CN114109337B - 一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔段自适应切槽方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于瓦斯抽采技术领域。涉及一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔段自适应切槽方法及系统，利用自适应切槽装置在井下瓦斯抽采失效钻孔封孔段的已变形抽采管内进行切槽造缝，在原有封孔段中间注浆封孔段制造环形和螺旋缝槽，自适应切槽装置可以根据抽采管变形情况进行自动调整，始终处于抽采管的中部位置，保证了高压磨料水射流对钻孔原封孔段的抽采管、凝固封孔材料和煤岩体按按环形和螺旋方向进行切槽造缝，以形成环形和螺旋的缝槽，为二次带压注浆提供了通道。

Description

一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔段自适应切槽方法及系统

技术领域

本发明属于瓦斯抽采技术领域，涉及一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔段自适应切槽方法及系统。

背景技术

煤层瓦斯抽采是解决高瓦斯矿井煤炭开采中瓦斯灾害问题最有效的技术措施。抽采采钻孔是抽采瓦斯的载体，其有效寿命直接关乎到抽采的质量。在钻孔施工过程中，由于受煤岩体特征、地应力等因素影响，抽采钻孔周围煤岩体裂隙丰富，同时受封孔材料、技术装备及人员素质影响，抽采钻孔密封效果差异大，普遍存在漏气失效问题；另外，抽采钻孔封孔完成后由于开采活动影响，钻孔周围应力发生变化，造成钻孔周围煤岩体和封孔段密封材料出现位移形变，导致钻孔周围裂隙进一步发育和贯通，造成抽采钻孔失效。抽采钻孔密封失效将严重影响瓦斯抽采效率，造成抽采达标时间长及区域抽采效果不均衡，限制了高瓦斯及突出矿井的抽掘采顺利衔接。

目前我国煤矿瓦斯抽采钻孔尚处于重“生”不“养”阶段，花费较高成本施工完成钻孔联抽后即听之任之，使其自动衰竭，缺乏有效的抽采钻孔维护管理技术，造成了抽采钻孔数目众多，抽采纯量有限的尴尬局面。面对密封失效钻孔，矿现场通常将密封失效钻孔作废，并在废弃钻孔附近重新设计和补打钻孔，增大了工人的劳动强度和成本投入。

现有瓦斯抽采失效钻孔修复技术具有一定的针对性和局限性，国内有专家学者研究了针对了塌堵孔失效解堵修复技术和钻孔管底二次注浆技术，一定程度上解决了塌堵失效和抽采管以深进行二次注浆修复的目的，而未有研究针对瓦斯抽采失效钻孔封孔段进行修复技术研究。

近几年来，利用高压水射流技术进行切槽割缝增透和定向钻进技术成为研究热点，通过高压水射流作用下冲击破碎煤体来进行钻孔周围煤体人为造缝以增加煤层透气性，但是常规割缝器体积大且使用清水射流，只是针对钻孔周围硬度较低的煤体进行切割造缝，也未有研究利用磨料水射流进行抽采管封孔段进行切槽修复技术。综上主要原因：一是瓦斯抽采钻孔抽采管在煤岩体应力作用下会发生变形，由正常圆形逐渐变形为类椭圆形，上下窄而左右宽，导致常规割缝器无法下入抽采管和正常进行旋转切割操作；二是抽采钻孔封孔段包含了PVC或PE抽采管、凝固的封孔材料和钻孔周围煤岩体，清水射流无法有效切割硬度较高的PVC或PE抽采管和凝固的封孔材料等；三是目前水力切槽只能进行轴向直线形或径向点环形造缝，并不能满足抽采钻孔封孔段封堵修复要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对已完成封孔并在抽采过程中因封孔段密封失败而导致的钻孔失效难题，彻底解决目前钻孔修复技术无法在封孔段进行二次注浆修复的技术问题，提出了一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔段自适应切槽方法及系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，包括旋转动力装置、高压钢管、自适应切槽装置、高压水泵磨料动力系统；所述旋转动力装置与高压钢管连接，驱动高压钢管转动；所述自适应切槽装置设于所述高压钢管上，并与高压钢管的内腔相通；所述高压水泵磨料动力系统通过管道与高压钢管内腔连通，并通过高压钢管内腔输送带磨料的高压水；所述自适应切槽装置通过所述高压钢管带入钻孔中，通过喷射高压水流进行切槽。

进一步，所述自适应切槽装置包括本体、伸缩喷头；所述本体设于所述高压钢管上；所述伸缩喷头包括设于所述本体上的支撑轴、伸缩轴、高压水射流喷头；所述伸缩轴与本体之间设有弹性件，所述伸缩轴与所述支撑轴滑动连接；所述高压水射流喷头设于所述伸缩轴上，并与所述本体的内腔相通；所述伸缩轴通过滑动改变伸出长度，以适应钻孔的形状及尺寸。

进一步，所述伸缩喷头有多个，呈圆周分布于所述本体上。

进一步，所述支撑轴内滑动设有密封滑块，所述伸缩轴设于密封滑块上，所述弹性件设于密封滑块与所述本体之间。

进一步，所述伸缩轴远离所述本体的一端设有滑轮，所述高压水射流喷头与所述滑轮并排布置，且高压水射流喷头沿所述本体径向的高度低于所述滑轮的高度。

进一步，所述高压水射流喷上设有至少1个高压水射流喷嘴。

进一步，所述高压水泵磨料动力系统包括高压水泵、磨料罐；所述高压水泵与磨料罐连接，所述磨料罐通过高压软管与所述高压钢管连通。

进一步，所述旋转动力装置为气动马达或液压马达或电机。

进一步，所述自适应切槽装置设于所述高压钢管的一端，所述高压钢管的另一端通过高压密封旋转接头与旋转动力装置连接。

一种瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽方法，采用上述瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统对封孔段进行环形与螺旋切槽，所述环形与螺旋切槽包括如下步骤：

(1)针对抽采过程中抽采浓度低和封孔段存在漏气失效的预抽钻孔，拆除接抽管后，将自适应切槽装置通过高压钢管下入已变形的钻孔抽采管内，下放终点位置为抽采钻孔封孔段两侧的封堵装置的内侧，并根据钻孔倾角情况调整切槽起始位置，即上向钻孔从内向外切槽，下向钻孔从外向内切槽，避免切割缝槽过程水渣再次填堵已切割缝槽；

(2)待自适应切槽装置下入预定位置后，启动高压水泵，并逐渐提高泵压至合适的压力值，通过调节旋转动力装置控制高压钢管和自适应切槽装置进行旋转；

自适应切槽装置先在封孔段预定起始位置进行环形切槽，完成后拉动高压钢管，并带动自适应切槽装置进行螺旋转动，根据封孔段长度控制拉动和旋转速度，以使磨料高压水射流充分对原抽采管、封孔段固化封孔材料和钻孔周围煤岩体进行切割，待行进至螺旋切槽另一端时，停止拉动高压钢管，再次进行环形切槽，即在封孔段两侧形成环形缝槽和中间封孔段形成螺旋缝槽。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中高压水泵输出的高压水进入磨料罐，并与磨料罐内磨料充分混合，通过高压软管输送至自适应切槽装置的喷头处，添加的磨料解决了纯水射流无法有效切割抽采管和固化封孔材料的问题，同时提高了煤岩体切割的速率。

2、本发明中的自适应切槽装置可以根据抽采管变形情况进行自动调整，始终处于抽采管的中部位置，保证了高压磨料水射流对钻孔原封孔段的抽采管、凝固封孔材料和煤岩体按按环形和螺旋方向进行切槽造缝，以形成环形和螺旋的缝槽，为二次带压注浆提供了通道。而传统的割缝器无法根据抽采管的变形进行动态调整，将会出现割缝器无法下放和无法有效切割呈现类椭圆形抽采管两端的情况。

4、本发明利用自适应切槽装置在井下瓦斯抽采失效钻孔封孔段的已变形抽采管内进行切槽造缝，在原有封孔段中间注浆封孔段制造环形和螺旋缝槽，然后利用内嵌注浆管一体化封孔器重新进行二次带压注浆封孔，从而对钻孔周围裂隙和漏气通道进行封堵，解决了目前钻孔修复技术无法在封孔段进行二次注浆修复的问题，从而彻底解决抽采钻孔封孔段密封失效的难题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中瓦斯抽采钻孔封孔段自适应切槽示意图；

图2为本发明中自适应切槽装置示意图。

附图标记：1-自适应切槽装置；2-轻型高压清水泵；3-磨料罐；4-压风管道；5-高压软管；6-压风软管；7-高压密封旋转接头；8-气动马达；9-煤岩层；10-封堵装置；11-钻孔封孔段；12-高压钢管；13-原抽采管；14-抽采钻孔；15-螺旋缝槽；16-环形缝槽；1.1-弹簧；1.2-密封滑块；1.3-支撑轴；1.4-伸缩轴；1.5-滑轮；1.6-高压水射流喷头；1.7-高压水射流喷嘴。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～2，一种瓦斯抽采失效钻孔封孔段切槽系统，包括旋转动力装置、高压钢管12、自适应切槽装置1、高压水泵磨料动力系统；旋转动力装置可采用气动马达或液压马达或电机，本实施例中旋转动力装置采用气动马达8，高压水泵磨料动力系统包括轻型高压清水泵2、磨料罐3；轻型高压清水泵2与磨料罐3连接，磨料罐3通过高压软管5与高压钢管12连通；气动马达8通过高压密封旋转接头7安装在高压钢管12外端，气动马达8进气端通过压风软管6与井下压风管道4连通；气动马达8可实现对高压钢管12和自适应切槽装置1的旋转控制，所有螺纹连接处均采用高压密封处理，以防止接头处出现泄漏导致压力损失和增加安全风险；自适应切槽装置1通过高压钢管12带入钻孔中，并通过喷射高压水流进行切槽。

本实施例中，自适应切槽装置1包括本体、伸缩喷头；本体安装在高压钢管12上；伸缩喷头包括设置在本体上的支撑轴1.3、伸缩轴1.4、高压水射流喷头1.6；伸缩轴1.4与本体之间安装有弹簧1.1，伸缩轴1.4与支撑轴1.3滑动连接；高压水射流喷头1.6安装在伸缩轴1.4上，并与本体的内腔相通；高压水射流喷头1.6有3个，呈圆周均匀分布于本体上，每个高压水射流喷上至少设置有1个高压水射流喷嘴1.7。

支撑轴1.3内滑动安装有密封滑块1.2，伸缩轴1.4固定在密封滑块1.2上，弹簧1.1位于密封滑块1.2与本体之间。伸缩轴1.4远离本体的一端安装有滑轮1.5，高压水射流喷头1.6与滑轮1.5并排布置，且高压水射流喷头1.6沿本体径向的高度低于滑轮1.5的高度。伸缩轴1.4通过滑动改变伸出长度，以适应钻孔的形状及尺寸。

一种瓦斯抽采失效钻孔封孔段切槽方法，采用本实施例中的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统对封孔段进行环形与螺旋切槽，环形与螺旋切槽包括如下步骤：

(1)煤矿井下煤岩层9抽采钻孔14普遍存在封孔失败和漏气等原因导致的钻孔密封失效问题，在确定抽采钻孔14封孔存在漏气失效问题后，拆除钻孔接抽管，将自适应切槽装置1通过高压钢管12下入已变形的原抽采管13内，下放终点位置为抽采钻孔14封孔段两侧的封堵装置10的内侧，并根据钻孔倾角情况调整切槽起始位置，即上向钻孔从内向外切槽，下向钻孔从外向内切槽，避免切割缝槽过程水渣再次填堵已切割缝槽；

(2)待自适应切槽装置1下入预定位置后，启动高压水泵，并逐渐提高泵压至合适的压力值，通过调节旋转动力装置控制高压钢管12和自适应切槽装置1进行旋转；

自适应切槽装置1先在钻孔封孔段11预定起始切槽位置进行环形切槽以形成环形缝槽16，然后拉动高压钢管12往钻孔封孔段11另一侧行进，在行进过程中根据钻孔封孔段11的长度调整气动马达8的转速实现对螺旋缝槽15间距的控制，在这个过程中，自适应切槽装置1跟着高压钢管12行进，同时高压磨料水射流对钻孔封孔段11的原抽采管13、凝固封孔材料和钻孔周围煤岩体进行螺旋切割，待行进至钻孔封孔段11的另一侧预定位置时，停止拉动高压钢管12，同样控制气动马达8转速进行环形缝槽16的切割，至此在钻孔封孔段11形成了两端环形缝槽16和中间螺旋缝槽15。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：包括旋转动力装置、高压钢管、自适应切槽装置、高压水泵磨料动力系统；所述旋转动力装置与高压钢管连接，并驱动高压钢管转动；所述自适应切槽装置设于所述高压钢管上，并与高压钢管的内腔相通；所述高压水泵磨料动力系统通过管道与高压钢管内腔连通，并通过高压钢管内腔输送带磨料的高压水；所述自适应切槽装置通过所述高压钢管带入钻孔中，通过喷射高压水流进行切槽；所述自适应切槽装置包括本体、伸缩喷头；所述本体设于所述高压钢管上；所述伸缩喷头包括设于所述本体上的支撑轴、伸缩轴、高压水射流喷头；所述伸缩轴与本体之间设有弹性件，所述伸缩轴与所述支撑轴滑动连接；所述高压水射流喷头设于所述伸缩轴上，并与所述本体的内腔相通；所述伸缩轴通过滑动改变伸出长度，以适应钻孔的形状及尺寸。

2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述伸缩喷头有多个，呈圆周分布于所述本体上。

3.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述支撑轴内滑动设有密封滑块，所述伸缩轴设于密封滑块上，所述弹性件设于密封滑块与所述本体之间。

4.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述伸缩轴远离所述本体的一端设有滑轮，所述高压水射流喷头与所述滑轮并排布置，且高压水射流喷头沿所述本体径向的高度低于所述滑轮的高度。

5.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述高压水射流喷上设有至少1个高压水射流喷嘴。

6.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述高压水泵磨料动力系统包括高压水泵、磨料罐；所述高压水泵与磨料罐连接，所述磨料罐通过高压软管与所述高压钢管连通。

7.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述旋转动力装置为气动马达或液压马达或电机。

8.根据权利要求1所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统，其特征在于：所述自适应切槽装置设于所述高压钢管的一端，所述高压钢管的另一端通过高压密封旋转接头与旋转动力装置连接。

9.一种瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽方法，其特征在于：采用如权利要求1~ 8任一项所述的瓦斯抽采失效钻孔封孔段自适应切槽系统对封孔段进行环形与螺旋切槽，所述环形与螺旋切槽包括如下步骤：

（1）针对抽采过程中抽采浓度低和封孔段存在漏气失效的预抽钻孔，拆除接抽管后，将自适应切槽装置通过高压钢管下入已变形的钻孔抽采管内，下放终点位置为抽采钻孔封孔段两侧的封堵装置的内侧，并根据钻孔倾角情况调整切槽起始位置，即上向钻孔从内向外切槽，下向钻孔从外向内切槽，避免切割缝槽过程水渣再次填堵已切割缝槽；

（2）待自适应切槽装置下入预定位置后，启动高压水泵，并逐渐提高泵压至合适的压力值，通过调节旋转动力装置控制高压钢管和自适应切槽装置进行旋转；

自适应切槽装置先在封孔段预定起始位置进行环形切槽，完成后拉动高压钢管，并带动自适应切槽装置进行螺旋转动，根据封孔段长度控制拉动和旋转速度，以使磨料高压水射流充分对原抽采管、封孔段固化封孔材料和钻孔周围煤岩体进行切割，待行进至螺旋切槽另一端时，停止拉动高压钢管，再次进行环形切槽，即在封孔段两侧形成环形缝槽和中间封孔段形成螺旋缝槽。