碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统及方法 |
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| 申请号 | CN201610465429.7 | 申请日 | 2016-06-23 | 公开(公告)号 | CN105971517A | 公开(公告)日 | 2016-09-28 |
| 申请人 | 中煤科工集团西安研究院有限公司; | 发明人 | 李泉新; 方俊; 李国富; 刘建林; 殷新胜; 刘飞; 许超; 冀前辉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种碎软 煤 层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统及方法。本发明利用孔口 泡沫 灌注系统向钻孔提供连续泡沫流驱动孔底刻槽空气螺杆 马 达快速钻进，降低对碎软 煤层 孔壁的冲刷；使用三棱螺旋 钻杆 加强 排渣 ；利用孔口消泡抽采系统消除泡沫、清除岩屑并进行瓦斯抽采，保障施工安全；结合双驱动复合定向钻进技术进行钻孔轨迹调控，确保钻孔沿设计轨迹延伸并贯穿 覆盖 未开采工作面和待掘巷道；整体上提高了普氏硬度系数0.5≤f≤0.8的碎软煤层的成孔深度、成孔 精度 、成孔效率和成孔率，成孔用于碎软煤层区域递进式瓦斯预抽采，减少了碎软煤层工作面和煤巷掘进瓦斯抽采达标周期。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统，其特征在于，包括:孔内定向钻具串、孔口泡沫灌注系统、孔口消泡抽采系统;其中: 所述的孔内定向钻串具包括依次连接的防突定向钻头(7)、刻槽空气螺杆马达(8)、无磁变丝接手(9)、通缆无磁绝缘短节(10)、刻槽无磁仪器外管(11)、三棱刻槽钻杆(13)、旋转送风器(14);其中所述防突定向钻头(7)内部设置有仅可正向通过气、水和固体颗粒的单向逆止机构;刻槽空气螺杆马达(8)由稳定泡沫流或空气流驱动，其定子材料为无磁钢，定子外部铣洗有3_深的连续螺旋排渣槽，启动压力彡0.6Mpa，工作流量彡10m3/min，长度彡4m;刻槽无磁仪器外管(11)采用中空结构，外部铣洗有3mm深的连续螺旋排渣槽； 所述的孔口泡沫灌注系统包括:依次连接的矿用空压机(18)、起泡装置(15)、矿用液压栗(16)和泡沫液罐(17)，所述起泡装置(15)与旋转送风器(14)连接； 所述的孔口消泡抽采系统包括:依次连接的孔口封孔管(I9)、孔口导流装置(20)、除尘消泡装置(21)、截止阀(23)、瓦斯抽采管路(24);其中，所述除尘消泡装置(21)与矿用空压机(18)和消泡液罐(2 2)连接。 |
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| 说明书全文 | 碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统及方法技术领域背景技术[0002]瓦斯是煤矿安全高效开采中的重要事故隐患，为确保后期采煤安全，必须提前对煤层瓦斯进行预抽采，瓦斯抽采效率严重影响煤层开采效率。 [0003]煤层瓦斯预抽采包括两个重要方面:一是超前掩护煤巷掘进的瓦斯抽采问题，确保煤巷掘进安全;二是待采工作面内瓦斯超前抽采问题，确保工作面煤层回采安全。目前中硬煤层瓦斯抽采技术已经实现递进式瓦斯抽采，即利用定向孔在巷道掘进和工作面圈闭前，超前抽采待采工作面和待掘巷道影响区内煤层瓦斯，瓦斯预抽周期仅需半年〜I年左右，实现掘、采、抽交替进行。 [0004]由于碎软煤层钻进过程中易出现喷孔、塌孔、卡钻等孔内异常现象，钻进困难，适用于中硬煤层的定向钻进技术与装备不适用于碎软煤层施工，而碎软煤层现有施工方法和装备完成的钻孔深度较浅，平均钻孔深度<150m，远小于待采工作面和待掘巷道影响区宽度，不能满足递进式抽采需要。因此目前采用的办法是:针对待掘巷道瓦斯抽采问题，一般采用待掘煤巷底板下部的底抽巷结合常规穿层钻孔进行瓦斯预预抽，但是其施工钻孔数量多，工程量大，覆盖面积小，生产成本高;针对待采工作面瓦斯抽采问题，主要在待掘巷道掘进完成，实现工作面圈闭以后，从待采工作面两边已掘煤巷想工作面施工对穿孔进行瓦斯抽采，施工钻孔数量多，且必须在两边煤巷掘进完成后才能开始施工瓦斯抽采钻孔进行抽采，瓦斯抽采达标时间比递进式抽采至少长I倍以上。 [0005]为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采方法和施工技术装备存在的不足，研究设计出一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法与装备，以克服上述缺陷。 发明内容[0006]本发明主要是解决现有技术所存在的钻探工程量大、施工周期和瓦斯抽采达标时间长等技术问题，提供了一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统及方法。该系统及方法提高了普氏硬度系数0.5 [0007]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的: [0008]为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统，包括:孔内定向钻具串、孔口泡沫灌注系统、孔口消泡抽采系统;其中: [0009]所述的孔内定向钻串具包括依次连接的防突定向钻头、刻槽空气螺杆马达、无磁变丝接手、通缆无磁绝缘短节、刻槽无磁仪器外管、三棱刻槽钻杆、旋转送风器;其中所述防突定向钻头内部设置有仅可正向通过气、水和固体颗粒的单向逆止机构;刻槽空气螺杆马达由稳定泡沫流或空气流驱动，其定子材料为无磁钢，定子外部铣洗有3mm深的连续螺旋排渣槽，启动压力彡0.6Mpa，工作流量彡1mVmin，长度彡4m;刻槽无磁仪器外管采用中空结构，外部铣洗有3mm深的连续螺旋排渣槽； [0010]所述的孔口泡沫灌注系统包括:依次连接的矿用空压机、起泡装置、矿用液压栗和泡沫液罐，所述起泡装置与旋转送风器连接； [0012]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统，还包括矿用电磁波无线随钻测量装置，该矿用电磁波无线随钻测量装置包括:电磁波随钻测量仪器串，信号接收电极以及数据采集处理器，其中，所述电磁波随钻测量仪器串包括依次连接的测斜短节、电池筒、信号发射短节、风压开关;所述信号接收电极具有2个，一个安装在钻进处地层中，一个与孔内定向钻具串连接。 [0013]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进系统，所述通缆无磁绝缘短节包括外部绝缘组件和内部绝缘组件;其中: [0014]所述外部绝缘组件包括通过丝扣连接的上金属导电杆、下金属导电杆，其中，相互连接的丝扣、台肩及金属导电杆的内外壁上设置丝扣绝缘层、内绝缘层和外绝缘层； [0015] 所述内部绝缘组件包括通过丝扣连接的下绝缘接头、中空绝缘杆和上绝缘接头；导电铜芯由下绝缘接头端进入并穿过中空绝缘杆后在上金属导电杆台阶内被限位拉紧，并与上金属导电杆导通;下绝缘接头内设置有与导电铜芯连接构成内信号通路的信号弹簧。 [0016]为了解决上述问题，根据本发明的另一方面，提供了一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，包括以下步骤: [0017]施工准备步骤，将钻场布置于已掘煤巷内靠近待采工作面的一侧；并且垂直于已掘煤巷设置定向孔，所述定向孔的开孔点位于钻场内； [0018]定向开孔步骤，连接孔口泡沫灌注系统，根据设计开孔倾角和方位角采用防突定向钻头与三棱刻槽钻杆回转钻进第一距离，然后提钻更换扩孔钻头扩孔至第一距离后下入孔口封孔管并密封； [0019]定向钻进步骤，连接孔口消泡抽采系统，下入孔内定向钻具串，将连续泡沫注入钻孔，驱动和润滑冷却刻槽空气螺杆马达转动碎岩，实现定向钻进;在孔口利用孔口消泡抽采系统对含有岩肩的污染泡沫进行除尘消泡； [0020]提钻终孔步骤，定向孔达到设计深度后，提出孔内定向钻具串，连接抽采管路进行瓦斯抽采;瓦斯抽采达标后，掘进待掘煤巷，开采待采工作面。 [0021]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，所述施工准备步骤中，定向孔的设置具体为:定向孔位于普氏硬度系数0.5 [0022]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，所述定向钻进步骤中，连续泡沫产生过程为:矿用空压机向起泡装置输送压缩气体的同时，矿用液压栗从泡沫液罐中抽吸泡沫液并输送至起泡装置，在起泡装置内压缩气体与泡沫液混合，形成稳定连续泡沫。 [0023]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，所述定向钻进步骤中，孔口除尘消泡过程为:矿用空压机向除尘消泡装置输送压缩气体，压缩气体在除尘消泡装置射流喷出形成负压空腔，将消泡液从消泡液罐抽吸进入除尘消泡装置的同时，将污染泡沫由孔口导流装置抽吸进入除尘消泡装置，在除尘消泡装置内泡沫破裂，岩肩与泡沫分离并从除尘消泡装置下部排出；当钻孔瓦斯浓度高时，打开截止阀，消泡后的气体进入瓦斯抽采管路，避免钻场瓦斯超限。 [0024]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，还包括: [0025]轨迹控制步骤，用于在回次钻进结束后，采用电磁波无线随钻测量装置进行数据测量和信号传输，获得定向孔的实钻轨迹参数，将实钻轨迹与设计轨迹参数对比后调整后续钻进轨迹。 [0026]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，采用电磁波无线随钻测量装置进行数据测量和信号传输的具体过程为:回次钻进结束后，风压开关监测到矿用空压机关闭后，启动测斜短节测量倾角、方位角和工具面向角在内的钻孔轨迹参数;信号发射短节接收测斜短节返回的测斜数据，并按预先设定的编码规则将接收到的测斜数据通过通缆无磁绝缘短节上部钻杆柱和下部钻杆柱以电磁波无线方式连续发射出去；由安装在孔口的两个信号接收电极采集上传的电磁波信号并传递给数据采集处理器;数据采集处理器按预先设定的编码规则对信号进行解调显示;发射次数达到设定次数值后，信号发射短节和测斜短节停止工作，风压开关继续连续监测风压变化情况，等待下一个数据发射命令。 [0027]优化的，上述的一种碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，调整后续钻进轨迹的方法具体为:当定向孔实钻轨迹的倾角和方位角与设计值偏差均小于3°，且实钻左右位移和上下位移与设计值偏差均小于lm，利用孔口定向钻机回转三棱刻槽钻杆并向孔内定向钻具串施加钻压进行复合钻进，回转速度为30〜50r/min;否则孔口定向钻机不回转三棱刻槽钻杆，仅向孔内钻具施加钻压进行滑动钻进，将定向孔轨迹纠正至与设计轨迹相符。 [0028]因此，本发明具有如下优点: [0029] (I)建立了碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法与装备的完整技术体系，利用矿用电磁波无线随钻测量装置对实钻钻孔轨迹进行实时测量;利用孔口泡沫灌注系统向钻孔提供连续泡沫流驱动孔底刻槽空气螺杆马达快速钻进，降低对碎软煤层孔壁的冲刷;使用三棱螺旋钻杆加强排渣;利用孔口消泡抽采系统消除泡沫、清除岩肩并进行瓦斯抽采，保障施工安全； [0030] (2)结合双驱动复合定向钻进技术进行钻孔轨迹调控，确保钻孔沿设计轨迹延伸并贯穿覆盖未开采工作面和待掘巷道;整体上提高了碎软煤层成孔深度、成孔精度、成孔效率和成孔率，成孔用于碎软煤层区域递进式瓦斯预抽采，减少了碎软煤层工作面和煤巷掘进瓦斯抽采达标周期。附图说明 [0031 ]图1是本发明的钻进方法原理示意图； [0032]图2是本发明的钻进装备连接示意图； [0033]图3是通缆无磁绝缘短节结构示意图。 具体实施方式[0034]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 [0035]图中，钻场1、已掘煤巷2、待采工作面3、定向孔4、待掘煤巷5、碎软煤层6、防突定向钻头7、刻槽空气螺杆马达8、无磁变丝接手9、通缆无磁绝缘短节10、无磁变丝接手9、刻槽无磁仪器外管11、变丝钢接手12、三棱刻槽钻杆13、旋转送风器14、起泡装置15、矿用液压栗16、泡沫液罐17、矿用空压机18、孔口封孔管19、孔口导流装置20、除尘消泡装置21、消泡液罐22、截止阀23、瓦斯抽采管路24、测斜短节25、电池筒26、信号发射短节27、风压开关28、信号接收电极29、数据采集处理器30、上金属导电杆31、下金属导电杆32、丝扣绝缘层33、内绝缘层34、外绝缘层35、下绝缘接头36、中空绝缘杆37、上绝缘接头38、信号弹簧39、定位挡圈40、导电铜芯41、信号挡圈42、紧固螺母43。 [0036] 实施例: [0037]参见图1，本发明的碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进方法，包括以下工作步骤: [0038]步骤一:钻场I布置。钻场I布置在已掘煤巷2内，靠近待采工作面3—侧，钻场I间距为30〜50m; [0039]步骤二:定向孔4设计。定向孔4垂直于已掘煤巷2，开孔点位于钻场I内，稳斜孔段间隔5m平行布置;定向孔4位于普氏硬度系数05 [0040]步骤三:定向孔4开孔。连接孔口泡沫灌注系统，根据设计开孔倾角和方位角采用防突定向钻头7与三棱刻槽钻杆13回转钻进9m，然后提钻更换扩孔钻头扩孔至9m，下入孔口封孔管19并密封，连接孔口消泡抽采系统。[0041 ]步骤四:连续泡沫定向钻进。下入孔内定向钻具串，将连续泡沫经孔内定向钻具串的中空腔体注入钻孔，驱动和润滑冷却刻槽空气螺杆马达8转动碎岩，实现定向钻进，并携带破碎的岩肩返回孔口；在孔口利用孔口消泡抽采系统对含有岩肩的污染泡沫进行除尘消泡。 [0042]步骤五:轨迹控制。回次钻进结束后，采用电磁波无线随钻测量装置进行数据测量和信号传输，获得定向孔4实钻倾角、方位角、左右位移和上下位移。当定向孔4实钻轨迹的倾角和方位角与设计值偏差均小于3°，且实钻左右位移和上下位移与设计值偏差均小于Im，利用孔口定向钻机回转三棱刻槽钻杆13并向孔内定向钻具串施加钻压进行复合钻进，回转速度为30〜50r/min;否则孔口定向钻机不回转三棱刻槽钻杆13，仅向孔内钻具施加钻压进行滑动钻进，将定向孔4轨迹纠正至与设计轨迹相符。[0043 ]步骤六:提钻终孔。定向孔4达到设计深度后，提出孔内定向钻具串，连接抽采管路进行瓦斯抽采。 [0044]步骤七:瓦斯抽采达标后，掘进待掘煤巷5，开采待采工作面3。 [0045]步骤八:在已经完成的待掘煤巷5内，重复步骤一〜步骤七实现递进式瓦斯抽采。 [0046]参见图2，碎软煤层井下递进式瓦斯预抽定向孔钻进装备，由孔内定向钻具串、孔口泡沫灌注系统、孔口消泡抽采系统和矿用电磁波无线随钻测量装置组成，其中: [0047]孔内定向钻具串由防突定向钻头7、刻槽空气螺杆马达8、无磁变丝接手9、通缆无磁绝缘短节1、无磁变丝接手9、刻槽无磁仪器外管11、变丝钢接手12、三棱刻槽钻杆13、旋转送风器14依次采用螺纹连接。其中防突定向钻头7内部设置有单向逆止机构，钻进用稳定泡沫流或空气流可正向通过;停止供风或孔内瓦斯突出时，反向截止，气、水和固体颗粒等均无法反向进入钻头内。刻槽空气螺杆马达8由稳定泡沫流或空气流驱动，具有油密封润滑机构，其定子材料为无磁钢，定子外部铣洗有3mm深的连续螺旋排渣槽，启动压力<0.6Mpa，工作流量彡10m3/min，长度彡4m。刻槽无磁仪器外管11采用无磁钢材料，中空结构，外部铣洗有3_深的连续螺旋排渣槽，内部固定安装有电磁波随钻随钻测量仪器串。 [0048]孔口泡沫灌注系统由起泡装置15、矿用液压栗16、泡沫液罐17、矿用空压机18组成，起泡装置15、矿用液压栗16和泡沫液罐17依次连接，矿用空压机18与起泡装置15连接，起泡装置15与旋转送风器14连接。利用孔口泡沫灌注系统产生稳定连续泡沫的过程为:矿用空压机18向起泡装置15输送压缩气体的同时，矿用液压栗16从泡沫液罐17中抽吸泡沫液并输送至起泡装置15，在起泡装置15内压缩气体与泡沫液混合，形成稳定连续泡沫。 [0049]孔口消泡抽采系统由孔口封孔管19、孔口导流装置20、除尘消泡装置21、消泡液罐22、截止阀23、瓦斯抽采管路24和矿用空压机18组成，孔口封孔管19、孔口导流装置20、除尘消泡装置21、截止阀23、瓦斯抽采管路24依次连接，除尘消泡装置21与矿用空压机18和消泡液罐22连接。利用孔口消泡抽采系统在孔口除尘消泡过程为:矿用空压机18向除尘消泡装置21输送压缩气体，压缩气体在除尘消泡装置21射流喷出形成负压空腔，将消泡液从消泡液罐22抽吸进入除尘消泡装置21的同时，将污染泡沫由孔口导流装置20抽吸进入除尘消泡装置21，在除尘消泡装置21内泡沫破裂，岩肩与泡沫分离并从除尘消泡装置21下部排出；当钻孔瓦斯浓度高时，打开截止阀23，消泡后的气体进入瓦斯抽采管路24，避免钻场I瓦斯超限。 [0050]矿用电磁波无线随钻测量装置由测斜短节25、电池筒26、信号发射短节27、风压开关28、信号接收电极29和数据采集处理器30组成，其中测斜短节25、电池筒26、信号发射短节27、风压开关28依次连接组成电磁波随钻随钻测量仪器串，信号接收电极29具有2个，一个安装在钻进处地层中，一个与孔内定向钻具串连接，两个信号接收电极29均和数据采集处理器30连接。其进行数据测量和信号传输的具体过程为:回次钻进结束后，风压开关28监测到矿用空压机18关闭后，启动测斜短节25测量倾角、方位角和工具面向角等钻孔轨迹参数;信号发射短节27接收测斜短节25返回的测斜数据，并按预先设定的编码规则将接收到的测斜数据通过通缆无磁绝缘短节10上部钻杆柱和下部钻杆柱以电磁波无线方式连续发射出去;安装在孔口的两个信号接收电极29采集上传的电磁波信号并传递给数据采集处理器30;数据采集处理器30按预先设定的编码规则对信号进行解调显示；发射次数达到设定次数值后，信号发射短节27和测斜短节25停止工作，风压开关28继续连续监测风压变化情况，等待下一个数据发射命令。[0051 ]参见图3，通缆无磁绝缘短节10由外部绝缘组件和内部绝缘组件组成，其中外部绝缘组件由上金属导电杆31和下金属导电杆32通过丝扣连接组成，且在其相互连接的丝扣、台肩及内外壁上喷涂并形成了丝扣绝缘层33、内绝缘层34和外绝缘层35。内部绝缘组件由下绝缘接头36、中空绝缘杆37、上绝缘接头38、信号弹簧39、定位挡圈40、导电铜芯41、信号挡圈42和紧固螺母43组成，下绝缘接头36、中空绝缘杆37和上绝缘接头38依次通过丝扣连接，并由座键在上金属导电杆31和下金属导电杆32台阶内的两个定位挡圈40固定；导电铜芯41由下绝缘接头36端进入并穿过中空绝缘杆37，由紧固螺母43和座键在上金属导电杆31台阶内的信号挡圈42限位拉紧;信号弹簧39与导电铜芯41连接构成内信号通路，通过信号挡圈42和紧固螺母43和与上金属导电杆31导通，并与下金属导电杆32绝缘。 [0052]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 [0053]尽管本文较多地使用了钻场1、已掘煤巷2、待采工作面3、定向孔4、待掘煤巷5、碎软煤层6、防突定向钻头7、刻槽空气螺杆马达8、无磁变丝接手9、通缆无磁绝缘短节10、无磁变丝接手9、刻槽无磁仪器外管11、变丝钢接手12、三棱刻槽钻杆13、旋转送风器14、起泡装置15、矿用液压栗16、泡沫液罐17、矿用空压机18、孔口封孔管19、孔口导流装置20、除尘消泡装置21、消泡液罐22、截止阀23、瓦斯抽采管路24、测斜短节25、电池筒26、信号发射短节27、风压开关28、信号接收电极29、数据采集处理器30、上金属导电杆31、下金属导电杆32、丝扣绝缘层33、内绝缘层34、外绝缘层35、下绝缘接头36、中空绝缘杆37、上绝缘接头38、信号弹簧39、定位挡圈40、导电铜芯41、信号挡圈42、紧固螺母43等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 |
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