煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复与气驱置换综合方法技术领域[0001] 本发明属于煤层气开采技术领域，特别涉及一种煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复 与气驱置换综合方法。背景技术[0002] 我国煤矿瓦斯灾害严重，严重制约着煤炭企业的安全生产。瓦斯抽采是我国目前 进行瓦斯治理的主要技术手段，但由于我国煤层松软、赋存复杂，钻进过程中存在卡钻、顶 钻、掉钻、钻杆连接困难，排渣不及时难以拔钻等现象，制约着煤层钻孔钻进速度和质量；煤 层透气性系数对瓦斯抽采效果起着决定性作用，而我国的大部分高瓦斯突出矿井都属于低 透性煤层，决定了我国大部分矿井抽采困难，单孔抽采量低下、有效抽采时间短。另外，随着 时间的推移，瓦斯抽采钻孔也存在塌孔、积水、增加瓦斯启动压力梯度的可能性，严重影响 了煤层钻孔瓦斯抽采的质和量，使瓦斯抽采消突难以按期达标，甚至没有达标钻孔便已坍 塌，只能以补打钻孔作为补充措施。[0003] 针对以上情况，我国目前已有不少的大功率钻机相继研发并投入到生产应用中， 但依然没有实现钻杆连续钻进，钻孔及时排渣等功能。[0004] 我国煤层瓦斯治理关键在于煤层的增透，目前煤层增透主要以水力化措施为主， 如水力压裂、水力冲孔、水力挤出、高压注水等，另外还有松动爆破、空气置换等，尽管取得 了一定的成绩，但由于受技术应用的复杂性(裂缝开启不均匀、应力集中混乱等）及设备的 难以操控性(设备体积庞大、操作复杂）等因素的影响，都没有大规模的推广应用。[0005] 由于受上覆岩层压力、采动应力、瓦斯压力、煤岩层裂隙水及煤体结构、强度等因 素的影响，随着时间的推移，抽采钻孔会在不同程度上出现垮塌、积水等问题，导致抽采效 率低下甚至作废，严重影响了矿井的消突计划及生产部署。为解决长时间抽采后钻孔塌孔、 积水的问题，目前主要是靠在钻孔中压入高压风(矿井压风管供风，风压< O. 7MPa)进行排 渣、透孔，针对孔长小于15m、倾角小于10°的俯角钻孔能够取得一定的效果，由于水压、风 压压力值有限，对大孔长和大倾角钻孔却起不到排渣、透孔的目的。同时，也没有具有一定 强度工具能够连续钻入已坍塌钻孔之内，因此，透孔效率低下，往往重新施工钻孔以作弥 补。发明内容[0006] 本发明提供了一种便于实施、工艺可靠的煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复与气驱 置换综合方法。[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复与 气驱置换综合方法，其特征在于，通过矿用水力作业机依次完成如下步骤：a、钻孔钻进I)丈量钻孔所处巷道高度，确定钻孔开孔高度、孔长、倾角及方位角，观测钻孔钻进处 煤(岩）体结构，测试其力学强度；2)将矿用水力作业机运送至钻孔施工地点，并将其固定牢靠；3)按照钻孔开孔高度、孔长、倾角及方位角设计要求，调整矿用水力作业机的高度和角度，保持与钻孔开孔方向一致；4)根据观测的煤(岩）体结构及测试的力学强度，选择矿用水力作业机的水射流喷头， 计算矿用水力作业机工作时所需的注入压力及流量；5)钻孔钻进作业地点200m范围内撤人，开启矿用水力作业机的清水泵站、远程控制按钮，使矿用水力作业机的输管器工作，连续挠性钢管在输管器的带动下拉直并向预定钻孔孔口位置运动；6)调整清水泵站的流量与压力至预计的破岩压力与流量，根据钻孔作业现场安放的摄像仪观测钻进时的排水、排渣情况，并据此控制钻进的速度，钻进速度为Im/ (Γ2)πιΐη；7)钻进作业完成设计孔长时停止钻进，关闭清水泵站，开启液压泵站，使矿用水力作业机的滚筒反向转动，以带动挠性钢管退出钻孔并缠绕在滚筒上，若存在退钻困难的情况，可开启清水泵站向挠性钢管注入较小流量及压力的水流，通过水射流喷头清洗钻孔，以使钻孔内的残渣排出，实现顺利退钻；8)退钻完成，可进行下一个钻孔的钻进；b、煤层增透1)在钻孔前固定矿用水力作业机，并确定挠性钢管钻进的高度、倾角和方位角，确定水射流喷头所需压力与流量，水射流压力至少为煤岩体强度的1. 5倍，开启矿用水力作业机， 在输管器作用下，将挠性钢管及水射流喷头送至钻孔孔底，关闭矿用水力作业机；2)开启清水泵站，煤岩体在水射流作用下形成射流槽和局部裂缝，观察返水、排渣情况，达到挠性钢管高压水预计注入流量和压力IOmin后关闭清水泵站；3)开启矿用水力作业机的液压泵站，带动滚筒反向转动，使挠性钢管后退10m，重复煤层增透过程中的步骤2); 4)重复煤层增透过程中的步骤3)，直至水射流喷头距离钻孔孔口 20m以深的钻孔形成均匀的射流槽并开启裂缝；5)加大注入水射流喷头的压力和流量，使钻孔的排渣量增多，挠性钢管与钻孔内壁之间的空间有限，排渣速度受限，煤、岩粉渣堆积在钻孔孔口难以及时排出，从而实现封堵钻孔的目的，再次加大注入水射流喷头的压力和流量，实现水力压裂功能，此时水力压裂开启的大部分裂缝均是沿之前形成的射流槽开启和延伸，从而形成了均匀定点、均匀压裂；C、钻孔修复1)调整矿用水力化作业机，使水射流喷头达到设计工作高度和倾角；2)调整校直机构的调节导向轮，使连续钢管校直；3)启动清水泵站，高压水经挠性钢管注入水射流喷头，经切削喷嘴射流切削待修复钻孔的岩矿体；4)启动输管器，并调整挠性钢管的推进速度，正常钻进；5)钻进至孔底时水射流喷头开始后退，开启液压泵站，使矿用水力作业机的滚筒反向转动，缓慢收回挠性钢管，与此同时，高压水同钻孔修复过程中步骤3)的路径进入钻孔实施冲孔作业，以冲出煤量最大化为作业标准；d、气驱增透1)选择瓦斯抽采效果差的钻孔作为实施孔，且排除塌孔或积水造成的抽采效果差的钻 孔，打开抽采管，将矿用水力作业机的挠性钢管通过输管器下放至钻孔孔底，并对钻孔孔口 进行密封，将清水泵站内的介质换为气体，向挠性钢管内注气；2)计量实施孔周边钻孔的瓦斯抽采量，观测其在注气前、中、后的瓦斯抽采流量和浓度 的变化情况；3)开启清水泵站，高压气通过挠性钢管被送至孔底，由于孔口密封，钻孔内压力值不断 上升，当孔内注入压力高于预计注入压力时，增大挠性钢管内的注入气量，注入压力增大， 当注入压力增大至设计压力120%时，保持恒定注入气量；4)煤体中的瓦斯在注入高压气的驱动置换下，向实施孔的周边钻孔流动，以提高该区 域瓦斯抽采效果；5)测量统计实施孔的周边钻孔的抽采流量变化情况，抽采流量与浓度增大的抽采钻孔 中，与实施孔距离最远的间距为该注入气量下的气驱半径。[0008] 所述矿用水力作业机包括主机、执行台、清水泵站、液压泵站和开关柜，执行台内 安装有挠性钢管控制仪和高压水控制仪，主机通过油管与挠性钢管控制仪相连、通过水管 与高压水控制仪相连，挠性钢管控制仪通过油管与液压泵站相连，高压水控制仪通过水管 与清水泵站相连，执行台、清水泵站和液压泵站分别通过动力电缆与开关柜电连接；所述主 机包括橇形底座和橇形底座两侧倒置的升降油缸，升降油缸通过其侧壁上的左支座与右支 座安装有套移径转滚筒主轴，升降油缸与主机和执行台之间的油管相连通；套移径转滚筒 主轴一端设有高压水通道，高压水通道的进出口分别设有高压水连接管和高压水接头，高 压水连接管与主机和执行台之间的水管相连通；套移径转滚筒主轴两侧设有左支撑臂和右 支撑臂，左支撑臂和右支撑臂前端设有输管器；左支撑臂和右支撑臂前端还安装有收管液 压马达、液压离合器和减速器，收管液压马达与主机和执行台之间的油管相连通，减速器输 出端设有主动链轮，套移径转滚筒主轴上设有与主动链轮相对应的从动链轮，主动链轮和 从动链轮上设有链条；套移径转滚筒主轴上设有滚筒，滚筒上缠绕有挠性钢管，挠性钢管上 安装有水射流喷头，挠性钢管一端伸入输管器内、另一端通过高压软管与高压水接头相连; 输管器输管方向与滚筒外圆周相切。[0009] 所述套移径转滚筒主轴包括带有滑动槽的花键轴、往复轴、滑移套、花键套和轴 头，花键套套设于花键轴外部，花键套通过滚筒箍与滚筒固连，轴头固定在花键轴右端面 上；滑移套与花键轴内孔间隙配合，滑移套套设在往复轴上，往复轴上设有端部相通的左 螺旋槽和右螺旋槽，滑移套上开设有滑块孔，滑块孔内设有滑块，滑块顶部设有滑动键，滑 动键与左螺旋槽和右螺旋槽滑动配合，花键套上开设有方孔，方孔内设有套设于滑块外部 的滑块套，滑块套通过螺钉固定于滑移套上，且滑块套与花键轴的滑动槽滑动配合；往复轴 的右端穿过轴头，轴头位于右支座内，轴头端面上固设有第一齿轮，往复轴外端设有第二齿 轮，第一齿轮和第二齿轮一侧设有双联齿轮，双联齿轮分别与第一齿轮和第二齿轮相啮合。[0010] 所述滑块内设有压簧和钢球，顶丝通过钢球顶压在压簧上。[0011] 所述输管器包括传动箱体、上盖板、下盖板和下盖板上设置的放管液压马达与液 压离合器，放管液压马达与主机和执行台之间的油管相连通；传动箱体内并列设有两对链 轮和每对链轮上的链条，其中一对链轮中的一个链轮上设有主动链轮轴、另一对链轮中的 一个链轮上设有从动链轮轴，主动链轮轴上设有主动齿轮，从动链轮轴上设有与主动齿轮相啮合的从动齿轮，主动链轮轴外端与液压离合器驱动连接；链条外侧通过小弯板固定有 卡块，卡块外侧设有凹槽，在外侧面相对的卡块之间形成包容挠性钢管的输管腔体。[0012] 所述传动箱体底部通过固定块设有轨道，固定块上设有顶在轨道侧面上的调整螺 钉，轨道另一侧面顶压在链条内侧。[0013] 所述支撑臂与套移径转滚筒主轴之间设有调向机构，支撑臂的调向中心与套移径 转滚筒主轴的旋转中心重合；调向机构包括轴头外部的铜套和铜套外部的内齿圈，内齿圈 的外圆周面与右支撑臂固连，右支座内设有与内齿圈啮合的小齿轮轴，小齿轮轴的端部设 有涡轮，涡轮与伸向右支座外部的蜗杆相啮合，蜗杆外部连接调向液压马达，调向液压马达 与主机和执行台之间的油管相连通。[0014] 所述挠性钢管控制仪为挠性钢管远程控制仪，其包括船用比例流量方向复合阀和 船用比例流量方向复合阀上通过连接板固定的指示面板，船用比例流量方向复合阀上通过 换向摆动轴连接有操作杆，操作杆上开设有滑槽，连接板上安装有电机及减速机，电机及减 速机的输出轴位于指示面板中间位置，电机及减速机的输出轴上设有曲柄，曲柄另一端安 装有滑轴，滑轴与滑槽滑动配合。[0015] 所述高压水控制仪为高压水远程控制仪，其包括高压水阀和高压水阀上通过连接 套设置的指示盘，连接套上面安装有位于指示盘后部的电机及减速机，电机及减速机的输 出端位于指示盘中心位置；电机及减速机的输出端上设有指针和曲柄，曲柄另一端通过销 轴铰连有连杆，连杆另一端通过转轴与高压水阀的滑阀杆相铰连。[0016] 所述矿用水力作业机还包括由远程控制按钮和显示仪构成的远程控制台，远程控 制台通过动力电缆和控制信号电缆与开关柜电连接，显示仪通过信号线连接有监控主机和 执行台的摄像仪。[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的优点：1、本发明包括钻孔钻进、煤层增透、钻孔修复和气驱增透四个工艺步骤，可实现连续钻 进、远程操作，具有施工简便、排渣顺畅、钻进速度快等优点，且施工过程中操作人员远离施 工现场，改善工人劳动环境，降低和防止危险事故的发生，操作人员人身安全可得到有效保 障；可以对煤层进行水力割缝、压裂、冲孔等措施，可大幅度均匀的提高煤层的透气性系数， 使水力化作业造成的应力集中有规律可循，也可以对已有坍塌钻孔、积水钻孔进行钻孔修 复，增加钻孔使用寿命，提高钻孔有效抽采的质量；在钻孔修复过程中，实现边排渣边钻进， 修复效率高，透孔完成后，由高压水改换为高压风，高压风通过挠性钢管将俯角钻孔内的透 孔水排出，可大大提高钻孔抽采效率。同时，在钻孔增透及修复的基础上，如后期抽采效果 不明显，则可采用气驱工艺，提高瓦斯抽采效率。通过以上的钻进一增透一修复一气驱步 骤，实现煤矿瓦斯治理的新型工艺及方法。[0018] 2、矿用水力作业机结构紧凑，大大简化了作业机的结构，可调节煤矿井下成孔位 置与方向，可适应矿井下向全方位进行成孔、疏孔、扩孔、割缝、压裂等作业施工的需求，工 作稳定，安全可靠，占用空间小，非常适合于煤矿井下等空间狭小的场合使用；远程控制台 的摄像仪将作业巷道内的现场作业场景信息和执行台上的执行指示及仪表信息传输到远 距离设置的显示仪上，操作人员通过显示的画面信息操作远程操作按钮，将控制信号传送 至开关柜，实现对清水泵站和液压泵站的开停控制，同时实现对执行台的动力控制，并对执 行台内的船用比例流量方向复合阀和高压水阀进行方向、压力与流量的控制，保证对作业机放管、收管动作、速度和高压水开关及压力流量大小进行准确控制，既可就近操作，又可 实现精确远程控制，自动化程度高，为煤矿井下安全生产提供了可靠的装备保证，同时可实 现在危险区域进行高压水力施工作业的突破，大大提高了施工作业的安全系数。[0019] 3、作业机支架采用底座和升降油缸，将支架与升降机构合为一体，使得作业机结 构更加紧凑，工作时稳定可靠；升降油缸同步升降可实现主机在不同高度位置进行作业； 调向机构可使右支撑臂转动，从而带动输管器绕滚筒的轴线调整方向，始终保持输管器的 输管方向与滚筒的切线方向一致，以实现主机在不同角度位置进行作业。[0020] 4、在花键轴内设置往复轴，可使滚筒在同向转动的同时实现轴向往复运动，始终 保持挠性钢管沿滚筒的外圆周切线方向运动时在左右方向上与输管器的输管中心线一致， 从而对不同直径挠性钢管实现多层有序缠绕，实现挠性钢管的有序收放动作。5、液压同步回路向放管液压马达供油，液压离合器合上，卡块夹持挠性钢管向外输送， 与此同时，收管液压马达不供油，液压离合器分离，滚筒在挠性钢管的拉动下被动转动，完 成放管动作；反之，向收管液压马达供油，液压离合器合上，在链条带动下滚筒主动反向转 动，向滚筒上缠绕挠性钢管，与此同时，放管液压马达不供油，液压离合器分离，挠性钢管带 动卡块及链条反向运动，完成收管动作，推进或收回操作简便，挠性钢管可实现在滚筒内主 被动运动和在输管器内正反向的同步运动，使得放管和收管运动灵活，便于控制，动作精准 可靠。[0021] 6、滚筒转动时，可使花键轴与往复轴产生转角差，通过改变齿轮传动的齿轮参数， 可以实现需要的转角差；花键轴与往复轴之间存在的转角差使得滑动键在左螺旋槽或者右 螺旋槽内相对滑动，从而使滚筒轴向移动，由于往复轴上的左螺旋槽与右螺旋槽为左右旋 向的螺旋槽，并且在左右两端相通，当滑块在左螺旋槽内运动到头时，滑动键自动转入右螺 旋槽，可实现自动换向，反之亦然；可有效保证滚筒旋转的同时轴向移动，挠性钢管沿滚筒 切线方向运动时在左右方向上与输管器的输管中心线始终保持一致，可保证挠性钢管在滚 筒上的缠绕或释放动作规律、稳定，可实现连续作业，使得钻孔方式由钻杆逐节间断钻进、 逐节间断退出变成连续钻进和连续退出，大大提高了作业效率。另外，可通过选择往复轴上 螺旋槽不同的螺距及传动机构，使滚筒旋转一圈时，轴向移动挠性钢管直径大小的距离，实 现挠性钢管单层缠绕或多层缠绕。[0022] 7、在传动箱体底部设有轨道，轨道的一个侧面顶压在链条的内侧，可撑紧链条，防 止链条松弛造成挠性钢管打滑，确保放管动作精确无误。[0023] 8、在滑块内设有压簧，顶丝通过滚珠顶压在压簧上，在压簧作用下，滑动键始终保 持与左螺旋槽或右螺旋槽滑动配合，以实现在左右旋转槽两端灵活地转换方向。附图说明[0024] 图1为本发明采用的矿用水力作业机的结构示意图； 图2为图1中主机的结构示意图；图3为图2的左视图；图4为图2的右视图；图5为图2中轴移径转滚筒轴的结构示意图；图6为图2中输管器的结构示意图；图7为图6的剖面示意图；图8为图1中挠性钢管远程控制仪的结构示意图；图9为图1中高压水远程控制仪的结构示意图。具体实施方式[0025] 如图1所示，矿用水力作业机包括主机1、执行台3、清水泵站4、液压泵站5和开关 柜6，执行台3通过动力电缆14、清水泵站4通过动力电缆15、液压泵站5通过动力电缆16 分别与开关柜6电连接，清水泵站4以高压水为介质，必要条件下可使用陶丽、聚甲醛等作 为支撑剂。在执行台3内安装有挠性钢管远程控制仪301和高压水远程控制仪302，主机I 通过四根油管11与挠性钢管远程控制仪301相连、通过一根水管10与高压水远程控制仪 302相连，在执行台3的另一侧，液压泵站5通过两根油管12与挠性钢管远程控制仪301和 油压表相连，清水泵站4通过两根水管13与高压水远程控制仪302和水压表相连。主机I 位于作业巷道19内，主机I的挠性钢管21及其水射流喷头22位于作业孔20内。通过控 制水射流喷头22的形状、大小、喷嘴直径大小及喷嘴布置形式，适应不同煤(岩)体硬度钻进 需求；同时，水射流喷头22的喷嘴设计要有利于钻进排渣。[0026] 为了实现远程控制，提高安全系数，本发明还设有远程控制台，其由远程控制按钮 7和显示仪8构成，远程控制台通过动力电缆17和控制信号电缆18与开关柜6电连接，显 示仪8通过三根信号线9连接有三台摄像仪2，三台摄像仪2分别用于监控主机1、执行台3 和作业巷道19的工作情况，以确定在远程控制台上做何操作。摄像仪2将作业巷道19内的 现场作业场景信息和执行台3上的执行指示及仪表信息传输到远距离设置的显示仪8上， 操作人员通过显示的画面信息操作远程操作按钮7，将控制信号传送至开关柜6，实现对清 水泵站4和液压泵站5的开停控制，同时实现对执行台3的动力控制，并对挠性钢管远程控 制仪301和高压水远程控制仪302内的船用比例流量方向复合阀和高压水阀进行方向、压 力与流量的控制，保证对作业机放管、收管动作、速度和高压水开关及压力流量大小进行准 确控制，既可就近操作，又可实现精确远程控制，同时可实现在危险区域进行高压水力施工 作业的突破。[0027] 如图2、图3和图4所示，主机I包括橇形底座38和橇形底座38两侧倒置的升降 油缸24，升降油缸24的活塞杆固定在橇形底座38上，升降油缸24与主机I和执行台3之 间的油管11相连通，通过升降油缸24的伸缩实现升降，两升降油缸24通过在液压系统中 设置同步阀或同步马达实现同步升降，也可通过在两油缸上部设置刚性同步横梁实现同步 升降，使主机I在不同高度位置进行作业，满足井下不同巷道高度要求。底座38承受整个 水力作业机的重量，可以在煤矿井下通过安放底座38实现安放整套设备，同时，为方便井 下的搬运及移动，底座38内部可以安装橡胶轮、万向轮等。升降油缸24通过其侧壁上的左 支座35与右支座31安装有套移径转滚筒主轴30，套移径转滚筒主轴30 —端设有高压水通 道65，高压水通道65的进出口分别设有高压水连接管42和高压水接头44，高压水连接管 42与主机I和执行台3之间的水管10相连通。在套移径转滚筒主轴30两侧设有左支撑臂 37和右支撑臂28，左支撑臂37和右支撑臂28的前端通过连接板安装有输管器25。套移径 转滚筒主轴30上设有滚筒23，滚筒23上缠绕有挠性钢管21，挠性钢管21上安装有水射流 喷头22，挠性钢管21 —端伸入输管器25内、另一端通过高压软管109与高压水接头44相连，利用清水泵站4向挠性钢管21提供高压水。滚筒23的直径按照挠性钢管21的直径选 取确定，在滚筒23未工作状态下，挠性钢管21缠绕在滚筒23上，当滚筒23工作时，滚筒23 转动，通过输管器25向钻孔内输送挠性钢管21。挠性钢管21能够承受较大的抗压抗拉强 度，挠性钢管21的长度可由钻孔钻进长度而选择，挠性钢管21的直径可以根据预计开孔直 径确定。输管器25的输管方向与滚筒23的外圆周相切。在左支撑臂37和右支撑臂28前 端的连接板上还安装有收管液压马达41、液压离合器40和减速器39，收管液压马达41与 主机I和执行台3之间的油管11相连通，减速器39的输出端设有主动链轮26，套移径转滚 筒主轴30上设有与主动链轮26相对应的从动链轮29，主动链轮26和从动链轮29通过链 条27传动连接，收管液压马达41驱动主动链轮26转动，带动从动链轮29转动，从而带动 套移径转滚筒主轴30及滚筒23反转，以实现对挠性钢管21的收管动作。[0028] 如图5所示，套移径转滚筒主轴30包括带有滑动槽46的花键轴34、往复轴47、滑 移套48、花键套50和轴头53，花键套50套设于花键轴34的外部，花键套50与滚筒箍51 通过螺钉固连。滚筒23通过轮辐与滚筒箍51连接为一体，花键套50通过滚筒箍51与滚 筒23固连。滑移套48与花键轴34的内孔间隙配合，滑移套48套装在往复轴47上，在往 复轴47上设有左右两端端部相通的左螺旋槽66和右螺旋槽67。在滑移套48上开设有滑 块孔45，在滑块孔45内设有滑块49，滑块49顶部设有滑动键70，滑动键70与左螺旋槽66 和右螺旋槽67滑动配合。在花键套50上开设有方孔68，方孔68内设有套设于滑块49外 部的滑块套69，滑块套69通过螺钉固定于滑移套48上，且滑块套69与滑动槽46滑动配 合。在滑块49内设有压簧72和钢球73，顶丝71通过钢球73顶压在压簧72上，在压簧72 作用下，滑动键70始终保持与左螺旋槽66或右螺旋槽67滑动配合。轴头53固定在花键 轴34右端面上，轴头53和往复轴47的右端位于右支座31内，在轴头53端面上固设有第 一齿轮59，往复轴47外端设有第二齿轮60，第二齿轮60通过键61与往复轴47连接，第一 齿轮59和第二齿轮60 —侧设有双联齿轮63，双联齿轮63分别与第一齿轮59和第二齿轮 60相啮合。[0029] 在花键轴34内设置往复轴47，可使滚筒23在同向转动的同时实现轴向往复运动， 始终保持挠性钢管21沿滚筒23的外圆周切线方向运动时在左右方向上与输管器25的输 管中心线一致，从而对不同直径挠性钢管21实现多层有序缠绕，实现挠性钢管21的有序收 放动作。[0030] 在右支撑臂28与套移径转滚筒主轴30之间设有调向机构，右支撑臂28的调向中 心与套移径转滚筒主轴30的旋转中心重合。调向机构包括轴头53外部的铜套54和铜套 54外部的内齿圈52，内齿圈52的外圆周面与右支撑臂28固连，右支座31内设有与内齿圈 52啮合的小齿轮轴56，小齿轮轴56的端部设有涡轮57，涡轮57与伸向右支座31外部的蜗 杆58相啮合，蜗杆58的外部连接调向液压马达36，调向液压马达36与主机I和执行台3 之间的油管11相连通。通过调向机构使右支撑臂28转动，从而使输管器25绕滚筒23轴 线调整方向，始终保持输管器25的输管方向与滚筒23的切线方向一致，以实现主机I在不 同角度位置进行作业。[0031] 如图6和图7所示，所述输管器25包括传动箱体74、上盖板75、下盖板111和下 盖板111上设置的放管液压马达32与液压离合器33，放管液压马达32与主机I和执行台 3之间的油管11相连通。在传动箱体74内并列设有两对链轮和每对链轮上的链条78，其中左侧一对链轮中的一个链轮76上设有主动链轮轴87、右侧一对链轮中的一个链轮77上 设有从动链轮轴88，在主动链轮轴87上设有主动齿轮85，从动链轮轴88上设有与主动齿 轮85齿数相等且相互啮合的从动齿轮86，主动链轮轴87下端与液压离合器33驱动连接。 在链条78的外侧设有小弯板110，小弯板110通过螺钉79固定有卡块80，卡块80外侧设 有凹槽，在外侧面相对的卡块80之间形成包容挠性钢管21的输管腔体，输管腔体与挠性钢 管21外形相适应。为了撑紧链条78，防止其松弛造成挠性钢管21打滑，在传动箱体74底 部通过固定块83设有轨道82，固定块83上设有顶在轨道82侧面的调整螺钉84，轨道82 的另一侧面顶压在链条78的内侧。[0032] 挠性钢管21被夹持在两卡块80之间，挠性钢管21依靠与卡块80之间的摩擦力向 前运动放管。通过设置液压同步回路，向放管液压马达32供油，液压离合器33合上，卡块 80夹持挠性钢管21向外输送，与此同时，收管液压马达41不供油，液压离合器40分离，滚 筒23在挠性钢管21的拉动下被动转动，完成放管动作；反之，向收管液压马达41供油，液 压离合器40合上，在链条27带动下滚筒23主动反向转动，向滚筒23上缠绕挠性钢管21， 与此同时，放管液压马达32不供油，液压离合器33分离，挠性钢管21带动卡块80及链条 78反向运动,完成收管动作。[0033] 为适应钻孔不同高度、不同倾角和方位角的要求，滚筒23可上下升降移动，移动 范围由升降油缸24的高度及开孔高度确定，同时，也可在钻进前调整输管器25的倾角，满 足不同角度开孔需求。滚筒23的动作原理为：收管液压马达41转动，带动主动链轮26转 动，通过链条27带动从动链轮29转动，花键轴34与从动链轮29联动，从而带动滚筒23转 动；花键轴34与轴头53相连，花键轴34带动轴头53转动，轴头53带动第一齿轮59转动， 第一齿轮59与双联齿轮63啮合，双联齿轮63同时与第二齿轮60啮合，从而带动往复轴47 转动，并使花键轴34与往复轴47产生转角差，通过改变齿轮传动的齿轮参数，可以实现需 要的转角差；花键轴34与往复轴47之间存在的转角差使得滑动键70在左螺旋槽66或者 右螺旋槽67内相对滑动，从而使滑块49及滑块套69在滑动槽46内移动，并带动花键套50 及滚筒23移动。由于往复轴47上的左螺旋槽66与右螺旋槽67为左右旋向的螺旋槽，并 且在左右两端相通，当滑块49在左螺旋槽66内运动到头时，滑动键70自动转入右螺旋槽 67，实现自动换向，反之亦然。通过选择往复轴47上螺旋槽不同的螺距及通过传动机构选 择合适的转角差，使滚筒23旋转一圈时，轴向移动挠性钢管21直径大小的距离，实现挠性 钢管21单层缠绕或多层缠绕。[0034] 如图8所示，挠性钢管远程控制仪301包括船用比例流量方向复合阀96和船用比 例流量方向复合阀96上通过连接板97固定的指示面板89，船用比例流量方向复合阀96上 通过换向摆动轴95连接有操作杆90，操作杆90上开设有滑槽91。连接板97上安装有电 机及减速机92，电机及减速机92的输出轴位于指示面板89的中间位置，电机及减速机92 的输出轴上设有曲柄93，曲柄93的另一端安装有滑轴94，滑轴94与滑槽91滑动配合。通 过操作操作杆90来选择液压油是供给收管液压马达41，还是供给放管液压马达32，从而实 现收管和放管之间的切换，同时控制液压油流量大小。指示面板89从中间向两侧分别设有 40°的刻度线，若操作杆90向右为放管，则操作杆90向左为收管，通过操作操纵杆90向左 或向右摆动的角度大小控制液压油流量大小，从而控制液压马达的转速，实现控制放管或 收管的速度。[0035] 如图9所示，高压水远程控制仪302包括高压水阀108和高压水阀108上通过连接套107设置的指示盘98，连接套107上面安装有位于指示盘98后部的电机及减速机100， 电机及减速机100的输出端位于指示盘98的中心位置。在电机及减速机100的输出端上设有指针99和曲柄102，曲柄102的另一端通过销轴103铰连有连杆104，连杆104的另一端通过转轴105与高压水阀108的滑阀杆106相铰连。工作时，清水泵站4输出的高压水通过水管13进入高压水阀108的P 口，并通过挠性钢管21到达作业孔20内，通过操作电机及减速机100运转，使曲柄连杆机构运动，可控制滑阀杆106的位置，观查指针99的指定位置，从而调整高压水流量和流向，实现控制高压水的开关以及高压水流量的大小。[0036] 本发明是通过矿用水力作业机完成的工艺，该工艺依次包括如下步骤：a、钻孔钻进1)丈量钻孔所处巷道高度，确定钻孔开孔高度、孔长、倾角及方位角，观测钻孔钻进处煤(岩）体结构，测试其力学强度，每一工作面或采区测试至少一组煤(岩）体力学强度；2)将矿用水力作业机运送至钻孔施工地点，并将其固定牢靠；3)按照钻孔开孔高度、孔长、倾角及方位角设计要求，调整矿用水力作业机的高度和角度，保持与钻孔开孔方向一致；4)根据观测的煤(岩）体结构及测试的力学强度，选择矿用水力作业机的水射流喷头， 计算矿用水力作业机工作时所需的注入压力及流量；5)钻孔钻进作业地点200m范围内撤人，开启矿用水力作业机的清水泵站、远程 控制按钮，使矿用水力作业机的输管器工作，连续挠性钢管在输管器的带动下拉直并向预定钻孔孔口位置运动；6)调整清水泵站的流量与压力至预计的破岩压力与流量，根据钻孔作业现场安放的摄像仪观测钻进时的排水、排渣情况，并据此控制钻进的速度，钻进速度为Im/ (Γ2)πιΐη；7)钻进作业完成设计孔长时停止钻进，关闭清水泵站，开启液压泵站，使矿用水力作业机的滚筒反向转动，以带动挠性钢管退出钻孔并缠绕在滚筒上，若存在退钻困难的情况，可开启清水泵站向挠性钢管注入较小流量及压力的水流，通过水射流喷头清洗钻孔，以使钻孔内的残渣排出，实现顺利退钻；8)退钻完成，可进行下一个钻孔的钻进；b、煤层增透1)在钻孔前固定矿用水力作业机，并确定挠性钢管钻进的高度、倾角和方位角，确定水射流喷头所需压力与流量，水射流压力至少为煤岩体强度的1. 5倍，开启矿用水力作业机， 在输管器作用下，将挠性钢管及水射流喷头送至钻孔孔底，关闭矿用水力作业机；2)开启清水泵站，煤岩体在水射流作用下形成射流槽和局部裂缝，观察返水、排渣情况，达到挠性钢管高压水预计注入流量和压力IOmin后关闭清水泵站；3)开启矿用水力作业机的液压泵站，带动滚筒反向转动，使挠性钢管后退10m，重复煤层增透过程中的步骤2);4)重复煤层增透过程中的步骤3)，直至水射流喷头距离钻孔孔口 20m以深的钻孔形成均匀的射流槽并开启裂缝；5)加大注入水射流喷头的压力和流量，使钻孔的排渣量增多，挠性钢管与钻孔内壁之间的空间有限，排渣速度受限，煤、岩粉渣堆积在钻孔孔口难以及时排出，从而实现封堵钻孔的目的，再次加大注入水射流喷头的压力和流量，实现水力压裂功能，此时水力压裂开启 的大部分裂缝均是沿之前形成的射流槽开启和延伸，从而形成了均匀定点、均匀压裂；C、钻孔修复对于已有的坍塌、积水钻孔，可利用矿用水力作业机压力大、排量大、连续性强的特点， 使用高压水对钻孔进行清洗，使孔内坍塌煤渣排出孔外，除此之外，矿用水力作业机还可以 在高压大流量水的作用之下，对钻孔进行割缝、扩孔，最大程度上达到透孔增透的目的，清 洗钻孔后的水会残存在孔内，影响了瓦斯的抽采，此时，采用矿用压风将钻孔内残余水吹排 出孔外。[0037] 具体步骤如下：1)调整矿用水力化作业机，使水射流喷头达到设计工作高度和倾角；2)调整校直机构的调节导向轮，使连续钢管校直；3)启动清水泵站，高压水经挠性钢管注入水射流喷头，经切削喷嘴射流切削待修复钻 孔的岩矿体；4)启动输管器，并调整挠性钢管的推进速度，正常钻进；5)钻进至孔底时水射流喷头开始后退，疏孔状态切换为割缝状态，开启液压泵站，使矿 用水力作业机的滚筒反向转动，缓慢收回挠性钢管，与此同时，高压水同钻孔修复过程中步 骤3)的路径进入钻孔实施冲孔作业，以冲出煤量最大化为作业标准；d、气驱增透CH4 (瓦斯）和CO2与煤分子之间作用力的差异，导致煤对CH4和CO2吸附能力有所不 同。这种作用力与相同压力下CH4和CO2的沸点有关，沸点越高，被吸附的能力越强， CH4和CO2的沸点分别为161°C和78 °C，从而CO2在煤表面具有较强的吸附能力。同 时，煤体对CH4和CO2的吸附试验已经证明了 ：煤对CO2的吸附能力大于煤CH4吸附能力。 这些研究都充分论证了在煤表面CO2具有很强的驱CH4能力，为CO2置换驱替CH4的实施 提供了理论基础。[0038] I)选择瓦斯抽采效果差的钻孔作为实施孔，且排除塌孔或积水造成的抽采效果差 的钻孔，打开抽采管，将矿用水力作业机的挠性钢管通过输管器下放至钻孔孔底，并对钻孔 孔口用长度不小于Im的充气橡胶圈进行密封，将清水泵站内的介质换为气体，向挠性钢管 内注气；2)计量实施孔周边钻孔的瓦斯抽采量，观测其在注气前、中、后的瓦斯抽采流量和浓度 的变化情况；3)开启清水泵站，高压气通过挠性钢管被送至孔底，由于孔口密封，钻孔内压力值不断 上升，当孔内注入压力高于预计注入压力时，增大挠性钢管内的注入气量，注入压力增大， 当注入压力增大至设计压力120%时，保持恒定注入气量；4)煤体中的瓦斯在注入高压气的驱动置换下，向实施孔的周边钻孔流动，以提高该区 域瓦斯抽采效果；5)测量统计实施孔的周边钻孔的抽采流量变化情况，抽采流量与浓度增大的抽采钻孔 中，与实施孔距离最远的间距为该注入气量下的气驱半径。[0039] 除了使用CO2进行气驱增透之外，还可以使用空气进行气驱，但由于气驱过程中需 要封堵钻孔口，并且在注气过程中，由于钻孔阻力作用，注入的空气或CO2难以以较高压力到达孔底，从容影响了气驱效果。使用水力喷射装备，可以通过连续油管将气体注入到孔内 的任何位置，并且对于长钻孔，也可以直接在其孔底进行气驱而不需要进行封孔。[0040] 在本发明中，高压水射流是以水为工作介质，具有极高的能级密度，在煤层钻孔方 面，高压水射流钻孔具有以下几方面的优点：高压水射流钻进时，通过水射流切割煤岩，喷 嘴与煤体没有直接接触，不会出现机械钻头的发热、磨损、寿命短等缺陷，且成孔直径大、钻 进速度快、能耗低，可有效避免机械钻孔时出现的卡钻、夹钻等现象，同时可以提高钻孔周 围煤层的透气性；高压水射流钻进时，孔底处于淹没状态，温度低，没有火花产生，可用于具 有自燃煤层中的钻孔；在连续挠性钢管作用下，可实现煤、岩层钻孔的连续钻进，不需要换 接钻杆，使钻孔施工简便易行。[0041] 煤层增透是对煤层进行水力喷射压裂，达到定点、定向、均匀压裂的目的，主要可 实现水力冲洗卸压、水力喷射压裂和水力吞吐压裂等工艺。[0042] 吞吐式水力冲洗卸压过程是煤体破坏剥落排出，应力状态改变，瓦斯大量释放的 过程。首先利用高压水射流破碎煤体，在一定时间内由本孔冲出大量煤体，形成较大直径的 孔洞，从而破坏煤体原应力平衡状态，孔洞周围煤体向孔洞方向发生大幅度位移，促使应力 状态重新分布，集中应力带外移，有效应力降低；其次煤层中新裂缝的产生和应力的降低打 破了瓦斯吸附与解吸的动态平衡，使部分吸附瓦斯转化成游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂 隙运移得以排放，大幅度地释放了煤体及围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能，煤层瓦斯透气 性显著提高；最后，高压水润湿了煤体，降低煤体中残存瓦斯的解吸速率。水力冲洗过程冲 出了大量瓦斯和一定数量的煤，因此在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个安全 区域内，破坏了突出发生的基础条件，起到了有效的防治突出效果。[0043] 对已施工完成钻孔，选择合适的水力喷射喷头喷嘴，开动水力喷射装备，不加入高 压水，当连续油管伸入到孔底时，通过高压水泵向水力喷射器加入高压水，高压水经过连续 油管，最后又喷嘴喷出，钻孔在喷嘴喷出的高压水作用之下，使附着在孔壁的煤、岩粉排除 孔外。同时，由于高压水的射流冲蚀，使钻孔孔径扩大，局部形成空腔，加大了钻孔卸压空 间，增大了煤层透气性系数，提高了抽采效率。[0044] 对未施工钻孔，可使用水射流装备钻进，钻进完成实施冲洗卸压，同已施工完成钻 孔。[0045] 水力喷射压裂应用于井下硬煤主要有喷射和压裂两个作用。由压裂泵增压后的流 体，经毫米级直径的喷嘴后转化为高速射流，并迅速进入煤层。由于钻孔孔口体积有限及水 的不可压缩性，钻孔内流体会挤压射流，致使其轴心速度迅速衰减，巨大动能转化为内能， 并在孔内衰减，高压水的巨大动能又重新转化为压能，使得孔内滞止压力迅速升高，形成增 压效应。当孔内增压值超过地层起裂压力时，钻孔末端煤层就会立即起裂。由于喷嘴周围 会形成低压区，所以环空流体会被卷吸进入裂缝。驱使裂缝向前延伸。[0046] 水力喷射压裂应用于井下软煤主要有喷射和冲孔两个作用。[0047] 第一为喷射对软煤的作用。在已施工的钻孔中，利用水力喷射对钻孔煤层段孔壁 进行打击、破碎煤体，并在一定时间内冲出大量煤体，形成较大直径的孔洞，从而破坏煤体 原应力平衡状态，孔洞周围煤体向孔洞方向发生大幅度位移，促使应力状态重新分布，集中 应力带前移，有效应力降低；其次煤层中的应力降低打破了瓦斯吸附与解吸的动态平衡，使 部分吸附瓦斯转化成游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移得以排放，大幅度地释放了煤体及围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能，煤层瓦斯透气性显著提高；最后，高压水润湿了煤 体，可降低煤体中残存瓦斯的解吸速率，起到抑制瓦斯涌出作用。[0048] 第二为水力冲孔对软煤的作用。水力喷射过程中，软煤部分冲击到钻孔与喷射管 环空处，由于喷射速度大于软煤喷出孔速度，环空处的软煤不断的填充、压实，起到了封孔 的效果，本孔只有微量出水，起到了封孔压裂煤层的作用。[0049] 可以通过两种作业方式使用矿用水力作业机实现水力喷射压裂：方式一：当钻孔施工完成之后，水力喷射喷头及喷嘴此时接近孔底，可向孔外方向拉动 水力喷射喷头及喷嘴，每隔一定距离(如IOm)进行低强度较短时间的喷射(可通过高压水泵 调节注入流量及压力)，以不使连续油管难以拔出为好，通过水力喷射，在孔内内产生较为 均匀的射流裂缝。在接近孔口使，加大喷射的流量及压力，使孔内煤、岩粉由于流动速度没 有射流返水速度快而堆积在孔口，封堵住连续油管与钻孔孔壁之间的空隙，此时，进行水力 压裂可较为均匀的开启、延伸、沟通裂缝，在较大范围之内增大煤层的透气性系数，提高抽 米效率。[0050] 方式二 ：当钻孔施工完成后，连续油管每向孔口移动一定距离，便进行一次高压大 排量的水力喷射压裂，直至孔口。[0051] 方式一和二均可以实现煤层钻孔的均匀、定点起裂，但由于方式二在实际操作过 程中，每退向孔口一次进行压裂，则对其前端的裂缝又进行了一次压裂，这样尽管能够造成 更大的裂缝，但由于损失了一定的水流量，在进行本段的水力喷射压裂时可能造缝效果与 理想效果偏差较大。[0052] 在硬煤中，水力吞吐压裂使钻孔有效地连通了割理、裂隙，并经过不断的注入压裂 液，排除水煤渣，在钻孔周围形成洞穴，使煤储层所受的应力得到释放、应力场重新分布，作 用在洞穴上的应力发生了改变，它被部分转移到洞穴的壁面以外，在煤层中形成了指向洞 穴的单向负荷，引起煤体因缺乏支撑而向洞穴中移动。这种影响向煤层内不断延续，可以扩 展到洞穴周围一定范围内，有效的开启、延伸、沟通了裂隙，形成较大范围之内的体积改造。 吞吐压裂增透在形成钻孔洞穴的同时形成4类裂隙：径向引张裂隙、周缘引张裂隙、剪切裂 隙和转向裂隙。[0053] 在软煤中，软煤自身的力学性质决定其不可压裂，通过吞吐压裂，可在软煤层中形 成洞穴，起到卸压的作用。洞穴形成一定空间之后，不能够继续扩展，此时，洞穴内压裂流 体压力逐渐增大，压实洞穴周边煤体，形成坚硬、低孔隙度、高应力的压实带，使瓦斯不能快 速运移产出。当形成压实带之后，注入的压裂液难以在煤层中继续流动，出现挤胀与穿刺现象。[0054] 通过使用水力喷射装备，变排量对钻孔长度内的任意位置实施吞吐压裂，使吞吐 压裂钻孔空间范围增大，更有利于钻孔裂缝的均匀开启及卸压，同时，避免了以往吞吐压裂 时复杂的封孔工艺，节约了封孔管，节省了时间，创造了效益。[0055] 在钻孔钻进、增透、修复过程中，矿用水力作业机工作时所需的注入压力及流量的 控制，主要是受以下因素的影响：地层压力大小、煤体结构和煤体抗压强度。[0056] 地层压力大小在使用矿用水力化作业机进行钻进、增透时，由于是在井下进行作业，因此，其所需压 力受到上覆地层压力影响，喷嘴出口压力可以由以下公式进行确定：

其中Pf——为钻进、增透的破裂压力，MPa ；

其中'7-t——上覆岩石比重； h—岩石厚度；Pi——岩石的抗拉强度，MPa,取2MPa ；ft—管道及连续油管摩阻，MPa，一般为管内压力的20%。[0057] 煤体结构煤体结构直接影响钻孔修复时所需的瓦斯压力及流量，根据我国煤层地质特征，将煤体结构分为4种类型，其中，I1、II1、IV类煤，由于其煤体结构松软，f值较小。[0058] 对于I类煤进行钻孔修复作业时，要采集作业区域煤样，测试其力学强度或f值， 根据测试值的大小，选择合适的注入压力。注入流量由注水泵的能力决定，在保持压力的情况下，结合破煤量及返排速度，确定合适的注入速度(注入量）；对于I1、II1、IV类煤进行钻孔修复作业时，对这类煤体的钻孔进行修复作业时，所需注入压力不易太大，能够起到冲刷软煤的作用即可，由于软煤颗粒较小，不存在单个颗粒堵塞钻孔的可能性，所需注入流量较大，能够使冲刷的软煤及时的返排出孔外，否则，软煤返排不及时，堆积容易堵塞钻孔，使水力化作业机的连续油管卡在孔内，难以起到钻孔修复的目的。[0059] 表I煤体结构4类划分法

3.煤体抗压强度岩石的力学性质是指岩石的变形性质，如弹性、塑性、脆性、任性及蠕变性，以及岩石的强度性质，即岩石对压、拉、弯、剪等外力的抵抗能力。在生产实践中，一般用一个综合性的指标“坚固性系数f”来表示岩石破坏的难易程度，通常称f为普氏岩石坚固性系数。式中：R——岩石的单轴抗压强度，MPa。根据f指数的大小，将岩石分为10级15种。[0061] 表2岩石强度分级表

在无法使用观察手段进行煤体结构判断时，可采集煤样，根据测试条件直接测试其f 值，或通过测试R值计算f值，之后，根据f值的大小判断煤体结构，根据判断类型，按照煤体结构确定注入水量及压力，进行钻孔修复作业。[0062] 对于钻孔钻进，需要测试或计算其R值，上覆地层压力与抗压强度之和可以作为水力化作业机钻进时所需的注入压力。[0063] 注入压力、流量的确定注入泵：矿用水力化作业机根据工矿需要，具有不同的注入压力、流量等型号，注入泵的最高压力及流量的大小直接决定了水力化作业机的使用条件，因此，在选择作业机时，要根据现场实际情况，选取合适型号的矿用水力化作业机。[0064] 挠性钢管：目前，水力化作业机使用的主要输送管路为连续油管，经前期实验室试验，内径为12mm的连续油管，在注入水量为200L/min，管路损失压力为5Mpa/100m，内径为 16mm的连续油管，在注入水量为200 L /min，管路损失压力为4Mpa/100m。[0065] 喷嘴：根据钻孔钻进、增透、修复所需的注入压力，最终使用喷嘴实现，根据喷嘴孔径的大小、数目，确定注入压力。[0066] 计算方法：在喷嘴出口面内外两点之间应用伯努利方程，忽略两点之间的高度差， 可得以下关系式：

式中：丹，朽——喷嘴内外静压力；vI，——喷嘴内外流体平均流速。[0067] 两点之间的连续方程可得：

喷嘴流道为圆管形结构，即可得：

由于

可得射流简化表达式：

据上式，根据水射流所需压力，即可进行流量的计算。