专利名称：低渗煤层瓦斯抽采设备及方法
技术领域：
本发明涉及低渗煤层瓦斯抽采设备及方法。
背景技术：
煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的重要的灾害之一。瓦斯压力是煤与瓦斯突出的 重要条件之一，而瓦斯含量的多少直接影响着瓦斯压力的大小。为了解决煤矿瓦斯带来的 诸多危害，国内外瓦斯治理工作者经过多年的理论和实践探索，主要采取了开采保护层、密 集钻孔、高负压抽放、煤层注水、超前注水、松动爆破、水力冲孔、水力冲刷、金属骨架、水力 挤出、水力压裂等方法进行了瓦斯抽放，同时辅助瓦斯通风系统，使煤与瓦斯突出事故大大 减少，但我国煤储层大多“低压、低渗”，这样的特点不仅使瓦斯抽放半径小、钻孔间距小、密 度大、工程量大大增加，煤矿掘进速度远远低于采煤速度，严重影响着煤矿生产；同时，由于 煤层低渗，瓦斯抽采浓度低、瓦斯利用率低。尤其对于松软煤层，虽采取各种储层激励措施， 但效果往往不甚理想。究其原因，除了煤储层本身原因外，工艺技术与煤储层的不完全匹配 也是造成抽放效果差的主要原因。松软煤层强度低、易碎等特点决定了采取传统的水力挤 出、水力压裂等方法只会让煤颗粒移动，而不能在煤中形成有效的裂隙通道，如何使煤层中 的应力释放，使松软煤层的裂隙张开，建立瓦斯与外界的一条高速通道是提高瓦斯抽放效 率、加大钻孔间距、减少钻孔工程量、减少瓦斯突出事故、采掘衔接更紧密、煤炭产量提高的 关键。
发明内容
本发明的目的是针对瓦斯预抽过程中，煤储层透气性差、钻孔间距小、预抽瓦斯效 果差等问题，通过振动和水力射流一起作用，使煤储层应力得到有效释放，提高煤储层导流 能力、减少钻孔工程量、提高采煤速度、降低成本的低渗煤层瓦斯抽采设备及方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种低渗煤层瓦斯抽采设备，包括空 心的钻杆，钻杆末端通过管路连接高压水泵，高压水泵连通水箱，钻杆杆身间隔设置喷嘴， 钻杆内设置振动器。所述振动器包括由电机通过转轴带动的偏心块，电机位于钻杆外。所述偏心块横截面为扇形、轴向剖面为梯形且梯形小端朝向钻杆前端，偏心块的 圆心处焊接于转轴上，偏心块外圈的钻杆部分径向截面也对应偏心块为梯形状，在钻杆梯 形部分外圈沿周圈间隔设置卡孔楔块，相邻卡孔楔块之间通过弹簧连接，每个卡孔楔块与 钻杆梯形部分均为螺纹连接，所述卡孔楔块横截面均为圆弧形，卡孔楔块与钻杆螺纹连接 的内壁为与钻杆梯形部分相适配的梯形。所述振动器沿钻杆长度方向间隔设置，偏心块均通过与电机连接的转轴带动；偏 心块两端的钻杆内固设有两均带通水孔的定位件。所述偏心块横截面呈扇形状，钻杆内偏心块的外圈套设有钢管；所述定位件包括 位于钢管两端外固设于钻杆内壁的竖直钢板，两竖直钢板固设有轴承，转轴装配于轴承上，两钢板上均设有位于钢管外的透水孔。所述管路包括高压软管，从高压水泵至钻杆末端的高压软管上依次设置控制阀、流量计。所述钻杆前端和钻杆末端均设有密封装置，所述密闭装置包括垂直交叉固设于钻 杆末端的两钢筋，两钢筋朝向钻杆内的里侧设有中间夹设橡胶板的两钢板，两钢板螺栓连 接，橡胶板直径大于钻杆前端和钻杆末端的开口处直径；所述转轴、高压软管均穿插过钻杆 末端的密封装置，且钻杆末端设置压力传感器。所述卡孔楔块的周圈设有径向倾斜延伸的钢筋。使用上述低渗煤层瓦斯抽采设备进行瓦斯抽采的方法，先设置低渗煤层瓦斯抽采 设备，将所述钻杆送入钻孔，水箱内注水，根据煤体结构选择是否开启振动器，若为软煤层 可先开启振动器振动煤层，然后通过高压水泵将高压水送到钻杆并通过喷嘴喷射煤层；若 为硬煤层，则开启高压水泵，高压水泵将水送入钻杆并从钻杆的喷嘴作用到煤层，或者可进 行水射流同时开启振动器振动煤层。所述振动器包括由电机通过转轴带动的偏心块，电机位于钻杆外；所述偏心块横 截面为扇形、轴向剖面为梯形且梯形小端朝向钻杆的前端，偏心块外圈的钻杆部分径向截 面也对应为梯形状，在钻杆梯形部分外圈沿周圈间隔设置卡孔楔块，相邻卡孔楔块之间通 过弹簧连接，每个卡孔楔块与钻杆梯形部分均为螺纹连接，所述卡孔楔块横截面均为圆弧 形，卡孔楔块的与钻杆螺纹连接的内壁为与钻杆梯形部分相适配的梯形；当需开启振动器 时，先在卡孔楔块周圈设置径向倾斜延伸的钢筋，钢筋插入煤体，这时通过旋转钻杆，钻杆 向煤层内移动的同时，卡孔楔块在钻杆梯形部分上向钻杆末端的方向移动，各卡孔楔块向 外扩散直到与煤壁接触为止，然后开启电机带动整个振动器振动。本发明所述的低渗煤层瓦斯抽采设备主要包括振动系统、高压水力射流系统、数 据采集系统。其中振动系统包括电动机、转轴、振动器、卡孔楔块等部件组成，其中偏心块做 成长度较长且呈梯形状，使其不仅能在径向上振动，而且也能在轴向振动。振动系统主要是 通过振动器进行振动，使煤层松动，引起应力释放；振动器的功率应根据煤体破坏程度来选 择，当煤体比较破碎时，功率可以小点。但当煤体难以破坏时，应选择大功率的，进而达到破 煤的目的。偏心块应选择密度较大的材料做成。水力射流系统主要有高压水泵、水箱、控制阀、流量计、压力表、高压软管、喷嘴等 部件组成；高压水力射流系统主要是通过钻杆对煤层进行高压水力射流作业，高压水流冲 击煤层成孔，射孔后水再通过煤层与钻杆之间的环空流出，当经过振动器时，通过卡孔楔块 之间的弹簧处流出。通过高压水泵、高压管路及钻杆组成一密闭系统，在钻杆一定间距内开 一定数量、一定直径的孔，通过调节控制阀来调节钻杆内的压力和流量，把水加压后压入钻 杆里，通过钻杆上的喷嘴喷射煤层达到使煤体破裂的目的。为避免高压水流对振动器的干 扰，水流经过振动器时，水流从梯形钢管两端的竖直钢板上开设的透水孔流出，经过梯形钢 管与钻杆之间，梯形钢管对偏心块起到密封的作用。数据采集系统主要由压力传感器、电线等组成。数据采集系统主要是对现场各种 数据进行记录，对施工过程中的压力值、流量值等进行记录。钻杆前端和末端的密封装置能 够很好的阻止高压水从钻杆两端部流出。本发明可以对低渗、松软煤层、或硬煤层进行应力释放，使瓦斯运移的通道更畅通，大大提高了瓦斯抽采效果。本发明使钻孔瓦斯抽放间距大大增加，减少了钻孔工程量，节省了工程成本，减少 了瓦斯突出事故，提高了采煤速度。
图1是本发明低渗煤层瓦斯抽采设备的结构示意图； 图2是图1中的A-A视图3是图1的B向视图。
具体实施例方式实施例1
由图1-图3所示的一种低渗煤层瓦斯抽采设备，包括空心的钻杆6，钻杆末端23通过 管路连接高压水泵12，高压水泵12连通水箱15，管路包括高压软管2，从高压水泵12至钻 杆末端23的高压软管2上依次设置控制阀4、流量计1。钻杆6杆身间隔设置喷嘴7，钻杆 6内设置振动器，振动器包括由电机13通过转轴带动的偏心块9，电机13位于钻杆6外，所 述偏心块9的轴向剖面为梯形且小端朝向钻杆6的前端M，偏心块9横截面呈45°扇形状， 偏心块9外圈的钻杆部分径向截面也对应偏心块9为梯形状，在钻杆6梯形部分外圈沿周 圈间隔设置卡孔楔块10，相邻卡孔楔块10之间通过弹簧19连接，每个卡孔楔块10与钻杆 梯形部分均为螺纹连接，所述卡孔楔块10横截面均为圆弧形，卡孔楔块10的与钻杆6螺纹 连接的内壁为与钻杆6梯形部分相适配的梯形。卡孔楔块10的周圈设有径向倾斜延伸的 钢筋14。振动器沿钻杆6长度方向间隔设置，并且带动偏心块9均通过与电机13连接的 转轴8带动，偏心块9的圆心处焊接于转轴8上。偏心块9两端的钻孔内固设有两均带通 水孔的定位件。钻杆6内偏心块9的外圈套设有梯形钢管16 ；所述定位件包括位于钢管16 两端外固设于钻杆6内壁的竖直钢板11，两竖直钢板11固设有轴承22，转轴8装配于轴承 22上，两钢板11上均设有位于钢管16外的透水孔25。所述钻杆6用于连接钻头的前端M 和钻杆末端23均设有密封装置21，所述密封装置21包括垂直交叉固设于钻杆末端23的两 钢筋20，两钢筋20朝向钻杆6内的里侧设有中间夹设橡胶板17的两钢板18，两钢板18螺 栓连接，橡胶板17直径大于钻杆前端M和钻杆末端23的开口处直径；所述转轴8、高压软 管2均穿插过钻杆末端23的密封装置21，钻杆末端23外的入口处设置用于固定支撑转轴 8、高压软管2的支架5，钻杆末端23设置压力传感器3。由图1-图3所示的本实施例中， 振动器设置两个，分别由两个电机13通过两转轴带动转轴8转动。当然，本发明不拘泥于 上述形式，振动器可沿钻杆6延伸方向间隔设置多个，也可通过一个电机13通过一个转轴 8串联带动多个振动器。所述转轴8可为硬轴或者软轴或者弹簧式转动轴。实施例2:
低渗煤层瓦斯抽采方法是在实施例1所述的低渗煤层瓦斯抽采设备基础上实现的。先 设置如实施例1所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，将所述钻杆6送入钻孔，水箱15内注水，根 据煤体结构选择是否开启振动器，若为软煤层可先开启振动器振动煤层，然后通过高压水 泵12将高压水送到钻杆6并通过喷嘴7喷射煤层；若为硬煤层，则开启高压水泵12，高压 水泵将水送入钻杆6并从钻杆6的喷嘴7作用到煤层，或者可进行水射流同时开启振动器振动煤层。开启振动器时，先在卡孔楔块10周圈设置径向倾斜延伸的钢筋14，钢筋14插 入煤体，这时通过旋转钻杆6，钻杆6向煤层内移动的同时，卡孔楔块10在钻杆6梯形部分 上向钻杆末端23的方向移动，各卡孔楔块10向外扩散直到与煤壁接触为止，然后开启电机 13带动整个振动器振动。通过调节控制阀4来调节钻杆6内的压力和流量，压力传感器3 与用来测量钻杆6内高压水压力。具体施工步骤如下
1)把各种设备运移到井下前进行检验，确保高压水泵12能满足正常工作所需的压力 和流量；确保高压管路、水箱15及高压水泵12之间密闭完好。2)运移各种施工设备到施工作业地点。3)结合煤层空间展布、构造发育情况、现场施工条件等确定钻孔参数(开钻位置、 钻孔倾角、方位角、孔深、孔径等)并打钻。4)确保井下水、电能满足施工作业要求，连接作业设备(高压水泵12、水箱15、特 制钻杆6、高压管路、压力表、阀门、流量计1、压力传感器3等)。6)往水箱15注水，确保水箱15中水能满足施工过程中供水要求。7)根据煤体结构选择是否开启振动器，若需开启通过卡孔楔块10使其与煤壁接 触，如不需开启则不必调节卡孔楔块10，然后开启高压水泵12以及振动器。卡孔楔块10调 节方法如下先在卡孔楔块10周圈设置径向倾斜延伸的钢筋14，钢筋14插入煤体，这时通 过旋转钻杆6，钻杆6向煤层内移动的同时，卡孔楔块10在钻杆6梯形部分上向钻杆末端 23的方向移动，各卡孔楔块20向外扩散直到与煤壁接触为止。8)按施工设计程序进行施工，并按时间记录压力变化值、流量变化值、瓦斯浓度值。9)当达到设计时，停泵。10)移动钻杆6，继续重复前面操作，直到距孔口一定距离。11)拆除设备，进行洗孔前准备工作，用桩基+铁丝固定高压软管2。12)把高压软管2尽量送到孔底，根据出煤粉情况逐次加压，边洗边抽高压软管2， 直到洗完整个钻孔。
权利要求
1.一种低渗煤层瓦斯抽采设备，包括空心的钻杆，钻杆末端通过管路连接高压水泵，高 压水泵连通水箱，钻杆杆身间隔设置喷嘴，其特征在于钻杆内设置振动器。
2.如权利要求1所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述振动器包括由电机 通过转轴带动的偏心块，电机位于钻杆外。
3.如权利要求2所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述偏心块横截面为扇 形、轴向剖面为梯形且梯形小端朝向钻杆前端，偏心块的圆心处焊接于转轴上，偏心块外圈 的钻杆部分径向截面也对应偏心块为梯形状，在钻杆梯形部分外圈沿周圈间隔设置卡孔楔 块，相邻卡孔楔块之间通过弹簧连接，每个卡孔楔块与钻杆梯形部分均为螺纹连接，所述卡 孔楔块横截面均为圆弧形，卡孔楔块与钻杆螺纹连接的内壁为与钻杆梯形部分相适配的梯 形。
4.如权利要求3所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述振动器沿钻杆长度 方向间隔设置，偏心块均通过与电机连接的转轴带动；偏心块两端的钻杆内固设有两均带 通水孔的定位件。
5.如权利要求4所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述偏心块横截面呈扇 形状，钻杆内偏心块的外圈套设有钢管；所述定位件包括位于钢管两端外固设于钻杆内壁 的竖直钢板，两竖直钢板固设有轴承，转轴装配于轴承上，两钢板上均设有位于钢管外的透 水孔。
6.如权利要求5所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述管路包括高压软管， 从高压水泵至钻杆末端的高压软管上依次设置控制阀、流量计。
7.如权利要求6所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述钻杆前端和钻杆末 端均设有密封装置，所述密闭装置包括垂直交叉固设于钻杆末端的两钢筋，两钢筋朝向钻 杆内的里侧设有中间夹设橡胶板的两钢板，两钢板螺栓连接，橡胶板直径大于钻杆前端和 钻杆末端的开口处直径；所述转轴、高压软管均穿插过钻杆末端的密封装置，且钻杆末端设 置压力传感器。
8.如权利要求7所述的低渗煤层瓦斯抽采设备，其特征在于所述卡孔楔块的周圈设 有径向倾斜延伸的钢筋。
9.使用权1-8任一项所述的低渗煤层瓦斯抽采设备进行瓦斯抽采的方法，其特征在 于先设置低渗煤层瓦斯抽采设备，将所述钻杆送入钻孔，水箱内注水，根据煤体结构选择 是否开启振动器，若为软煤层可先开启振动器振动煤层，然后通过高压水泵将高压水送到 钻杆并通过喷嘴喷射煤层；若为硬煤层，则开启高压水泵，高压水泵将水送入钻杆并从钻杆 的喷嘴作用到煤层，或者可进行水射流同时开启振动器振动煤层。
10.如权利要求9所述的低渗煤层瓦斯抽采方法，其特征在于所述振动器包括由电机 通过转轴带动的偏心块，电机位于钻杆外；所述偏心块横截面为扇形、轴向剖面为梯形且梯 形小端朝向钻杆的前端，偏心块外圈的钻杆部分径向截面也对应为梯形状，在钻杆梯形部 分外圈沿周圈间隔设置卡孔楔块，相邻卡孔楔块之间通过弹簧连接，每个卡孔楔块与钻杆 梯形部分均为螺纹连接，所述卡孔楔块横截面均为圆弧形，卡孔楔块的与钻杆螺纹连接的 内壁为与钻杆梯形部分相适配的梯形；当需开启振动器时，先在卡孔楔块周圈设置径向倾 斜延伸的钢筋，钢筋插入煤体，这时通过旋转钻杆，钻杆向煤层内移动的同时，卡孔楔块在 钻杆梯形部分上向钻杆末端的方向移动，各卡孔楔块向外扩散直到与煤壁接触为止，然后开启电机带动整个振动器振动。
全文摘要
本发明公开了一种低渗煤层瓦斯抽采设备及方法，低渗煤层瓦斯抽采设备，包括空心的钻杆，钻杆末端通过管路连接高压水泵，高压水泵连通水箱，钻杆杆身间隔设置喷嘴，钻杆内设置振动器。低渗煤层瓦斯抽采方法，先设置低渗煤层瓦斯抽采设备，将所述钻杆送入钻孔，根据煤体结构选择是否开启振动器，若为软煤层可以先开启振动器振动煤层，然后通过高压水泵将高压水送到钻杆并通过喷嘴喷射煤层；若为硬煤层，则开启高压水泵，高压水泵将水送入钻杆并从钻杆的喷嘴作用到煤层，或者可在水力射流同时进行振动。本发明是针对瓦斯预抽过程中，煤储层透气性差等问题，通过振动和水力射流一起作用，使煤储层应力得到有效释放的低渗煤层瓦斯抽采设备及方法。
文档编号E21F7/00GK102071920SQ20101061345
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者倪小明, 吕闰生, 李金海, 苏现波, 贾炳 申请人:河南理工大学