CN117189112A - 遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及遗滞煤柱钻孔内除渣造洞卸控技术领域，且公开了一种遗滞煤柱定向钻扩孔‑异孔除渣协同造洞卸控系统及方法，卸控系统包括定向除渣系统、协同造洞系统、受控伸缩腔体定向安装系统，卸控方法包括：实施深入煤柱内的异层下向孔除渣通道，采用定向钻机向煤柱区域钻定向孔，钻孔到达煤柱后，煤柱内定向孔的轴线平行于煤柱走向实施，在煤柱内的定向钻孔中依次扩孔，煤渣通过异层下向孔除渣通道排出，在遗滞煤柱内形成一系列卸压空腔，通过受控伸缩腔体定向安装系统把具有支撑能力的伸缩腔体安装到卸压空腔内。本发明的方法定向钻扩卸压空腔与异层下向孔除渣协同进行，成空腔效率高、适应性强、卸控效果好，具有重要的推广应用价值。

Description

遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法

技术领域

本发明涉及遗滞煤柱钻孔内除渣造洞卸控技术领域，尤其是涉及一种遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法。

背景技术

我国各个主采矿区广泛分布有多层可采煤层，且目前上覆一层或者多层煤普遍采空，遗滞多层大量区段煤柱、大巷煤柱等，下覆煤层各类开采空间必然受到上覆各类遗滞煤柱的集中应力叠加的剧烈影响，对安全高效开采造成极大威胁。

目前对于遗滞煤柱应力集中的处理方法主要有爆破预裂法与水压致裂法，但是爆破预裂法有严格的使用条件要求，在冲击地压矿井、高瓦斯矿井，遗滞煤柱所处的采空区容易因爆破发生瓦斯爆炸、自然发火等灾害事故，下伏煤层巷道的顶板因为爆破预裂震动导致顶板围岩松动可能发生冒顶事故，所以说预裂爆破的同时，也伴生多个危险源出现；

水压致裂法也需要严格的使用条件，遗滞煤柱是经历了两侧工作面的两次采动影响的，煤柱内的裂隙相对较为发育，这会导致水压致裂法难以发挥作用，因为裂隙发育，水压致裂孔难以保持高压力，无高压作用，煤柱就难以彻底致裂；另外一方面，煤柱两侧是采空区的矸石，煤柱致裂过程中一旦有一条主裂缝贯通两侧采空区，致裂孔难以保持高压力，所以无法继续发挥致裂作用，单个致裂孔的致裂面积及范围大打折扣；

传统的水压致裂法与松动爆破法的目的仅仅是弱化煤柱，微波法或冲击波方法也是一定程度一定范围内弱化煤柱，无法彻底或者大幅度解决煤柱应力集中的问题，忽略了煤柱区域产生应力集中的根本原因。煤柱两侧是采空区，煤柱与采空区上方的顶板岩层总厚度是完全一样的，只不过采空区直接顶碎胀充满了采空区，后期压实后碎胀的直接顶厚度接近原直接顶厚度，因此，由于煤柱的高度大于两侧采空区，不论煤柱是弹性状态，还是致裂后的塑性弱化状态，煤柱均会优先承担更多的上覆岩层载荷，也就是说比采空区承担的要大的多，除非消除煤柱或者消减煤柱高度，实现原煤柱区域与采空区的顶板高度接近一致，才能实现彻底解决煤柱应力集中的问题。所以，需要彻底变革减弱煤柱应力集中的方法，不能仅仅弱化煤柱，这样的效果微乎其微，需要等效消减煤柱总厚度，即，煤柱内造大型卸压空腔，并且大型卸压空腔内的煤渣需要排出煤柱区，相当于等效消减了煤柱的总高度，这是彻底减弱或消除煤柱应力集中的根本途径，也是最直接、最可控且最有效的途径。

若仅仅在下煤层巷道空间内打穿层直孔实施煤柱内造洞卸压，而直孔造洞采用的水力或者机械扩孔的范围十分有限，也就是一个穿层孔造的孔洞直径范围主要为0.5~1.5m左右，若要在全煤柱段内造连续洞，穿层直孔的间排距需要达到0.5~1.5m左右，煤柱宽度较大且两层煤间距较大时，打穿层直孔的工程量非常大，效率低，经济上不可行，且实施钻孔的巷道与煤柱区之间的岩层被密集的穿层孔覆盖，围岩自身稳定性也会显著降低，安全上不可行，所以该方法局限性很大。

若于煤柱所在的本煤层大巷实施顺层直钻孔，这样不需要实施大量的穿层孔，该方法具有一定优势，如果是长距离顺层直孔造洞，排渣难度陡增；尤其是如果煤层具有一定倾角，需要造洞卸压区域的煤柱高度低于本煤层大巷的高度，此时煤渣无法排出，煤柱内的孔洞空间无法形成；若煤柱所在煤层是近水平煤层，尽管是水平孔，煤柱内大型卸压空腔的煤渣也只能排出约一半，所以具有一定局限性；如果是上煤层及上煤层大巷均封闭，该方法也不可行，所以还需要早做规划才能实施该方法，时间上具有局限性；如果需要卸压的煤柱区域距离本煤层大巷距离较远，钻孔无法到达，则该方法具有空间上的局限性。

所以急需要提出一种变革性的煤柱内造大型卸压空腔的新方法，具有适用性强、可实施范围广、施工钻孔量少、排渣效率高且卸控效果好的突出优点。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法，具有适用性强、实施范围广、施工钻孔量少、排渣效率高且卸控效果好的优点，解决遗滞煤柱应力集中难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，包括定向除渣系统、协同造洞系统以及受控伸缩腔体定向安装系统，协同造洞系统包括定向钻孔和异层下向孔除渣通道，遗滞煤柱通过异层下向孔除渣通道与下煤层区段巷道连接，下煤层区段巷道与大巷连接；

定向除渣系统包括若干螺旋杆，若干螺旋杆通过万向双接头连接，定向除渣系统的一端设置在卸压空腔内，定向除渣系统的另一端通过异层下向孔除渣通道与下煤层区段巷道的除渣钻机连接，定向除渣系统还包括护孔结构；

受控伸缩腔体定向安装系统包括弹力推送系统，弹力推送系统设置在异层下向孔除渣通道内，弹力推送系统的一端设置在卸压空腔内，弹力推送系统的另一端设置在下煤层区段巷道处。

优选的，异层下向孔除渣通道包括异层下向定向孔除渣通道与异层下向直孔除渣通道，协同造洞系统包括第一协同造洞系统和第二协同造洞系统，第一协同造洞系统包括定向钻孔和异层下向定向孔除渣通道，第二协同造洞系统包括定向钻孔和异层下向直孔除渣通道，定向钻孔包括煤柱区域外定向孔和煤柱内平行钻孔。

优选的，万向双接头包括螺栓头，螺栓头的一端通过十字连杆与螺母孔头连接，十字连杆通过固定螺栓与螺母孔头上的十字连杆接口连接，定向除渣系统的终端螺旋杆上连接有螺旋杆钻头。

优选的，护孔结构包括护孔盘，护孔盘上设置有护孔管，护孔盘上设置有两个锚杆钻孔，护孔结构设置在异层下向孔除渣通道的入口段。

优选的，弹力推送系统包括过渡管，过渡管的一端与弹力端头伸缩管连接，过渡管的另一端与推送杆连接，过渡管内设置有侧部拉绳通道、弹力端头伸缩管通道、供给管通道，侧部拉绳通道内设置有侧部拉绳，侧部拉绳的一端穿过侧部拉绳通道后与复位弹簧连接，复位弹簧与限位销连接，侧部拉绳的另一端从推送杆的底端伸出，弹力端头伸缩管滑动设置在弹力端头伸缩管通道内，弹力端头伸缩管通道内设置有中部拉绳，中部拉绳的一端与弹力端头伸缩管连接，中部拉绳的另一端从推送杆的底端伸出，供给管通道内设置有供给管。

优选的，供给管的一端通过强力磁吸罩与单向复合阀连接，供给管的另一端从推送杆的底端伸出，弹力端头伸缩管上设置有伸缩腔体，伸缩腔体的底部设置有单向阀接口和单向复合阀接口，单向阀接口处设置有单向阀，单向复合阀接口处设置有单向复合阀，单向阀的内部设置有单向阀塞，单向复合阀的内部设置有单向阀塞，单向复合阀的底端设置有强力磁吸管，强力磁吸管的底端设置有橡胶垫。

优选的，弹力端头伸缩管的顶端设置有万向轮结构，万向轮结构包括定位架，定位架的底端与弹力端头伸缩管的顶端连接，定位架上转动设置有活动转轴，活动转轴的底端设置有夹持螺母，活动转轴的顶端设置有轮子转轴，轮子转轴上设置有轮子，轮子转轴通过定位螺母与活动转轴连接。

优选的，弹力端头伸缩管的顶端设置有膨胀封孔盘，膨胀封孔盘通过弹力互联绳与限位膨胀袋连接，膨胀封孔盘上设置有单向复合阀，膨胀封孔盘上单向复合阀的一端通过弹力通料管与限位膨胀袋连接，膨胀封孔盘上单向复合阀的另一端与供给管的一端连接，供给管的另一端从推送杆的底端伸出。

优选的，膨胀封孔盘、限位膨胀袋内均设置有导向棒通道，导向棒通道内设置有导向棒，限位膨胀袋上设置有限位袋导向头。

本发明所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统的方法，包括除渣方法和伸缩腔体安装方法，除渣方法包括第一除渣方法和第二除渣方法，第一除渣方法包括以下步骤：

步骤11：实施异层下向定向孔除渣通道：采用定向钻机在下煤层区段巷道内实施异层下向定向孔除渣通道，在异层下向定向孔除渣通道的入口段，安装护孔结构；异层下向定向孔除渣通道包括煤柱内斜交孔除渣通道和下向穿层孔除渣通道，煤柱内斜交孔除渣通道与遗滞煤柱延伸方向斜交，下向穿层孔除渣通道是下煤层区段巷道与遗滞煤柱的之间的贯通相连通道，在异层下向定向孔除渣通道内安装定向除渣系统；

步骤12：实施定向钻孔：采用实施高压水扩孔或者带有机械扩孔钻头的定向钻机，从井下巷道或者地面，向遗滞煤柱区域实施定向钻孔，煤柱内平行钻孔的轴线与遗滞煤柱延伸方向平行，煤柱内斜交孔除渣通道处于煤柱内平行钻孔的下方，且与待实施钻扩的卸压空腔贯通；

步骤13：实施定向钻扩卸压空腔：采用定向钻机的高压水或者机械扩孔钻头在遗滞煤柱内钻扩出大型卸压空腔，煤渣通过异层下向定向孔除渣通道排出或者通过定向除渣系统除渣，在遗滞煤柱内形成一系列卸压空腔；

步骤14：第一排卸压空腔实施完成后，实施第二排卸压空腔，利用首次实施的异层下向定向孔除渣通道进行钻扩卸压空腔时的除渣任务，进行步骤12、步骤13实施第二排的钻扩卸压空腔；

步骤15：后续排卸压空腔，按照步骤12、步骤13、步骤14实施；

第二除渣方法包括以下步骤：

步骤21：实施异层下向直孔除渣通道：采用钻机在下煤层区段巷道内实施异层下向直孔除渣通道直达遗滞煤柱内，在异层下向直孔除渣通道的入口段，安装护孔结构；在异层下向直孔除渣通道内安装定向除渣系统；

步骤22：实施定向钻孔：采用实施高压水扩孔或者带有机械扩孔钻头的定向钻机，从井下巷道或者在地面向遗滞煤柱区域实施定向钻孔，异层下向直孔除渣通道终点处于煤柱内平行钻孔的下方，与待钻扩的卸压空腔贯通；

步骤23：实施定向钻扩卸压空腔：采用定向钻机的高压水或者机械扩孔钻头在遗滞煤柱内依次扩孔，煤渣通过异层下向直孔除渣通道排出或者通过定向除渣系统除渣，在遗滞煤柱内形成一系列卸压空腔；

步骤24：第一排钻扩卸压空腔实施完成后，按照上述步骤21、步骤22、步骤23的方法依次实施后续排钻扩卸压空腔；

伸缩腔体安装方法包括第一安装方法和第二安装方法，第一安装方法针对第一除渣方法，第一安装方法包括以下步骤：

步骤31：第一排的卸压空腔实施完成后，伸缩腔体安装到弹力端头伸缩管上，万向轮结构外露；弹力推送系统将伸缩腔体从异层下向定向孔除渣通道推送到卸压空腔内，直至到达卸压空腔内的设计深度；

步骤32：弹力推送系统保持不动，通过侧部拉绳缩回弹力过渡管内的限位销；

步骤33：通过中部拉绳拉回弹力端头伸缩管，伸缩腔体则留在卸压空腔内；

步骤34：通过供给管向伸缩腔体内注入流动支撑料，使得伸缩腔体的体积及内腔压力达到设计值，通过单向阀实现卸压空腔变形过程中的压力受控；

步骤35：撤回弹力推送系统；

步骤36：按照第一除渣方法实施第二排卸压空腔后，通过弹力推送系统把导向棒安装到弹力端头伸缩杆上，限位膨胀袋与膨胀封孔盘安装到导向棒上，通过弹力推送系统把限位膨胀袋与膨胀封孔盘推送到第二排卸压空腔内；然后通过供给管给限位膨胀袋与膨胀封孔盘供流动料并到设计压力值，借助弹力推送系统把限位膨胀袋与膨胀封孔盘安装到与第二排卸压空腔贯通的煤柱内斜交孔除渣通道内，实现膨胀封孔盘封堵煤柱内斜交孔除渣通道与第二排卸压空腔的交汇处，撤出弹力推送系统；

步骤37：按照步骤31、步骤32、步骤33、步骤34、步骤35的方法安装受控伸缩腔体到第二排卸压空腔内；

步骤38：后续排的卸压空腔安装伸缩腔体的方法按照步骤36与步骤37执行；

第二安装方法针对第二除渣方法，第二安装方法包括以下步骤：

步骤41：伸缩腔体安装到弹力端头伸缩管上，万向轮结构外露；弹力推送系统将伸缩腔体从异层下向直孔除渣通道推送到卸压空腔内，直至到达卸压空腔内的设计深度；

步骤42：弹力推送系统保持不动，通过侧部拉绳缩回弹力过渡管内的限位销；

步骤43：通过中部拉绳缩回弹力端头伸缩管，伸缩腔体则留在卸压空腔内；

步骤44：通过供给管向伸缩腔体内注入流动支撑料，使得伸缩腔体的体积及内腔压力达到设计值，通过单向阀实现卸压空腔在压力受控条件下变形卸压；

步骤45：撤回弹力推送系统；

步骤46：后续卸压空腔安装伸缩腔体时，按照步骤41、步骤42、步骤43、步骤44、步骤45方法执行。

因此，本发明采用上述遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法，具有以下有益效果：

（1）本发明解决了传统水压致裂、爆破致裂及冲击波等方法使用条件非常受限且仅仅单一弱化煤柱而导致卸压效果不理想的难题；

（2）本发明解决了传统的同一个钻孔既要钻扩卸压空腔又要排渣而导致排渣效率低下或者无法排渣的难题；

（3）本发明解决了顺层下向钻扩孔而导致煤渣无法排出的难题；

（4）本发明的异层下向孔除渣通道，能够实现在煤柱宽度范围内对煤柱内卸压空腔全覆盖贯通连接，不论卸压空腔在煤柱的哪个位置，均可通过煤柱内孔除渣通道进行连通排渣，排渣钻孔的利用效率高；

（5）本发明施工的排渣钻孔是异层下向钻孔，异层下向孔除渣通道的间距相对于传统的一个孔造洞兼排渣的单一穿层直孔的间距成数十倍数乃至百倍的增大，钻孔的工程量大幅度降低，异层下向孔除渣通道之间无相互影响，对围岩稳定性无影响，经济效益极其显著且安全性显著增强；

（6）本发明适用性强，遇到煤层倾角变化幅度大或者遇到断层时均可实施；

（7）本发明实施空间和位置不受限制，尤其是定向钻孔钻机的实施位置可在地面，也可在井下巷道内，灵活多变；

（8）本发明钻扩卸压空腔之间的间距可以为零，能够实现对遗滞煤柱集中应力的根本性卸压；

（9）本发明除渣速度快、成洞效率高，钻扩孔与异层孔排渣协同成洞，实现了适应性、效率、速度、质量及卸控效果的飞跃。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例的第一协同造洞系统两排卸压空腔、定向钻孔与异层下向定向孔除渣通道布置的立体图；

图2为本发明实施例的第一协同造洞系统两排卸压空腔、定向钻孔与异层下向定向孔除渣通道布置的左视图；

图3为本发明实施例的第一协同造洞系统连通型卸压空腔布置的立体图；

图4为本发明实施例的第一协同造洞系统连通型卸压空腔布置的剖面图；

图5为本发明实施例的第一协同造洞系统连通型卸压空腔布置的左视图；

图6为本发明实施例的万向连接头结构示意图；

图7为本发明实施例的十字连杆结构示意图；

图8为本发明实施例的螺旋杆结构示意图；

图9为本发明实施例的定向除渣系统工作示意图；

图10为本发明实施例的护孔结构示意图；

图11为本发明实施例的第二协同造洞系统异层下向直孔除渣通道与卸压空腔布置立体图；

图12为本发明实施例的第二协同造洞系统异层下向直孔除渣通道与卸压空腔布置左视图；

图13为本发明实施例的第二协同造洞系统异层下向直孔除渣通道与连通型卸压空腔布置立体图；

图14为本发明实施例的第二协同造洞系统异层下向直孔除渣通道与连通型卸压空腔布置剖面图；

图15为本发明实施例的第二协同造洞系统异层下向直孔除渣通道与连通型卸压空腔布置左视图；

图16为本发明实施例的伸缩腔体与弹力推送系统安装示意图；

图17为本发明实施例的弹力端头伸缩管缩回到过渡管内示意图；

图18为本发明实施例的限位销结构示意图；

图19为本发明实施例的伸缩腔体结构示意图；

图20为本发明实施例的伸缩腔体膨胀后示意图；

图21为本发明实施例的万向轮结构示意图；

图22为本发明实施例的单向阀剖面图；

图23为本发明实施例的单向复合阀剖面图；

图24为本发明实施例的导向棒结构示意图；

图25为本发明实施例的限位膨胀袋与封孔盘结构示意图；

图26为本发明实施例的弹力推送系统推送伸缩腔体到卸压空腔的设计位置示意图；

图27为本发明实施例的伸缩腔体脱离弹力端头推送杆置于卸压空腔内示意图；

图28为本发明实施例的伸缩腔体的体积和压力膨胀到设计状态的示意图；

图29为本发明实施例的限位膨胀袋与封孔盘安装过程示意图；

图30为本发明实施例的限位膨胀袋与膨胀封孔盘安装完毕示意图；

图31为本发明实施例的第二排卸压空腔伸缩腔体安装过程示意图。

附图标记

1、遗滞煤柱；2、下煤层区段巷道；3、异层下向定向孔除渣通道；4、下向穿层孔除渣通道；5、煤柱内斜交孔除渣通道；6、异层下向直孔除渣通道；7、定向钻孔；8、定向钻机；9、卸压空腔；10、万向双接头；11、螺母孔头；12、螺栓头；13、十字连杆；14、螺旋杆；15、螺旋杆钻头；16、护孔盘；17、护孔管；18、大巷；19、推送杆；20、过渡管；21、供给管通道；22、弹力端头伸缩管通道；23、中部拉绳；24、侧部拉绳通道；25、侧部拉绳；26、限位销；27、复位弹簧；28、强力磁吸罩；29、供给管；30、弹力端头伸缩管；31、轮子；32、活动转轴；33、夹持螺母；34、定位架；35、轮子转轴；36、除渣钻机；37、伸缩腔体；38、单向阀；39、单向阀塞；40、单向复合阀；41、橡胶垫；42、强力磁吸管；43、导向棒；44、限位膨胀袋；45、限位袋导向头；46、导向棒通道；47、弹力通料管；48、弹力互联绳；49、膨胀封孔盘；50、单向阀接口；51、单向复合阀接口。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1

本发明所述的一种遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，包括用于遗滞煤柱1内卸压空腔9除渣的定向除渣系统、协同造洞系统以及受控伸缩腔体37定向安装系统。

定向钻机8实施钻扩孔优势明显，不受空间及位置的限制，但是排渣十分受限，尤其是钻扩长距离、煤层倾角变化大的大卸压空腔9时，大量的煤渣难以高效排出，这样卸压空腔9空间无法形成，而异层下向孔除排渣十分方便快捷，所以充分利用异层下向孔的巨大除渣优势及定向钻机8实施钻扩孔的巨大区位优势，组成高效便捷且适用性强的协同造洞系统。协同造洞系统包括定向钻孔7和异层下向孔除渣通道，遗滞煤柱1通过异层下向孔除渣通道与下煤层区段巷道2连接，下煤层区段巷道2与大巷18连接。异层下向孔除渣通道包括异层下向定向孔除渣通道3与异层下向直孔除渣通道6。协同造洞系统包括第一协同造洞系统和第二协同造洞系统。如图1-图5所示，第一协同造洞系统包括定向钻孔7和异层下向定向孔除渣通道3。如图11-图15所示，第二协同造洞系统包括定向钻孔7和异层下向直孔除渣通道6。定向钻孔7包括煤柱区域外定向孔和煤柱内平行钻孔，定向钻孔7的实施地点依次通过煤柱区域外定向孔、煤柱内平行钻孔与遗滞煤柱1内部连接。

如图6-图9所示，定向除渣系统包括若干螺旋杆14，若干螺旋杆14通过万向双接头10连接。定向除渣系统的一端设置在卸压空腔9内，定向除渣系统的另一端通过异层下向孔除渣通道与下煤层区段巷道2的除渣钻机36连接。万向双接头10包括螺栓头12，螺栓头12的一端通过十字连杆13与螺母孔头11连接。十字连杆13通过固定螺栓与螺母孔头11上的十字连杆13接口连接，定向除渣系统的终端螺旋杆14上连接有螺旋杆钻头15。为了防止存在较大块煤导致堵孔问题出现，终端螺旋杆14需要连接螺旋杆钻头15，最终组成可以适应除渣孔轴线曲率变化的连续除渣系统，实现高效除渣。

如图10所示，定向除渣系统还包括设置在除渣孔口的护孔结构。护孔结构包括护孔盘16，护孔盘16上设置有护孔管17，护孔盘16上设置有两个锚杆钻孔，护孔结构设置在异层下向孔除渣通道的入口段。护孔结构通过锚杆紧实固定到围岩，防止孔口破坏严重而影响围岩稳定及影响除渣系统高效工作。护孔管17与护孔盘16的夹角中的锐角等于除渣孔与围岩表面夹角中的锐角，护孔盘16的直径宜为20cm~40cm。

如图16-图23所示，受控伸缩腔体37定向安装系统包括弹力推送系统，弹力推送系统的一端设置在卸压空腔9内，弹力推送系统的另一端穿过异层下向孔除渣通道设置在下煤层区段巷道2处。弹力推送系统包括过渡管20，过渡管20的一端与弹力端头伸缩管30连接，过渡管20的另一端与推送杆19连接。过渡管20内设置有侧部拉绳通道24、弹力端头伸缩管通道22、供给管通道21。侧部拉绳通道24内设置有侧部拉绳25，侧部拉绳25的一端穿过侧部拉绳通道24后与复位弹簧27连接，复位弹簧27与限位销26连接，侧部拉绳25的另一端从推送杆19的底端伸出。弹力端头伸缩管30滑动设置在弹力端头伸缩管通道22内。弹力端头伸缩管通道22内设置有中部拉绳23，中部拉绳23的一端与弹力端头伸缩管30连接，中部拉绳23的另一端从推送杆19的底端伸出。供给管通道21内设置有供给管29。

供给管29的一端通过强力磁吸罩28与单向复合阀40连接，供给管29的另一端从推送杆19的底端伸出。弹力端头伸缩管30上设置有伸缩腔体37，伸缩腔体37的底部设置有单向阀接口50和单向复合阀接口51，单向阀接口50处设置有单向阀38，单向复合阀51接口处设置有单向复合阀40。单向阀38的内部设置有单向阀塞39，单向复合阀40的内部设置有单向阀塞39。单向复合阀40的底端设置有强力磁吸管42，强力磁吸管42的底端设置有橡胶垫41。弹力端头伸缩管30的顶端设置有万向轮结构，万向轮结构包括定位架34，定位架34的底端与弹力端头伸缩管30的顶端连接。定位架34上转动设置有活动转轴32，活动转轴32的底端设置有夹持螺母33。活动转轴32的顶端设置有轮子转轴35，轮子转轴35上设置有轮子31，轮子转轴35通过定位螺母与活动转轴32连接。伸缩腔体37可实现纵向和横向伸缩，伸缩腔体37底部设置的单向阀接口50与复合单向阀接口51，通过分别连接可承担一定阻力的单向阀38与单向复合阀40，实现伸缩腔体37的受控变形，让卸压空腔9在设计要求的受控阻力范围内变形卸压。通过供料管的强力磁吸罩28与复合单向阀38上的强力磁吸管42磁吸连接，供料压力达到设计压力后，在缩回供料管的拉力作用下实现磁吸罩与强力磁吸管42的脱离。

万向轮结构能够实现弹力推送系统在推送过程中适应异层下向定向孔除渣通道3的曲率变化，以及适应异层下向孔除渣通道与钻扩卸压空腔9不同轴线时的顺利安装到位。

如图24、图25所示，弹力端头伸缩管30的顶端设置有膨胀封孔盘49，膨胀封孔盘49通过弹力互联绳48与限位膨胀袋44连接。膨胀封孔盘49上设置有单向复合阀40，膨胀封孔盘49上单向复合阀40的一端通过弹力通料管47与限位膨胀袋44连接，膨胀封孔盘49上的另一端与供给管29的一端连接。供给管29的另一端从推送杆19的底端伸出。膨胀封孔盘49、限位膨胀袋44内均设置有导向棒通道46，导向棒通道46内设置有导向棒43。限位膨胀袋44上设置有限位袋导向头45。膨胀封孔盘49与限位膨胀袋44是通过两根或者三根弹力互联绳48连接的，弹力互联绳48位置均匀分布。膨胀封孔盘49与限位膨胀袋44通过弹力通料管47及复合单向阀38与供给管29连接后供料，进而实现体积增大。这样限位膨胀袋44通过体积增大紧实定位在煤柱内斜交孔除渣通道5内，并通过弹力互联绳48把膨胀封孔盘49紧贴在煤柱内斜交孔除渣通道5与卸压空腔9的交汇处，不影响万向轮结构顺利转弯。膨胀封孔盘49上的单向复合阀40与伸缩腔体37底部的单向复合阀40结构相同。

卸压空腔9优选参数：

异层下向定向孔除渣通道3或者异层下向直孔除渣通道6的间距均设为n，若煤层倾角变化较大，则n取值宜为5~10m，若煤层倾角较稳定，n取值宜为10~60m。两个卸压空腔9间距的长度为x，x取值宜为0~5m。每个卸压空腔9的长度为y，若煤层倾角变化较大，则y取值宜为5~10m；若煤层倾角稳定，y不受限制；每个钻扩卸压空腔9匹配不少于一个异层下向孔除渣通道。卸压空腔9距离煤柱边缘的距离为t，t取值宜为0~5m；每排卸压空腔9的间距为s，s取值宜为0~5m；s、x、t的取值越小，煤柱卸压程度越大，煤柱完全彻底卸压时，需要满足s=0m、x=0m且t=0m，即，相当于整体消减了遗滞煤柱1高度。

实施例1具体实施条件：两层煤间距h=25m，近水平煤层，下煤层厚度平均5.5m、上煤层厚度平均7m，下煤层工作面长度180m，遗滞区段煤柱宽度10m，煤柱边缘距离靠近区段巷道的水平距离为L=25m，对120m长度范围内的遗滞煤柱1进行钻扩卸压空腔9卸压。设计钻扩卸压空腔9的直径为1.2m，钻扩卸压空腔9的间距为2m，钻扩卸压空腔9的排距为s=2m，卸压空腔9距离煤柱边缘距离为t=2.5m，钻扩卸压空腔9的长度y=10m，异层定向孔除渣通道的间距n=10m。卸压空腔9较稳定。

本发明所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统的方法，包括除渣方法和伸缩腔体37安装方法，除渣方法包括第一除渣方法，第一除渣方法是针对第一协同造洞系统的。特征是异层下向定向孔除渣通道3的钻孔轴线是曲线，是为了单个孔能够斜交深入到整个煤柱宽度范围，即同一范围内多排卸压空腔9是由单个异层下向定向孔除渣通道3斜交深入贯通的，所以单个异层定向孔除渣通道可为多排定向钻孔7在钻扩卸压空腔9时除渣服务。

第一除渣方法包括以下步骤：

步骤11：实施异层下向定向孔除渣通道3：采用定向钻机8在下煤层区段巷道2内实施异层下向定向孔除渣通道3，在异层下向定向孔除渣通道3的入口段，安装护孔结构；异层下向定向孔除渣通道3包括煤柱内斜交孔除渣通道5和下向穿层孔除渣通道4，煤柱内斜交孔除渣通道5与遗滞煤柱1延伸方向斜交，下向穿层孔除渣通道4是下煤层区段巷道2与遗滞煤柱1的之间的贯通相连通道，在异层下向定向孔除渣通道3内安装定向除渣系统；

步骤12：实施定向钻孔7：采用实施高压水扩孔或者带有机械扩孔钻头的定向钻机8，从井下巷道或者地面，向遗滞煤柱1区域实施定向钻孔7，煤柱内平行钻孔的轴线与遗滞煤柱1延伸方向平行，煤柱内斜交孔除渣通道5处于煤柱内平行钻孔的下方，且与待实施钻扩的卸压空腔9贯通，以便于通过异层下向定向孔除渣通道3除渣；

步骤13，实施定向钻扩卸压空腔9：采用定向钻机8的高压水或者机械扩孔钻头在遗滞煤柱1内钻扩出大型卸压空腔9，煤渣通过异层下向定向孔除渣通道3直接排出或者通过定向除渣系统快速除渣，最终在遗滞煤柱1内形成一系列卸压空腔9，实现有效对遗滞煤柱1卸压的目的；

步骤14，第一排卸压空腔9实施完成后，实施第二排卸压空腔9，此时需要利用首次实施的异层下向定向孔除渣通道3进行钻扩卸压空腔9时的除渣任务，所以不需要步骤11，直接进行步骤12、步骤13实施第二排的钻扩卸压空腔9即可；

步骤15，后续排卸压空腔9，按照步骤12、步骤13、步骤14实施。

伸缩腔体37安装方法包括第一安装方法，第一安装方法针对第一除渣方法。由于第一协同造洞系统是同一范围内多排卸压空腔9由单个异层下向定向孔除渣通道3斜交深入贯通的，所以单个异层定向孔除渣通道是为多排定向钻孔7在钻扩多排卸压空腔9时除渣服务，所以上一排卸压空腔9的伸缩腔体37安装完之后才能进行下一排卸压空腔9的协同造洞系统的实施，为了防止伸缩腔体37通过煤柱内斜交孔除渣通道5继续进入第一排卸压空腔9内，需要采用膨胀封孔盘49与限位膨胀袋44进行封闭隔离，然后才能顺利安装伸缩腔体37。

如图26-图31所示，第一安装方法包括以下步骤：

步骤31，第一排的卸压空腔9实施完成后，伸缩腔体37安装到弹力端头伸缩管30上，万向轮结构外露；弹力推送系统将伸缩腔体37从异层下向定向孔除渣通道3推送到卸压空腔9内，直至到达卸压空腔9内的设计深度；

步骤32：弹力推送系统保持不动，通过侧部拉绳25缩回弹力过渡管20内的限位销26；

步骤33：通过中部拉绳23拉回弹力端头伸缩管30，伸缩腔体37则留在卸压空腔9内；

步骤34：通过供给管29向伸缩腔体37内注入流动支撑料，使得伸缩腔体37的体积及内腔压力达到设计值，通过单向阀38实现卸压空腔9变形过程中的压力受控；

步骤35：撤回弹力推送系统；

步骤36：按照第一除渣方法实施第二排卸压空腔9后，通过弹力推送系统把导向棒43安装到弹力端头伸缩杆上，限位膨胀袋44与膨胀封孔盘49安装到导向棒43上，通过弹力推送系统把限位膨胀袋44与膨胀封孔盘49推送到第二排卸压空腔9内；然后通过供给管29给限位膨胀袋44与膨胀封孔盘49供流动料并到设计压力值，借助弹力推送系统把限位膨胀袋44与膨胀封孔盘49安装到与第二排卸压空腔9贯通的煤柱内斜交孔除渣通道5内，实现膨胀封孔盘49封堵煤柱内斜交孔除渣通道5与第二排卸压空腔9的交汇处，撤出弹力推送系统，这样可实现万向轮结构顺利转弯；

步骤37：按照步骤31、步骤32、步骤33、步骤34、步骤35的方法安装受控伸缩腔体37到第二排卸压空腔9内；

步骤38：后续排的卸压空腔9安装伸缩腔体37的方法按照步骤36与步骤37执行。

实施例2

与实施例1的具体实施条件相同，除渣方法还包括第二除渣方法，异层下向直孔除渣通道6的钻孔轴线是直线，所以钻孔贯通的煤柱范围小，特征是单个异层下向直孔除渣通道6只能为钻扩单个卸压空腔9时除渣服务。

第二除渣方法包括以下步骤：

步骤21，实施异层下向直孔除渣通道6：采用钻机在下煤层区段巷道2内实施异层下向直孔除渣通道6直达遗滞煤柱1内，在异层下向直孔除渣通道6的入口段，安装护孔结构；在异层下向直孔除渣通道6内安装定向除渣系统；

步骤22，实施定向钻孔7：采用实施高压水扩孔或者带有机械扩孔钻头的定向钻机8，从井下巷道或者在地面，向遗滞煤柱1区域实施定向钻孔7，异层下向直孔除渣通道6终点处于煤柱内平行钻孔的下方，与待钻扩的卸压空腔9贯通，以便于通过异层下向直孔除渣通道6除渣；

步骤23，实施定向钻扩卸压空腔9：采用定向钻机8的高压水或者机械扩孔钻头在遗滞煤柱1内依次扩孔，煤渣通过异层下向直孔除渣通道6直接排出或者通过定向除渣系统快速除渣，最终在遗滞煤柱1内形成一系列卸压空腔9，实现有效降低遗滞煤柱1集中应力的目的；

步骤24：第一排钻扩卸压空腔9实施完成后，按照上述步骤21、步骤22、步骤23的方法依次实施后续排钻扩卸压空腔9。

伸缩腔体37安装方法还包括第二安装方法，第二安装方法针对第二除渣方法，由于第二协同造洞系统所成的每排卸压空腔9均匹配至少一个可独立服务的异层下向直孔除渣通道6，所以通过各个异层下向直孔除渣通道6可向卸压空腔9直接安装伸缩腔体37。卸压空腔9较不稳定时，每个钻扩卸压空腔9实施完之后即进行伸缩腔体37定向安装；卸压空腔9较稳定时，多个钻扩卸压空腔9实施完之后可集中进行伸缩腔体37定向安装。

第二安装方法包括以下步骤：

步骤41：伸缩腔体37安装到弹力端头伸缩管30上，万向轮结构外露；弹力弹力推送系统将伸缩腔体37从异层下向直孔除渣通道6推送到卸压空腔9内，直至到达卸压空腔9内的设计深度；

步骤42：弹力推送系统保持不动，通过侧部拉绳25缩回弹力过渡管20内的限位销26；

步骤43：通过中部拉绳23缩回弹力端头伸缩管30，伸缩腔体37则留在卸压空腔9内；

步骤44：通过供给管29向伸缩腔体37内注入流动支撑料，使得伸缩腔体37的体积及内腔压力达到设计值，通过单向阀38实现卸压空腔9在压力受控条件下变形卸压；

步骤45：撤回弹力推送系统；

步骤46：后续卸压空腔9安装伸缩腔体37时，按照步骤41、步骤42、步骤43、步骤44、步骤45方法执行。

本发明在全国各大矿区均具有十分广泛且的需求及重要推广应用价值。

因此，本发明采用上述遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法，定向钻扩卸压空腔与异层下向孔除渣协同进行，成空腔效率高、速度快、适应性强，且能实现对遗滞煤柱集中应力的高效卸控，具有十分广泛且重要的推广应用价值。

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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：包括定向除渣系统、协同造洞系统以及受控伸缩腔体定向安装系统，协同造洞系统包括定向钻孔和异层下向孔除渣通道，遗滞煤柱通过异层下向孔除渣通道与下煤层区段巷道连接；

定向除渣系统包括若干螺旋杆，若干螺旋杆通过万向双接头连接，定向除渣系统的一端设置在卸压空腔内，定向除渣系统的另一端通过异层下向孔除渣通道与下煤层区段巷道的除渣钻机连接，定向除渣系统还包括护孔结构；

受控伸缩腔体定向安装系统包括弹力推送系统，弹力推送系统设置在异层下向孔除渣通道内，弹力推送系统的一端设置在卸压空腔内，弹力推送系统的另一端设置在下煤层区段巷道处。

2.根据权利要求1所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：异层下向孔除渣通道包括异层下向定向孔除渣通道与异层下向直孔除渣通道，协同造洞系统包括第一协同造洞系统和第二协同造洞系统，第一协同造洞系统包括定向钻孔和异层下向定向孔除渣通道，第二协同造洞系统包括定向钻孔和异层下向直孔除渣通道，定向钻孔包括煤柱区域外定向孔和煤柱内平行钻孔。

3.根据权利要求1所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：弹力推送系统包括过渡管，过渡管的一端与弹力端头伸缩管连接，过渡管的另一端与推送杆连接，过渡管内设置有侧部拉绳通道、弹力端头伸缩管通道、供给管通道，侧部拉绳通道内设置有侧部拉绳，侧部拉绳的一端穿过侧部拉绳通道后与复位弹簧连接，复位弹簧与限位销连接，侧部拉绳的另一端从推送杆的底端伸出，弹力端头伸缩管滑动设置在弹力端头伸缩管通道内，弹力端头伸缩管通道内设置有中部拉绳，中部拉绳的一端与弹力端头伸缩管连接，中部拉绳的另一端从推送杆的底端伸出，供给管通道内设置有供给管。

4.根据权利要求3所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：供给管的一端通过强力磁吸罩与单向复合阀连接，供给管的另一端从推送杆的底端伸出，弹力端头伸缩管上设置有伸缩腔体，伸缩腔体的底部设置有单向阀接口和单向复合阀接口，单向阀接口处设置有单向阀，单向复合阀接口处设置有单向复合阀，单向阀的内部设置有单向阀塞，单向复合阀接口处的单向复合阀的内部设置有单向阀塞，单向复合阀接口处的单向复合阀的底端设置有强力磁吸管，强力磁吸管的底端设置有橡胶垫。

5.根据权利要求4所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：弹力端头伸缩管的顶端设置有万向轮结构，万向轮结构包括定位架，定位架的底端与弹力端头伸缩管的顶端连接，定位架上转动设置有活动转轴，活动转轴的底端设置有夹持螺母，活动转轴的顶端设置有轮子转轴，轮子转轴上设置有轮子，轮子转轴通过定位螺母与活动转轴连接。

6.根据权利要求5所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：弹力端头伸缩管的顶端设置有膨胀封孔盘，膨胀封孔盘通过弹力互联绳与限位膨胀袋连接，膨胀封孔盘上设置有单向复合阀，膨胀封孔盘上单向复合阀的一端通过弹力通料管与限位膨胀袋连接，膨胀封孔盘上单向复合阀的另一端与供给管的一端连接，供给管的另一端从推送杆的底端伸出。

7.根据权利要求6所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统，其特征在于：膨胀封孔盘、限位膨胀袋内均设置有导向棒通道，导向棒通道内设置有导向棒，限位膨胀袋上设置有限位袋导向头。

8.根据权利要求1-7任一项所述的遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统的方法，其特征在于：包括除渣方法和伸缩腔体安装方法，除渣方法包括第一除渣方法和第二除渣方法，第一除渣方法包括以下步骤：

步骤11：实施异层下向定向孔除渣通道：采用定向钻机在下煤层区段巷道内实施异层下向定向孔除渣通道，在异层下向定向孔除渣通道的入口段，安装护孔结构；异层下向定向孔除渣通道包括煤柱内斜交孔除渣通道和下向穿层孔除渣通道，煤柱内斜交孔除渣通道与遗滞煤柱延伸方向斜交，下向穿层孔除渣通道是下煤层区段巷道与遗滞煤柱的之间的贯通相连通道，在异层下向定向孔除渣通道内安装定向除渣系统；

步骤12：实施定向钻孔：采用实施水扩孔或者带有机械扩孔钻头的定向钻机，从井下巷道或者地面，向遗滞煤柱区域实施定向钻孔，煤柱内平行钻孔的轴线与遗滞煤柱延伸方向平行，煤柱内斜交孔除渣通道处于煤柱内平行钻孔的下方，且与待实施钻扩的卸压空腔贯通；

步骤13：实施定向钻扩卸压空腔：采用定向钻机的水或者机械扩孔钻头在遗滞煤柱内钻扩出大型卸压空腔，煤渣通过异层下向定向孔除渣通道排出或者通过定向除渣系统除渣，在遗滞煤柱内形成一系列卸压空腔；

步骤14：第一排卸压空腔实施完成后，实施第二排卸压空腔，利用首次实施的异层下向定向孔除渣通道进行钻扩卸压空腔时的除渣任务，进行步骤12、步骤13实施第二排的钻扩卸压空腔；

步骤15：后续排卸压空腔，按照步骤12、步骤13、步骤14实施；

第二除渣方法包括以下步骤：

步骤21：实施异层下向直孔除渣通道：采用钻机在下煤层区段巷道内实施异层下向直孔除渣通道直达遗滞煤柱内，在异层下向直孔除渣通道的入口段，安装护孔结构；在异层下向直孔除渣通道内安装定向除渣系统；

步骤22：实施定向钻孔：采用实施水扩孔或者带有机械扩孔钻头的定向钻机，从井下巷道或者在地面向遗滞煤柱区域实施定向钻孔，异层下向直孔除渣通道终点处于煤柱内平行钻孔的下方，与待钻扩的卸压空腔贯通；

步骤23：实施定向钻扩卸压空腔：采用定向钻机的水或者机械扩孔钻头在遗滞煤柱内依次扩孔，煤渣通过异层下向直孔除渣通道排出或者通过定向除渣系统除渣，在遗滞煤柱内形成一系列卸压空腔；

步骤24：第一排钻扩卸压空腔实施完成后，按照上述步骤21、步骤22、步骤23的方法依次实施后续排钻扩卸压空腔；

伸缩腔体安装方法包括第一安装方法和第二安装方法，第一安装方法针对第一除渣方法，第一安装方法包括以下步骤：

步骤31：第一排的卸压空腔实施完成后，伸缩腔体安装到弹力端头伸缩管上，万向轮结构外露；弹力推送系统将伸缩腔体从异层下向定向孔除渣通道推送到卸压空腔内，直至到达卸压空腔内的设计深度；

步骤32：弹力推送系统保持不动，通过侧部拉绳缩回弹力过渡管内的限位销；

步骤33：通过中部拉绳拉回弹力端头伸缩管，伸缩腔体则留在卸压空腔内；

步骤34：通过供给管向伸缩腔体内注入流动支撑料，使得伸缩腔体的体积及内腔压力达到设计值，通过单向阀实现卸压空腔变形过程中的压力受控；

步骤35：撤回弹力推送系统；

步骤36：按照第一除渣方法实施第二排卸压空腔后，通过弹力推送系统把导向棒安装到弹力端头伸缩杆上，限位膨胀袋与膨胀封孔盘安装到导向棒上，通过弹力推送系统把限位膨胀袋与膨胀封孔盘推送到第二排卸压空腔内；然后通过供给管给限位膨胀袋与膨胀封孔盘供流动料并到设计压力值，借助弹力推送系统把限位膨胀袋与膨胀封孔盘安装到与第二排卸压空腔贯通的煤柱内斜交孔除渣通道内，实现膨胀封孔盘封堵煤柱内斜交孔除渣通道与第二排卸压空腔的交汇处，撤出弹力推送系统；

步骤37：按照步骤31、步骤32、步骤33、步骤34、步骤35的方法安装受控伸缩腔体到第二排卸压空腔内；

步骤38：后续排的卸压空腔安装伸缩腔体的方法按照步骤36与步骤37执行；

第二安装方法针对第二除渣方法，第二安装方法包括以下步骤：

步骤41：伸缩腔体安装到弹力端头伸缩管上，万向轮结构外露；弹力推送系统将伸缩腔体从异层下向直孔除渣通道推送到卸压空腔内，直至到达卸压空腔内的设计深度；

步骤42：弹力推送系统保持不动，通过侧部拉绳缩回弹力过渡管内的限位销；

步骤43：通过中部拉绳缩回弹力端头伸缩管，伸缩腔体则留在卸压空腔内；

步骤44：通过供给管向伸缩腔体内注入流动支撑料，使得伸缩腔体的体积及内腔压力达到设计值，通过单向阀实现卸压空腔在压力受控条件下变形卸压；

步骤45：撤回弹力推送系统；

步骤46：后续卸压空腔安装伸缩腔体时，按照步骤41、步骤42、步骤43、步骤44、步骤45方法执行。