CN111677546B - 一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置及其安装方法，致力于解决煤矿井下疏放钻孔探水卸压过程中的水与瓦斯喷孔问题。主要包括孔口支护密封结构和工作顺序为并列的第一分离组件和第二分离组件；所述孔口支护密封结构包括护孔管、密封套筒、半球形集气罩、以及风筒。所述第一分离组件包括放水器，所述放水器的流体入口与风筒外露于半球形集气罩的筒身贯通；所述放水器与排水管和排气管连通；所述第二分离组件包括分离箱，所述风筒的上方筒口与分离箱的流体进口连接，所述分离箱与排气管和排水管连通。本发明的防喷装置整体结构简单、防喷效果好，而且安装拆卸方便、成本低廉，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置及其安装方法，尤其适用于煤矿井下疏放钻孔探水卸压过程中水与瓦斯的防喷与抽放。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，煤炭的开发利用对国民经济的发展起着重要作用。安全开采是煤炭开采利用的首要问题，据记载我国有60%的煤矿受到不同程度底板承压水害的影响，因此底板水害是我国煤炭安全开采的重要危险因素。煤矿井下疏放钻孔探水卸压过程中，在钻杆动力扰动作用下孔口应力发生变化以及水文地质条件的复杂性，孔口水与瓦斯喷孔现象时有发生，水与瓦斯喷孔多具有动力强、瞬时喷出量大等特性，而且绝大多数喷孔无法提前预知，这给疏放工程带来很大困难，而且也间接影响着煤矿的生产效益。针对这一问题，现阶段多数矿井考虑在孔口安装防喷装置并与抽采系统连接，直接将打钻涌出的水与瓦斯抽入水与瓦斯抽采系统中。普通的防喷装置结构、功能简单，目前针对小型的、单一的水或瓦斯喷出的装置种类较多，但同时防止水与瓦斯喷出的设备却不常见，因此开发一种应用于水与瓦斯同时喷出时的防喷装置对保障矿井安全生产具有重大意义。解决一旦出现大量的水与瓦斯同时从孔内喷出时，普通的防喷装置会出现缓冲空间不足、不能实现水与瓦斯的分离抽放等问题。为此，需要对喷孔特性、钻进工艺和作业空间充分研究的基础之上，研发一种新型的水与瓦斯防喷装置及该装置的安装方法。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置；包括孔口支护密封结构和工作顺序为并列的第一分离组件和第二分离组件；所述孔口支护密封结构包括护孔管、密封套筒、半球形集气罩、以及风筒；所述护孔管设置在钻孔孔口处，所述密封套筒设置在护孔管与钻孔孔壁之间；所述半球形集气罩完全笼罩所述护孔管的管口、且其边缘与巷道底板封闭连接，所述半球形集气罩内部连通排气管；所述风筒倾斜贯穿半球形集气罩并与护孔管无缝相接，所述风筒上设置有关节轴承，钻杆与关节轴承联接、穿过风筒和护孔管伸入到钻孔内；所述第一分离组件包括放水器，所述放水器的流体入口与风筒外露于半球形集气罩的筒身贯通，且所述放水器与风筒之间的连通管路上设置有第一气液混合单向阀；所述放水器的出水口与排水管连通、出气口与排气管连通；所述放水器的出水口与排水管连通的管路上设置有第一液体单向阀，所述放水器的出气口与排气管连通的管路上设置有第二气体单向阀；所述第二分离组件包括分离箱，所述风筒的上方筒口与分离箱的流体进口连接，所述分离箱的排气口连通排气管、排水口连通排水管，所述分离箱的排气口与排气管连通的管路上设置有第三液体单向阀，所述分离箱的排水口与排水管连通的管路上设置有第二液体单向阀。
进一步地，所述放水器包括罐体，罐体的顶部设置出气口、底部设置出水口；罐体内位于流体入口正前方设置有挡板；罐体内位于出气口下方设置有过滤器；罐体内位于流体入口下方设置隔板，隔板上连通有降液管。
进一步地，所述放水器罐体的体积为0.1~0.5m3，流体入口、出气口、出水口的内径均为5~10cm之间。
进一步地，所述分离箱包括箱体，箱体的顶部设置排气口，一侧壁中部设置流体进口，一侧壁底部设置排渣口，一侧壁底部设置排水口，箱体内设置有滤网，滤网位于排气口和排渣口之间、且朝向排渣口向下倾斜设置。
进一步地，所述分离箱的箱体的体积为1-4m3之间，流体进口、排气口、排水口的内径均为10~25cm之间。
进一步地，所述护孔管的管长为1-4m之间，管内径为10-20cm之间；所述半球形集气罩的半径为20-40cm之间；所述风筒的内径为40-60cm之间。
进一步地，所述风筒与底板的夹角为15°-90°之间。
本发明还提供了一种上述煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置的安装方法，用于将防喷装置安装在煤壁或底板上，具体包括以下步骤：
a夯实地基，将巷道底板夯实，然后浇筑水泥并找平；
b开孔，初步开孔，然后扩孔至目的孔深，形成钻孔；
c将护孔管及密封套筒插入步骤b形成的钻孔内，然后向密封套筒内注水，直至密封套筒内水压大于4Mpa后停止；
d连接分离组件；风筒下端穿过半球形集气罩、筒口与护孔管连接，筒身与放水器连接，上端筒口与分离箱上的流体进口连接；放水器通过抽采软管分别与排气管和排水管连接；分离箱的排气口与排水口分别与排气管与排水管连接。
其中；步骤b中，初步开孔采用φ94mm钻头，扩孔采用φ113mm钻头，钻孔直径为155-165mm之间。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明提供的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置及其安装方法，可直接安装在煤壁或底板上，省时省力，在有高压力的水与瓦斯大量喷出时可以提供充足的缓冲空间；水与瓦斯在放水器与分离箱内实现分级抽放，从而保证了防喷效果。风筒采用软性材质，与煤壁或底板的角度范围为15~90°，调整角度灵活不受作业条件限制，漏斗状倾斜设计更符合流体力学，利于水气排出，避免了垂直设计而顶住煤壁，影响安装。护孔管的直径与长度相应增加，不仅可以适用多种直径的钻杆而且提高了其在孔内的稳定性。本发明的防喷装置操作方便，实用性强，稳定性高，在煤矿井下钻孔内水与瓦斯防喷抽放中具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为放水器的结构示意图。
图3为分离器的结构示意图。
图中：1-排水管；2-排气管；3-放水器；301-罐体；302-降液管；303-出水口；304-流体入口；305-挡板；306-出气口；307-过滤器；4-密封套筒；5-护孔管；6-钻杆；7-分离箱；701-滤网；702-排渣口；703-流体进口；704-排气口；705-排水口；706-观察窗；707-箱体；8-关节轴承；9-钻孔；10-底板；11-半球形集气罩；12-风筒。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示；一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，包括孔口支护密封结构和工作顺序为并列的第一分离组件和第二分离组件。孔口支护结构包括护孔管5、密封套筒4、半球形集气罩11、以及风筒12；护孔管5由管身和法兰组成，护孔管5的管身伸入到钻孔9内，法兰通过螺栓固定在巷道底板10上；由于安装工艺限制，护孔管5的管身与钻孔9内壁之间留有空隙，法兰与底板10之间也存在间隙，为了防止水和瓦斯泄露；本发明采用在护孔管5的管身上套装环状密封套筒4，密封套筒4为弹性橡胶材质，密封套筒4上留有注水管。护孔管5找准、安装完毕后，在环形密封套筒4内注水，密封套筒4内水压达到4Mpa时停止注水，此时，密封套筒4膨胀扩大与钻孔9内壁密封严实。密封套筒4内注水而不是充气的原因是，气体的可压缩性强于液体，钻孔9内水和瓦斯剧烈骤喷时，达不到承压要求。半球形集气罩11扣在钻孔9孔口处，并完全笼罩护孔管5的法兰；半球形集气罩11的边缘连接有安装环，半球形集气罩11通过栓钉固定在底板10上，安装环与底板10之间设置有密封垫。半球形集气罩11用于防止钻孔9孔口瓦斯逸散到巷道或工作面中，半球形集气罩11连通排气管2，逸泄的瓦斯直流入排气管2内。半球形集气罩11与排气管2之间联通的管路上设置有第一气体单向阀。风筒12倾斜贯穿半球形集气罩11并与护孔管5无缝相接。护孔管5管身的长度为1-4m之间，内径为10-20cm之间；半球形集气罩11的半径为20~40cm之间；风筒12内径为40-60cm，采用内部为钢性材质的风筒布制成，风筒12与巷道底板10的夹角为15°~90°之间。
风筒12上设置有关节轴承8，钻杆6与关节轴承8联接、穿过风筒12和护孔管5伸入到钻孔9内。
第一分离组件包括放水器3，放水器3的流体入口304与风筒12外露于半球形集气罩11的筒身贯通，且放水器3与风筒12之间的连通管路上设置有第一气液混合单向阀，放水器3的出水口303与排水管1连通、出气口306与排气管2连通；放水器3的出水口303与排水管1连通的管路上设置有第一液体单向阀，放水器3的出气口306与排气管2连通的管路上设置有第二气体单向阀。
如图2所示；放水器3包括罐体301，罐体301的顶部设置出气口306、底部设置出水口303；罐体301内位于流体入口304正前方设置有挡板305，挡板305用于缓减水和瓦斯混合物的冲击；罐体301内位于出气口306下方设置有过滤器307，过滤器307防止煤粉等杂志堵塞出气口306；罐体301内位于流体入口304下方设置隔板，隔板上连通有降液管302，水从降液管302流入罐体301下部、经出水口303排入排水管1内。放水器3的罐体301的体积为0.1~0.5m3，流体入口304、出气口306、出水口303的内径均为5~10cm之间。
第二分离组件包括分离箱7，分离箱7包括箱体707，箱体707的顶部设置排气口704，一侧壁中部设置流体进口703，一侧壁底部设置排渣口702，一侧壁底部设置排水口705，箱体707内设置有滤网701，滤网701位于排气口704和排渣口702之间、且朝向排渣口702向下倾斜设置。瓦斯与水的混合物进入分离箱7内后，瓦斯气体从上部排气口704排入排气管2，水透滤网701从排水口702流入排水管1内，煤粉等杂质被滤网701隔挡，随着杂质的积蓄，沿着滤网701的斜面下流，然后经排渣口702排出。风筒12的上方筒口与分离箱7的流体进口703连接，分离箱7的排气口704连通排气管2、排水口705连通排水管1，分离箱7的排气口704与排气管2连通的管路上设置有第三液体单向阀，分离箱7的排水口705与排水管1连通的管路上设置有第二液体单向阀。分离箱7的箱壁上设置有观察窗706，箱壁下半部设置有排渣口702。分离箱7的箱体707的体积为1-4m3之间，流体进口703、排气口704、排水口705的内径均为10~25cm之间。
一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置的安装方法，包括以下步骤：
a夯实地基；将巷道底板10通过机器夯实然后浇筑水泥保证安装位置平整光滑，易于装置安装与密封；
b开孔；施工时，先用φ94mm钻头初步开孔，然后改用φ110mm钻头扩孔至所需深度形成终孔直径为155-165mm的钻孔9；
c将护孔管5及密封套筒4装进钻孔9内，然后将高压水路与密封套筒4相连，当密封套筒4内水压大于4Mpa时，密封套筒4膨胀扩大与钻孔壁密封严实；
d连接分离组件；风筒12下端穿过半球形集气罩11、筒口通过法兰与护孔管5连接，筒身通过抽采软管与放水器3连接，上端筒口与分离箱7上的流体进口连接；放水器3通过抽采软管分别与排气管2和排水管1连接；分离箱7的排气口与排水口分别与排气管2与排水管1连接。
本发明的防喷装置在普通防喷装置的基础上进行改进和优化，通过延长护孔管的长度增加了其在孔内的牢固性，在护孔管管身与钻孔内壁之间设置密封套筒，大幅延长密封面积，提高密封效果，有效避免了防喷孔装置固定不牢被高压水与瓦斯、顶出孔口，造成巷道瓦斯超限甚至人身伤害事故的发生，同时也增设了气水分离箱和放水器，不仅增加了气水分离时的缓冲空间而且实现了水和瓦斯的多级分离与抽放，使钻孔排渣更为流畅钻进效率大幅提高。
本装置在钻机钻进过程中发生喷孔时通过护孔管将水与瓦斯引流到风筒中，风筒内大量的瓦斯和水的混合物直排进入分离箱内，在分离箱中瓦斯由上部排气口进入排气管，水则由排水口流入排水管，少量的煤渣通过排渣口排出，实现气水分离。钻孔喷出压力过大时，部分水与瓦斯通过抽采软管进入放水器内进行过滤沉淀，瓦斯从出气口排出然后进入排气管中，水从底部出水口排入排水管，实现气水分离。半球形集气罩内逸散瓦斯直接经抽采软管抽入排气管。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，其特征在于：包括孔口支护密封结构和工作顺序为并列的第一分离组件和第二分离组件；所述孔口支护密封结构包括护孔管（5）、密封套筒（4）、半球形集气罩（11）、以及风筒（12）；所述护孔管（5）设置在钻孔孔口处，所述密封套筒（4）设置在护孔管（5）与钻孔孔壁之间；所述半球形集气罩（11）完全笼罩所述护孔管（5）的管口、且其边缘与巷道底板封闭连接，所述半球形集气罩（11）内部连通排气管（2）；所述风筒（12）倾斜贯穿半球形集气罩（11）并与护孔管（5）无缝相接，所述风筒（12）上设置有关节轴承，钻杆（6）与关节轴承联接、穿过风筒（12）和护孔管（5）伸入到钻孔内；所述第一分离组件包括放水器（3），所述放水器（3）的流体入口与风筒（12）外露于半球形集气罩（11）的筒身贯通，且所述放水器（3）与风筒（12）之间的连通管路上设置有第一气液混合单向阀；所述放水器（3）的出水口与排水管（1）连通、出气口与排气管（2）连通；所述放水器（3）的出水口与排水管连通的管路上设置有第一液体单向阀，所述放水器（3）的出气口与排气管（2）连通的管路上设置有第二气体单向阀；所述第二分离组件包括分离箱（7），所述风筒（12）的上方筒口与分离箱（7）的流体进口连接，所述分离箱（7）的排气口连通排气管（2）、排水口连通排水管（1），所述分离箱（7）的排气口与排气管（2）连通的管路上设置有第三液体单向阀，所述分离箱（7）的排水口与排水管（1）连通的管路上设置有第二液体单向阀；
所述放水器（3）包括罐体（301），罐体（301）的顶部设置出气口（306）、底部设置出水口（303）；罐体（301）内位于流体入口正前方设置有挡板（305）；罐体（301）内位于出气口（306）下方设置有过滤器（307）；罐体（301）内位于流体入口下方设置隔板，隔板上连通有降液管（302）。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，其特征在于：所述放水器罐体的体积为0.1~0.5m3，流体入口、出气口、出水口的内径均为5~10cm之间。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，其特征在于：所述分离箱（7）包括箱体（707），箱体（707）的顶部设置排气口（704），一侧壁中部设置流体进口（703），一侧壁底部设置排渣口（702），一侧壁底部设置排水口（705），箱体内设置有滤网（701），滤网（701）位于排气口和排渣口之间、且朝向排渣口向下倾斜设置。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，其特征在于：所述分离箱的箱体的体积为1-4m3之间，流体进口、排气口、排水口的内径均为10~25cm之间。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，其特征在于：所述护孔管的管长为1-4m之间，管内径为10-20cm之间；所述半球形集气罩的半径为20-40cm之间；所述风筒的内径为40-60cm之间。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置，其特征在于：所述风筒与底板的夹角为15°-90°之间。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置的安装方法，将防喷装置安装在底板上，其特征在于，包括以下步骤：
a夯实地基，将巷道底板夯实，然后浇筑水泥并找平；
b开孔，初步开孔，然后扩孔至目的孔深，形成钻孔；
c将护孔管及密封套筒插入步骤b形成的钻孔内，然后向密封套筒内注水，直至密封套筒内水压大于4Mpa后停止；
d连接分离组件；风筒下端穿过半球形集气罩、筒口与护孔管连接，筒身与放水器连接，上端筒口与分离箱上的流体进口连接；放水器通过抽采软管分别与排气管和排水管连接；分离箱的排气口与排水口分别与排气管与排水管连接。
8.根据权利要求7所述的一种煤矿井下疏放钻孔水与瓦斯防喷装置的安装方法，其特征在于：步骤b中，初步开孔采用φ94mm钻头，扩孔采用φ113mm钻头，钻孔直径为155-165mm之间。
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