CN113062693A - 跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体是一种跟管护孔冲击穿复杂地层抽采采空区瓦斯的装置及方法。行走机构上安装动力输入装置和角度调整机构，角度调整机构上安装中心定向钻进组件，动力输入装置驱动中心定向钻进组件，中心定向钻进组件包括钻杆、导向钻头、合金钻头、引导头控制组件、潜孔锤和变径接手，所述的钻杆前端与潜孔锤连接，潜孔锤通过变径接手与引导头控制组件连接，引导头控制组件前端和导向钻头连接，导向钻头内部设置有合金钻头，所述的外部护孔组件包括套在钻杆外侧的跟管，跟管前端与管靴固定，管靴套在引导头控制组件前端，管靴的内径小于引导头控制组件中段的最大直径。

Description

跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体是一种跟管护孔冲击穿复杂地层抽采采空区瓦斯的装置及方法。

背景技术

煤矿瓦斯是煤矿安全生产的天敌，它不仅会导致煤矿作业人员窒息，损害人类身心健康，同时它还能引发煤与瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸、造成矿毁人亡；同时瓦斯还是地球大气的主要污染源。另外瓦斯也是一种非常规的、优质清洁能源。

在工作面的回采过程中，瓦斯超限的情况经常会发生，尤其在上隅角附近，另外由于矿井采用综采放顶煤的开采方法，因此采空区内残留煤较多，残留煤会释放大量瓦斯，同时临近煤层、未采分层、围岩、煤柱都会向采空区涌出瓦斯导致采空区瓦斯大量积聚。不仅在工作面开采过程中涌出，并且工作面采完密闭后也仍有瓦斯继续涌出随着开采范围的扩大，相应的采空区瓦斯的比例也逐渐增大。对这一部分的瓦斯如果只靠通风的办法来解决，显然是增加了通风的负担，而且又不经济。通过国内外实践，对采空区的瓦斯进行抽采，不仅可行，而且也是最有效的。

目前采空区瓦斯抽采已成为煤矿主要瓦斯抽采方法之一，特别是国外，都非常重视这类瓦斯的抽采，抽出的瓦斯量在总抽采量中占有较大的比重，如德国及日本均达30%左右。而且采空区瓦斯聚集对于煤层的安全开采也存在很大的威胁，目前我国已经注重采空区瓦斯抽采，逐步将其纳入矿井综合抽采瓦斯的一个方面加以考虑。

现有技术条件下抽采采空区瓦斯的方法有如下几个方面：（1）依据煤矿开采过程划分，采空区的瓦斯抽采措施可分为回采生产过程中的抽采和采后密闭抽采；（2）依据采空区状态划分，又分为半封闭抽采和全封闭抽采；（3）依据采空区瓦斯抽采方式，可分为钻孔抽采法和巷道抽采法。

现有技术条件下，所使用的抽采采空区瓦斯的方法存在也存在诸多问题，有以下几个方面：（1）高抽巷抽采采空区瓦斯方法，易受煤层顶板地质因素影响，施工周期长，施工成本高；（2）埋管抽采采空区瓦斯，需要在掌握采空区瓦斯涌出与风流运动规律的基础上，运用能在采空区恶劣复杂环境条件下，可靠的实现抽采瓦斯管路支管的开关的遥控和四防技术，并在防止自然发火的条件下达到最佳的抽采效果，这在技术上是相当有难度的；（3）传统的高位钻孔抽采煤层瓦斯因设备本身的工艺原因，钻孔控制范围及终孔点层位的不确定因素，效果不尽理想。

目前常规的钻孔抽采采空区瓦斯多采用穿层钻孔方式，以低转速大扭矩钻机钻孔为例，（1）在钻进大直径钻孔施工期间，为保证工程质量，需要先采用小直径钻机按照设计的钻孔参数将整个穿层钻孔施工完毕，之后再采用大直径钻头进行扩孔施工，操作起来程序复杂繁琐，并且工期较长；（2）在扩孔期间，钻头可能会发生偏移晃动，影响成孔质量；（3）对于瓦斯治理来说，打钻后要进行采空区瓦斯抽采，当遇到松软地质岩层时，钻杆拔出后再向孔内塞入护孔管时，往往孔内已经出现塌孔或者变形，导致护孔管无法塞入，达不到预期的成孔效果，严重影响瓦斯抽采效果；（4）当遇到复杂地层情况时，如在完整中—硬质基岩段以及易塌孔孔段施工难度大，易出现卡钻、倾斜及塌孔等技术问题，极易发生孔内事故，而且钻机的钻进效率也可能受到影响。

发明内容

本发明为了解决穿近距离煤层间复杂夹矸层抽采采空区瓦斯，钻孔难度大，成孔难的问题，提供一种跟管护孔冲击穿复杂地层抽采采空区瓦斯的装置及方法。

本发明采取以下技术方案：一种跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，包括行走机构、动力输入装置、角度调整机构、中心定向钻进组件以及外部护孔组件，行走机构上安装动力输入装置和角度调整机构，角度调整机构上安装中心定向钻进组件，动力输入装置驱动中心定向钻进组件，中心定向钻进组件包括钻杆、导向钻头、合金钻头、引导头控制组件、潜孔锤和变径接手，所述的钻杆前端与潜孔锤连接，潜孔锤通过变径接手与引导头控制组件连接，引导头控制组件前端和导向钻头连接，导向钻头内部设置有合金钻头，所述的外部护孔组件包括套在钻杆外侧的跟管，跟管前端与管靴固定，管靴套在引导头控制组件前端，管靴的内径小于引导头控制组件中段的最大直径。

引导头控制组件为内部中空的结构，引导头控制组件中部周侧环向上设置有一圈凸台，凸台的外径为引导头控制组件中段的最大直径处，导头控制组件内部设置有旋转滑槽。

进一步的，行走机构包括履带底盘，履带底盘两侧安装有由行走马达驱动的链轮，链轮驱动履带。

进一步的，角度调整机构包括角度调整液压油缸、转盘座、滑轨架和固定油缸，转盘座通过转盘座底盘支撑安装在履带底盘上，转盘座上安装立板，立板上端安装有滑轨架，滑轨架后端与转盘座之间安装有角度调整液压油缸，滑轨架的前后端的两侧安装有固定油缸。

进一步的，动力输入装置包括液压油泵、液压马达、空压机和减速机，减速机通过减速机支撑座安装在滑轨架上，滑轨架下方安装有推进油缸，推进油缸前端端头部分连接减速机支撑座的底板下方，实现伸缩推进油缸，带着减速机在滑轨架上前进和后退，液压油泵分别连接液压马达和液压油箱，液压马达通过减速机与钻杆连接，空压机通过空压机气管与减速机相连接。

一种跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置的使用方法，包括以下步骤。

S100～打钻前，调整钻机的钻进方位及倾角，调整完毕后，伸出固定油缸，将钻机固定，将推进油缸缩回，在减速机输出轴安装一段钻杆，钻杆前端套装一段跟管，正转液压马达，带动钻杆和引导头控制组件旋转，使合金钻头沿着引导头控制组件前端的旋转滑槽旋出，开启空压机，压缩空气通过空压机气管进入钻杆内部空腔，输入到潜孔锤内，驱动钻头旋转钻进，同时提高推进油缸顶推力及顶推速度。

S200～钻进过程中，因管靴的连接作用，钻头在钻进的同时，引导头控制组件带着跟管同时进入孔内，从导向钻头前端排出的废气，将钻屑及时排出孔外。

S300～待此组钻杆钻进至孔内后，关闭空压机，反转液压马达，使合金钻头旋入导向钻头，缩回推进油缸，将冲击器拔出，跟管留在孔内。

S400～向孔内跟管外侧缝隙注入封孔材料，待封孔材料凝固，将跟管与已经铺设好的采空区橡胶埋吸管与瓦斯抽采器进行连接，即可对采空区瓦斯进行抽采。

S500～将钻杆从减速机输出轴拆下搬离工作面，在钻杆和减速机输出轴之间加装另一段钻杆和套装跟管，重复上述操作，继续钻进至指定位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）创造性的使用跟管护孔技术，因管靴的连接作用，在钻进的同时，可带着跟管同时进入孔内，而且拔出钻头时，可将跟管留在孔内，达到及时护孔目的，防止出现塌孔现象；

2）创造性的使用跟管技术，当穿越复杂软—硬地层时，因跟管对钻杆的约束作用，防止钻杆发生弯曲，保证沿着预定路线钻进，当穿越复杂易塌孔地段时，跟管及时起到护壁的作用，防止出现夹钻现象；

3）抽采采空区瓦斯工艺方面，解决了传统定向钻进技术遇到破碎带塌孔、软—硬地层钻孔偏斜等成孔难问题，可实现定向钻进通风孔，进而实现采空区瓦斯抽采，缩短抽采距离，减少能耗，节约成本。

4）可一次成型大直径钻孔，并将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，防止出现夹钻现象，这些都是传统钻具所无法比拟的。

附图说明

图1为瓦斯抽采图；

图2为图1中AA剖面图；

图3为本发明施工图；

图4为本发明主视图；

图5为冲击器剖视图；

图6为冲击器正面剖视图；

图7为液压油箱局部视图；

图8为减速机局部视图；

图9为滑轨架局部视图；

图10为履带局部视图；

图11引导头控制组件主视图；

图12引导头控制组件右视图；

图中1—冲击器；2—跟管；3—钻杆；4—减速机输出轴；5—减速机；6—液压马达；7—空压机气管；8—空压机；9—液压油泵；10—固定油缸支撑盘；11—固定油缸；12—行走马达；13—链轮；14—履带；15—液压油散热器；16—总操控箱；17—立板；18—角度调整液压油缸；19—转盘座；20—滑轨架；21—减速机压缩空气输入端；22—减速机支撑座；23—转盘座底盘支撑；24—推进油缸；25—滑轮；26—液压油箱；27—潜孔锤；28—变径接手；29—引导头控制组件；30—导向钻头；31—管靴；32—合金钻头；33—旋转滑槽，a—采空区；b—风门；c—进风巷道；d—回风巷道；e—跟管；f—瓦斯抽采器；g—橡胶埋吸管；h—抽采管路；i—复杂夹矸岩层。

具体实施方式

一种跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，包括行走机构、动力输入装置、角度调整机构、中心定向钻进组件以及外部护孔组件，行走机构上安装动力输入装置和角度调整机构，角度调整机构上安装中心定向钻进组件，动力输入装置驱动中心定向钻进组件。如图5、6所示，中心定向钻进组件包括钻杆3、导向钻头30、合金钻头32、引导头控制组件29、潜孔锤27和变径接手28，所述的钻杆3前端与潜孔锤27连接，潜孔锤27通过变径接手28与引导头控制组件29连接，引导头控制组件29前端和导向钻头30连接，导向钻头30内部设置有合金钻头32，所述的外部护孔组件包括套在钻杆3外侧的跟管2，跟管2前端与管靴31固定，管靴31套在引导头控制组件29前端，管靴31的内径小于引导头控制组件29中段的最大直径。

如图11、12所示，引导头控制组件29为内部中空的结构，引导头控制组件29中部周侧环向上设置有一圈凸台，凸台的外径为引导头控制组件29中段的最大直径处，导头控制组件29内部设置有旋转滑槽33。引导头控制组件前端和导向钻头进行连接，端头部分是旋转滑槽，合金钻头安装在导向钻头内部，与引导头控制组件端头的旋转滑槽连接，通过旋转引导头控制组件，可以带动合金钻头沿着旋转滑槽从导向钻头内部旋入和旋出。

如图10所示，行走机构包括履带底盘，履带底盘两侧安装有由行走马达12驱动的链轮13，链轮13驱动履带14。

如图4所示，角度调整机构包括角度调整液压油缸18、转盘座19、滑轨架20和固定油缸11，转盘座19通过转盘座底盘支撑23安装在履带底盘上，转盘座19上安装立板17，立板17上端安装有滑轨架20，滑轨架20后端与转盘座19之间安装有角度调整液压油缸18，滑轨架20的前后端的两侧安装有固定油缸11。

动力输入装置包括液压油泵9、液压马达6、空压机8和减速机5，减速机5通过减速机支撑座22安装在滑轨架20上，滑轨架20下方安装有推进油缸24，推进油缸24前端端头部分连接减速机支撑座的底板下方，实现伸缩推进油缸，带着减速机5在滑轨架20上前进和后退，进而为钻机的钻进作业提供顶推力和将钻杆从钻孔内拔出。液压油泵9分别连接液压马达6和液压油箱26，液压马达6通过减速机5与钻杆3连接，空压机8通过空压机气管7与减速机5相连接。

滑轮25安装在滑轨架的后方，在垂直向下钻孔作业时，可使用滑轮吊装钻杆，减轻工人劳动强度。

一种跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置的使用方法，包括以下步骤。

S100～打钻前，调整钻机的钻进方位及倾角，调整完毕后，伸出固定油缸，将钻机固定，将推进油缸缩回，在减速机输出轴安装一段钻杆，钻杆套装一段跟管，正转液压马达，带动钻杆和引导头控制组件旋转，使合金钻头沿着引导头控制组件前端的旋转滑槽旋出，开启空压机，压缩空气通过空压机气管进入钻杆内部空腔，输入到潜孔锤内，驱动钻头旋转钻进，同时提高推进油缸顶推力及顶推速度。

S200～钻进过程中，因管靴的连接作用，钻头在钻进的同时，引导头控制组件带着跟管同时进入孔内，从导向钻头前端排出的废气，将钻屑及时排出孔外。

S300～待此组钻杆钻进至孔内后，关闭空压机，反转液压马达，使合金钻头旋入导向钻头，缩回推进油缸，将冲击器拔出，跟管留在孔内。

S400～向孔内跟管外侧缝隙注入封孔材料，待封孔材料凝固，将跟管与已经铺设好的采空区橡胶埋吸管与瓦斯抽采器进行连接，即可对采空区瓦斯进行抽采。

S500～将钻杆从减速机输出轴拆下搬离工作面，在钻杆和减速机输出轴之间加装另一段钻杆和套装跟管，重复上述操作，继续钻进至指定位置。

开始钻进时，通过正转液压马达，带着正转引导头控制组件29，使合金钻头30沿着引导头控制组件29前端的旋转滑槽33，从导向钻头30内旋出，潜孔锤27驱动钻头旋转钻进，使得钻孔直径与跟管2外径一样，使得跟管2可以进入孔内。

钻进过程中，管靴31与跟管2插接在一起，并进行焊接，管靴31的内径比引导头控制组件29中段的最大直径小，使得在向前钻进的同时，引导头控制组件29可以带着管靴31，进而带着跟管2进入孔内，实现在钻进的同时及时护孔。

拔出钻杆3时，反转液压马达，带着反转引导头控制组件29，使合金钻头32沿着引导头控制组件29端头的旋转滑槽33旋入导向钻头30，从而在拔出钻杆3和钻头时，跟管留在孔内。

某煤矿煤层储存方式为夹矸煤层，且夹矸层分布有软—硬地层、易塌孔地层等复杂地层带，欲采用定向钻孔抽采采空区瓦斯，采用传统的钻孔工艺，当从软地层向硬地层钻进时，因地层应力变化，会对钻头产生一个作用力，致使钻杆弯曲，引起钻头钻进方向发生倾斜，当遇到易塌孔地带时，在插入护孔管之前孔内已发生塌落，上述情况都会影响成孔效果，致使难以插入护孔管，达不到理想的瓦斯抽采效果。当采用本发明的钻孔工艺，在钻进的同时带着跟管进入孔内，一方面跟管对钻杆的约束作用，防止钻杆弯曲，保证钻头沿着预定路线钻进，另一方面，跟管同时进入孔内，达到及时护壁的效果，防止出现夹钻和塌孔难以插入护孔管的现象。

Claims (6)

1.一种跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，其特征在于：包括行走机构、动力输入装置、角度调整机构、中心定向钻进组件以及外部护孔组件，行走机构上安装动力输入装置和角度调整机构，角度调整机构上安装中心定向钻进组件，动力输入装置驱动中心定向钻进组件，中心定向钻进组件包括钻杆（3）、导向钻头（30）、合金钻头（32）、引导头控制组件（29）、潜孔锤（27）和变径接手（28），所述的钻杆（3）前端与潜孔锤（27）连接，潜孔锤（27）通过变径接手（28）与引导头控制组件（29）连接，引导头控制组件（29）前端和导向钻头（30）连接，导向钻头（30）内部设置有合金钻头（32），所述的外部护孔组件包括套在钻杆（3）外侧的跟管（2），跟管（2）前端与管靴（31）固定，管靴（31）套在引导头控制组件（29）前端，管靴（31）的内径小于引导头控制组件（29）中段的最大直径。

2.根据权利要求1所述的跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述的引导头控制组件（29）为内部中空的结构，引导头控制组件（29）中部周侧环向上设置有一圈凸台，凸台的外径为引导头控制组件（29）中段的最大直径处，导头控制组件（29）内部设置有旋转滑槽（33）。

3.根据权利要求2所述的跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述的行走机构包括履带底盘，履带底盘两侧安装有由行走马达（12）驱动的链轮（13），链轮（13）驱动履带（14）。

4.根据权利要求3所述的跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述的角度调整机构包括角度调整液压油缸（18）、转盘座（19）、滑轨架（20）和固定油缸（11），转盘座（19）通过转盘座底盘支撑（23）安装在履带底盘上，转盘座（19）上安装立板（17），立板（17）上端安装有滑轨架（20），滑轨架（20）后端与转盘座（19）之间安装有角度调整液压油缸（18），滑轨架（20）的前后端的两侧安装有固定油缸（11）。

5.根据权利要求4所述的跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述的动力输入装置包括液压油泵（9）、液压马达（6）、空压机（8）和减速机（5），减速机（5）通过减速机支撑座（22）安装在滑轨架（20）上，滑轨架（20）下方安装有推进油缸（24），推进油缸（24）前端端头部分连接减速机支撑座的底板下方，实现伸缩推进油缸，带着减速机（5）在滑轨架（20）上前进和后退，液压油泵（9）分别连接液压马达（6）和液压油箱（26），液压马达（6）通过减速机（5）与钻杆（3）连接，空压机（8）通过空压机气管（7）与减速机（5）相连接。

6.一种如权利要求5所述的跟管护孔穿复杂地层抽采瓦斯的装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

S100～打钻前，调整钻机的钻进方位及倾角，调整完毕后，伸出固定油缸，将钻机固定，将推进油缸缩回，在减速机输出轴安装一段钻杆，钻杆套装一段跟管，正转液压马达，带动钻杆和引导头控制组件旋转，使合金钻头沿着引导头控制组件前端的旋转滑槽旋出，开启空压机，压缩空气通过空压机气管进入钻杆内部空腔，输入到潜孔锤内，驱动钻头旋转钻进，同时提高推进油缸顶推力及顶推速度；

S200～钻进过程中，因管靴的连接作用，钻头在钻进的同时，引导头控制组件带着跟管同时进入孔内，从导向钻头前端排出的废气，将钻屑及时排出孔外；

S300～待此组钻杆钻进至孔内后，关闭空压机，反转液压马达，使合金钻头旋入导向钻头，缩回推进油缸，将冲击器拔出，跟管留在孔内；

S400～向孔内跟管外侧缝隙注入封孔材料，待封孔材料凝固，将跟管与已经铺设好的采空区橡胶埋吸管与瓦斯抽采器进行连接，即可对采空区瓦斯进行抽采；

S500～将钻杆从减速机输出轴拆下搬离工作面，在钻杆和减速机输出轴之间加装另一段钻杆和套装跟管，重复上述操作，继续钻进至指定位置。

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