卡头；4-驱动单元；41-第一阀门；42-第二阀门；43-第三阀门。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。
本实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备包括可变径钻头1、筛管2、推进单元3以及驱动单元4，用于对松软突出煤层进行钻孔。
具体的，如图1及图2所示，筛管2包裹于推进单元3的外表面；筛管2的外表面均匀设有多个凸起的波粒21，用于增加筛管2的强度和刚度，减小筛管外壁与钻孔煤壁之间的摩擦力，提高筛管2下放效率和可靠性；每个波粒21上均设有至少一个通孔，本实施例中，通孔为椭圆形孔211，椭圆形孔211用与流通筛管2内外的流体，便于后期对钻孔中的瓦斯及煤层气进行抽采，进而降低了瓦斯灾害事故发生的概率和威胁。
上述筛管2的使用材料包括但不限于为新型高分子材料，如抗静电阻燃的PVC、PC、PE、轻金属及其合金等，本发明对此不作任何限制；
如图3所示，上述筛管2上设有的波粒21，及波粒21上设有的椭圆形孔211构成了一种新型结构的筛管，能够保证椭圆形孔211始终开启，使筛管2具有优良的透气性能；且使用高分子材料无有毒有害物质产生，阻燃抗静电，提高了筛管2的使用寿命及后期施工的安全性。
具体的，本实施例中的推进单元3包括推进杆36、凸起机构35、第一弹簧31、第一活塞32、第二弹簧33、第二活塞34以及液压管线37。凸起机构35用于改变可变径钻头的外径，第一活塞32及第一弹簧31用于在复位凸起机构35；第二活塞34在驱动单元4的驱动下运动，作用于第二弹簧33，以保证可变径钻头1实现冲击钻进。
如图1所示，推进单元3还包括一个卡头38，卡头38用于固定并携带筛管2进入松软突出煤层的钻孔，本发明对卡头38的数量及固定携带筛管2进入的方式不作任何限制；卡头38可以但不限于为可充液膨胀式装备，本发明对此不作任何限制。
钻孔前，驱动单元4通过第二液压管线372向第一活塞32注入液压油，第一活塞32推动第一弹簧33沿X方向运动，凸起机构35进入可变径钻头1的中心，使得可变径钻头1的外径增大，大于筛管2的外径，以便牵引筛管2进入钻孔；卡头38固定筛管2于推进杆36上。
完成钻孔后，驱动单元4通过第二液压管线372停止向第一活塞32注入液压油，第一活塞32及第一弹簧31沿X方向的反方向运动，凸起机构35离开可变径钻头1的中心，可变径钻头1外径恢复至初始，卡头38脱离筛管2，此时可变径钻头1与卡头38均从筛管2中退出，留下筛管2支撑钻孔。
具体的，本实施例中的驱动单元4包括动力机构、第一阀门41、第二阀门42以及第三阀门43，第一阀门41及第二阀门42控制第一液压管线371中的液压油流向，以控制第二活塞34中的液压，以使可变径钻头1进行冲击钻进；第一阀门41控制进油量，第二阀门42控制出油量或第二阀门42控制进油量，第一阀门41控制出油量，本发明对此不作任何限制。当可变径钻头1需退出钻孔时，第三阀门43工作，改变了第一阀门41及第二阀门42控制的油量方向，以控制第二液压管线372中的油量及第一活塞32的液压，控制可变径钻头1从筛管2中退出。
具体的，在上述装备中，为保证可变径钻头1、筛管2、推进单元3以及驱动单元4的正常工作，使用降温单元对其进行降温、润滑处理，本发明对降温单元的工作形式及结构均不作任何限制。
上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备可有效防止钻孔坍塌，增加松软煤层钻孔成功率，从而降低了瓦斯灾害事故发生的概率和威胁，最终实现煤矿安全和煤层气高效开采。
某矿开采K2 #松软煤层时，瓦斯压力大，工作面煤层泊松比μ为0.35，坚固性系数f为0.15，最大水平主应力σH＝13.2MPa，垂直应力σv＝9.42MPa，c＝1.25MPa，φ＝30°。工作面埋深550m，走向长700m，倾斜长120m；工作面煤层倾角18°，结构稳定、简单，无较大地质构造，但小断层发育明显；平均坚固性系数f＝0.4左右，煤厚为0.8～1.5m，是典型的具有煤与瓦斯突出倾向性的松软煤层，且软分层分布不均，各向异性明显。根据公式T＝(H-100)/100×1.13+19计算可知，工作面地温大约24℃(T为地温，H为埋深，且大于100m)。煤层瓦斯含量煤层瓦斯原始含量为5.62～21.53m3/t，绝对瓦斯最大涌出量为42m3/min，相对瓦斯涌出量为33.2m3/min，实测原始瓦斯含量25.6m3/t有煤尘爆炸危险性，煤层自燃倾向性为II类，属于易自然发火煤层。
将本实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备运用到上述煤层开采工作中的流程如图4所示。
具体包括：
S1：根据煤体地质强度指标GSI统计和Hoek-Brown准则等理论计算设计和优化筛管的尺寸参数及构成材料：选用外径Φ32mm，内径Φ25mm的筛管，筛管2材质选用具有抗静电阻燃性的聚丙烯(PP)，选用Φ36mm的可变径钻头1，进行装备安装及调试；
S2：驱动单元4驱动推进单元3及可变径钻头1，使可变径钻头1的外径大于筛管2的内径，并牵引筛管2进行冲击钻进。
S3：当钻进至预定深度时，驱动单元4通过第二液压管线372停止向第一活塞32注入液压油，第一弹簧31牵引第一活塞32沿X方向的反方向运动，凸起机构35离开可变径钻头1的中心，可变径钻头1的外径恢复至初始状态，同时卡头38脱离所述筛管2；可变径钻头1及卡头38均从筛管2中退出，留下筛管2支撑钻孔。
其中S2包括：
S21：驱动单元4的动力机构工作，第三阀门43使第二液压管线372向第一活塞32注入液压油，第一活塞32推动第一弹簧33沿X方向运动，凸起机构35进入可变径钻头1的中心，使得可变径钻头1的外径增大，大于筛管2的外径，同时卡头38工作，固定并拖动筛管2下放；
S22：驱动单元4通过第一液压管线371向第二活塞34注入液压油，第一阀门41进油，第二阀门42出油，此时，第二活塞34推动第二弹簧33沿X方向往返运动，在第二弹簧33的作用下，可变径钻头1牵引筛管2在松软突出煤层中进行高频率的往复运动，进行冲击钻进；
其中，S22还包括：
S221：对钻孔的钻进质量进行检测，若钻进质量未达到要求，则调整钻孔装备的参数，包括但不限于为可变径钻头1的冲击频率，直到钻进质量达到要求；以及
S222：降温单元对可变径钻头1、筛管2、推进单元3以及驱动单元4进行降温、润滑。
综上所述，在本发明提出的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺中，采用可变径钻头对松软突出煤层进行冲击钻进，以不排渣钻进方式回避排渣问题，极大地减少了粉尘排放，改善了工作环境；设置一定结构的筛管，减小了筛管与孔壁煤体之间的摩擦力，由可变径钻头及推动单元对其进行牵引，解决了筛管下放困难的问题；钻孔结束后，可变径钻头从筛管中退出，留下筛管对钻孔进行保护，有效防止孔壁坍塌。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，用于对松软突出煤层进行钻孔，其特征在于，所述装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元；其中，所述可变径钻头通过所述推进单元与所述驱动单元连接，所述筛管包裹于所述推进单元的外表面，用于防止所述钻孔产生严重变形或坍塌；所述驱动单元驱动所述推进单元作用于所述可变径钻头，使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至其进入所述松软突出煤层，并对所述松软突出煤层进行冲击钻进直至一预定深度后再对所述可变径钻头变径，使其能够缩回所述筛管内。
2.如权利要求1所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述筛管的构成材料包括抗静电阻燃的PVC、PC、PE等新型高分子材料、轻金属及其合金；所述筛管的外表面均匀设有多个凸起的波粒，用于减少所述筛管与孔壁煤体之间的摩擦力；每个波粒上均设有至少一个通孔，用于流通所述筛管内外的流体。
3.如权利要求1所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述推进单元包括：推进杆以及液压管线，所述液压管线布置于所述推进杆上的管线卡槽内；所述驱动单元通过所述液压管线分别与所述可变径钻头以及推进杆连接。
4.如权利要求3所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述推进杆还包括：凸起机构、第一弹簧、第一活塞、第二弹簧、第二活塞以及至少一个卡头，所述凸起机构用于使所述可变径钻头变径；所述至少一个卡头用于固定并拖动所述筛管进入松软突出煤层的钻孔，并在钻孔结束后脱离所述筛管并从中退出；所述液压管线包括第一液压管线及第二液压管线，所述驱动单元通过所述第二液压管线与所述第一活塞连接，所述驱动单元通过所述第一液压管线与所述第二活塞连接，所述第一弹簧用于牵引所述凸起机构，所述第二弹簧用于牵引所述第二活塞，并在冲进钻进时，传递所述第二活塞产生的作用力至所述可变径钻头。
5.如权利要求4所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述驱动单元包括：动力机构、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述第一阀门及第二阀门用于控制所述第二活塞中的液压，所述第三阀门用于控制所述第一活塞中的液压，所述动力机构通过所述液压管线与所述可变径钻头、第一活塞以及第二活塞连接。
6.如权利要求1所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备还包括一降温单元，用于对所述可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元进行降温、润滑。
7.一种使用权利要求1-6所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备对松软突出煤层进行钻孔的工艺，其特征在于，包括：
获取所需钻进的煤层的基本物理力学参数，根据煤体地质强度指标GSI统计和Hoek-Brown准则等理论计算，设计和优化筛管的尺寸参数及构成材料，设计钻进方案和施工参数，并进行装备的安装及调试；
驱动单元驱动推进单元工作，所述推进单元作用于可变径钻头，使其携带筛管进行冲击钻进；
以及当钻进至预定深度时，所述可变径钻头脱离所述筛管并从中退出，所述筛管留于钻孔内，防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，完成钻孔。
8.如权利要求7所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔工艺，其特征在于，所述驱动单元驱动推进单元工作，所述推进单元作用于可变径钻头，使其携带筛管进行冲击钻进的步骤还包括：
所述可变径钻头变径使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至所述可变钻头进入所述松软突出煤层；以及
对钻孔的钻进质量进行检测，若钻进质量未达到要求，则调整所述钻孔装备的施工参数，包括所述可变径钻头的冲击频率，直到钻进质量达到要求。
9.如权利要求7所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔工艺，其特征在于，所述当钻进至要求孔深所述预定深度时，所述可变径钻头脱离所述筛管并从中退出，所述筛管留于钻孔内，防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，完成钻孔的步骤还包括：
所述推进单元作用于所述可变径钻头变径，使其外径小于所述筛管的内径缩回所述筛管内并从所述筛管中退出。
10.如权利要求7所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔工艺，其特征在于，所述工艺还包括；
降温单元对所述可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元进行降温、润滑。
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