CN111119985B - 一种下向钻孔自动排水防塌孔装置及防塌孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿井瓦斯防治技术领域，一种下向钻孔自动排水防塌孔装置，封孔段封堵在抽采钻孔孔口位置，所述抽采管和排水管穿过封孔段，排水管的孔内端置于抽采钻孔孔底位置，瓦斯抽采系统与所述抽采管连接，抽采管孔外段设有抽采管路压力传感器和抽采管电动阀门，排水管孔外段设有排水管路压力传感器、排水管电动阀门和排水管流量传感器，抽采管路压力传感器和抽采管电动阀门、以及排水管路压力传感器、排水管电动阀门和排水管流量传感器均与PLC控制箱电性连接。本装置可实现及时排水和孔底塌孔及煤渣积存条件下自动控制改变排水高度。另外，本发明还提出一种下向钻孔自动排水防塌孔方法。

Description

一种下向钻孔自动排水防塌孔装置及防塌孔方法

技术领域

本发明涉及矿井瓦斯防治技术领域，适用于煤矿井下松软煤层下向瓦斯抽采钻孔排水防塌孔技术，特别涉及一种下向钻孔自动排水防塌孔装置及防塌孔方法。

背景技术

目前煤矿井下瓦斯治理方式主要采用钻孔瓦斯抽采，作为突出矿井消突根本措施以及高瓦斯矿井降低瓦斯涌出量的主要方式，提高钻孔抽采瓦斯效果必须保证钻孔的完整性。鉴于风力排渣降温效果及有害气体产生的原因，钻孔施工工艺中多采用水力排渣，下向钻孔成孔后孔内会残留或反渗出大量的积水，且由于煤矿井下水文地质条件影响，大部分下向孔抽采过程中难以一次性排干孔内积水。

下向抽采钻孔内的积水，不仅封堵了钻孔孔壁瓦斯逸出通道，且对于松软煤层，钻孔内长时间积水导致孔壁浸泡大稳造成塌孔，塌落煤渣堵塞钻孔抽采管路，进一步影响瓦斯抽采效果。钻孔浸泡时间过长，塌孔严重时会直接造成抽采钻孔失效，造成瓦斯抽采成本增加或在煤层内留下瓦斯抽采空白带，在掘进或回采时形成安全隐患。

当前下向钻孔排水装置集中在智能化、电子化以及抽采装置优化方面，对钻孔内抽采管路优化较少，尤其是较多下向钻孔排水装置设计钻孔内积水到达最高排水高度时开始排水，对松软煤层下向钻孔极易形成部分塌孔和煤渣积存，难以做到及时排渣以及控制排水高度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出的下向钻孔自动排水防塌孔装置，可解决背景技术提出的问题。另外，本发明还提出一种下向钻孔自动排水防塌孔方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种下向钻孔自动排水防塌孔装置，设置在斜下开孔的抽采钻孔中，包括封孔段、抽采管、排水管、瓦斯抽采系统、排水系统和PLC控制箱，所述封孔段封堵在抽采钻孔孔口位置，所述抽采管和排水管穿过封孔段，且所述排水管的孔内端置于抽采钻孔孔底位置，所述瓦斯抽采系统与所述抽采管连接，所述瓦斯抽采系统通过抽采管抽采孔内瓦斯，所述排水系统与排水管连接，排水系统通过排水管排出孔内积水，所述抽采管孔外段设有抽采管路压力传感器和抽采管电动阀门，所述排水管孔外段设有排水管路压力传感器、排水管电动阀门和排水管流量传感器，所述抽采管路压力传感器和抽采管电动阀门、以及排水管路压力传感器、排水管电动阀门和排水管流量传感器均与PLC控制箱电性连接，以采集工作信号并控制抽采管电动阀门和排水管电动阀门的开闭时机。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述排水管位于钻孔底部的末段沿排水管轴向开设若干个侧孔，侧孔分别覆盖压力控制片，所述压力控制片在受到设定的压力时开启。

在第二个技术方案中，一种下向钻孔自动排水防塌孔方法，使用如第一个技术方案中的下向钻孔自动排水防塌孔装置，包括以下步骤：

步骤1、利用钻机施工权利要求1所述的下向钻孔自动排水防塌孔装置，其特征在于：所述抽采钻孔斜下开设，成孔后利用压风系统将孔内遗留积水压风排出；

步骤2、将排水管及抽采管分别连接后放入抽采钻孔，直至预定深度，对抽采钻孔用封孔装置进行封孔；

步骤3、安装抽采管及排水管，抽采管压力传感器、排水管压力传感器、排水管流量传感器、抽采管电动阀、排水管电动阀；

步骤4、由抽采管1连接瓦斯抽采系统，由排水管2连接排水系统后，对抽采钻孔瓦斯进行抽采；

步骤5、初始状态下，抽采管电动阀门开启，排水管电动阀门关闭，抽采管和排水管在抽采钻孔空间内相互联通，因此压力基本相等，抽采管路压力传感器读数记为P₁，排水管路压力传感器读数记为P₂，即ΔP＝P₂-P₁，此时ΔP＜P’；

步骤6、随抽采钻孔内积水增多，液面高度超过排水管底部孔口，排水管内气压逐渐增大，直至ΔP＞P’，抽采管电动阀门关闭，排水管电动阀门开启，通过排水管电动阀门开启角度控制排水管路压力为P₂₀，P₂₀为满足排水条件的最小压力；

步骤7、排水管开始排水，流量传感器监测流量正常，即Q≥Q’，此时排水管未堵塞，正常排水，直至抽采钻孔内积水排至最下侧开口，排水管与抽放管重新联通后压力差开始减小直至ΔP＜P’，排水管电动阀门关闭排水管，抽采管电动阀门打开，开启抽放管。

在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤7中，开始排水时，流量计未监测到流量或流量过小，即Q＜Q’，则说明最下方排水口堵塞，则继续增加排水负压至P₂₁，打开下方的压力控制片；若流量计未监测到流量或流量过小，则重复上述步骤打开高一级的压力控制片，直至增加排水负压至Pn。

在第一个技术方案中，作为优选的，若最上方的压力控制片打开后仍无流量，即排水管内压力P已达到P_n，说明钻孔塌孔已堵塞所有排水口，此时直接关闭排水管电动阀门，停止抽采钻孔排水，采取二次透孔措施或重新打孔。

使用本发明的有益效果是：

发明提出的下向钻孔自动排水防塌孔装置，其针对松软煤层下向瓦斯抽采钻孔排水问题，实现及时排水和孔底塌孔及煤渣积存条件下自动控制改变排水高度。

附图说明

图1为本发明下向钻孔自动排水防塌孔装置的结构示意图。

图2为本发明下向钻孔自动排水防塌孔方法的逻辑原理图。

附图标记包括：

1-抽采管；2-排水管；31-第一压力控制片；32-第二压力控制片；33-第三压力控制片；41-抽采管压力传感器；42-排水管压力传感器；5-排水管流量传感器；61-抽采管电动阀门；62-排水管电动阀门；7-线缆；8-孔内积水；9-封孔段；10-抽采钻孔；11-瓦斯抽采系统；12-PLC控制箱；21-排水系统。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出的一种下向钻孔自动排水防塌孔装置，其设置在斜下开孔的抽采钻孔10中，下向钻孔自动排水防塌孔装置包括封孔段9、抽采管1、排水管2、瓦斯抽采系统11、排水系统21和PLC控制箱12，封孔段9封堵在抽采钻孔10孔口位置，抽采管1和排水管2穿过封孔段9，且排水管2的孔内端置于抽采钻孔10孔底位置，瓦斯抽采系统11与抽采管1连接，瓦斯抽采系统11通过抽采管1抽采孔内瓦斯，排水系统21与排水管2连接，排水系统21通过排水管2排出孔内积水8，抽采管1孔外段设有抽采管路压力传感器41和抽采管电动阀门61，排水管2孔外段设有排水管路压力传感器42、排水管电动阀门62和排水管流量传感器5，抽采管路压力传感器41和抽采管电动阀门61、以及排水管路压力传感器42、排水管电动阀门62和排水管流量传感器5均与PLC控制箱12电性连接，以采集工作信号并控制抽采管电动阀门61和排水管电动阀门62的开闭时机。

作为优选的，排水管2位于钻孔底部的末段沿排水管2轴向开设若干个侧孔，侧孔分别覆盖压力控制片，压力控制片即第一压力控制片31、第二压力控制片32、第三压力控制片33在受到设定的压力时开启。

需要注意的是，排水管2在抽采钻孔10孔底处为开口状态，压力控制片位于排水管2侧面，压力控制片初始状态为关闭状态。抽采钻孔10内无钻孔施工过程中遗留煤渣或塌孔产生煤渣时，抽采钻孔10内积水8及后期孔壁渗水直接由排水管2底部进行排水，排水动力为排水泵产生负压。抽采钻孔10内煤渣堵塞孔底排水管2口时，由排水泵压力控制开启侧面压力控制片，由侧面花眼进行排水。抽采过程中随着钻孔孔底煤渣的增加，可以依次开启上方花眼压力控制片，保证抽采钻孔10排水不受影响，压力控制片根据需要确定数量。

实施例2

如图2所示，本实施例提出一种下向钻孔自动排水防塌孔方法，使用如实施例1中提出的下向钻孔自动排水防塌孔装置，包括以下步骤：

步骤1、利用实施例1提出的下向钻孔自动排水防塌孔装置，其特征在于：所述抽采钻孔10斜下开设，成孔后利用压风系统将孔内遗留积水压风排出；

步骤2、将排水管2及抽采管1分别连接后放入抽采钻孔10，直至预定深度，对抽采钻孔10用封孔装置进行封孔；

步骤3、安装抽采管1及排水管2，抽采管1压力传感器、流量传感器、抽采管1电动阀、排水管2电动阀；

步骤4、由抽采管1连接瓦斯抽采系统11，由排水管2连接排水系统21后，对抽采钻孔10瓦斯进行抽采；

步骤5、初始状态下，抽采管电动阀门61开启，排水管电动阀门62关闭，抽采管1和排水管2在抽采钻孔10空间内相互联通，因此压力基本相等，抽采管路压力传感器41读数记为P₁，排水管路压力传感器42读数记为P₂，即ΔP＝P₂-P₁，此时ΔP＜P’；

步骤6、随抽采钻孔10孔内积水8增多，液面高度超过排水管2底部孔口，排水管2内气压逐渐增大，直至ΔP＞P’，抽采管电动阀门61关闭，排水管电动阀门62开启，通过排水管电动阀门62开启角度控制排水管2路压力为P₂₀，P₂₀为满足排水条件的最小压力；

步骤7、排水管2开始排水，流量传感器监测流量正常，即Q≥Q’，此时排水管2未堵塞，正常排水，直至抽采钻孔10内积水8排至最下侧开口，排水管2与抽放管重新联通后压力差开始减小直至ΔP＜P’，排水管电动阀门62关闭排水管2，抽采管电动阀门61打开，开启抽放管。

作为优选的，在步骤7中，开始排水时，流量计未监测到流量或流量过小，即Q＜Q’，则说明最下方排水口堵塞，则继续增加排水负压至P₂₁，并打开下方的压力控制片；若流量计未监测到流量或流量过小，则重复上述步骤打开高一级的压力控制片，直至增加排水负压至Pn。

作为优选的，若最上方的压力控制片打开后仍无流量，即排水管2内压力P已达到P_n，说明钻孔塌孔已堵塞所有排水口，此时直接关闭排水管电动阀门62，停止抽采钻孔10排水，采取二次透孔措施或重新打孔。

以下三个实施例中，均以侧孔为三个为例详细说明本方法。

实施例3

参见图1，图2，钻机施工完抽采钻孔10，利用压风吹出钻孔浅部积水，将抽采管1和排水管2安装到孔内预定位置并利用封孔装置封孔，将抽采管压力传感器41、排水管压力传感器42、抽采管电动阀门61、排水管电动阀门62、排水管流量传感器5按照要求安装在管路上，阀门、压力传感器、流量传感器通过线缆7连接到控制箱，将抽采管1连接到抽采系统，排水管2连接到排水系统21，关闭排水管电动阀门62，开启抽采管电动阀门61，进行正常抽采，抽采管1和排水管2压力差一直保持在正常波动允许范围内，直至抽采结束。

实施例4

钻机施工完抽采钻孔10，利用压风吹出钻孔浅部积水，将抽采管1和排水管2安装到孔内预定位置并封孔，将压力传感器、压力传感器、电动阀门、电动阀门、流量传感器按照要求安装在管路上，阀门、压力传感器、流量传感器通过线缆7连接到控制箱，将抽采管1连接到抽采系统，排水管2连接到排水系统21，关闭排水管电动阀门62，开启抽采管电动阀门61，进行正常抽采；

抽采过程中，由于钻孔积水不断增多，积水高度超过排水管2最低高度后，排水管2压力逐渐上升至ΔP＞P’，此时触发程序关闭抽采管电动阀门61，并逐渐打开排水管电动阀门62，直至排水管2压力超过积水排出所需压力P₂₀，开始排水，此时流量监测显示流量小于极限值，继续打开排水管电动阀门62，直至排水管2压力达到P₂₁，下方第一压力控制片31被开启，打开排水通道，继续排水，积水减少到排水孔高度后，排水管2压力和抽采管1压力逐渐持平，关闭阀门，开启阀门继续进行瓦斯抽采，直至抽采结束。

实施例5

参见图1，图2，钻机施工完抽采钻孔10，利用压风吹出钻孔浅部积水，将抽采管1和排水管2安装到孔内预定位置并封孔，将抽采管压力传感器41、排水管压力传感器42、抽采管电动阀门61、排水管电动阀门62、排水管流量传感器5按照要求安装在管路上，阀门、压力传感器、流量传感器通过线缆7连接到控制箱，将抽采管1连接到抽采系统，排水管2连接到排水系统21，关闭排水管电动阀门62，开启抽采管电动阀门61，进行正常抽采；

抽采过程中，由于钻孔积水不断增多，积水高度超过排水管2最低高度后，排水管2压力逐渐上升至ΔP＞P’，此时触发程序关闭抽采管电动阀门61，并逐渐打开排水管电动阀门62，直至排水管2压力超过积水排出所需压力P₂₀，开始排水，此时流量监测显示流量小于极限值，继续打开排水管电动阀门62，直至排水管2压力达到P₂₁，下方第一压力控制片被开启，打开排水通道，继续排水；

若排水流量仍然小于极限值，则继续打开阀门，压力持续增加至第二压力控制片32和第三压力控制片33依次被打开，压力达到预设值P_n，此时塌孔范围已超过压力控制片控制范围，无法排水，需要对瓦斯抽采钻孔10进行重新透孔。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种下向钻孔自动排水防塌孔方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用钻机施工下向钻孔，安装自动排水防塌孔装置，其特征在于：所述抽采钻孔斜下开设，成孔后利用压风系统将孔内遗留积水压风排出；

步骤2、将排水管及抽采管分别连接后放入抽采钻孔，直至预定深度，对抽采钻孔用封孔装置进行封孔；

步骤3、安装抽采管及排水管，抽采管压力传感器、排水管压力传感器、排水管流量传感器、抽采管电动阀、排水管电动阀；

步骤4、由抽采管连接瓦斯抽采系统，由排水管连接排水系统后，对抽采钻孔瓦斯进行抽采；

步骤5、初始状态下，抽采管电动阀门开启，排水管电动阀门关闭，抽采管和排水管在抽采钻孔空间内相互联通，因此压力基本相等，抽采管路压力传感器读数记为P₁，排水管路压力传感器读数记为P₂，即ΔP＝P₂-P₁，此时△P＜P’；

步骤6、随抽采钻孔内积水增多，液面高度超过排水管底部孔口，排水管内气压逐渐增大，直至ΔP＞P’，抽采管电动阀门关闭，排水管电动阀门开启，通过排水管电动阀门开启角度控制排水管路压力为P₂₀，P₂₀为满足排水条件的最小压力；

步骤7、排水管开始排水，流量传感器监测流量正常，即Q≥Q’，此时排水管未堵塞，正常排水，直至抽采钻孔内积水排至最下侧开口，排水管与抽放管重新联通后压力差开始减小直至ΔP＜P’，排水管电动阀门关闭排水管，抽采管电动阀门打开，开启抽放管。

2.根据权利要求1所述的下向钻孔自动排水防塌孔方法，其特征在于：在步骤7中，开始排水时，流量计未监测到流量或流量过小，即Q＜Q’，则说明最下方排水口堵塞，则继续增加排水负压至P₂₁，利用压力打开下方的压力控制片；若流量计未监测到流量或流量过小，则重复上述步骤打开高一级的压力控制片，直至增加排水负压至Pn。

3.根据权利要求2所述的下向钻孔自动排水防塌孔方法，其特征在于：若最上方的压力控制片打开后仍无流量，即排水管内压力P已达到Pn’说明钻孔塌孔已堵塞所有排水口，此时直接关闭排水管电动阀门，停止抽采钻孔排水，采取二次透孔措施或重新打孔。

4.一种下向钻孔自动排水防塌孔装置，设置在斜下开孔的抽采钻孔中，其特征在于：用以实施权利要求1至3中所述的一种下向钻孔自动排水防塌孔方法；所述下向钻孔自动排水防塌孔装置包括封孔段、抽采管、排水管、瓦斯抽采系统、排水系统和PLC控制箱，所述封孔段封堵在抽采钻孔孔口位置，所述抽采管和排水管穿过封孔段，且所述排水管的孔内端置于抽采钻孔孔底位置，所述瓦斯抽采系统与所述抽采管连接，所述瓦斯抽采系统通过抽采管抽采孔内瓦斯，所述排水系统与排水管连接，排水系统通过排水管排出孔内积水，所述抽采管孔外段设有抽采管路压力传感器和抽采管电动阀门，所述排水管孔外段设有排水管路压力传感器、排水管电动阀门和排水管流量传感器，所述抽采管路压力传感器和抽采管电动阀门、以及排水管路压力传感器、排水管电动阀门和排水管流量传感器均与PLC控制箱电性连接，以采集工作信号并控制抽采管电动阀门和排水管电动阀门的开闭时机。

5.根据权利要求4所述的一种下向钻孔自动排水防塌孔装置，其特征在于：所述排水管位于钻孔底部的末段沿排水管轴向开设若干个侧孔，侧孔分别覆盖压力控制片。