CN114000873A - 一种煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法,该设备包括钻机、双层高压密封钻杆、高压水鞭、射流器和钻头;该方法包括以下步骤:钻孔施工;切割孔壁;冲洗煤渣;边扩孔边排渣;回收设备。本发明公开的煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法,能显著提高煤层瓦斯抽放效率与煤层卸压效果,能推广应用于治理煤矿瓦斯和防治冲击地压。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域,具体涉及一种煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法。
背景技术
煤层钻孔卸压是防治煤矿动力灾害的主要手段之一,为了提高卸压效果,降低卸压工程量,通常采用水力扩孔的方法对煤层钻孔的高应力区段进行扩孔。但是,目前的水力扩孔工艺通常是在施工完钻孔后,将设备切换至射流模式,采用高压水射流切割孔壁实现扩孔,扩孔形成的煤屑由射流切割的水带出孔外,即切缝和冲孔采用同一供水管路。这样的方式存在以下问题:(1)为了提高煤层切割效率,需要提高射流水的水压,但是由于井下泵的功率限制,提高水压必然造成排量的下降,导致切落的煤屑难以顺利排出,常常造成堵孔问题,大大降低扩孔效率甚至容易造成扩孔失败;(2)如果要实现快速冲孔排渣,则需要增加水的排量,但是必然要降低水压,此时水射流对孔壁的切割效率降低甚至切割不动煤体,同样降低扩孔效率甚至容易造成扩孔失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法,用以解决现有切缝和冲孔采用同一供水管路而导致的扩孔效率低甚至扩孔容易失败的问题。
本发明提供一种煤层钻切冲一体化设备,包括一钻机、一双层高压密封钻杆、一射流器和一钻头,所述双层高压密封钻杆包括内钻杆、外套管和支撑架,所述内钻杆穿设于所述外套管的内部,且所述支撑架设置于所述内钻杆和所述外套管之间,所述内钻杆的外壁与所述支撑架的内壁固定连接,以使内钻杆位于外套管的纵向中心线位置转动时,外套管随着内钻杆转动;所述内钻杆的内部设置有内腔,所述内钻杆的进液端与所述钻机对接且露出进液端头,所述露出进液端头上设置有高压水鞭,所述高压水鞭的出液口与所述内腔相连通;所述内钻杆的出液端穿出所述外套管且露出出液端头,所述出液端头上设置有射流器,所述射流器的外壁设置有喷嘴;所述钻头与所述射流器的外端对接;所述内钻杆和所述外套管之间的环形空间形成环形空腔,所述外套管靠近所述钻机的一端的外壁上设置有低压进水头,所述外套管靠近所述射流器的一端的外壁上设置有低压出水孔,所述低压进水头和所述低压出水孔分别与所述环形空腔的两端相连通。
具体地,所述射流器的外壁环向设置有3个喷嘴,3个喷嘴位于内钻杆的纵向中心线的垂截面上且互成120度夹角。
本发明还公开了一种煤层钻切冲一体化扩孔方法,采用上述的煤层钻切冲一体化设备,该方法包括以下步骤:
钻孔施工:利用钻头在煤层中钻进形成钻孔;
切割孔壁:停止钻头钻进,开启高压泵,水经过高压泵加压形成高压水,高压水从射流器的外壁侧向的喷嘴喷出形成高压水射流,切割所述钻孔的孔壁;
冲洗煤渣:低压水从低压出水孔冲出形成低压水冲流,冲洗所述钻孔内的煤渣,使所述高压水射流切落的煤屑随着水流排出所述钻孔外;
边扩孔边排渣:操作钻机缓慢退出双层高压密封钻杆,同时保持喷嘴喷出高压水射流持续切割所述钻孔的孔壁实现扩孔,以及低压出水孔冲出低压水冲流持续冲洗所述钻孔内的煤渣,实现所述钻孔的一边扩孔一边排渣,直至双层高压密封钻杆退到预定位置;
回收设备:回收煤层钻切冲一体化设备。
具体地,所述高压水的水压为30-120MPa。
具体地,所述低压水的水压不高于10MPa。
具体地,所述钻孔的孔径为75-150mm,孔深为10-50m,仰角为0-30度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明公开了一种煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法,该方法将切割孔壁用的高压射流水和冲洗煤渣的低压水进行了分离,利用高压水从射流器的外壁侧向的喷嘴喷出形成高压水射流,切割所述钻孔的孔壁;低压水从低压出水孔冲出形成低压水冲流,冲洗钻孔内的煤渣,在保障切割效率的同时,实现了大排量高效冲孔排渣,也克服了目前煤层水力扩孔工艺复杂、效率低、扩孔半径小、排渣困难等问题。本发明公开的煤层钻切冲一体化设备及其扩孔方法,能显著提高煤层瓦斯抽放效率与煤层卸压效果,能推广应用于治理煤矿瓦斯和防治冲击地压。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的煤层钻切冲一体化设备扩孔施工示意图;
图2为本发明实施例1提供的双层高压密封钻杆的横截面示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1
实施例1提供一种煤层钻切冲一体化设备,下面对其结构进行详细说明。
参考图1和图2,该煤层钻切冲一体化设备包括钻机1、双层高压密封钻杆2、高压水鞭3、射流器4和钻头5,
双层高压密封钻杆2包括内钻杆21、外套管22和支撑架23,内钻杆21穿设于外套管22的内部,且支撑架23设置于内钻杆21和外套管22之间,内钻杆21的外壁与支撑架23的内壁固定连接,以使内钻杆21位于外套管22的纵向中心线位置转动时,外套管22随着内钻杆21转动;
钻机1为液压钻机,内钻杆21的内部设置有内腔210,内钻杆21的进液端与钻机1对接且露出进液端头,露出进液端头上设置有高压水鞭3,高压水鞭3的出液口与内腔210相连通;
内钻杆21的出液端穿出外套管22且露出出液端头,出液端头上设置有射流器4,射流器4的外壁设置有喷嘴40;
射流器4的外端连接有钻头5;
内钻杆21和外套管22之间的环形空间形成环形空腔220,外套管22靠近钻机1的一端的外壁上设置有低压进水头221,外套管22靠近射流器4的一端的外壁上设置有低压出水孔222,低压进水头221和低压出水孔222分别与环形空腔220的两端相连通。
优选地,射流器4的外壁环向设置有3个喷嘴,3个喷嘴位于内钻杆21的纵向中心线的垂截面上且互成120度夹角。
当该煤层钻切冲一体化设备在煤层100进行水力切割作业时,高压水鞭3进水口对接高压水管,高压水管的高压水经高压水鞭3流入至内腔210,并从射流器4外壁上的喷嘴40喷出;低压进水头221的进水口对接低压水管,低压水管的低压水经低压进水头221流入至环形空腔220,并经低压出水孔222冲出。
其中,低压进水头221为可移动式低压水头,高压水管和低压水管均配置有供水阀门。
当内钻杆21旋转时,低压进水头221能保持固定方位,不会随着内钻杆21一起旋转。
实施例2
实施例2提供一种煤层钻切冲一体化扩孔方法,采用实施例1提供的煤层钻切冲一体化设备,该方法包括以下步骤:
步骤A:钻孔施工:
利用钻头5在煤层100中钻进形成钻孔200;
具体地,启动钻机1,带动双层密封钻杆2转动,进而带动射流器4和钻头5转动,利用钻头5在煤层100中钻进形成钻孔200,直至达到设计深度;
具体地,该钻孔200的孔径为75-150mm,孔深为10-50m,仰角为0-30度;
步骤B:切割孔壁:
停止钻头5钻进,开启高压泵,水经过高压泵加压形成高压水,高压水从射流器4的外壁侧向的喷嘴40喷出形成高压水射流,切割钻孔200的孔壁;
具体包括以下步骤:
关闭钻机1,停止钻头5钻进;
高压水鞭3进水口对接高压泵的出水口,高压泵的进水口对接高压水管;
开启高压泵,水经过高压泵加压形成高压水;
高压水先后依次通过高压水鞭3、钻机1、双层密封钻杆2的内腔210以及射流器4,并从射流器4的外壁侧向的喷嘴40喷出;
喷出的高压水形成高压水射流,高压水射流切割煤层100的钻孔200的孔壁;
步骤C:冲洗煤渣:
低压水从低压出水孔222冲出形成低压水冲流,冲洗钻孔200内的煤渣,使高压水射流切落的煤屑随着水流排出钻孔200外;
具体包括以下步骤:
低压进水头221的进水口对接低压水管,低压水流入至低压进水头221后,依次通过双层密封钻杆2的环形空腔220,从低压出水孔222冲出形成低压水冲流,
低压水冲流冲洗钻孔200内的煤渣,使高压水射流切落的煤屑随着水流排出钻孔200外;
步骤D:边扩孔边排渣:
操作钻机1缓慢退出双层高压密封钻杆2,同时保持喷嘴40喷出高压水射流持续切割钻孔200的孔壁实现扩孔,以及低压出水孔222冲出低压水冲流持续冲洗钻孔200内的煤渣,实现钻孔200的一边扩孔一边排渣,直至双层高压密封钻杆2退到预定位置;
具体包括以下步骤:
启动钻机1,使双层高压密封钻杆2旋转并缓慢后退,保持喷嘴40喷出高压水射流持续切割钻孔200的孔壁实现扩孔,同时保持低压出水孔222冲出低压水冲流持续冲洗钻孔200内的煤渣,实现钻孔200的边扩孔边排渣,直至双层高压密封钻杆2退到预定位置;
喷嘴40喷出的高压水射流和低压出水孔222冲出的低压水冲流带动切落的煤屑流动向钻孔200外排出,实现钻孔200的连续扩孔及排渣;
直至双层高压密封钻杆2退到预定位置;
关闭高压泵以及高压水管和低压水管的供水阀门。
步骤E:回收设备:
回收煤层钻切冲一体化设备,完成该煤层100的钻孔200的钻进、切割、冲洗以及钻出。
具体地,低压水为普通的清水,其水压不高于10MPa;高压水为清水或者含有沙粒的磨料水,其压力为30-120MPa。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种煤层钻切冲一体化设备,其特征在于,包括一钻机(1)、一双层高压密封钻杆(2)、一射流器(4)和一钻头(5),
所述双层高压密封钻杆(2)包括内钻杆(21)、外套管(22)和支撑架(23),所述内钻杆(21)穿设于所述外套管(22)的内部,且所述支撑架(23)设置于所述内钻杆(21)和所述外套管(22)之间,所述内钻杆(21)的外壁与所述支撑架(23)的内壁固定连接,以使内钻杆(21)位于外套管(22)的纵向中心线位置转动时,外套管(22)随着内钻杆(21)转动;
所述内钻杆(21)的内部设置有内腔(210),所述内钻杆(21)的进液端与所述钻机(1)对接且露出进液端头,所述露出进液端头上设置有高压水鞭(3),所述高压水鞭(3)的出液口与所述内腔(210)相连通;
所述内钻杆(21)的出液端穿出所述外套管(22)且露出出液端头,所述出液端头上设置有射流器(4),所述射流器(4)的外壁设置有喷嘴(40);
所述钻头(5)与所述射流器(4)的外端对接;
所述内钻杆(21)和所述外套管(22)之间的环形空间形成环形空腔(220),所述外套管(22)靠近所述钻机(1)的一端的外壁上设置有低压进水头(221),所述外套管(22)靠近所述射流器(4)的一端的外壁上设置有低压出水孔(222),所述低压进水头(221)和所述低压出水孔(222)分别与所述环形空腔(220)的两端相连通。
2.根据权利要求1所述的煤层钻切冲一体化设备,其特征在于,
所述射流器(4)的外壁环向设置有3个喷嘴,3个喷嘴位于内钻杆(21)的纵向中心线的垂截面上且互成120度夹角。
3.一种煤层钻切冲一体化扩孔方法,采用如权利要求1至2任一所述的煤层钻切冲一体化设备,其特征在于,包括:
钻孔施工:利用钻头(5)在煤层(100)中钻进形成钻孔(200);
切割孔壁:停止钻头(5)钻进,开启高压泵,水经过高压泵加压形成高压水,高压水从射流器(4)的外壁侧向的喷嘴(40)喷出形成高压水射流,切割所述钻孔(200)的孔壁;
冲洗煤渣:低压水从低压出水孔(222)冲出形成低压水冲流,冲洗所述钻孔(200)内的煤渣,使所述高压水射流切落的煤屑随着水流排出所述钻孔(200)外;
边扩孔边排渣:操作钻机(1)缓慢退出双层高压密封钻杆(2),同时保持喷嘴(40)喷出高压水射流持续切割所述钻孔(200)的孔壁实现扩孔,以及低压出水孔(222)冲出低压水冲流持续冲洗所述钻孔(200)内的煤渣,实现所述钻孔(200)的一边扩孔一边排渣,直至双层高压密封钻杆(2)退到预定位置;
回收设备:回收煤层钻切冲一体化设备。
4.根据权利要求3所述的煤层钻切冲一体化扩孔方法,其特征在于,所述高压水的水压为30-120MPa。
5.根据权利要求3所述的煤层钻切冲一体化扩孔方法,其特征在于,所述低压水的水压不高于10MPa。
6.根据权利要求3所述的煤层钻切冲一体化扩孔方法,其特征在于,所述钻孔(200)的孔径为75-150mm,孔深为10-50m,仰角为0-30度。
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