CN110242215A - 煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法，该装备由孔口混合供气系统、矿用有线随钻测量装置、定向钻具组合和孔口废气处理系统等组成。利用孔口混合供气系统向钻孔提供压力空气和氮气两种可选气体，驱动定向钻具组合进行孔底高效碎岩和排出钻屑；利用矿用有线随钻测量装置进行钻孔轨迹随钻实时测量和高效传输；利用定向钻具组合进行随钻测量信号传输和钻孔轨迹精确控制；利用孔口废气处理系统清除钻渣、确保氮气安全排放和瓦斯气体高效抽采。整体上提高了采用气体进行钻进时的安全性、信号传输效率、排渣效率，避免了气体钻进时孔内着火等安全隐患。

Description

煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻进的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，高瓦斯和瓦斯突出矿井约占我国煤炭产量的三分之一，绝大多数的高瓦斯和瓦斯突出矿井都具有碎软煤层。碎软煤层瓦斯治理是影响我国煤矿安全生产和能源稳定供给的重要影响因素。

钻孔抽采是碎软煤层瓦斯事故防治和综合利用的有效措施，但是由于碎软煤层煤体破碎，钻进时易喷孔、塌孔和卡钻，顺煤层钻进成孔困难；同时由于采用现有钻进技术不能对钻孔轨迹进行测量和控制，易造成抽采盲区，严重制约了瓦斯高效抽采。

碎软煤层钻进需要重点解决钻孔孔壁稳定性、高效排渣、钻孔轨迹随钻测控问题，根据现有钻进经验可知：①空气钻进可提高孔壁稳定性，但是会向钻孔内提供大量氧气，在具有燃烧倾向性的煤层中存在煤层自燃风险；②采用异形钻杆可以提高钻孔排渣效果，保障施工安全，但现有异形钻杆只能与无线随钻测量系统配套使用；③电磁波无线随钻测量系统可以进行空气钻进时的钻孔轨迹随钻测量，空气螺杆马达可以进行钻孔轨迹实时控制，但空气螺杆马达工作时振动大，气体的减震效果差，而无线随钻测量系统的结构复杂，易损坏；此外，电磁波随钻测量信号在煤层中传输衰减快，传输距离和工作稳定性受地层影响大。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法，其能克服现有技术的缺陷，解决目前煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工中存在的空气钻进存在煤层自燃风险、异形钻杆只能配套无线随钻测量系统使用、无线随钻测量系统不满足强振和煤层使用环境的问题。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，包括孔口混合供气系统、定向钻具组合、矿用有线随钻测量装置和孔口废气处理系统，其特征在于：

所述孔口混合供气系统由矿用移动式空压机、空气冷却装置、第一气路转换阀、第一单向阀、润滑控制装置、第一氮气分离装置、氧气浓度传感器、第二气路转换阀、第二单向阀、放空阀组成，其中矿用移动式空压机、空气冷却装置、第一气路转换阀、第一单向阀和润滑控制装置依次连接；第一气路转换阀、第一氮气分离装置、氧气浓度传感器、第二气路转换阀、第二单向阀和润滑控制装置依次连接；所述放空阀与第二气路转换阀连接；

所述孔口废气处理系统由废气收集器、气固分离器、第一截止阀、第二氮气分离装置、氮气排放管路、第二截止阀、瓦斯抽采管路组成，所述废气收集器、气固分离器、第一截止阀、第二氮气分离装置和氮气排放管路依次连接，所述气固分离器、第二截止阀和瓦斯抽采管路依次连接，所述第二氮气分离装置和瓦斯抽采管路连接，所述废气收集器与孔口套管连接。

其中：所述定向钻具组合由通缆送风器、有线螺旋钻杆、螺旋无磁钻杆、螺旋空气螺杆马达和定向钻头依次采用螺纹连接组成，螺旋无磁钻杆的内部固定安装有有线随钻测量探管。

其中：所述矿用有线随钻测量装置由有线随钻测量探管、孔口防爆计算机和双芯信号传输电缆组成，所述有线随钻测量探管安装在螺旋无磁钻杆实时监测孔内参数，并通过定向钻具组合形成的有线信号传输通道传输至孔口防爆计算机，所述双芯信号传输电缆与孔口防爆计算机和通缆送风器连接。

其中：所述空气冷却装置由水箱、抽水泵和风水换热器组成，所述风水换热器设置有进气口、出气口、进水口、出水口四个接口，所述风水换热器的内部位于进水口和出气口之间以及出水口和进气口之间分别设置一密封挡板，两个密封挡板之间通过多根冷却水管进行连通。

其中：所述第一氮气分离装置、第二氮气分离装置的结构相同，外部设置有气体进口、氮气出口、混合气出口，所述气体进口和氮气出口分别设置于两端，所述混合气出口设置于外壁，在靠近氮气出口的一端内部设置有氮气优先膜。

其中：所述润滑控制装置由第一连接三通、油气混合室、监测室、第三截止阀和第二连接三通依次连接组成，其中第一连接三通分别与第一单向阀和第二单向阀连接；油气混合室内设置有喷油嘴，喷油嘴与第三单向阀、高压胶管、手动注油泵依次连接；第二连接三通的第一出口与第四截止阀、消音器依次连接，第二出口与定向钻具组合连接。

其中：所述有线螺旋钻杆包括设有双螺旋槽的钢外管，以及第一钢接头、导电杆、第二钢接头和锥形弹簧依次连接组成的导电内芯，所述导电内芯由两端的绝缘挡圈定位在钢外管的中间，相邻有线螺旋钻杆连接时第一钢接头与锥形弹簧接触，形成钢外管和导电内芯两个互相不导通的信号传输通道。

还公开了一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进方法，包括以下步骤：

步骤一：装备连接和调试，按顺序连接好孔口混合供气系统、定向钻具组合、矿用有线随钻测量装置和孔口废气处理系统；

步骤二：空气钻进，钻进正常煤层时，开启矿用移动式空压机，其提供的中压空气经空气冷却装置降温后，直接通过润滑控制装置提供给定向钻具组合，驱动定向钻具组合进行定向钻进；钻进后产生的废气由废气收集器收集后，经气固分离器清除掉粉尘，处理后气体由瓦斯抽采管路抽走；

步骤三：氮气钻进，当监测到钻孔返出的气体中一氧化碳浓度过高时，调整至氮气钻进位置，矿用移动式空压机提供的空气由第一氮气分离装置提取出氮气，当氧气浓度传感器监测的氧气浓度大于3％时，气体由放空阀排出；当氧气浓度传感器监测的氧气浓度小于3％时，氮气经润滑控制装置提供给定向钻具组合，驱动定向钻具组合进行定向钻进；钻进后产生的废气由废气收集器收集后，经气固分离器清除掉粉尘，由第二氮气分离装置提取出氮气，并沿氮气排放管路排放至安全地方，剩余气体由瓦斯抽采管路抽走。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备与方法具有如下效果：

1、利用孔口混合供气系统向钻孔提供压力空气和氮气两种可选气体，驱动定向钻具组合进行孔底切削碎岩和排出钻屑，并解决了空气降温润滑、氮气制备、废气(粉尘、甲烷、氮气)处理难题，提高了碎软煤层气体钻进安全性，避免了气体钻进时孔内着火等安全隐患；

2、既降低了风压损耗，提高了碎软煤层排渣效果；又解决了空气钻进时随钻测量信号稳定传输难题，简化了随钻测量系统结构，提高了信号传输效率。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备的结构示意图。

图2显示了本发明的定向钻具组合的连接示意图。

图3显示了本发明的空气冷却装置的结构示意图。

图4显示了本发明的氮气分离装置的结构示意图。

图5显示了本发明的润滑控制装置的结构示意图。

图6显示了本发明的有线螺旋钻杆的结构示意图。

附图标记：

孔口混合供气系统1、定向钻具组合2、矿用有线随钻测量装置3、孔口废气处理系统4、矿用移动式空压机5、空气冷却装置6、第一气路转换阀7、第一单向阀8、润滑控制装置9、第一氮气分离装置10、氧气浓度传感器11、第二气路转换阀12、第二单向阀13、放空阀14、废气收集器15、气固分离器16、第一截止阀17、第二氮气分离装置18、氮气排放管路19、第二截止阀20、瓦斯抽采管路21、一氧化碳传感器22、通缆送风器23、有线螺旋钻杆24、螺旋无磁钻杆25、螺旋空气螺杆马达26、定向钻头27、有线随钻测量探管28、孔口防爆计算机29、双芯信号传输电缆30、水箱31、抽水泵32、风水换热器33、进气口34、出气口35、进水口36、出水口37、密封挡板38、冷却水管39、气体进口40、氮气出口41、混合气出口42、氮气优先膜43、第一连接三通44、油气混合室45、监测室46、第三截止阀47、第二连接三通48、喷油嘴49、第三单向阀50、高压胶管51、手动注油泵52、第四截止阀53、消音器54、气体压力传感器55、气体流量传感器56、双螺旋槽57、钢外管58、第一钢接头59、导电杆60、第二钢接头61、锥形弹簧62。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备。

所述煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备包括孔口混合供气系统1、定向钻具组合2、矿用有线随钻测量装置3和孔口废气处理系统4等装置，所述孔口混合供气系统1可分别提供钻进用压缩空气和氮气，由矿用移动式空压机5、空气冷却装置6、第一气路转换阀7、第一单向阀8、润滑控制装置9、第一氮气分离装置10、氧气浓度传感器11、第二气路转换阀12、第二单向阀13、放空阀14等组成，其中矿用移动式空压机5、空气冷却装置6、第一气路转换阀7、第一单向阀8和润滑控制装置9依次连接；第一气路转换阀7、第一氮气分离装置10、氧气浓度传感器11、第二气路转换阀12、第二单向阀13和润滑控制装置9依次连接；所述放空阀14与第二气路转换阀12连接。

所述孔口废气处理系统4由废气收集器15、气固分离器16、第一截止阀17、第二氮气分离装置18、氮气排放管路19、第二截止阀20、瓦斯抽采管路21组成，所述废气收集器15、气固分离器16、第一截止阀17、第二氮气分离装置18和氮气排放管路19依次连接，所述气固分离器16、第二截止阀20和瓦斯抽采管路21依次连接，所述第二氮气分离装置18和瓦斯抽采管路21连接，所述废气收集器15与孔口套管连接，且所述废气收集器15上设置有一氧化碳传感器22。

参见图2，所述定向钻具组合2由通缆送风器23、有线螺旋钻杆24、螺旋无磁钻杆25、螺旋空气螺杆马达26和定向钻头27等依次采用螺纹连接组成，其中通缆送风器23、有线螺旋钻杆24依次连接组成有线信号传输通道，螺旋无磁钻杆25的内部固定安装有有线随钻测量探管28。

所述矿用有线随钻测量装置3由有线随钻测量探管28、孔口防爆计算机29和双芯信号传输电缆30组成，可实时监测钻孔倾角、方位角、工具面向角和孔内温度，所述有线随钻测量探管28安装在螺旋无磁钻杆25内，可实时监测孔内参数，并通过定向钻具组合2形成的有线信号传输通道传输至孔口防爆计算机29，所述双芯信号传输电缆30与孔口防爆计算机29和通缆送风器23连接。

参见图3，所述空气冷却装置6由水箱31、抽水泵32和风水换热器33组成，所述风水换热器33设置有进气口34、出气口35、进水口36、出水口37四个接口，所述出水口37和进水口36分别设置于风水换热器33的两端，所述进气口34设置于风水换热器33的外壁且靠近出水口37的一侧，所述出气口35设置于风水换热器33的外壁且靠近进水口36的一侧，所述风水换热器33的内部位于进水口36和出气口35之间以及出水口37和进气口34之间分别设置一密封挡板38，从而将风水换热器33内腔分为进水区、冷却区、出水区三部分，两个密封挡板38之间通过多根冷却水管39进行连通，从而将进水区与出水区导通形成冷却水流动通道，所述空气冷却装置6使用时，开启抽水泵32从水箱31里吸水，由进水口36流入风水换热器33，由出水口37流出并返回水箱31；由矿用移动式空压机5提供的高温压缩空气，由进气口34流入风水换热器33，在冷却区由水降温以后，由出气口35流出，进入第一气路转换阀7。

参见图4，所述第一氮气分离装置10、第二氮气分离装置18的结构相同，外部设置有气体进口40、氮气出口41、混合气出口42，所述气体进口40和氮气出口41分别设置于两端，所述混合气出口设置于外壁，在靠近氮气出口41的一端内部设置有氮气优先膜43，其工作方法为空气或废气经气体进口40进入后，氮气通过氮气优先膜43排出，其他气体无法通过氮气优先膜43，由混合气出口42排出。所述第一氮气分离装置10的气体进口40与第一气路转换阀7连接，氮气出口41与氧气浓度传感器11连接，混合气出口42排空；所述第二氮气分离装置18的气体进口40与第一截止阀17连接，氮气出口41与氮气排放管路19连接，混合气出口42与瓦斯抽采管路21连接。

参见图5，所述润滑控制装置9由第一连接三通44、油气混合室45、监测室46、第三截止阀47和第二连接三通48依次连接组成，其中第一连接三通44分别与第一单向阀8和第二单向阀13连接；油气混合室45内设置有喷油嘴49，喷油嘴49与第三单向阀50、高压胶管51、手动注油泵52依次连接；第二连接三通48的第一出口与第四截止阀53、消音器54依次连接，第二出口与定向钻具组合2连接。所述的监测室46上设置有气体压力传感器55和气体流量传感器56。

参见图6，所述有线螺旋钻杆24包括设有双螺旋槽57的钢外管58，以及第一钢接头59、导电杆60、第二钢接头61和锥形弹簧62依次连接组成的导电内芯，所述导电内芯由两端的绝缘挡圈63定位在钢外管58的中间，相邻有线螺旋钻杆24连接时第一钢接头59与锥形弹簧62接触，形成钢外管58和导电内芯两个互相不导通的信号传输通道。

同时，本发明还公开了一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进方法，包括以下步骤：

步骤一：装备连接和调试，按顺序连接好孔口混合供气系统1、定向钻具组合2、矿用有线随钻测量装置3和孔口废气处理系统4。

步骤二：空气钻进，钻进正常煤层时，采用空气作为循环动力介质进行施工，将第一气路转换阀7调整至空气钻进位置，打开第二截止阀20，开启矿用移动式空压机5，其提供的中压空气经空气冷却装置6降温后，直接通过润滑控制装置9提供给定向钻具组合2，驱动定向钻具组合2进行定向钻进；钻进后产生的废气由废气收集器15收集后，经气固分离器16清除掉粉尘，处理后气体由瓦斯抽采管路21抽走。

步骤三：氮气钻进，当煤层具有燃烧倾向性或废气收集器15上的一氧化碳传感器22监测到钻孔返出的气体中一氧化碳浓度过高时，将第一气路转换阀7调整至氮气钻进位置，并打开第一截止阀17，矿用移动式空压机5提供的空气由第一氮气分离装置10提取出氮气，当氧气浓度传感器11监测的氧气浓度大于3％时，将第二气路转换阀12开向放空阀14，气体由放空阀14排出；当氧气浓度传感器11监测的氧气浓度小于3％时，第二气路转换阀12开向第二单向阀13，制备的氮气经润滑控制装置9提供给定向钻具组合2，驱动定向钻具组合2进行定向钻进；钻进后产生的废气由废气收集器15收集后，经气固分离器16清除掉粉尘，由第二氮气分离装置18提取出氮气，并沿氮气排放管路19排放至安全地方，剩余气体由瓦斯抽采管路21抽走。

由此，本发明的优点在于：

1、利用孔口混合供气系统向钻孔提供压力空气和氮气两种可选气体，驱动定向钻具组合进行孔底切削碎岩和排出钻屑，并解决了空气降温润滑、氮气制备、废气(粉尘、甲烷、氮气)处理难题，提高了碎软煤层气体钻进安全性，避免了气体钻进时孔内着火等安全隐患；

2、既降低了风压损耗，提高了碎软煤层排渣效果；又解决了空气钻进时随钻测量信号稳定传输难题，简化了随钻测量系统结构，提高了信号传输效率。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (8)

1.一种煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，包括孔口混合供气系统、定向钻具组合、矿用有线随钻测量装置和孔口废气处理系统，其特征在于：

所述孔口混合供气系统由矿用移动式空压机、空气冷却装置、第一气路转换阀、第一单向阀、润滑控制装置、第一氮气分离装置、氧气浓度传感器、第二气路转换阀、第二单向阀、放空阀组成，其中矿用移动式空压机、空气冷却装置、第一气路转换阀、第一单向阀和润滑控制装置依次连接；第一气路转换阀、第一氮气分离装置、氧气浓度传感器、第二气路转换阀、第二单向阀和润滑控制装置依次连接；所述放空阀与第二气路转换阀连接；

所述孔口废气处理系统由废气收集器、气固分离器、第一截止阀、第二氮气分离装置、氮气排放管路、第二截止阀、瓦斯抽采管路组成，所述废气收集器、气固分离器、第一截止阀、第二氮气分离装置和氮气排放管路依次连接，所述气固分离器、第二截止阀和瓦斯抽采管路依次连接，所述第二氮气分离装置和瓦斯抽采管路连接，所述废气收集器与孔口套管连接。

2.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，其特征在于：所述定向钻具组合由通缆送风器、有线螺旋钻杆、螺旋无磁钻杆、螺旋空气螺杆马达和定向钻头依次采用螺纹连接组成，螺旋无磁钻杆的内部固定安装有有线随钻测量探管。

3.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，其特征在于：所述矿用有线随钻测量装置由有线随钻测量探管、孔口防爆计算机和双芯信号传输电缆组成，所述有线随钻测量探管安装在螺旋无磁钻杆内实时监测孔内参数，并通过定向钻具组合形成的有线信号传输通道传输至孔口防爆计算机，所述双芯信号传输电缆与孔口防爆计算机和通缆送风器连接。

4.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，其特征在于：所述空气冷却装置由水箱、抽水泵和风水换热器组成，所述风水换热器设置有进气口、出气口、进水口、出水口四个接口，所述风水换热器的内部位于进水口和出气口之间以及出水口和进气口之间分别设置一密封挡板，两个密封挡板之间通过多根冷却水管进行连通。

5.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，其特征在于：所述第一氮气分离装置、第二氮气分离装置的结构相同，外部设置有气体进口、氮气出口、混合气出口，所述气体进口和氮气出口分别设置于两端，所述混合气出口设置于外壁，在靠近氮气出口的一端内部设置有氮气优先膜。

6.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，其特征在于：所述润滑控制装置由第一连接三通、油气混合室、监测室、第三截止阀和第二连接三通依次连接组成，其中第一连接三通分别与第一单向阀和第二单向阀连接；油气混合室内设置有喷油嘴，喷油嘴与第三单向阀、高压胶管、手动注油泵依次连接；第二连接三通的第一出口与第四截止阀、消音器依次连接，第二出口与定向钻具组合连接。

7.如权利要求1所述的煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进装备，其特征在于：所述有线螺旋钻杆包括设有双螺旋槽的钢外管，以及第一钢接头、导电杆、第二钢接头和锥形弹簧依次连接组成的导电内芯，所述导电内芯由两端的绝缘挡圈定位在钢外管的中间，相邻有线螺旋钻杆连接时第一钢接头与锥形弹簧接触，形成钢外管和导电内芯两个互相不导通的信号传输通道。

8.一种煤矿井下煤矿井下碎软煤层可调气体定向钻进方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：装备连接和调试，按顺序连接好孔口混合供气系统、定向钻具组合、矿用有线随钻测量装置和孔口废气处理系统；

步骤二：空气钻进，钻进正常煤层时，开启矿用移动式空压机，其提供的中压空气经空气冷却装置降温后，直接通过润滑控制装置提供给定向钻具组合，驱动定向钻具组合进行定向钻进；钻进后产生的废气由废气收集器收集后，经气固分离器清除掉粉尘，处理后气体由瓦斯抽采管路抽走；

步骤三：氮气钻进，当监测到钻孔返出的气体中一氧化碳浓度过高时，调整至氮气钻进位置，矿用移动式空压机提供的空气由第一氮气分离装置提取出氮气，当氧气浓度传感器监测的氧气浓度大于3％时，气体由放空阀排出；当氧气浓度传感器监测的氧气浓度小于3％时，氮气经润滑控制装置提供给定向钻具组合，驱动定向钻具组合进行定向钻进；钻进后产生的废气由废气收集器收集后，经气固分离器清除掉粉尘，由第二氮气分离装置提取出氮气，并沿氮气排放管路排放至安全地方，剩余气体由瓦斯抽采管路抽走。