本发明涉及煤矿井下坑道钻进的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法。
背景技术：
瓦斯是煤矿安全高效开采中的重要事故隐患，为确保后期采煤安全，必须提前对煤层瓦斯进行预抽采，瓦斯抽采效率严重影响煤层开采效率。
钻孔是进行瓦斯抽采的主要技术途径。松软突出煤层在我国分布广泛，在可采煤层中占有相当大的比例，我国大部分高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井均为松软突出煤层，其煤体破碎、渗透性低、瓦斯压力大、瓦斯抽采钻孔施工困难，瓦斯抽采治理效果急需提高。
近年来，为解决松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工问题，我国开发了水力正循环回转钻进技术和冲击回转钻进技术、螺旋钻杆干式回转钻进技术、异形钻杆空气钻进技术、泡沫/雾化钻进技术、空气反循环钻进技术、空气套管钻进技术、梳状钻孔定向钻进技术、泥浆脉冲随钻测量定向钻进技术和电磁波随钻测量空气定向钻进技术等，钻孔成孔率和成孔深度均有一定提高，但仍然存在以下不足：①松软突出煤层钻进时为提高孔壁稳定性，宜采用空气作为冲洗介质，但空气钻进冷却效果差、粉尘大，环境污染严重，存在燃烧、爆炸等安全隐患；②区域递进式瓦斯抽采钻孔施工时，采用的定向钻具需要的冲洗介质压力和流量均较大，且随着钻孔深度逐渐提高，冲洗介质循环阻力增加，孔内钻屑携带清除困难，易导致孔内事故，深孔钻进对高压供风或泡沫存在需要迫切；③目前主要采用矿用空气压缩机进行中风压供风，其供风风压≤1.25mpa，且无满足煤矿安全要求的高压供风空压机，矿井现有供风能力不能满足深孔钻进和定向钻进需要。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法，其能克服现有技术的缺陷，有效解决目前煤矿井下松软突出煤层钻进时，纯空气钻进易污染环境、存在安全隐患；泡沫钻进，供风风压受限，不能满足深孔钻进和定向钻进需要等不足。
为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备，由增压供风系统、射流发泡系统、定向钻进系统和尘气泡沫分离系统组成，其特征在于：
增压供风系统提供压力空气，所述压力空气包含低压空气和高压空气，所述射流发泡系统连接至增压供风系统并将压力空气与泡沫液混合产生高压泡沫，所述定向钻进系统连接至射流发泡系统以利用高压泡沫进行钻孔施工，所述尘气泡沫分离系统连接至增压供风系统并利用压力空气用于将钻屑、瓦斯气体从孔口返出的污染泡沫中分离，避免粉尘和瓦斯气体逸出。
其中：所述增压供风系统由井上空气压缩机、矿用空气压缩机、低压输风管路、中压输风管路、矿用空气增压机、驱动风管、增压风管和高压风管组成，所述井上空气压缩机与低压输风管路连接；所述矿用空气压缩机与中压输风管路连接；所述矿用空气增压机通过驱动风管与低压输风管路连接，并通过增压风管与中压输风管路连接，所述矿用空气增压机通过高压风管向外部输出高压风。
其中：所述矿用空气增压机包含驱动进风口、增压进风口、增压机构和高压储气罐，所述驱动进风口和增压进风口分别连接至驱动风管和增压风管，所述增压机构的出口连接至高压储气罐。
其中：所述射流发泡系统包含依次连接的气体监控系统、冲击射流发泡器、液体监控系统、泡沫液泵和泡沫液箱，所述气体监控系统将高压气体引入至冲击射流发泡器，所述气体监控系统至少包含第一流量调节阀和矿用高压气体流量计，所述泡沫液泵连接至泡沫液箱，所述液体监控系统设置于泡沫液泵和冲击射流发泡器之间。
其中：所述冲击射流发泡器包含外壳，所述外壳的一端设有气体导流口，以引入高压气体，所述外壳内设有位于气体导流口侧的冲击板，所述外壳的另一端设有插入外壳内的液体射流管，以将泡沫液体引入，所述外壳设有泡沫出口，在所述泡沫出口和冲击板之间还设有供液体射流管贯穿的切割网。
其中：所述尘气泡沫分离系统包含集尘器、输尘管和分离室，所述集尘器通过输尘管连通至分离器，所述分离器设有气体射流器、水雾喷淋器和固液排放口。
其中：所述分离器内设有多块间隔相对设置的拦截板所述拦截板相对输尘管的另一侧设有气体抽采口，从而将其内的有害气体及时抽出。
其中：所述定向钻进系统包含依次连接的旋转输送器、异形钢钻杆、异形无磁钢钻杆、逆止阀钻具、双轴双向减震器、空气螺杆马达和定向钻头，所述旋转输送器连接至射流发泡系统，以通过射流发泡系统的高压泡沫流引入。
还公开了一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：连接各组成系统连接，依次连接好增压供风系统、射流发泡系统、定向钻进系统和尘气泡沫分离系统；
步骤二：进行高压和低压供风，通过增压供风系统供给所需的压力气体；
步骤三：将高压气体引入射流发泡系统，通过射流发泡系统产生高压泡沫流；
步骤四：通过高压泡沫流驱动定向钻进系统进行定向钻进；
步骤五：通过尘气泡沫分离系统进行气尘泡沫分离；
步骤六：完孔抽采。
通过上述结构可知，本发明的煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法具有如下效果：
1、以连续泡沫流为冲洗介质，减少孔壁冲刷、支撑孔壁、冷却钻具、降低钻场粉尘；利用增压供风系统，采用增压供风方式和射流发泡原理，生产钻进用高压泡沫；利用定向钻进系统在高压泡沫作用下进行定向钻孔深孔施工和复合高效排渣；利用尘气泡沫分离系统对钻孔返出的污染后的尘气泡沫流进行净化处理，整体上提高了钻进装备的冲洗介质输送能力、钻进能力、钻屑携带清除能力、孔内事故与孔口瓦斯超限预防处理能力；
2、满足深孔定向钻进对高压泡沫的需求，为松软突出煤层深孔钻进和定向钻进提供了技术与装备保障，并确保钻场与巷道施工环境干净。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备的整体结构示意图。
图2显示了本发明中矿用空气增压机的结构示意图。
图3显示了本发明中射流发泡系统的示意图。
图4显示了本发明中冲击射流发泡器的示意图。
图5显示了本发明中尘气泡沫分离系统的示意图。
图6显示了本发明中定向钻进系统示意图。
附图标记：
射流发泡系统1、定向钻进系统2、尘气泡沫分离系统3、井上空气压缩机4、矿用空气压缩机5、低压输风管路6、中压输风管路7、矿用空气增压机8、驱动风管9、增压风管10、高压风管11、输水管路12、瓦斯抽采系统13、驱动进风口14、第一过滤器15、第一压力表16、第一安全阀17、第一调压阀18、增压进风口19、第二过滤器20、第二压力表21、第二安全阀22、第二调压阀23、增压机构24、消声器25、高压储气罐26、高压出风口27、第一流量调节阀28、第一法兰直管29、矿用高压气体流量计30、第二法兰直管31、气体单向阀32、冲击射流发泡器33、液体单向阀34、液体流量计35、第二流量调节阀36、三通37、第三流量调节阀38、卸流管39、泡沫液泵40、泡沫液箱41、气体导流口42、冲击板43、切割网44、液体射流管45、固定板46、切割板47、外壳48、泡沫出口49、压力表50、集尘器51、密封组件52、输尘管53、气体射流器54、水雾喷淋器55、分离室56、固液排放口57、拦截板58、气体抽采口59、旋转输送器60、异形钢钻杆61、异形无磁钢钻杆62、逆止阀钻具63、双轴双向减震器64、空气螺杆马达65和定向钻头66
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备。
所述煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备可由增压供风系统、射流发泡系统1、定向钻进系统2和尘气泡沫分离系统3组成，其中增压供风系统提供压力空气，所述压力空气可包含低压空气和高压空气，所述射流发泡系统1连接至增压供风系统并将压力空气与泡沫液混合产生高压泡沫，所述定向钻进系统2连接至射流发泡系统以利用高压泡沫进行钻孔施工，所述尘气泡沫分离系统3连接至增压供风系统1并利用压力空气用于将钻屑、瓦斯气体从孔口返出的污染泡沫中分离，避免粉尘和瓦斯气体逸出。
参见图1所示，本发明的增压供风系统需要达到供风能力≥4mpa，供风量≥12m3/min的要求，其可由井上空气压缩机4、矿用空气压缩机5、低压输风管路6、中压输风管路7、矿用空气增压机8、驱动风管9、增压风管10和高压风管11组成，所述井上空气压缩机4可安装在煤矿地面开阔平坦的位置，并与低压输风管路6连接；所述矿用空气压缩机5可安装在煤矿井下主进风巷道内，并与中压输风管路7连接；所述低压输风管路6可由钢管依次连接组成，各钢管之间间隔设置有快速插口和气体截止阀；所述矿用空气增压机8可安装在煤矿井下钻场，其可通过驱动风管9与低压输风管路6连接，并通过增压风管10与中压输风管路7连接，所述矿用空气增压机8通过高压风管11向外部输出高压风；所述的中压输风管路7、驱动风管9、增压风管10和高压风管11均优选的采用矿用耐高压胶管。
参见图2，显示了本发明中矿用空气增压机8的其中一个实施例，其可包含驱动进风口14、增压进风口19、增压机构24和高压储气罐26，所述驱动进风口14和增压进风口19分别连接至驱动风管9和增压风管10，从而将所述低压输风管路6和中压输风管路7的气体均能引入增压机构，所述增压机构24的出口连接至高压储气罐26，所述高压储气罐26的高压出风口27可连通至高压风管11的入口。
其中，所述驱动进风口14和增压机构24之间可依次设有第一过滤器15、第一压力表16、第一安全阀17和第一调压阀18，所述增压进风口19和增压机构24之间可依次设有第二过滤器20、第二压力表21、第二安全阀22和第二调压阀23，从而能在两进风口和增压机构24之间形成过滤、测量、安全控制和调压功能，其中，所述增压机构24还设有消声器25，以提供增压过程中的消声效果，避免对井下施工造成影响。
参见图3，所述射流发泡系统1包含依次连接的气体监控系统、冲击射流发泡器33、液体监控系统、泡沫液泵40和泡沫液箱41，所述气体监控系统连接至高压风管11的出口，以将高压气体引入至冲击射流发泡器，所述气体监控系统在引入高压气体时可实时监测和控制供风风量，其可包含依次连接的第一流量调节阀28、第一法兰直管29、矿用高压气体流量计30、第二法兰直管31和气体单向阀32，其中，所述第一法兰直管29和第二法兰直管31的长度≥0.5m，所述泡沫液泵40连接至泡沫液箱41，以将泡沫液箱41内的泡沫液体泵出，所述液体监控系统设置于泡沫液泵40和冲击射流发泡器33之间，以对引入冲击射流发泡器33的液体进行监控，其可包含依次连接的液体单向阀34、液体流量计35、第二流量调节阀36、三通37、第三流量调节阀38和卸流管39，所述液体单向阀34的出口连接至冲击射流发泡器33，入口通过液体流量计35连接于第二流量调节阀36，所述三通分别连接至第二流量调节阀36、泡沫液泵40和卸流管39，所述卸流管39连接至泡沫液箱41以在压力过大时提供卸流功能。
参见图4，显示了本发明中冲击射流发泡器的其中一个实施例，所述冲击射流发泡器33包含外壳48，所述外壳48的一端形成为倒锥形并设有气体导流口42，所述气体导流口42连接至气体监控系统的气体单向阀，以引入高压气体，所述外壳48内设有位于气体导流口42侧的冲击板43，所述外壳48的另一端设有插入外壳内的液体射流管45，所述液体射流管45连通至液体监控系统的液体单向阀，以将泡沫液体引入，所述液体射流管45伸入外壳48内直至冲击板43的另一侧，所述外壳48设有泡沫出口49，在所述泡沫出口49和冲击板43之间还设有供液体射流管45贯穿的切割网44，其中，所述切割网44的两端可分别通过固定板46和切割板47固定于外壳48的内壁，由此，高压气体和泡沫液体通过冲击板和切割网的充分混合后，形成气液充分混合的高压泡沫射流，以有效提高冲击效果。
其中，所述外壳48还设有压力表50，以对内部压力进行实时监测。
参见图5，显示了本发明中尘气泡沫分离系统的一个优选实施例，所述尘气泡沫分离系统3可包含集尘器51、输尘管53和分离室56，所述集尘器51的前端连接至孔口套管，从而将孔内的烟尘气体引入处理，所述集尘器51的后端连接有密封组件52，密封组件52内部安装有盘根，与异形钻杆旋转动态密封；所述集尘器51还通过输尘管53连通至分离器56，所述分离器56在输尘管53的入口两侧分别设有气体射流器54和水雾喷淋器55，从而引入气体和水雾进行分离操作，所述分离器56的底端设有固液排放口57，从而将固体和液体进行排放，其中，所述气体射流器54与低压输风管路6连接，所述水雾喷淋器55与输水管路12连接。
所述分离器56内设有多块间隔相对设置的拦截板58，所述多块拦截板可将固体和液体进行拦截，仅允许气体流通，所述拦截板58相对输尘管53的另一侧设有气体抽采口59，所述气体抽采口59与瓦斯抽采系统13连接，从而将其内的有害气体及时抽出。
参见图6，显示本发明中定向钻进系统2的一个优选实施例，所述定向钻进系统2可包含依次连接的旋转输送器60、异形钢钻杆61、异形无磁钢钻杆62、逆止阀钻具63、双轴双向减震器64、空气螺杆马达65和定向钻头66，所述旋转输送器60连接至射流发泡系统，以通过射流发泡系统的高压泡沫流引入。
参见图1～图6，本发明还公开了一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：连接各组成系统连接，依次连接好增压供风系统、射流发泡系统1、定向钻进系统2和尘气泡沫分离系统3；
步骤二：进行高压和低压供风，通过增压供风系统供给所需的压力气体，在本发明中，可开启井上空气压缩机4、矿用空气压缩机5，向矿用空气增压机8提供驱动空气和增压空气；增压机构24由驱动空气推动工作，将增压风管10输入的中压空气增压为高压风，并从高压出风口27输出；驱动空气推动增压机构24工作后，从消声器25排放；第一调压阀18、第二调压阀23可以调整驱动风管9输入的驱动空气和增压风管10输入的中压空气的风压、风量，从而调整矿用空气增压机8的输出风压、风量；当输出风压达到设定值时，矿用空气增压机8可自动停止工作；当输出风压低于设定值时，矿用空气增压机8可自动开始工作。
步骤三：将高压气体引入射流发泡系统，通过射流发泡系统产生高压泡沫流，在本发明中，可通过矿用空气增压机8向冲击射流发泡器输送高压空气的同时，泡沫液泵从泡沫液罐中抽吸泡沫液并输送至冲击射流发泡器33，泡沫液从液体射流管45中射出时与冲击板43碰撞发散，并与压缩空气混合形成大直径泡沫，经切割网44和切割板47细化后形成连续小泡沫，并由泡沫出口49输送至定向钻进系统，通过调整第一流量调节阀28、第二流量调节阀36和第三流量调节阀38，可以有效控制产生的泡沫量及泡沫性能。
步骤四：通过高压泡沫流驱动定向钻进系统进行定向钻进。将高压泡沫流引入定向钻进系统的旋转输送器，并通过孔底空气螺杆马达65在高压泡沫流驱动下带动定向钻头66回转碎岩，沿设计轨迹定向钻进至预定深度。钻进过程中，逆止阀钻具63可防止高压气尘泡沫或孔内涌出瓦斯沿钻杆内孔反向溢出；双轴双向减震器64可降低空气螺杆马达钻进震动，保障异形无磁钢钻杆62内随钻测量仪器安全；连续泡沫流对孔底钻具进行冷却，并对孔壁形成一定的支撑压力，保护孔壁稳定；孔内煤体逸出的瓦斯、钻进产生的煤屑均被泡沫包裹，形成气尘泡沫，在泡沫携带和异形钢钻杆61与异形无磁钢钻杆62回转机械搅动作用下，输送至孔口。
步骤五：通过尘气泡沫分离系统3进行气尘泡沫分离。钻进产生的气尘泡沫在孔口的集尘器51内集聚，密封组件52防止其沿钻杆外环空间逸出；向气体射流器54供风，气体射流器54周围产生负压，通过输尘管53将气尘泡沫抽吸至分离室56；向水雾喷淋器55供水，在气体射流器54产生的负压、水雾喷淋器55产生的水雾、拦截板58和气体体积膨胀作用下，泡沫破灭，钻屑、水、空气、瓦斯分离，钻屑和污水经由固液排放口57排出，瓦斯和空气通过瓦斯抽采系统抽走。
步骤六：完孔抽采。在高压泡沫和钻机复合驱动下进行钻孔施工直至达到预定深度，钻孔施工完成后，提出定向钻具，对钻孔进行封孔，并连接瓦斯抽采系统13进行瓦斯抽采。
由此，本发明由增压供风系统、射流发泡系统、定向钻进系统和尘气泡沫分离系统组成，其中增压供风系统用于提供高压空气；射流发泡系统用于将高压空气与泡沫液混合并生产高压泡沫；定向钻进系统用于利用高压泡沫进行钻孔施工；尘气泡沫分离系统用于将钻屑、瓦斯气体从孔口返出的污染泡沫中分离，避免粉尘和瓦斯气体逸出。
本发明的优点在于：
1、操控简单易行，满足深孔定向钻进对高压泡沫的需求，为松软突出煤层深孔钻进和定向钻进提供了技术与装备保障，并确保钻场与巷道施工环境干净。
2、以连续泡沫流为冲洗介质，减少孔壁冲刷、支撑孔壁、冷却钻具、降低钻场粉尘；利用增压供风系统，采用增压供风方式和射流发泡原理，生产钻进用高压泡沫；利用定向钻进系统在高压泡沫作用下进行定向钻孔深孔施工和复合高效排渣；利用尘气泡沫分离系统对钻孔返出的污染后的尘气泡沫流进行净化处理，整体上提高了钻进装备的冲洗介质输送能力、钻进能力、钻屑携带清除能力、孔内事故与孔口瓦斯超限预防处理能力。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。