一种煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置及方法与流程

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种煤矿井下煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置及方法。

背景技术：

煤层气，又被称为“煤矿瓦斯”，是存在于煤层和煤系地层的烃类气体，主要成分为甲烷，是煤的伴生矿产资源。当其在空气中浓度达到5％-16％时，遇明火会爆炸，曾是煤矿安全生产的主要威胁之一。另一方面，煤层气是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。1立方米煤层气大约相当于9.5度电、1.13千克汽油、1.21千克标准煤。煤层气的热值是通用煤的2至5倍，燃烧后几乎不产生任何废气，是当之无愧的“优质”清洁能源。而随着人类对其认识的逐步深入，它被从地下大规模开采出来，不仅有效保障了矿工等地下作业人员的生命安全，而且通过管道进入城市、工厂和乡村，成为人们生产生活中常见的清洁能源之一。

煤层气资源目前主要有两种开发方式：一是地面钻井开采；二是井下抽采。地面钻井开采是先采气后采煤，为利用煤层气创造前提，也有利于改善煤矿的安全生产条件。井下抽采是先采煤后采气，或者边采煤边采气，抽采的煤层气绝大部分进入地面煤层气集输管网，可实施煤层气发电或深冷液化，进而实现气藏资源的开发利用。由于我国煤层地质条件较为复杂，因而施工大量的地面钻井实施煤层气开发受到限制，目前我国煤层气的开发仍以井下抽采为主。但由于我国大多数的高瓦斯或者煤与瓦斯突出矿井煤层属低透松软煤层，因而透气性较差，且在煤层内施工的钻孔易发生塌孔，致使抽采效果较差。目前，虽有井下水力压裂或者高压水力割缝的措施用以提高煤层的透气性，增加钻孔的抽采瓦斯量，但随着抽采作业的进行，瓦斯抽采钻孔易发生塌孔，从而堵塞了瓦斯在钻孔内的流动通道，降低了抽采瓦斯效果。

因此，为了增加煤矿井下瓦斯抽采量，降低煤矿瓦斯灾害的威胁程度，保障高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井的安全生产，亟需一种有效的抽采瓦斯的装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿井下煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置及方法，用于解决煤矿井下实施水力割缝增加煤层透气性后，钻孔易坍塌，降低瓦斯抽采效果的难题，实现提高煤层透气性，防止煤矿井下瓦斯抽采钻孔坍塌的双重技术效益，为增加煤矿井下瓦斯抽采量，降低煤矿瓦斯灾害的威胁程度，保障高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井的安全生产提供技术手段。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置，包括钻杆(10)、高压水流动外管(11)、专用钻头(9)、钻杆连接装置(2)、钻杆尾部切换装置(4)、高压水管(5)、柔性筛管(8)和固定装置(13)；

所述专用钻头(9)与所述钻杆(10)采用螺纹连接，所述钻杆(10)连接钻机(1)，通过开启钻机(1)，钻进至预定的深度；

所述钻杆连接装置(2)和钻杆尾部切换装置(4)均设置在钻杆(10)上；所述钻杆(10)为双层结构，其内管与钻杆(10)的环形空间构成所述高压水流动外管(11)，且内管与钻杆(10)为嵌入式结构；所述钻杆(10)的内管与钻杆连接装置(2)连接，钻杆尾部切换装置(4)与柔性筛管(8)或高压水管(5)连接；

所述柔性筛管(8)与所述固定装置(13)连接，使得在退钻，切割煤体的过程中，不发生移动。

进一步，所述高压水管(5)一端连接至钻杆尾部切换装置(4)，另一端依次连接高压泵站(6)和软化水池(7)。

进一步，所述钻杆尾部切换装置(4)为三通结构，一端与钻杆连接装置(2)连接，另外两端分别与柔性筛管(8)或高压水管(5)连接。

进一步，所述柔性筛管(8)上开设有筛孔(12)，其作用在于发生塌孔时，为瓦斯的流动提供通道。

进一步，所述固定装置(13)包括有悬挂翼片，具有缩放功能；当固定装置(13)在钻杆内管内壁时，处于收缩状态；当送至钻孔底部时，悬挂翼片张开并楔入孔壁内，通过悬挂翼片的支撑定位，柔性筛管(8)则留在孔内，为瓦斯流动提供通道。

进一步，所述专用钻头(9)分为两种高压水射流割缝时使用的专用钻头，一种为第一次割缝时使用的专用钻头；另一种为第二次割缝时使用的专用钻头；所述两种专用钻头均布置有割缝口，割缝口的轴心方向与钻杆的轴向方向呈一定夹角；从所述第一次割缝时使用的专用钻头喷出的高压水流方向在钻头前方，从所述第二次割缝时使用的专用钻头喷出的高压水流方向在钻头后方。

进一步，适用于所述煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置的抽采瓦斯方法，具体包括以下步骤：

s1：将第一次高压水射流割缝时使用的专用钻头(9)与钻杆(10)连接，并开启钻机(1)，钻进至预定的深度；

s2：待钻进至预定的深度后，停止钻进；然后，开启高压泵站(6)，使软化水池(7)内的清水经由高压水管(5)进入至高压水流动外管(11)；

s3：清水进入高压水流动外管(11)，运移至专用钻头(9)上的割缝口，在压力的作用下，喷射出割缝口，形成高压水射流切割煤体；

s4：在开启高压泵站(6)后，随即开启钻机(1)，退钻；并使钻杆(10)与专用钻头(9)旋转，实现对煤体的环形切割；

s5：待钻杆退出长度达1根钻杆的长度时，关闭钻机(1)与高压泵站(6)；然后卸下退出的第一根钻杆；

s6：重复步骤s4～s5，直至卸下最后一根钻杆；

s7：更换专用钻头(9)为第二次割缝时使用的专用钻头，使其与钻杆(10)连接，并将专用钻头送至钻孔底部；

s8：将柔性筛管(8)经由钻杆尾部切换装置(4)，送至钻孔底部；然后开启钻机(1)，使钻杆(10)与专用钻头(9)旋转，柔性筛管(8)在外力的作用下，固定在钻孔底部；

s9：重复步骤s4～s5，直至卸下最后一根钻杆；

s10：将抽采管送至钻孔内，然后对钻孔进行封堵；封堵完毕后，将抽采管与井下的抽采管网并网接抽。

s11：若煤层极为松软，则可只进行一次割缝，无需更换专用钻头；在完成s1后，随即进行s8、s4、s5。

本发明的有益效果在于：本发明可实现煤矿井下高压水力割缝增透作业与下放筛管的联动作业，进而提高矿井瓦斯抽采效果。本发明与以往的实验方法相比具有以下优点：

(1)本发明可实现二次高压水力割缝，使得煤体内形成纵横交错的缝隙，煤体的暴露面积，进一步提高煤体的割缝效果；

(2)本发明可实现煤体的高压水力割缝与下放筛管作业的同步进行，在煤体内实施第二次水力割缝的过程中，下放筛管作业同时进行，且二者互不干扰；第二次水力割缝作业完毕后，下放筛管作业随即完成，工艺简单；

(3)本发明可使得在钻孔并网抽采瓦斯的过程中，避免因钻孔坍塌而造成堵塞瓦斯在钻孔内的流动通道。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述抽采瓦斯装置的结构示意图；

图2为钻杆与专用钻头的连接示意图；

图3为柔性软管与固定装置的连接示意图；

图4为本发明所述抽采瓦斯方法的流程示意图；

附图标记：1-钻机；2-钻杆连接装置；3-煤层；4-钻杆尾部切换装置；5-高压水管；6-高压泵站；7-软化水池；8-柔性筛管；9-专用钻头；10-钻杆；11-高压水流动外管；12-筛孔；13-固定装置；14-内管。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的煤岩吸附气体量、变形与孔隙率的同步测定方法及装置，用于测定煤样在吸附瓦斯的过程中，在不同吸附平衡瓦斯压力条件下的吸附瓦斯量、变形与孔隙率，包括钻机、钻杆连接装置、煤层、钻杆尾部切换装置、高压水管、高压泵站、软化水池、柔性筛管、专用钻头、钻杆、高压水流动外管、筛孔、固定装置。

如图1～3所示，本发明所述的煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置，包括钻杆10、高压水流动外管11、专用钻头9、钻杆连接装置2、钻杆尾部切换装置4、高压水管5、柔性筛管8和固定装置13；专用钻头9与钻杆10采用螺纹连接，所述钻杆10连接钻机1，通过开启钻机1，钻进至预定的深度；钻杆连接装置2和钻杆尾部切换装置4均设置在钻杆10上；所述钻杆10为双层结构，其内管与钻杆10的环形空间构成所述高压水流动外管11，且内管与钻杆10为嵌入式结构；所述钻杆10的内管与钻杆连接装置2连接，钻杆尾部切换装置4与柔性筛管8或高压水管5连接；柔性筛管8与所述固定装置13连接，使得在退钻，切割煤体的过程中，不发生移动。高压水管5一端连接至钻杆尾部切换装置4，另一端依次连接高压泵站6和软化水池7。钻杆尾部切换装置4为三通结构，一端与钻杆连接装置2连接，另外两端分别与柔性筛管8或高压水管5连接。柔性筛管8上开设有筛孔12，其作用在于发生塌孔时，为瓦斯的流动提供通道。固定装置13包括有悬挂翼片，具有缩放功能；当固定装置13在钻杆内管内壁时，处于收缩状态；当送至钻孔底部时，悬挂翼片张开并楔入孔壁内，通过悬挂翼片的支撑定位，柔性筛管8则留在孔内，为瓦斯流动提供通道。

专用钻头9分为两种高压水射流割缝时使用的专用钻头，一种为第一次割缝时使用的专用钻头；另一种为第二次割缝时使用的专用钻头；所述两种专用钻头均布置有割缝口，割缝口的轴心方向与钻杆的轴向方向呈一定夹角；从所述第一次割缝时使用的专用钻头喷出的高压水流方向在钻头前方，从所述第二次割缝时使用的专用钻头喷出的高压水流方向在钻头后方。

如图4所示，本发明所述的煤层水力割缝与下筛管联动的抽采瓦斯装置的抽采瓦斯方法，具体包括以下步骤：

s1：将第一次高压水射流割缝时使用的专用钻头9与钻杆10连接，并开启钻机1，钻进至预定的深度；

s2：待钻进至预定的深度后，停止钻进；然后，开启高压泵站6，使软化水池7内的清水经由高压水管5进入至高压水流动外管11；

s3：清水进入高压水流动外管11，运移至专用钻头9上的割缝口，在压力的作用下，喷射出割缝口，形成高压水射流切割煤体；

s4：在开启高压泵站6后，随即开启钻机1，退钻；并使钻杆10与专用钻头9旋转，实现对煤体的环形切割；

s5：待钻杆退出长度达1根钻杆的长度时，关闭钻机1与高压泵站6；然后卸下退出的第一根钻杆；

s6：重复步骤s4～s5，直至卸下最后一根钻杆；

s7：更换专用钻头9为第二次割缝时使用的专用钻头，使其与钻杆10连接，并将专用钻头送至钻孔底部；

s8：将柔性筛管8经由钻杆尾部切换装置4，送至钻孔底部；然后开启钻机1，使钻杆10与专用钻头9旋转，柔性筛管8在外力的作用下，固定在钻孔底部；

s9：重复步骤s4～s5，直至卸下最后一根钻杆；

s10：将抽采管送至钻孔内，然后对钻孔进行封堵；封堵完毕后，将抽采管与井下的抽采管网并网接抽。

s11：若煤层极为松软，则可只进行一次割缝，无需更换专用钻头；在完成s1后，随即进行s8、s4、s5。

所述步骤s1中的将专用钻头9与钻杆10连接，具体包括：

1)专用钻头9与钻杆10采用螺纹连接。所述专用钻头9分为两种，一种为第一次割缝时使用的专用钻头；另一种为第二次割缝时使用的专用钻头。

2)钻杆10为双层结构，内管14与钻杆10的环形空间为高压水流动外管11，且内管与钻杆10为嵌入式结构。

3)钻进时，钻杆10的内管14与钻杆连接装置2连接，钻杆尾部切换装置4与煤矿井下压风或水管连接，用以对钻进过程中产生的钻屑进行排放；所述钻杆尾部切换装置4为三通结构，一端与钻杆连接装置2相通，另外两端分别与煤矿井下压风或水管，高压水管相连接。

4)随着钻进的进行，可随时关闭钻机2，将钻杆10与钻杆连接装置2相连接，实现钻进作业的持续。

所述步骤s2中的开启高压泵站6，使软化水池7内的清水经由高压水管5进入至高压水流动外管11，具体包括：

1)软化水池7可对水进行软化；

2)高压泵站6使得经由软化水池7处理的清水压力增加，并依次通过高压水管5、钻杆尾部切换装置4、钻杆连接装置2进入至钻杆10内部的高压水流动外管11。

所述步骤s3中的清水进入高压水流动外管11，运移至专用钻头9上的割缝口，在压力的作用下，喷射出割缝口，形成高压水射流切割煤体，具体包括：

1)所述专用钻头9上的割缝口为缩口状，且清水在高压泵站6的作用下，喷射出割缝口，形成高压水射流对煤体实施切割；所述高压水射流与钻杆的轴向方向呈一定的夹角；

2)高压水射流对煤体实施切割后，在煤体内部形成一定深度与宽度的缝隙，增大了瓦斯在钻孔周围煤体内流动的面积，使得钻孔周围煤体内的透气性增加，进而可提高钻孔抽采瓦斯量，快速降低煤体的瓦斯含量，增强瓦斯抽采的效果。

所述步骤s4中的在开启高压本站6后，随即开启钻机1，退钻；并使钻杆10与专用钻头9旋转，则可实现对煤体的环形切割，具体包括：

1)开启钻机1，则钻杆10与专用钻头9可在退钻的过程中旋转；

2)退钻的过程中，随着钻杆10与专用钻头9的旋转，则割缝口喷射出的高压水射流使得煤体形成圆台状的缝隙。

所述步骤s7中更换专用钻头9，使专用钻头9与钻杆10连接，并将专用钻头9送至钻孔底部，具体包括：

1)更换专用钻头9，所述更换的专用钻头9与第一次割缝时采用的钻头不同之处在于，割缝口的位置；所述割缝口的位置可使得高压水射流的割缝方向为钻头后方，且与专用钻头9及钻杆10的轴向呈一定的夹角；

2)将更换的专用钻头9与钻杆10连接，并不断接入钻杆10，最终使得专用钻头9达到钻进时的孔底处。

所述步骤s8中将柔性筛管8经由钻杆尾部切换装置4，送至钻孔底部；而后开启钻机，使钻杆10与专用钻头9旋转，柔性筛管8在外力的作用下，固定在钻孔底部，具体包括：

1)所述柔性筛管8与固定装置13连接，柔性筛管8上开设有筛孔12，其作用在于发生塌孔时，为瓦斯的流动提供通道；所述固定装置13由于钻杆内管内壁的限位而处于收缩状态，当送至钻孔孔底时，固定装置13伸出，其中固定装置13的悬挂翼片便可以张开并楔入孔壁内，通过悬挂翼片的支撑定位，柔性筛管8则留在孔内，起到为瓦斯流动提供通道的作用。

2)柔性筛管8与固定装置13相结合，使得在退钻，切割煤体的过程中，不发生移动。

所述步骤s10中将抽采管送至钻孔内，而后对钻孔进行封堵；封堵完毕后，即可将抽采管与井下的抽采管网并网接抽，具体包括：

1)所述抽采管的内径大于柔性筛管8的外径，且小于钻孔的直径，故抽采管与钻孔内壁之间存在环形空间。

2)所述对钻孔进行封堵具体为，将聚氨酯溶液倒入在棉纱上，而后将棉纱放入到抽采管与钻孔内壁之间存在环形空间内，待其充分反应、固化后，则将抽采管通过蛇形管或其他联管装置与煤矿井下瓦斯抽采管道相连接，而后并网接抽。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。