CN113279706B - 一种煤层钻孔用支壁管及使用该支壁管的煤层气抽采系统 - Google Patents
一种煤层钻孔用支壁管及使用该支壁管的煤层气抽采系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种煤层钻孔用支壁管及使用该支壁管的煤层气抽采系统，煤层钻孔用支壁管包括轴向沿前后方向延伸的管体，管体由至少三瓣沿周向顺序独立布置的弧形管片瓣拼成，相邻弧形管片瓣之间设置有沿前后方向延伸的用于密封相邻弧形管片瓣之间缝隙的弹性膜，弧形管片瓣上设置有径向透水孔，煤层钻孔用支壁管还包括多个沿前后方向间隔布置的定位圈，定位圈位于管体的内侧，定位圈上设置有与各弧形管片瓣对应布置的沿管体径向延伸的导向杆，各弧形管片瓣上分别设置有与对应导向杆导向移动配合的管片瓣导向孔。本发明提供了一种不影响煤层注水，同时还可以避免注水设备装入钻孔前钻孔坍塌的钻孔支壁管；本发明还提供了一种使用该钻孔支壁管的煤层气抽采系统。
Description
技术领域
本发明涉及煤层开采领域的煤层钻孔用支壁管及使用该支壁管的煤层气抽采系统。
背景技术
在煤层开采过程中，煤层气和开采过程中产生的媒粉尘是影响开采的主要安全隐患，煤层气和媒粉尘都易燃易爆，因此控制煤层气和媒粉尘是安全开采的关键。
在现有技术中，一般通过煤层注水的方式来控制媒粉尘，通过提前抽采的方式来控制煤层气，煤层注水是指在开采之前，利用钻孔向煤层入压力水，预先湿润煤层，从而可以降低开采过程中的煤尘生成量，另外水渗入到煤层内部，破坏煤层内原有的平衡，从而有利于保证开采过程中的安全性。
煤层注水和抽采煤层气，一般需要在没有开采的煤层中钻孔，然后向钻孔内塞入注水和煤层气抽采设备，现有的这种技术存在的问题在于：对于松软煤层而言，在钻孔后，设备还未装入钻孔前，容易出现塌孔问题，导致设备无法正常的装入到钻孔中，从而无法继续后续的施工作业；此外，现有技术中也无法判断什么时候注水完成，无法判断水什么时候能够完全渗透煤层，导致开采过程中，还会有没有被水渗透的煤层出现，仍会出现大量的媒粉尘。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不影响煤层注水，同时还可以避免注水设备装入钻孔前钻孔坍塌的钻孔支壁管；本发明的目的还在于提供一种使用该钻孔支壁管的煤层气抽采系统。
为解决上述技术问题，本发明中煤层钻孔用支壁管的技术方案如下：
一种煤层钻孔用支壁管，包括轴向沿前后方向延伸的管体，管体由至少三瓣沿周向顺序独立布置的弧形管片瓣拼成，相邻弧形管片瓣之间设置有沿前后方向延伸的用于密封相邻弧形管片瓣之间缝隙的弹性膜，弧形管片瓣上设置有径向透水孔，煤层钻孔用支壁管还包括多个沿前后方向间隔布置的定位圈，定位圈位于管体的内侧，定位圈上设置有与各弧形管片瓣对应布置的沿管体径向延伸的导向杆，各弧形管片瓣上分别设置有与对应导向杆导向移动配合的管片瓣导向孔。
弧形管片瓣的个数与采样管上的封隔条个数对应，相邻弧形管片之间的缝隙用于与对应封隔条的外周面对应布置。
所述导向杆为塑料杆。
本发明中煤层气抽采系统的技术方案为：
煤层气抽采系统，包括开设于煤层上的轴向沿前后方向延伸的钻孔，还包括用于设置于钻孔内的抽采设备，抽采设备与钻孔的孔壁之间设置有支壁管，支壁管包括轴向沿前后方向延伸的管体，管体由至少三瓣沿周向顺序独立布置的弧形管片瓣拼成，相邻弧形管片瓣之间设置有沿前后方向延伸的用于密封相邻弧形管片瓣之间缝隙的弹性膜，弧形管片瓣上设置有径向透水孔，煤层钻孔用支壁管还包括多个沿前后方向间隔布置的定位圈，定位圈位于管体的内侧，定位圈上设置有与各弧形管片瓣对应布置的沿管体径向延伸的导向杆，各弧形管片瓣上分别设置有与对应导向杆导向移动配合的管片瓣导向孔。
所述导向杆为塑料杆。
钻孔包括设于回采工作面上的采样孔，钻孔还包括于各采样孔外围均匀分布的至少三个抽采孔，抽采设备包括设置于抽采孔内的抽采管和设置于采样孔内的采样管，支壁管包括设置于抽采孔与抽采管之间的抽采孔支壁管和设置于采样孔与采样管之间的采样孔支壁管。
抽采管包括内外设置的抽采内管和抽采外管，抽采内管具有用于抽采煤层气的内孔，抽采外管与抽采内管之间形成注水通道，抽采外管上沿前后方向间隔布置有多个抽采管封孔器，抽采外管上于对应相邻两个抽采管封孔器之间形成注水段，注水段的管壁上设置有注水口，注水口处设置有注水口阀门，抽采内管与注水段之间设置有连通抽采外管外侧与抽采内管的内孔的抽采通道，各抽采通道处均设置有抽采通道阀门；
采样管上沿前后方向间隔布置有多个采样管封孔器，相邻两个采样管封孔器之间形成与注水段对应设置的采样段，相邻两个采样管封孔器之间的采样管上沿周向分布有多个沿采样管轴向延伸的封隔条，封隔条将采样段分隔成至少三个沿周向顺序设置的独立采样区间，采样孔支臂管的各弧形管片瓣上的径向透水孔分别与各独立采样区间相对应，每个采样段的独立采样区间的个数与采样孔外围的抽采孔的个数一一对应，且各独立采样区间分别朝向采样孔外围的对应抽采孔，各独立采样区间内均设置有湿度传感器，采样孔轴线与抽采孔轴线之间的间距大于相邻两个抽采孔轴线之间间距的一半。
采样孔支臂管的定位圈分别位于对应相邻两个采样管封孔器之间，采样孔支臂管的弧形管片瓣的个数与采样管上的封隔条个数对应，相邻弧形管片之间的缝隙用于与对应封隔条的外周面对应布置。
本发明的有益效果为：对于松软煤层而言，在煤层钻孔后，为避免钻孔坍塌，可先将支壁管塞入钻孔，定位圈上的各导向杆分别与对应弧形管片瓣定位配合，保证支壁管的管体的整体性，使得支壁管具有支撑孔壁，避免孔壁坍塌的能力，当采样管上的采样管封孔器外胀封孔时，各弧形管片瓣彼此独立，且能够在对应的导向杆导向作用下径向移动，因此不会影响采样管封孔器的外胀，可以保证弧形管片瓣与钻孔孔壁及采样管封孔器与弧形管片瓣之间的配合关系，而相邻弧形管片瓣之间的弹性膜则可以起到封堵相邻弧形管片瓣之间缝隙的作用，避免水从弧形管片瓣间的缝隙渗入。
附图说明
图1是本发明中煤层气抽采系统的一个实施例的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1中采样管的结构示意图；
图4是图1中采样管与抽采管的布置示意图；
图5是图1中抽采管的结构示意图；
图6是图1中采样孔支壁管的结构示意图；
图7是图6中采样孔支壁管受采样管封孔器作用外胀后的状态示意图；
图8是本实施例中，采样管封孔器、封隔条未外胀时，定位圈与弧形管片瓣的配合示意图；
图9是本实施例中，采样管封孔器、封隔条外胀后，定位圈与弧形管片瓣的配合示意图。
具体实施方式
本发明中煤层气抽采系统的实施例如图1~9所示：
包括多个开设于回采工作面4上的轴线沿前后方向延伸的采样孔7，各采样孔的外围均布有四个抽采孔2，抽采孔2与采样孔7并列布置。
各抽采孔2中均设置有抽采管3，抽采管3与抽采孔2的孔壁之间设置有抽采孔支壁管31，抽采管3包括内外设置的抽采内管21和抽采外管20，抽采内管21具有用于抽采煤层气的内孔28，抽采外管20与抽采内管21之间形成注水通道22，抽采外管上沿前后方向间隔布置有多个抽采管封孔器5，抽采外管上于对应相邻两个抽采管封孔器之间形成注水段，注水段的管壁上设置有注水口23，注水口23处设置有注水口阀门，抽采内管与注水段之间设置有连通抽采外管外侧与抽采内管的内孔的抽采通道，各抽采通道处均设置有抽采通道阀门。抽采管封孔器5由能充气的橡胶囊构成，抽采管封孔器属于现有技术，在此不再详述，本实施例中，抽采管封孔器11充气膨胀后，可以与抽采孔支壁管31的管壁密封配合。
抽采通道由连接于抽采内管与抽采外管之间的径向连接管的内孔24构成，径向连接管25的两端分别与抽采内管21和抽采外管20焊接相连，径向连接管不仅可以用于抽采煤层气，而且还起到固定抽采内管、抽采外管间距的作用。
各采样孔7内均设置有采样管9，采样管9与采样孔7的孔壁之间设置有采样孔支壁管30。采样管上沿前后方向间隔布置有多个采样管封孔器11，相邻两个采样管封孔器11之间形成与注水段对应设置的采样段，相邻两个采样管封孔器之间的采样管上沿周向分布有多个沿采样管轴向延伸的封隔条8，封隔条的轴向两端分别与对应采样管封孔器密封配合，封隔条8将采样段分隔成四个沿周向顺序设置的独立采样区间12，每个采样段的独立采样区间12的个数与采样孔外围的抽采孔的个数一一对应，且各独立采样区间分别朝向采样孔外围的对应抽采孔，各独立采样区间内均设置有湿度传感器10。
在本实施例中，采样孔支壁管与抽采管支壁管的结构相同，现仅对采样孔支壁管的具体结构进行详细介绍。
采样孔支壁管30包括轴向沿前后方向延伸的管体，管体由四瓣沿周向顺序独立布置的弧形管片瓣36拼成，弧形管片瓣36的个数与封隔条8的个数一一对应。相邻弧形管片瓣之间设置有沿前后方向延伸的用于密封相邻弧形管片瓣之间缝隙38的弹性膜39，弧形管片瓣上设置有径向透水孔，径向透水孔与独立采样空间12对应，径向透水孔用于向各自对应的独立采样空间12透水。采样孔支壁管还包括多个沿前后方向间隔布置的定位圈35，定位圈位于管体的内侧，定位圈上设置有与各弧形管片瓣对应布置的沿管体径向延伸的导向杆37，各弧形管片瓣上分别设置有与对应导向杆导向移动配合的管片瓣导向孔。本实施例中，导向杆37为塑料杆，其兼具弹性和刚性，刚性使得导向杆37具有导向作用，可以在采样管封孔器11和封隔条8外胀时，引导弧形管片瓣36沿径向朝外移动；弹性使得导向杆能有一定的变形幅度，即使弧形管片瓣36没有严格的沿径向移动，也不置于使弧形管片瓣36被完全别住而不能移动。各定位圈35分别位于对应相邻两个采样管封孔器11之间。
在各弧形管片瓣36的内周开设有与定位圈35宽度匹配的定位圈装配槽40，如图8所示，当采样孔封隔器和封隔条未外胀时，定位圈35顶于定位圈装配从4的槽底，弧形管片瓣36的内周面相比定位圈35的内周面更靠近采样孔的轴线；当采样孔封隔器和封隔条外胀时，弧形管片瓣在采样孔封隔器外胀作用下，沿径向朝外移动，此时弧形管片瓣36的内周面与定位圈35的内周面更加接近，如图9所示，弧形管片瓣36的内周面与定位圈35的内周面之间的高度差小了，封隔条8可以更好的与弧形管片瓣36和定位圈35密封配合，封隔条完全在周向上密封定位圈与弧形管片瓣的相接位置，避免水沿弧形管片瓣36和定位圈35内周面之间的高度差位置周向流动，而影响各独立采样空间的湿度测量。由于在设计时，采样孔支壁管未膨胀时的管径是与采样孔的孔径是匹配的，因此即使在采样孔封隔器膨胀作用下，弧形管片瓣36的径向移动距离也不大，基本在1cm左右，因此在设计时，当采样孔封隔器和封隔条未外胀时，弧形管片瓣36的内周面与定位圈35的内周面的高度差为1cm。
当采样管封孔器11和封隔条8充气膨胀时，弧形管片瓣36也外胀，弧形管片瓣36不会限制采样管封孔器和封隔条的外胀。弧形管片瓣的外周与采样孔孔壁紧密接触，弧形管片瓣的内周面与采样管封孔器11和封隔条密封接触，水只能从弧形管片瓣上的径向透水孔渗入对应的独立采样空间12内；因弧形管片瓣移动而产生的缝隙38被弹性膜39封闭，避免水经缝隙38渗入到对应的独立采样空间12内而影响测量结果。当然封隔条8的外周宽度宽于缝隙38的宽度，且封隔条的外周正好沿周向横跨对应缝隙，即使弹性膜由漏洞，封隔条也可以完成对缝隙38的封堵。弹性膜可以保持各弧形弹性瓣的初始状态。独立采样空间12的设置，是为了避免相邻两个采样管注水时的彼此影响，如果没有封隔条的设置，则湿度传感器获得的数据无法判断究竟是哪个方向所渗透过来的注水，因此也无法判断煤层是否被注水完全渗透。采样孔封孔器的结构与抽采孔封孔器的结构类似，均是采用能够充气的橡胶囊制成，只是与抽采孔封孔器不同的是，采样孔封孔器的轴向长度要长于抽采孔封孔器，这样可以降低对抽采管、采样管的轴向安装位置误差精度需求，即使采样孔封孔器与对应抽采孔封孔器位置完全没有对应（错开一定的轴向位置），如图4所示，也可以保证对应注水段的注水可以仅进入到对应的采样段内，而不会进入到前侧相邻的采样段中。封隔条也是由能够充气的橡胶囊制成。
采样孔轴线与抽采孔轴线之间的间距大于相邻两个抽采孔轴线之间间距的一半，图2中虚线圈表示对应注水段的注水渗透区域，由于采样孔轴线与抽采孔轴线之间的间距大于相邻两个抽采孔轴线之间间距的一半，因此当相邻两个采样管的注水渗透至对应湿度传感器时，则相邻两个采样管之间的煤层也已经完全渗透。
抽采孔支壁管和采样孔支壁管由塑料或树脂材料制成，在完成注水和煤层气抽采后，采样孔支壁管和抽采孔支壁管可以不取出，钻头直接对回采工作面进行回采钻进，塑料或树脂材料的支壁管可以被钻碎，随后筛选出来即可。
使用该煤层气抽采系统对煤层气进行抽采的抽采过程为：第一步，在煤层上钻去抽采孔和采样孔，在抽采孔内设置抽采孔支壁管，在抽采孔支壁管内设置抽采管；在采样孔内设置采样孔支壁管，在采样孔支壁管内设置采样管；第二步；定义相邻两个注水段自回采工作面由近及远方向分别为先注水段和后注水段，相邻两个采样段分别为与先注水段对应的先采样段和与后注水段对应的后采样段，首先通过注水口对先注水段所对应的煤层注水，关闭后注水段上的注水口阀门，通过后注水段上的抽采通道对后注水段外围空间进行抽吸，当先采样段上各独立采样区间的湿度传感器均检测到有水时，完成先注水段的注水过程；重复第二步，完成所有注水段的注水和所有后注水段外围的煤层气抽吸。也就是说整个注水、煤层气抽采的过程是，相邻两个注水段同时工作，先注水段注水，后注水段抽气，依次完成各注水段的注水、抽气 操作，先注水段注水时，将与先注水段对应的煤层中的煤层气朝后注水段逼，正负压的压差环境下，水的渗透能力更强，其水流的流向性更强，煤层1内的煤层气更容易被挤出。
在本发明的其它实施例中：各采样孔外围的抽采孔个数还可以是三个、五个或其它个数。
煤层钻孔用支壁管的实施例如图1~9所示：煤层钻孔用支壁管的具体结构与上述各煤层气抽采系统实施例中所述的采样孔支壁管相通，在此不再详述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种煤层钻孔用支壁管，其特征在于：包括轴向沿前后方向延伸的管体，管体由至少三瓣沿周向顺序独立布置的弧形管片瓣拼成，相邻弧形管片瓣之间设置有沿前后方向延伸的用于密封相邻弧形管片瓣之间缝隙的弹性膜，弧形管片瓣上设置有径向透水孔，煤层钻孔用支壁管还包括多个沿前后方向间隔布置的定位圈，定位圈位于管体的内侧，定位圈上设置有与各弧形管片瓣对应布置的沿管体径向延伸的导向杆，各弧形管片瓣上分别设置有与对应导向杆导向移动配合的管片瓣导向孔。
2.根据权利要求1所述的煤层钻孔用支壁管，其特征在于：所述导向杆为塑料杆。
3.煤层气抽采系统，包括开设于煤层上的轴向沿前后方向延伸的钻孔，还包括用于设置于钻孔内的抽采设备，其特征在于：抽采设备与钻孔的孔壁之间设置有支壁管，支壁管包括轴向沿前后方向延伸的管体，管体由至少三瓣沿周向顺序独立布置的弧形管片瓣拼成，相邻弧形管片瓣之间设置有沿前后方向延伸的用于密封相邻弧形管片瓣之间缝隙的弹性膜，弧形管片瓣上设置有径向透水孔，煤层钻孔用支壁管还包括多个沿前后方向间隔布置的定位圈，定位圈位于管体的内侧，定位圈上设置有与各弧形管片瓣对应布置的沿管体径向延伸的导向杆，各弧形管片瓣上分别设置有与对应导向杆导向移动配合的管片瓣导向孔。
4.根据权利要求3所述的煤层气抽采系统，其特征在于：所述导向杆为塑料杆。
5.根据权利要求3所述的煤层气抽采系统，其特征在于：钻孔包括设于回采工作面上的采样孔，钻孔还包括于各采样孔外围均匀分布的至少三个抽采孔，抽采设备包括设置于抽采孔内的抽采管和设置于采样孔内的采样管，支壁管包括设置于抽采孔与抽采管之间的抽采孔支壁管和设置于采样孔与采样管之间的采样孔支壁管。
6.根据权利要求5所述的煤层气抽采系统，其特征在于：抽采管包括内外设置的抽采内管和抽采外管，抽采内管具有用于抽采煤层气的内孔，抽采外管与抽采内管之间形成注水通道，抽采外管上沿前后方向间隔布置有多个抽采管封孔器，抽采外管上于对应相邻两个抽采管封孔器之间形成注水段，注水段的管壁上设置有注水口，注水口处设置有注水口阀门，抽采内管与注水段之间设置有连通抽采外管外侧与抽采内管的内孔的抽采通道，各抽采通道处均设置有抽采通道阀门；
采样管上沿前后方向间隔布置有多个采样管封孔器，相邻两个采样管封孔器之间形成与注水段对应设置的采样段，相邻两个采样管封孔器之间的采样管上沿周向分布有多个沿采样管轴向延伸的封隔条，封隔条将采样段分隔成至少三个沿周向顺序设置的独立采样区间，采样孔支臂管的各弧形管片瓣上的径向透水孔分别与各独立采样区间相对应，每个采样段的独立采样区间的个数与采样孔外围的抽采孔的个数一一对应，且各独立采样区间分别朝向采样孔外围的对应抽采孔，各独立采样区间内均设置有湿度传感器，采样孔轴线与抽采孔轴线之间的间距大于相邻两个抽采孔轴线之间间距的一半。
7.根据权利要求6所述的煤层气抽采系统，其特征在于：采样孔支臂管的定位圈分别位于对应相邻两个采样管封孔器之间，采样孔支臂管的弧形管片瓣的个数与采样管上的封隔条个数对应，相邻弧形管片之间的缝隙用于与对应封隔条的外周面对应布置。
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