CN108868873B - 一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，涉及一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，适用于高瓦斯低渗透性煤层抽采钻孔轴向切槽增透作业，轴向平衡切槽装置包括平衡装置机构和带喷头支撑机构，能够在偏心平衡轴及支撑机构的作用下实现动态平衡，喷头与支撑机构保持同一水平方向，该装置特点在于保证了高压水射流对周围煤体始终按预定方向进行切槽造缝，形成沿钻孔轴向的缝槽，从而实现卸压增透的目的，解决了现有的水力化切槽装置无法实现沿钻孔按特点方向进行轴向切槽造缝以及卸压增透效果不佳的问题。

Description

一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，涉及一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，尤其涉及一种适用于高瓦斯低渗透性煤层抽采钻孔的轴向切槽增透装置。

背景技术

煤矿瓦斯(煤层气)是引发煤矿安全事故的主要原因之一，同时煤矿瓦斯(煤层气)也是一种优质清洁能源。我国高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井所占比例较大，科学合理地开采和利用煤矿瓦斯不但有利于提高煤矿安全水平，还有利于优化能源结构，保护生态环境。因此，煤矿瓦斯(煤层气)抽采是集安全、能源和环保于一体的技术，具有良好的经济和社会意义。

从上世纪50年初开始，我国煤矿瓦斯防治和抽采技术逐步发展并不断提高，由单纯保障煤矿安全生产发展转变为安全能源环保的综合开发，抽采技术也由早期仅对高渗透性煤层和采空区抽采发展为根据不同煤层条件及不同区域的全方位抽采。但是，针对高瓦斯低渗煤层的瓦斯抽采，常规采用密集钻孔预抽方法，施工量大、成本高，抽采达标时间长，效果有限。

近几年来，水力化煤矿瓦斯灾害治理技术成为研究热点，通过水力化作用下冲割、压裂煤体来提高煤层渗透性，根据技术装备及作用方式的不同，逐渐发展为水力压裂、水力割缝(扩孔、冲孔)等技术，成为解决高瓦斯煤层低渗透性问题提供有效的技术途径。

针对水力化技术中的水力压裂、冲割煤体装置，公告号为CN106555578A的发明专利公开了《煤层压裂管》，公告号为CN106121614A的发明专利公开了《一种多煤层胶囊隔离分层压裂装置及方法》，这两个专利中介绍了通过压裂管柱注高压水，使煤层产生裂隙并延伸的水力压裂装置及方法，但由于压裂管柱及技术工艺局限性，使水力压裂裂隙一般会向煤层薄弱方向延伸，无法实现精准控制的卸压增透效果；公告号为CN102562018A的发明专利公开了《井下水力割缝工具》、公告号为CN206972217U的实用新型专利公开了《穿层钻孔水力割缝装置》、公告号为CN106223861A的发明专利公开了《超高压水力钻、扩、割一体化钻头》，这三个专利中介绍了水力割缝(扩孔、冲孔)对钻孔周围煤岩体进行冲割的高压水射流发生装置，通过在钻孔周围冲割形成圆形缝槽或孔洞实现增透目的，但无法实现沿钻孔轴向按特定方向精准割缝切槽，因而缝槽卸压作用范围小，增透效果有限。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有的水力化技术切槽造缝装置无法实现沿钻孔轴向按特定方向精准割缝切槽，以及卸压增透效果不佳的问题，提供一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置。

为达到上述目的，本发明提供一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，轴向平衡切槽装置包括依次固定连接的平衡装置机构和带喷头支撑机构；

平衡装置机构内部套接有偏心平衡轴，偏心平衡轴两端固定安装有用于支撑偏心平衡轴的高压密封轴承，偏心平衡轴能够在高压密封轴承中高压旋转且通过自动调整始终处于一种平衡状态，偏心平衡轴一端端部固定安装有高压旋转轴，平衡装置机构和带喷头支撑机构通过高压旋转轴固定连接，偏心平衡轴的另一端转动连接高压密封钻杆；

带喷头支撑机构内部套接有高压密封阀芯和供水流通过且与高压密封阀芯相通的通道，高压密封阀芯与通道之间活动安装有与高压密封阀芯和通道均相通的挡板，高压密封阀芯穿设在通道内的外壁上缠绕有与挡板相抵的弹簧，高压密封阀芯两侧的带喷头支撑机构上分别铰接有限制高压密封阀芯移动的支撑机构，支撑机构的开口端之间固定安装有拉簧，带喷头支撑机构外壁的轴向均匀安装有两个与通道相通且用来切割钻孔周围煤层的喷头，喷头与支撑机构保持同一水平，远离高压密封阀芯的带喷头支撑机构端部开设有与高压旋转轴相匹配的凹槽，凹槽与通道之间安装有限制高压密封阀芯向凹槽移动的弹性挡圈。

进一步，偏心平衡轴上安装有与高压密封钻杆密封连接的高压密封组件，高压密封组件轴向均匀安装在偏心平衡轴外壁上。

进一步，偏心平衡轴与高压密封轴承通过高压密封轴销固定连接。

进一步，高压旋转轴呈梯形状。

进一步，支撑机构与带喷头支撑机构的铰接处安装有支撑机构销轴。

进一步，喷头与带喷头支撑机构采用可拆卸组装的方式连接，根据不同煤层、泵压和流量等条件，选用安装带不同孔径喷嘴的喷头。

进一步，支撑机构上一体成型安装有与高压密封阀芯相抵的弧形凸起，支撑机构外端开设有通槽，拉簧的两端固定安装在通槽内。

进一步，支撑机构张开幅度最大时，支撑机构与水平方向的夹角为45°。

进一步，喷头为高压水射流发生装置，高压水通过喷头形成射流对钻孔周围煤体进行切槽造缝。

本发明的有益效果在于：

1、本发明用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，通过在高压旋转接头轴向平衡切槽装置内部设置偏心平衡轴，实现偏心平衡轴与高压密封钻杆的高压旋转连接，并在偏心平衡轴的自身偏心重力作用下，能够自动调整并始终处于一种平衡状态，保证了高压密封钻杆在旋转过程中，轴向平衡切槽装置不跟随高压密封钻杆旋转，且保持了自身平衡。

喷头结构是高压水射流发生装置，高压水通过喷头形成射流对钻孔周围煤体进行切槽造缝，其喷头的结构参数主要包括喷嘴位置、喷嘴直径等，喷嘴均沿钻孔的径向朝向煤层预定方向，此时对周围煤体切割深度最深。

喷头的结构参数可以根据煤层软硬条件和高压清水泵提供的高压水压力及流量参数，确定喷头结构的喷嘴直径；同时根据煤层赋存倾角变化情况，确定喷嘴位置，即在轴向切槽过程中，根据不同位置抽采钻孔的煤层倾角情况，决定采用不同喷嘴位置类型的轴向平衡切槽装置。

支撑机构是通过装置侧翼的收缩结构保证喷头结构在瓦斯抽采钻孔轴向反复切槽过程中按预定方向进行切槽，同时使平衡装置机构在缝槽宽度范围内摆动，防止瓦斯抽采钻孔中煤渣积聚和钻杆旋转导致平衡装置摆动幅度过大，实现切槽行进过程中与瓦斯抽采钻孔保持轴向平行。

2、本发明用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，在瓦斯抽采钻孔轴向切槽卸压增透的技术工艺应用过程具体如下：即在瓦斯抽采钻孔施工完成后，安装高压密封钻杆、高压旋转水尾、轴向平衡切槽装置，将高压密封钻杆及轴向平衡切槽装置重新下入瓦斯抽采钻孔预定位置，在高压水射流作用开始时，轴向平衡切槽装置上的喷头对钻孔周围煤层进行轴向切槽形成缝隙，此时轴向平衡装置在偏心重力作用下始终保持装置处于平衡状态，随着水压升高，平衡装置机构侧翼收缩结构打开并伸入缝隙，实现对轴向平衡切槽装置摆动幅度的限定作用，使喷头对钻孔周围煤层按预定方向进行反复高压水射流切槽造缝，随着钻机回撤高压密封钻杆，在钻孔周围煤层形成连续的轴向缝槽，钻孔轴向切槽作业完成后，进行平行钻孔连续作业。

3、本发明用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，通过瓦斯抽采钻孔按预定方向沿钻孔轴向高压水射流切槽造缝和平行钻孔连续作业，在钻孔周围沿煤层倾斜方向形成一条连通的缝槽，实现了类似“保护层开采”的采动卸压增透效果，从而有效提高瓦斯低渗煤层渗透率和瓦斯抽采率，实现煤矿瓦斯高效抽采。

4、本发明用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，能够在自身平衡及支撑机构的作用下实现动态平衡，保证高压水射流沿钻孔轴向按预定方向对钻孔周围煤体进行切槽造缝，克服了目前水力化技术射流装备在煤层卸压增透效率低、效果有限的缺点，最终实现类似“保护层开采”的采动卸压增透效果，从而彻底解决高瓦斯煤层低渗透性的难题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置结构示意图；

图2为本发明用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置中平衡装置机构的结构示意图；

图3为本发明用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置中平衡装置机构的剖面图；

图4为本发明用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置中带喷头支撑机构的结构示意图；

图5为本发明用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置中带喷头支撑机构的剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

说明书附图中的附图标记包括：

轴向平衡切槽装置1、高压密封组件1.1、偏心平衡轴1.2、平衡装置机构1.3、高压密封轴承1.4、高压密封轴销1.5、高压密封盖1.6、高压旋转轴1.7、高压密封阀芯1.8、拉簧1.9、支撑机构1.10、弹簧1.11、带喷头支撑机构1.12、喷头1.13、弹性挡圈1.14。

如图1～5所示的用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，轴向平衡切槽装置1包括依次固定连接的平衡装置机构1.3和带喷头支撑机构1.12。

平衡装置机构1.3内部套接有偏心平衡轴1.2，偏心平衡轴1.2两端固定安装有用于支撑偏心平衡轴1.2的高压密封轴承1.4，偏心平衡轴1.2能够在高压密封轴承1.4中高压旋转且通过自动调整始终处于一种平衡状态，偏心平衡轴1.2与高压密封轴承1.4通过高压密封轴销1.5固定连接。偏心平衡轴1.2前端端部固定安装有梯形状的高压旋转轴1.7，带喷头支撑机构1.12后端端部开设有与高压旋转轴1.7相匹配的凹槽，平衡装置机构1.3和带喷头支撑机构1.12通过将高压旋转轴1.7插入凹槽后固定连接，偏心平衡轴1.2的后端转动连接高压密封钻杆，偏心平衡轴1.2上安装有与高压密封钻杆密封连接的高压密封组件1.1，高压密封组件1.1轴向均匀安装在偏心平衡轴1.2外壁上。在高压密封轴承1.4和偏心平衡轴1.2综合作用下，平衡装置机构1.3、高压旋转轴1.7和带喷头支撑机构1.12不会跟随高压密封钻杆旋转，平衡装置机构1.3在偏心重力作用下，随高压密封钻杆摆动始终保持动态平衡，保证了前端带喷头支撑机构1.12上喷头1.13能够沿钻孔轴向和煤层预定方向进行切槽。

带喷头支撑机构1.12内部套接有高压密封阀芯1.8和供水流通过且与高压密封阀芯1.8相通的通道，高压密封阀芯1.8与通道之间活动安装有与高压密封阀芯1.8和通道均相通的挡板，高压密封阀芯1.8穿设在通道内的外壁上缠绕有与挡板相抵的弹簧1.11，高压密封阀芯1.8两侧的带喷头支撑机构1.12上分别铰接有限制高压密封阀芯1.8移动的支撑机构1.10，支撑机构1.10上一体成型安装有与高压密封阀芯1.8相抵的弧形凸起，支撑机构1.10外端开设有通槽，拉簧1.9的两端固定安装在通槽内。支撑机构1.10张开幅度最大时，支撑机构1.10与水平方向的夹角为45°。支撑机构1.10与带喷头支撑机构1.12的铰接处安装有支撑机构销轴。支撑机构1.10的开口端之间固定安装有拉簧1.9，带喷头支撑机构1.12外壁的轴向均匀安装有两个与通道相通且用来切割钻孔周围煤层的喷头1.13，喷头1.13为高压水射流发生装置，高压水通过喷头1.13形成射流对钻孔周围煤体进行切槽造缝。喷头1.13与支撑机构1.10保持同一水平，两侧喷头1.13无差异，能够分别对钻孔两侧煤层进行轴向切槽。当高压水泵在输出水压较低时，高压密封阀芯1.8在弹簧1.11的压力作用下，低压水通过该通道，低压水起到了钻孔排渣的作用。随着高压水泵不断加压，高压密封阀芯1.8在高压水压力作用下开始向前移动压缩弹簧1.11和撑开支撑机构1.10，此时高压水开始通过喷头1.13上喷嘴形成射流，开始切割钻孔周围煤体，支撑机构1.10开始张开并伸入钻孔周围喷嘴切割的缝槽内，随着高压水泵达到预定的压力，高压密封阀芯1.8向前移动距离最大，此时前端水流通道完全封堵，高压水全部通过喷头上喷嘴，水射流作用效果达到最大，此时，支撑机构1.10张开幅度最大且与轴向平衡切槽装置1角度最大，夹角θ＝45°。

喷头1.13与带喷头支撑机构1.12采用可拆卸组装的方式连接，根据不同煤层、泵压和流量等条件，选用安装带不同孔径喷嘴的喷头1.13。带喷头支撑机构1.12端部凹槽与通道之间安装有限制高压密封阀芯1.8向凹槽移动的弹性挡圈1.14。当高压水泵输出水压降低时，高压密封阀芯1.8在弹簧1.11压力作用下向后移动，低压水通过轴向平衡切槽装置1前端通道流出，此时水压小、流量大，有利于钻孔进行排渣作用；另外，随着高压密封阀芯1.8向后移动，支撑机构1.10在拉簧1.9拉力作用下开始回收，最后恢复原位；在高压密封阀芯1.8向后移动过程中，弹性挡圈1.14阻挡了高压密封阀芯1.8持续往后移动，起到了限定高压密封阀芯1.8移动的作用。

该用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置的操作过程，包括以下步骤：

1、在煤岩层中施工抽采钻孔，利用矿用钻机将轴向平衡切槽装置1下入钻孔预定位置。

2、轴向平衡切槽装置1的轴向平衡机构在偏心平衡轴1.2在自身偏心重力作用下，轴向平衡切槽装置1内部喷头1.13及支撑机构1.10在预定方向摆动形成平衡，在高压水射流下沿预定方向切出缝槽，支撑机构1.10限定平衡装置机构1.3在煤体缝槽宽度范围内的摆动。

3、启动高压密封钻杆上连接的高压水泵，并开始加压，此时轴向平衡切槽装置1的喷头及带喷头支撑机构1.12内部的高压密封阀芯1.8在高压水作用下压迫弹簧1.11，弹簧1.11开始收缩，高压密封阀芯1.8向前移动，此时高压密封阀芯1.8顶开高压密封阀芯1.8前段支撑机构1.10并向外侧张开，高压密封阀芯1.8向前移动同时，原先由于高压密封阀芯1.8封堵的喷头1.13上的喷射通道打开，高压水通过喷头1.13上喷嘴向高压密封钻杆两侧径向喷射水射流，随着高压水泵不断升压至预定压力时，高压密封阀芯1.8向前达到最大移动位置，并封堵高压水通过前端水通道，支撑机构1.10张开最大角度，支撑机构1.10两翼伸入钻孔两侧缝槽进行切槽。

4、在往复切槽操作几次后，降低高压水泵的泵压至关闭，然后取掉一根或若干根高压密封钻杆，重新连接高压水泵组，重复下一段切槽操作。

5、重复步骤3、4，直至从钻孔内部回撤高压密封钻杆至煤岩壁封孔段距离，此时该瓦斯抽采钻孔轴向切槽卸压操作完成，关闭高压水泵，取下轴向平衡切槽装置1，随后孔口至钻孔最深处切槽位置的钻孔轴向切槽段下入矿用筛管，实现对钻孔孔壁支撑。

6、在完成该瓦斯抽采钻孔轴向切槽后，在下一个平行钻孔重复步骤2、3、4、5、6，进行下一个钻孔轴向切槽卸压增透操作。

本发明所述的轴向平衡切槽卸压增透装置在轴向切槽过程中，保证了高压水射流对周围煤体始终按预定方向进行切槽造缝，最终形成沿钻孔轴向的缝槽，从而实现卸压增透的目的。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，轴向平衡切槽卸压增透装置包括依次固定连接的平衡装置机构和带喷头支撑机构；

所述平衡装置机构内部套接有偏心平衡轴，偏心平衡轴两端固定安装有用于支撑偏心平衡轴的高压密封轴承，偏心平衡轴能够在高压密封轴承中高压旋转且通过自动调整始终处于一种平衡状态，偏心平衡轴一端端部固定安装有高压旋转轴，平衡装置机构和带喷头支撑机构通过高压旋转轴固定连接，偏心平衡轴的另一端转动连接高压密封钻杆；

所述带喷头支撑机构内部套接有高压密封阀芯和供水流通过且与高压密封阀芯相通的通道，高压密封阀芯与通道之间活动安装有与高压密封阀芯和通道均相通的挡板，高压密封阀芯穿设在通道内的外壁上缠绕有与挡板相抵的弹簧，高压密封阀芯两侧的带喷头支撑机构上分别铰接有限制高压密封阀芯移动的支撑机构，支撑机构的开口端之间固定安装有拉簧，带喷头支撑机构外壁的圆周方向上均匀安装有两个与通道相通且用来切割钻孔周围煤层的喷头，喷头与支撑机构保持同一水平，远离高压密封阀芯的带喷头支撑机构端部开设有与高压旋转轴相匹配的凹槽，凹槽与通道之间安装有限制高压密封阀芯向凹槽移动的弹性挡圈。

2.如权利要求1所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述偏心平衡轴上安装有与高压密封钻杆密封连接的高压密封组件，高压密封组件轴向均匀安装在偏心平衡轴外壁上。

3.如权利要求2所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述偏心平衡轴与高压密封轴承通过高压密封轴销固定连接。

4.如权利要求1所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述高压旋转轴的截面呈梯形状。

5.如权利要求3所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述支撑机构与带喷头支撑机构的铰接处安装有支撑机构销轴。

6.如权利要求5所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述喷头与带喷头支撑机构采用可拆卸组装的方式连接，根据不同煤层、泵压和流量条件，选用安装带不同孔径喷嘴的喷头。

7.如权利要求1所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述支撑机构上一体成型安装有与高压密封阀芯相抵的弧形凸起，所述支撑机构外端开设有通槽，所述拉簧的两端固定安装在通槽内。

8.如权利要求1所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述支撑机构张开幅度最大时，支撑机构与水平方向的夹角为45°。

9.如权利要求1所述用于瓦斯抽采钻孔的轴向平衡切槽卸压增透装置，其特征在于，所述喷头为高压水射流发生装置，高压水通过喷头形成射流对钻孔周围煤体进行切槽造缝。