冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝方法与流程

本发明属于水射流钻孔技术领域，具体是涉及一种冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝的方法。

背景技术：

我国大部分矿区煤层具有渗透率低、赋存地质条件复杂、含气饱和度低等特点。针对这些不利因素，必须开展煤岩体改造从而增加煤层透气性，才能实现煤层气高效开采。自20世纪70年代以来，高压水射流煤层割缝技术在煤层增透方面取得了良好的效果。

大量工程实践表明，高压纯水射流煤层割缝的范围有限，若能适当增加射流冲击力度就能有效增大割缝卸压的范围，而单方面提高射流压力虽能提升射流力度却给射流泵带来更苛刻的要求。在此基础上，为了提升射流冲击力度、增加煤层割缝长度、扩大瓦斯抽采范围，该技术由最初的纯水射流割缝发展到脉冲射流、高温射流、磨料射流和摆振射流等多种射流割缝技术。其中，磨料射流极大地增加了有效割缝长度，扩大了煤层瓦斯抽采范围。同时，大量磨料颗粒射入煤层也带来了诸多问题：①降低了煤炭质量；②易堵塞孔隙缝槽，导致瓦斯抽采与排渣困难；③可能导致卡钻抱死等现象。因此，寻找一种即可增大射流冲击力度、又可避免以上缺陷的替代磨料成为制约该技术长远发展的瓶颈。

研究发现，冰粒是一种理论上可行的替代磨料：①冰粒具有固态性质，其硬度可达到莫氏硬度2~4，可有效提升射流冲击力度；②冰粒射入煤层后迅速融化，可避免常规磨料混入后导致的煤质降低、堵塞孔隙等问题；③冰粒融化属于吸热过程，可降低煤层局部温度，减少矿井余热灾害。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种钻孔和割缝效率高，且能够减小钻孔或割缝时钻杆磨损程度的冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝的方法。

本发明采用的技术方案是：一种冰粒磨料射流辅助机械钻孔的方法，具体步骤如下：

1）将钻头安装在钻杆上，并通过钻杆的旋转作用在煤岩体内向前钻进，形成钻孔；

2）开启冰粒磨料射流装置，将冰粒磨料射流沿着钻杆与钻头的中心孔射出，冲击钻孔底部煤岩体，钻头持续钻进，直至钻孔完成，关闭钻机及冰粒磨料射流装置。

一种冰粒磨料射流辅助煤层割缝的方法，具体步骤如下：

1）将钻头安装在钻杆上，并通过钻杆的旋转作用在煤层内向前钻进，形成钻孔；

2）当钻头达到煤层割缝处，钻头停止钻进，开启冰粒磨料射流装置，将冰粒磨料射流沿着钻杆中心孔进入，冰粒磨料从钻杆或钻头侧壁上的射流孔射出，冲击钻杆周向的煤层对煤层进行割缝，割缝结束后，关闭冰粒磨料射流装置，钻头继续钻进；

3）重复步骤2），直至所需割缝全部完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明采用冰粒磨料射流辅助机械钻孔和煤层割缝，提高了钻孔和割缝效率；

（2）本发明采用冰粒磨料射流辅助机械钻孔，冰粒撞击煤岩体或煤层后融化，吸收热量，降低钻孔的环境温度，从而减小钻头的磨损；

（3）本发明采用冰粒磨料射流进行煤层割缝，可扩大割缝的范围，同时冰粒融化后形成水，可避免常规磨料混入后导致的煤质降低、堵塞孔隙等问题。

附图说明

图1是冰粒磨料射流辅助机械钻孔示意图。

图2是冰粒磨料射流煤层割缝效果与水射流割缝和传统的磨粒割缝效果的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

一种冰粒磨料射流辅助机械钻孔的方法，具体步骤如下：

1）首先依据煤巷布置与煤层特征设计钻孔参数，包括钻孔位置、钻孔深度、钻孔间距、钻孔数量等，将钻机移至待钻孔位置的巷道处，组装上钻杆等设备。

2）将钻头5安装在钻杆1上，启动钻机，通过钻杆1的旋转作用破碎岩石向前钻进，在煤岩体2中形成钻孔3。

3）在钻进的同时，开启冰粒磨料射流装置，使冰粒磨料射流沿着钻杆1与钻头5的中心孔射出，冲击钻孔底部煤岩体2，钻头5持续钻进，直至钻孔完成，关闭钻机及冰粒磨料射流装置。

如图1所示，冰粒磨料射流沿着钻杆1与钻头5的中心孔射出，冲击到钻孔3底部的煤岩体2的表面，可使煤岩体形成初始裂纹，方便钻头5进一步破碎煤岩体2；撞击煤岩体后，冰粒磨料6随着流体在钻孔3内向外扩散，同时冰粒磨料迅速融化，可降低钻头5与钻杆1的卡钻效应，并且冰粒磨料6融化需要吸收热量，可降低钻头5的温度，能有效减少钻头5的磨损，延长其使用寿命。

一种冰粒磨料射流辅助煤层割缝的方法，具体步骤如下：

1）将钻头5安装在钻杆1上，并通过钻杆1的旋转作用在煤层11内向前钻进；完成钻孔；

2）回退钻杆，当钻头达到煤层11割缝处，钻头5停止钻进，启动冰粒磨料射流装置，调节系统泵压至5mpa，待压力稳定后，再调节系统泵压至10mpa，待压力稳定后，调节系统泵压至15mpa，待压力稳定后进行割缝，每1缝切割时间为15min；

3）冰粒磨料射流将沿着钻杆中心孔进入，冰粒磨料从钻杆1（或钻头5）侧壁上的射流孔射出，冲击钻杆1周向的煤层对煤层进行割缝，割缝结束后，关闭冰粒磨料射流装置，退回钻杆一定距离进行第二次割缝；

4）重复步骤2）与步骤3），直至所需割缝全部完成，关闭冰粒磨料射流装置与钻机。

如图2所示，煤层11处于顶板岩层12与底板岩层10之间，高压纯水射流沿着钻孔7流向煤层11进行割缝，割缝完成后形成缝槽16。传统磨料射流沿着钻孔9流向煤层11进行割缝，割缝完成后形成缝槽14，同时在缝槽14内残留大量传统磨料颗粒13；冰粒磨料射流沿着钻孔8流向煤层11，割缝完成后形成缝槽15。通过最终形成的缝槽可以看出，冰粒磨料射流割缝形成的缝槽15较纯水射流割缝形成的缝槽16长宽度更大，但稍低于传统磨料射流割缝形成的缝槽14，然而缝槽15内由于冰粒的融化没有磨料颗粒的残留。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种冰粒磨料射流辅助机械钻孔方法，具体步骤如下：1）将钻头安装在钻杆上，并通过钻杆的旋转作用在煤岩体内向前钻进，形成钻孔；2）开启冰粒磨料射流装置，冰粒磨料射流将沿着钻杆与钻头的中心孔射出，冲击钻孔底部煤岩体，钻头持续钻进，直至钻孔完成，关闭钻机及冰粒磨料射流装置。本发明采用冰粒磨料射流辅助机械钻孔，提高了钻孔效率；本发明采用冰粒磨料射流辅助机械钻孔，冰粒撞击煤岩体后融化需吸收热量，可降低钻孔环境温度，从而减少钻杆的磨损；本发明还公开了一种冰粒磨料射流煤层割缝的方法，采用冰粒代替传统磨料进行割缝，一方面有效扩大了割缝范围，同时冰粒融化避免了传统磨料导致的煤质降低与堵塞孔隙等问题。

技术研发人员：黄飞;李树清;赵延林;刘勇
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：2017.05.27
技术公布日：2017.07.28