本发明涉及煤矿开采技术领域。
背景技术：
我国煤层渗透率主要分布在0.01×10-15～5×10-15m2内，比国外相同煤阶煤储层的渗透率低1～2个数量级，渗透率低是我国煤层瓦斯高效抽采的主要挑战之一。随着煤矿开采深度的延伸，煤层渗透率低导致的瓦斯抽采效率低和瓦斯灾害危险性大等问题日益凸显。因此，强化增透成为改善瓦斯抽采效果，实现深部煤与瓦斯共采和瓦斯灾害防控的关键技术之一。
目前，强化增透方法的核心思想主要包括：①破裂煤体构造瓦斯运移通道。例如水力化措施、深孔预裂爆破、电爆震等分别采用高压水、炸药、电脉冲等媒介作用于煤体迫使其产生新裂隙和驱使原生裂隙扩展，在煤体内形成裂隙网络，为瓦斯运移提供有利通道；②占据吸附位置换瓦斯。例如采用co2、n2等气体驱替煤层瓦斯。前者虽然能够对煤层瓦斯进行有效地预抽，将煤层瓦斯含量降低至临界值以下，但煤层内仍然存在较多的瓦斯，这不仅未能实现煤层瓦斯资源的最大化采收，而且可能会造成煤层回采时因瓦斯涌出量较大而出现瓦斯超限等问题。后者因置换后煤层突出危险性未能消除而更适合于不可采煤层中的瓦斯资源采收。
技术实现要素：
本发明公开一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统及方法，该方法尤其适用于煤矿井下高瓦斯低透气性煤层的瓦斯高效抽采。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统，其特征在于:主要包括压风管道、压风管道阀门、激光发生器、钻机、气渣分离器、钻杆、孔口密封器、光纤、钻头、瓦斯抽采管道和瓦斯抽采管道阀门。
所述压风管道与钻机连接。所述压风管道安装有压风管道阀门。所述钻机带动钻杆钻进。所述钻杆中空，即具有容纳光纤的轴向通道。所述钻杆一端连接钻头。所述钻头的表面镶嵌有若干激光头。所述激光发生器发射激光。所述激光通过钻杆内部的光纤导入所述激光头。所述钻头在煤层或岩层中钻进时，所述激光射向钻头周围的煤体或岩体。
所述孔口密封器为一管状体。所述孔口密封器的前端开口，并固定在钻孔孔口孔壁上，后端与气渣分离器连接。所述钻杆可以从孔口密封器的后端伸入孔口密封器内部，并进入所述钻孔钻进。
在气渣分离时，通过所述瓦斯抽采管道抽瓦斯。所述瓦斯抽采管道安装有瓦斯抽采管道阀门。
进一步，所述激光发生器通过光纤接头i与光纤接头ii或光纤接头iii连接。
光纤接头ii和光纤接头iii通过光纤分别与分光器iv和分光器v连接。分光器i通过光纤与轴向激光头i和轴向激光头ii连接，分光器ii通过光纤与侧向激光头i和侧向激光头ii连接。
所述轴向激光头i、轴向激光头ii、侧向激光头i和侧向激光头ii均是所述钻头的表面镶嵌的激光头。
进一步，所述的气渣分离器上设置有雾化喷头。钻头喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器时，雾化喷嘴喷出的水雾捕捉岩屑，气流则被抽采。
进一步，所述钻头(9)前端对称设置有喷射孔(9-7)。
本发明还公开基于上述系统的激光钻割一体化强化瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
1〕连接光纤接头i与光纤接头ii，启动钻机和激光发生器，钻机带动钻头钻进，形成煤层或岩壁上的孔口。
2〕关闭激光发生器和压风管道阀门，钻机带动钻头退出钻孔，关闭钻机。
3〕将孔口密封器固定在钻孔壁上。将孔口密封器连接到气渣分离器上，连接气渣分离器和瓦斯抽采管道。
4〕启动钻机和激光发生器，钻机带动钻杆钻进到穿过煤层顶板，再将钻头后退到煤层内，连接光纤接头i和光纤接头iii。钻进过程中，从钻头喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器，此时，雾化喷嘴喷出的水雾捕捉岩屑，气流进入瓦斯抽采管路。
5〕钻机带动钻头转动，使钻头围绕轴心线旋转，对钻头所在位置的煤体进行激光割缝。值得说明的是，瓦斯的产出是一个解吸-扩散-渗流的复杂过程，而温度是影响这一过程的主控因素之一，煤体温度越高，瓦斯解吸速率和程度越大、扩散和渗流越快，煤层瓦斯的采收率越高。提高煤层温度是改善煤层瓦斯抽采效率的有效途径之一。激光是通过原子受激辐射发光和共振放大形成的，经透射镜聚焦后，能在焦点附近产生几千度甚至上万度的高温。此外，激光的高方向性使其能有效地传递较长距离后仍具极高的功率密度，可达103mw/cm2。本发明利用聚焦的高功率密度激光束照射，引起激光作用点的温度急剧上升，煤岩汽化，形成缝槽，缝槽处的煤岩渣屑被辅助气体吹除。
6〕将钻头沿孔口方向后退，重复步骤5〕，完成钻头下一位置的激光割缝，周而复始，完成多个位置的激光割缝。
7〕关闭压风管道阀门、瓦斯抽采管道阀门和激光发生器，退出钻头，卸除孔口密封器，封孔，进行瓦斯抽采。
本发明针对我国煤层瓦斯含量高、透气性低的特点，并结合激光切割效率高、方向性强的优点，将激光切割应用于煤矿井下低透气性煤层的瓦斯高效抽采中。该系统能够实现钻进和煤层切割的一体化作业，显著提高施工效率；而且能够充分发挥卸压和热驱的协同作用，即激光切割形成的缝槽能够有效卸除煤体的围压，而激光诱导高温作用，能够显著提高煤体的温度，降低煤层瓦斯的吸附势，促进煤层瓦斯的快速解吸，显著降低煤层中的残余瓦斯含量，从而实现提高低透气性煤层的瓦斯抽采效率和有效防治低透气性煤层瓦斯灾害的目的。
附图说明
图1本发明的一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统示意图。
图中：压风管道(1)、压风管道阀门(2)、激光发生器(3)、钻机(4)、气渣分离器(5)、钻杆(6)、孔口密封器(7)、光纤(8)、钻头(9)、瓦斯抽采管道(10)、瓦斯抽采管道阀门(11)、光纤接头i(3-1)、光纤接头ii(8-1)、光纤接头iii(8-2)、分光器i(9-1)、分光器ii(9-2)、轴向激光头i(9-3)、轴向激光头ii(9-4)、侧向激光头i(9-5)、侧向激光头ii(9-6)，喷射孔(9-7)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统，其特征在于:主要包括压风管道1、压风管道阀门2、激光发生器3、钻机4、气渣分离器5、钻杆6、孔口密封器7、光纤8、钻头9、瓦斯抽采管道10和瓦斯抽采管道阀门11。
所述压风管道1与钻机4连接。所述压风管道1安装有压风管道阀门2。所述钻机4带动钻杆6钻进。所述钻杆6中空，即具有容纳光纤8的轴向通道。所述钻杆6一端连接钻头9。所述激光发生器3通过光纤接头i3-1分别与光纤接头ii8-1和光纤接头iii8-2连接。光纤接头ii8-1和光纤接头iii8-2通过光纤8分别与分光器iv9-1和分光器v9-2连接。分光器i9-1通过光纤与轴向激光头i9-3和轴向激光头ii9-4连接，分光器ii9-2通过光纤与侧向激光头i9-5和侧向激光头ii9-6连接。所述轴向激光头i9-3、轴向激光头ii9-4、侧向激光头i9-5和侧向激光头ii9-6均是所述钻头9的表面镶嵌的激光头。
所述激光发生器3发射激光。所述激光通过钻杆6内部的光纤8导入所述激光头。所述钻头9在煤层或岩石中钻进时，所述激光射向钻头9周围的煤层或岩层。
所述孔口密封器7为一管状体。所述孔口密封器7的前端开口，并固定在钻孔孔口孔壁上，后端与气渣分离器5连接。所述钻杆6可以从孔口密封器7的后端伸入孔口密封器7内部，并进入所述钻孔钻进。
所述的气渣分离器5上设置有雾化喷头5-1。钻头9喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器5时，雾化喷嘴5-1喷出的水雾捕捉岩屑，气流则被抽采。
所述气渣分离器5连接所述孔口密封器7。在气渣分离时，通过所述瓦斯抽采管道10抽瓦斯。所述瓦斯抽采管道10安装有瓦斯抽采管道阀门11。
实施例2：
本实施例公开基于实施例1所述系统的激光钻割一体化强化瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
1〕连接光纤接头3-1与光纤接头8-1，打开压风管道阀门2，启动钻机4和激光发生器3，钻机4带动钻头9钻进2m，形成煤层或岩壁上的孔口。钻进过程中，高能激光从激光头9-3和激光头9-4射出，在钻头9前方的岩体内形成超前自由面，以减少钻头9的钻进阻力。从喷射孔9-7喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器5，此时，雾化喷嘴5-1喷出的水雾捕捉岩屑，气流进入瓦斯抽采管路10。
2〕关闭激光发生器3和压风管道阀门2，钻机4带动钻头9退出钻孔，关闭钻机4。
3〕将孔口密封器7固定在钻孔壁上。将孔口密封器7连接到气渣分离器5上，连接气渣分离器5和瓦斯抽采管道10。
4〕打开压风管道阀门2和瓦斯抽采管道阀门11，启动钻机4和激光发生器3，钻机4带动钻杆6钻进到穿过煤层顶板0.5m处，退钻1m，连接光纤接头3-1和光纤接头8-2。
5〕钻机4带动钻头9转动，使钻头9围绕轴心线旋转10～15min，对钻头9所在位置的煤体进行激光割缝。
6〕将钻头9沿孔口方向后退1～1.5m，重复步骤5〕，完成钻头9下一位置的激光割缝，周而复始，完成多个位置(同一孔的不同深度的位置)的激光割缝。
7〕关闭压风管道阀门2、瓦斯抽采管道阀门11和激光发生器3，退出钻头9，卸除孔口密封器7，封孔，进行瓦斯抽采。