CN110630181A - 一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，先通过钻头Ⅰ完成第一段钻孔的钻设；采用直径可扩张的钻头Ⅱ送入第一段钻孔最深处，钻进一段距离后完成钻头Ⅱ的变径扩张过程；保持钻头Ⅱ的扩张状态继续向煤层内部钻进，钻进过程中高压气体和扩张钻头对煤体耦合冲击，高压气体将破碎煤体从钻孔内排出，从而完成一个扩孔造穴过程；然后依次完成后续多个扩孔造穴过程，直至钻进至设计深度后停止钻进，此时在钻进方向上形成多个缝穴空间；将钻头Ⅱ退出钻孔后，向第一段钻孔内装入护孔筛管，最后对钻孔进行预抽煤层瓦斯工作。本发明扩孔直径大、扩孔施工简单方便，并且扩孔形成缝穴过程中不易塌孔，从而能有效对松软煤层进行扩孔增透。

Description

一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法

技术领域

本发明涉及一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，属于煤矿井下煤层打钻、增透相关技术领域，尤其适用于松软低渗透性高瓦斯煤层。

背景技术

我国89％以上的高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井煤层坚固性差(f<1)。这些松软煤层矿井大量地分布在河南、安徽、贵州、四川、云南和湖南等省的高瓦斯矿区。松软煤层是由原始煤层遭受了地质构造运动形成的，以碎粒煤、糜棱煤为主，煤体强度低，原生裂隙被破坏，结构复杂，透气性减小而不利于气体流动。我国典型高瓦斯松软煤层矿区煤层渗透率在10^-17-10^-19m²之间，比西方发达国家低2～3个数量级。这就导致了松软煤层瓦斯抽采非常困难，成为了瓦斯灾害事故的主要发生地。所以，增加煤层透气性是解决我国瓦斯治理难题的关键。

储层增透技术伴随着石油、煤炭等矿藏的开采而发展起来的，一般可分为力学方法和物理化学方法。力学方法通过改变应力分布产生新裂隙，从而提高储层渗透性，如造穴技术、水力压裂、水射流扩孔(或割缝)、松动爆破等；物理方法是指使声、电等物理场作用于储层来增渗，如超声波、液电脉冲、人工地震、压力脉冲等；化学方法是指向储层注入化学解堵剂溶解堵塞杂质，如酸性处理、注入表面活性剂等。但由于煤体硬度值低，上述方法在松软煤层中存在以下主要问题：①钻孔排渣困难，堵孔、塌孔、喷孔等现象时有发生；②高压水、高能声电场诱发煤与瓦斯突出、高压水携带瓦斯喷出等不可预见的危险，井下复杂环境作业困难；③孔隙水张力会弱化瓦斯解吸；④低渗煤层化学溶剂渗透半径有限。因此，急需开展新型松软煤层增透方法，规避上述水力化、高能化增透的缺陷，实现“煤层裂隙造得出、钻孔留得住、瓦斯抽得出”。

中国专利申请号CN201810440365.4提出了一种变径扩孔提高瓦斯抽采浓度的煤矿瓦斯抽采系统及方法，采用液压结构驱动行星齿轮和顶杆结构，实现扩孔；中国专利申请号CN201811284764.2公开了一种煤矿井下的双翼水力扩、冲一体化打钻工艺，钻头本体两侧铰接有可翻转收回至中空内腔内的侧翼钻头，钻头本体的中空内腔设有三个高压水射流通道分别与顶部钻头、两个侧翼钻头连通，两个侧翼钻头打开后可将原94mm钻孔扩到260mm直径；中国专利申请号CN201810225338.5公开了阶梯式扩孔钻具及方法，利用泥浆泵高压水驱动动力作用，带动初级扩孔钻头旋转破岩,实现钻孔直径的初级增扩，在孔口钻机回转驱动动力作用下，带动次级扩孔钻头旋转破岩，实现钻孔直径的次级阶梯式增扩。但是，上述各个发明扩孔方法均存在扩孔直径小，扩孔机械结构复杂，扩孔后钻孔易塌孔的问题，难以在松软煤层中有效扩孔。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，其扩孔直径大、扩孔施工简单方便，并且扩孔形成缝穴过程中不易塌孔，从而能有效对松软煤层进行扩孔增透。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，该方法的具体步骤为：

A、在中空钻杆上连接钻头Ⅰ，钻机通过中空钻杆带动钻头Ⅰ在巷道壁上向煤层钻进，使钻头Ⅰ到达煤层时停止钻进，将中空钻杆及钻头Ⅰ从钻孔退出，完成第一段钻孔的钻设，然后在该段钻孔内装入钢制套管并用水泥浆液进行固孔；

B、将钻头Ⅰ从中空钻杆上拆下，并装上直径可扩张的钻头Ⅱ，钻头Ⅱ包括主钻头、主钻头连杆和扩孔钻头，主钻头固定在主钻头连杆的顶端，主钻头连杆底端与中空钻杆同轴连接，主钻头连杆侧部开设凹槽，扩孔钻头处于凹槽内且其一端与凹槽内部活动连接，扩孔钻头的另一端开设气体喷口，气体喷口依次经过扩孔钻头内部通道、主钻头连杆内部通道与中空钻杆内部连通；钻头Ⅱ处于未扩张状态时，扩孔钻头处于主钻头连杆的凹槽内，且扩孔钻头直径小于主钻头连杆直径；进行扩孔造穴时，钻机将处于未扩张状态的钻头Ⅱ及中空钻杆送入第一段钻孔最深处，然后钻孔带动钻头Ⅱ继续向煤层钻进，钻头Ⅱ钻进一段距离后，将高压气源连入中空钻杆，使气体喷口喷出高压气体，高压气体对孔壁冲击增加孔壁破碎，并将孔壁切削后产生的破碎煤体随气流排出钻孔；同时扩张钻头在气体反冲力和中空钻杆的旋转离心力作用下，扩孔钻头的另一端从凹槽内展开，对该段钻孔的孔壁进行切削扩孔，直至钻头Ⅱ的扩张钻头达到最大展开位置时，完成钻头Ⅱ的变径扩张过程；

C、保持钻头Ⅱ的扩张状态继续向煤层内部钻进，钻进过程中高压气体和扩张钻头对煤体耦合冲击，高压气体将破碎煤体从钻孔内排出，当钻头Ⅱ钻进达到一定距离后，断开高压气源与中空钻杆的连接，钻机向钻进的反方向起拔钻杆，在钻头Ⅱ回到扩孔起始点时由于孔径变小，扩张钻头在煤壁摩擦力作用下收缩进入主钻头连杆的凹槽内，完成一个扩孔造穴过程；

D、继续增加中空钻杆的长度后重复步骤B和C，完成后续多个扩孔造穴过程，直至钻进至设计深度后停止钻进，此时在钻进方向上形成多个缝穴空间；

E、将钻头Ⅱ退出钻孔后，向第一段钻孔内装入护孔筛管，最后对钻孔采用孔口密封装置封孔并接入到瓦斯抽采管网系统进行预抽煤层瓦斯工作。

进一步，所述扩张钻头完全展开时，其钻设直径为主钻头的钻设直径的6～8倍。

进一步，所述高压气源向中空钻孔内输送的气体压力为20～40MPa。

进一步，通过调整钻机钻速和高压空气压力，控制钻头前进速度和副钻头的扩张速度，使缝穴空间的剖面呈U型或三角形型或I型。不同形态的缝穴空间体积和半径对钻孔周围煤体应力场、裂隙场和渗流场的产生不同的扰动机制。因此根据煤体硬度，确定缝穴空间的最佳形态以及相邻缝穴空间之间的最佳间距。

进一步，所述步骤A中采用水泥浆液固孔时需要使水泥浆液反出孔口，且侯凝时间大于24小时。

与现有技术相比，本发明通过高压气体冲击煤体与扩孔钻头Ⅱ切削煤体的耦合作用，具有如下优点：

(1)相对于常规的扩孔钻头造穴，本发明在高压气体冲击载荷和机械切削载荷作用下破煤扩孔，气力冲击预先对煤体微破裂，钻头Ⅱ的扩孔钻头二次切削时煤体已经松动。从而降低了对煤体的冲击和震动，减小了钻进时塌孔的可能，同时高压气流更有助于钻进排渣，防治抱钻。

(2)本发明的扩孔钻头可以在气力驱动下扩张，也可以在钻头与煤壁的摩擦力下收回，能精确设定在哪一个位置扩孔，并且精确定位扩孔深度和扩孔长度。因此，可根据煤体地质情况设计分段扩孔增透，合理设计扩孔直径、扩孔长度、分段间距等参数，增大煤体与空气的接触面积使煤层内部的瓦斯通过裂隙进入缝穴空间内，便于后续的瓦斯抽采。本发明有效避免了常规水力化增透、爆破增透等导致钻孔成功后易塌孔、煤体泥化、瓦斯水锁、诱导突出等难题。

(3)相比于高压水力化、爆破、化学等方式增透，本发明的方法不涉及复杂的高压增压设备，其施工简单，成本低，增透时间快，具有极大的实用价值。

附图说明

图1是本发明扩孔造穴后的结构示意图；

图2是本发明中钻头Ⅱ未扩张时的钻进示意图；

图3是本发明中钻头Ⅱ扩张后的钻进示意图；

图4是本发明中缝穴空间剖面呈三角形的示意图；

图5是本发明中缝穴空间剖面呈U形的示意图；

图6是本发明中缝穴空间剖面呈I形的示意图。

图中：：1-1、法兰，1-2、水泥浆液，1-3、钢制套管，1-4、孔口密封装置，1-5、第一段钻孔，1-6、煤层裂隙，1-7、缝穴空间。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图所示，以图2中的钻进方向为前方进行描述，本发明的具体步骤为：

A、在中空钻杆上连接直径为113mm的钻头Ⅰ，钻机通过中空钻杆带动钻头Ⅰ在巷道壁上向煤层钻进，使钻头Ⅰ钻进20m到达煤层时停止钻进，将中空钻杆及钻头Ⅰ从钻孔退出，完成第一段钻孔1-5的钻设，然后在该段钻孔内装入Ф108*6mm钢制套管1-3并用水泥浆液1-2进行固孔；需要使水泥浆液1-2反出孔口，且侯凝时间大于24小时；

B、将钻头Ⅰ从中空钻杆上拆下，并装上直径可扩张的钻头Ⅱ，钻头Ⅱ包括主钻头、主钻头连杆和扩孔钻头，主钻头固定在主钻头连杆的一端，主钻头连杆另一端与中空钻杆同轴连接，主钻头连杆侧部开设凹槽，扩孔钻头处于凹槽内且其一端与凹槽内部活动连接，扩孔钻头的另一端开设气体喷口，扩孔钻头内部和主钻头连杆内部均开设气体通道，气体喷口依次经过扩孔钻头内部通道、主钻头连杆内部通道与中空钻杆内部连通；钻头Ⅱ处于未扩张状态时，扩孔钻头处于主钻头连杆的凹槽内((此时钻头Ⅱ直径为94mm))，且扩孔钻头直径小于主钻头连杆直径；进行扩孔造穴时，钻机将处于未扩张状态的钻头Ⅱ及中空钻杆送入第一段钻孔最深处，然后钻孔带动钻头Ⅱ继续向煤层钻进，钻头Ⅱ钻进10m距离后，将高压气源连入中空钻杆，使气体喷口喷出高压气体，气体压力为20～40MPa；高压气体对孔壁冲击增加孔壁破碎，并将孔壁切削后产生的破碎煤体随气流排出钻孔；同时扩张钻头在气体反冲力和中空钻杆的旋转离心力作用下，扩孔钻头的另一端从凹槽内展开，对该段钻孔的孔壁进行切削扩孔，直至钻头Ⅱ的扩张钻头达到最大展开位置时(此时钻头Ⅱ直径为600mm)，完成钻头Ⅱ的变径扩张过程；

C、保持钻头Ⅱ的扩张状态继续向煤层内部钻进，钻进过程中高压气体和扩张钻头对煤体耦合冲击，高压气体将破碎煤体从钻孔内排出，当钻头Ⅱ钻进10m距离后，断开高压气源与中空钻杆的连接，钻机向钻进的反方向起拔钻杆，在钻头Ⅱ回到扩孔起始点时由于孔径变小，扩张钻头在煤壁摩擦力作用下收缩进入主钻头连杆的凹槽内，完成一个扩孔造穴过程；高压气体对煤层冲击能增加煤层裂隙1-6的发育，使扩孔钻头切削扩孔时更容易，同时裂隙发育后能促进煤层内部的瓦斯进入缝穴空间1-7；

D、继续增加中空钻杆的长度后重复步骤B和C，完成后续多个扩孔造穴过程，直至钻进至设计深度120m后停止钻进，此时在钻进方向上形成多个缝穴空间1-7；

E、将钻头Ⅱ退出钻孔后，向第一段钻孔1-5内装入护孔筛管，最后对钻孔采用孔口密封装置1-4封孔并通过法兰1-1接入到瓦斯抽采管网系统进行预抽煤层瓦斯工作。上述钻头Ⅱ也可以采用现有的可变直径的钻头代替。

作为本发明的一种改进，通过调整钻机钻速和高压空气压力，控制钻头前进速度和扩张钻头的扩张速度，使缝穴空间1-7的剖面呈U型或三角形型或I型。不同形态的缝穴空间1-7体积和半径对钻孔周围煤体应力场、裂隙场和渗流场的产生不同的扰动机制。因此根据煤体硬度，确定缝穴空间1-7的最佳形态以及相邻缝穴空间之间1-7的最佳间距。

Claims (5)

1.一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

A、在中空钻杆上连接钻头Ⅰ，钻机通过中空钻杆带动钻头Ⅰ在巷道壁上向煤层钻进，使钻头Ⅰ到达煤层时停止钻进，将中空钻杆及钻头Ⅰ从钻孔退出，完成第一段钻孔的钻设，然后在该段钻孔内装入钢制套管并用水泥浆液进行固孔；

B、将钻头Ⅰ从中空钻杆上拆下，并装上直径可扩张的钻头Ⅱ，钻头Ⅱ包括主钻头、主钻头连杆和扩孔钻头，主钻头固定在主钻头连杆的顶端，主钻头连杆底端与中空钻杆同轴连接，主钻头连杆侧部开设凹槽，扩孔钻头处于凹槽内且其一端与凹槽内部活动连接，扩孔钻头的另一端开设气体喷口，气体喷口依次经过扩孔钻头内部通道、主钻头连杆内部通道与中空钻杆内部连通；钻头Ⅱ处于未扩张状态时，扩孔钻头处于主钻头连杆的凹槽内；进行扩孔造穴时，钻机将处于未扩张状态的钻头Ⅱ及中空钻杆送入第一段钻孔最深处，然后钻孔带动钻头Ⅱ继续向煤层钻进，钻头Ⅱ钻进一段距离后，将高压气源连入中空钻杆，使气体喷口喷出高压气体，高压气体对孔壁冲击增加孔壁破碎，并将孔壁切削后产生的破碎煤体随气流排出钻孔；同时扩张钻头在气体反冲力和中空钻杆的旋转离心力作用下，扩孔钻头的另一端从凹槽内展开，对该段钻孔的孔壁进行切削扩孔，直至钻头Ⅱ的扩张钻头达到最大展开位置时，完成钻头Ⅱ的变径扩张过程；

C、保持钻头Ⅱ的扩张状态继续向煤层内部钻进，钻进过程中高压气体和扩张钻头对煤体耦合冲击，高压气体将破碎煤体从钻孔内排出，当钻头Ⅱ钻进达到一定距离后，断开高压气源与中空钻杆的连接，钻机向钻进的反方向起拔钻杆，在钻头Ⅱ回到扩孔起始点时由于孔径变小，扩张钻头在煤壁摩擦力作用下收缩进入主钻头连杆的凹槽内，完成一个扩孔造穴过程；

D、继续增加中空钻杆的长度后重复步骤B和C，完成后续多个扩孔造穴过程，直至钻进至设计深度后停止钻进，此时在钻进方向上形成多个缝穴空间；

E、将钻头Ⅱ退出钻孔后，向第一段钻孔内装入护孔筛管，最后对钻孔采用孔口密封装置封孔并接入到瓦斯抽采管网系统进行预抽煤层瓦斯工作。

2.根据权利要求1所述的一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，其特征在于，所述扩张钻头完全展开时，其钻设直径为主钻头钻设直径的6～8倍。

3.根据权利要求1所述的一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，其特征在于，所述高压气源向中空钻孔内输送的气体压力为20～40MPa。

4.根据权利要求1所述的一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，其特征在于，通过调整钻机钻速和高压空气压力，控制钻头前进速度和副钻头的扩张速度，使缝穴空间的剖面呈U型或三角形型或I型。

5.根据权利要求1所述的一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，其特征在于，所述步骤A中采用水泥浆液固孔时需要使水泥浆液反出孔口，且侯凝时间大于24小时。