松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置及其方法与流程

本发明涉及松软煤层穿层钻孔卸压增透瓦斯强化抽采的技术领域，尤其涉及一种松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置及其方法。

背景技术：

我国大部分矿区具有地质条件复杂、煤层松软、透气性差、瓦斯压力高等特点，采用穿层密集钻孔进行瓦斯预抽成为瓦斯治理的主要手段，但存在钻孔瓦斯抽采量小且衰减快、瓦斯抽采效率低、钻探工程量大等问题，制约矿井安全高效开采。增加煤层的透气性已成为提高瓦斯抽采的关键，目前对于松软低渗突出煤层增透较为适宜的技术主要有水力割缝、水力冲孔、钻割一体化等，但实践中发现上述技术存在冲出煤量和瓦斯涌出量不可控、煤渣堵孔、易造成瓦斯超限和钻孔报废问题，甚至诱发喷孔突出事故。因此，亟需研究适合松软煤层底板穿层钻孔安全、可控的强化抽采技术。

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，研究设计出一种松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置及其方法，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松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置及其方法，取材方便、操作简单、实施过程安全可控，能提高钻孔瓦斯抽采效率，减少钻孔工程量，还能在改善松软强突煤层瓦斯抽采效果的同时能够有效的控制水力冲孔过程中出煤量和瓦斯涌出量。

为实现上述目的，本发明公开了一种松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置，包括防喷护孔筛管、端头护盖、封孔实管、孔口法兰盘、气渣水分离器、高压自转喷头、高压管和高压供给组件，其特征在于：

所述孔口法兰盘设于孔口，封孔实管和防喷护孔筛管设置于孔壁上，所述高压管从孔口法兰盘伸入孔内且末端设有高压自转喷头，所述高压管的后端连接至高压供给组件，且孔口设有气渣水分离器，所述高压供给组包含水便、高压泵、供水管路和水箱，所述水便连接高压管和高压泵，所述高压泵通过供水管路连接至水箱。

其中：所述防喷护孔筛管采用长度1m、外径的玻璃钢管或者钢管，所述防喷护孔筛管上设有多个筛管眼，各筛管眼在防喷护孔筛管的管壁上呈螺旋式排列。

其中：所述筛管眼在剖面上呈120°角均匀排列，各筛管眼的孔眼直径孔眼间距200mm。

其中：所述封孔实管采用长度1m，外径壁厚6mm，内径的玻璃钢管或者钢管，所述封孔实管的下端通过丝扣和防喷护孔筛管连接。

其中：在垂直于高压自转喷头的轴线上均匀布置3个喷嘴安装孔，各喷嘴安装孔处安装不同规格的喷嘴。

还公开了一种松软煤层可控射流冲孔卸压增透方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：钻孔施工，钻孔孔径不小于113mm，钻孔施工至煤层后改用风排渣钻进，进入顶板0.5m后终孔，钻孔施工结束后计量孔内出煤量；

步骤二：确定水力冲孔施工相关参数，包括封孔长度、防喷护孔筛管长度、喷嘴直径和泵注排量；

步骤三：防喷护孔筛管下入，在煤层段下入防喷护孔筛管，岩层段下入封孔实管，防喷护孔筛管的顶部加装端头护盖；

步骤四：注浆封孔，首先将囊袋推送至封孔实管的末端部位，在推送囊袋的过程中带入一根返浆管，返浆管底部距囊袋约0.5m，在囊袋和返浆管均到位后，再下入一根返浆管至孔深约5m处，到位后将马丽散塞入孔内约1m处将孔口环空堵实，待马丽散凝结完好后开始进行注浆封孔；

步骤五：安装气渣水分离器；

步骤六：筛管内可控射流冲孔，将喷嘴安装在高压自转喷头上，并将喷射头和钻杆进行连接，由小型钻机从护孔管内送入孔底；

步骤七：在完成步骤六并确认喷射头到达预定位置后，将高压管和水便连接，在保持高压管不旋转的情况下，来回拖动工具进行射流冲孔卸压，每次拖动距离不大于1m；

步骤八：观察孔口返渣情况，出煤量满足要求后，停止该点射流冲孔作业，重复步骤七并进行第二个点的射流冲孔作业，如此反复，直至完成整个钻孔的射流冲孔作业。

其中：步骤四中注浆封孔时水泥和水的重量比为1:1，待孔内5m处返浆管开始返浆后，停止注浆，将注浆管冲洗干净，侯凝8小时候后继续注浆，二次注浆时浆液比例调整为水泥和水的重量比为1.1:1，持续注浆，直至另一根返浆管返浆，当另一根返浆管返浆后，将该返浆管扎死进行带压注浆，当注浆泵压力升至2mpa或者护孔管出浆后停止注浆，拆解并清洗注浆工具，侯凝24小时。

其中：还包含步骤九：待钻孔全部射流冲孔完成后，退出所有工具设备，拆卸高压自转喷头，拆下气渣水分离器，连接抽采管路，监测钻孔瓦斯抽采数据，完成该钻孔的射流冲孔卸压作业。

通过上述内容可知，本发明的松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置及其方法具有如下效果：

1、避免了松软突出煤层穿层钻孔无法进行水力冲孔或者水力冲孔过程中煤渣量无法控制容易造成煤渣堵孔、喷孔、巷道瓦斯超限，甚至诱发突出等事故。射流冲孔卸压可以改善煤层透气性，起到强化增透的作用，提高钻孔瓦斯抽采效率，降低或者消除突出动力，缩短钻孔瓦斯抽采时间，减少钻孔工程量。

2、改善松软强突煤层瓦斯抽采效果的同时能够有效的控制水力冲孔过程中出煤量和瓦斯涌出量，避免诱发突出，巷道瓦斯超限等，有效提升松软突出煤层的穿层瓦斯抽采效率。

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显示了本发明的松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置的结构示意图。

图2显示了本发明中防喷护孔筛管的平面示意图。

图3显示了本发明中防喷护孔筛管的立体图。

图4显示了本发明中高压自转喷头的示意图。

图5显示了本发明中气渣水分离器的示意图。

附图标记：

1.防喷护孔筛管，2.端头护盖，3.封孔实管，4.封孔水泥环，5.孔口法兰盘，6.气渣水分离器，7.高压自转喷头，8.高压管，9.水便，10.压力表，11.调压阀门，12.高压泵，13.供水管路，14.水箱，15.供水阀门，16.筛管眼，17.高压自转喷头。

具体实施方式

参见图1至图5，显示了本发明的松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置。

所述松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置可包括防喷护孔筛管1、端头护盖2、封孔实管3、孔口法兰盘5、气渣水分离器6、高压自转喷头7、高压管8和高压供给组件，所述孔口法兰盘5设于孔口，封孔实管3和防喷护孔筛管1设置于孔壁上，所述端头护盖2设置于孔底，所述高压管8从孔口法兰盘5伸入孔内且末端设有高压自转喷头7，所述高压管8的后端连接至高压供给组件，且孔口设有气渣水分离器6。

其中，所述高压供给组可包含水便9、压力表10、调压阀门11、高压泵12、供水管路13、水箱14和供水阀门15，所述水便9连接高压管8和高压泵12，所述高压泵12的出口处设有压力表10和调压阀门11，所述高压泵12通过供水管路13连接至水箱14，所述水箱14的出口处设有供水阀门15。

参见图2和图3，所述防喷护孔筛管1采用长度1m、外径的玻璃钢管或者钢管，根据具体长度进行多根的连接，所述防喷护孔筛管1上设有多个筛管眼，各筛管眼在防喷护孔筛管的管壁上呈螺旋式排列，优选的是，所述筛管眼在剖面上呈120°角均匀排列，各筛管眼的孔眼直径孔眼间距200mm，优选单根防喷护孔筛管1上包含15个筛管眼，其中，可根据筛管安装部位不同，可以采用不同筛管眼密度和直径的筛管进行护孔。

其中，所述封孔实管3采用长度1m，外径壁厚6mm，内径的玻璃钢管或者钢管，所述封孔实管3的下端可通过丝扣和防喷护孔筛管1连接，由钻机送入孔内距离煤层约1m处位置。

其中，所述防喷护孔筛管1的顶部设有端头护盖，其主要作用是防止防喷护孔筛管下入孔内过程中岩屑或者煤渣进入护孔管内堵塞护孔管。端头护盖外径和防喷护孔筛管保持一致，通过丝扣和防喷护孔筛管连接。

参见图4，所述高压自转喷头7的外径为长度约为200mm，在垂直于高压自转喷头7的轴线上均匀布置3个喷嘴安装孔，各喷嘴安装孔处可安装不同规格的高压自转喷头17，所述高压自转喷头7的后端可通过丝扣和高压管连接，通过钻机送入防喷护孔筛管内。在射流冲孔卸压过程中由高压水驱动喷头自行旋转，高压管保持不动。这样可以避免由于高压管旋转带动护孔筛管旋转导致的护孔筛管脱落，同时由于高压自转喷头喷出的高压水部分以一定角度直接撞击到防喷护孔筛管上，可以起到紧固筛管丝扣的作用，进一步防止筛管由于震动，冲击等造成的脱落。

所述高压自转喷头17包括直径为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、10mm的喷嘴，对于不同的煤层，不同的地质条件，不同的工艺要求，采用不同直径的喷嘴。

其中，所述高压自转喷头17中高压水经下端入水口接头21进入密封杆后流入喷头座19，而后流入喷头18，然后经喷头18上面的喷孔20喷出。所述高压自转喷头17包括喷头座19和喷嘴18，所述的喷嘴18设在喷头座19上，其特征在于，所述的喷嘴具18有若干个斜向下出水并能带动喷嘴18相对于喷头座19转动的喷水孔20，所述的喷水孔20倾斜向下设置，喷水孔20的中心线偏离喷嘴旋转体圆周的切线方向。它利用喷水孔20喷水所产生的反冲力，推动喷嘴18转动，喷嘴18在自转的同时,完成向下的喷水，喷头18属于自旋转，无需提供额外动力驱动。

参见图5，所述气渣水分离器6包括中空的壳体29壳体的顶端和底端分别设置端盖，在顶端端盖22的侧边设置出气口25，在底端端盖23的尖部设置排水口28，壳体的上部一侧设置排渣倾倒口26，在壳体的内腔壁横向设置筛网27。

其中，所述气渣水分离器6分离原理为从煤层中抽出的瓦斯、水、煤渣从进气口进入气水渣分离器壳体内部，其中煤层中的气体向上运移到顶端端盖的侧边设置出气口，通过出气口进入主管路。煤渣及水混合物向下运动，通过壳体的内腔壁横向设置筛网将大粒径的煤渣过滤到筛网以上，水混合物穿过筛网向下运动到达底端端盖的排水口，在底端端盖尖端安设闸阀用于及时排水。这样就实现了瓦斯抽采过程中煤渣、瓦斯、水混合物进行收集与分离的目的。

本发明还涉及一种松软煤层可控射流冲孔卸压增透方法，优选的可通过上述松软煤层可控射流冲孔卸压增透装置实现，该方法主要通过以下步骤实现：

步骤一：钻孔施工。钻孔孔径不小于113mm，钻探过程中详细记录见煤点深度，钻孔施工至煤层后改用风排渣钻进，进入顶板0.5m后终孔，钻孔施工结束后计量孔内出煤量。

步骤二：确定水力冲孔施工相关参数。根据已有地质资料确定水力射流冲孔施工相关参数，包括封孔长度、防喷护孔筛管长度、喷嘴直径、泵注排量等。

步骤三：防喷护孔筛管下入。在煤层段下入防喷护孔筛管，岩层段下入封孔实管，防喷护孔筛管的顶部加装端头护盖，防喷护孔筛管和封孔实管均为通径设计、外径与施工钻杆一致，以便利用钻机送入。

所述防喷护孔筛管单根长度1m、外径壁厚≤6mm，可为玻璃钢管或者钢管。筛管眼呈螺旋式排列，孔眼直径一般为也可结合实际需求，采用适合的筛管眼密度和直径。

所述封孔实管长度1m，外径壁厚≤6mm，可为玻璃钢管或者钢管，与护孔筛管通过丝扣连接。

所述防喷护孔筛管端头护盖主要作用是防止筛管下入孔内过程中岩屑或者煤渣进入护孔管内堵塞护孔管，端头护盖外径和防喷护孔筛管一致。

步骤四：注浆封孔。在步骤三后保持防喷护孔筛管稳定状态，进行注浆封孔，首先将囊袋推送至封孔实管的末端部位，在推送囊袋的过程中带入一根返浆管，返浆管底部距囊袋约0.5m。在囊袋和返浆管均到位后，再下入一根返浆管至孔深约5m处，到位后将马丽散塞入孔内约1m处将孔口环空堵实。在孔口马丽散凝结的过程中准备水泥、注浆泵、搅拌桶等注浆工具，待马丽散凝结完好后开始进行注浆封孔。注浆封孔时水泥和水的重量比为1:1，待孔内5m处返浆管开始返浆后，停止注浆，将注浆管冲洗干净，侯凝8小时候后继续注浆。二次注浆时浆液比例调整为水泥和水的重量比为1.1:1，持续注浆，直至另一根返浆管返浆。当另一根返浆管返浆后，将该返浆管扎死进行带压注浆，当注浆泵压力升至2mpa或者护孔管出浆后停止注浆，拆解并清洗注浆工具，侯凝24小时。

孔内5m处的返浆管，其作用是先将孔口5m裂隙发育区用水泥浆封堵，使其能够承受一定的压力，以满足二次带压注浆的要求。

孔内距离囊袋0.5m处的返浆管，其作用是排出孔内空气，同时确保浆液能够到达囊袋处，满足带压注浆的质量要求。

步骤五：安装气渣水分离器。在钻孔封孔完成后安装孔口气渣水分离器，将钻孔连抽。

步骤六：筛管内可控射流冲孔实施。根据步骤二确定的喷嘴直径，将喷嘴安装在高压自转喷头上，并将喷射头和钻杆进行连接，由小型钻机从护孔管内送入孔底。

所述高压自转喷头外径长度约200mm，在垂直于喷头轴线上均匀布置3个孔眼，孔眼处可安装不同规格的喷嘴。在可控射流冲孔卸压过程中操作钻机推送钻杆来回抽动，高压水驱动喷头自行旋转，避免由于高压管和喷头正向旋转导致的护孔筛管脱落，同时可以起到紧固筛管丝扣的作用。

高压自转喷头通过丝扣和高压管连接，高压管采用通径设计、外径50mm，通过小型钻机送入防喷护孔筛管内。

将射流冲孔喷头送入孔底，有别于常见的穿层钻孔水力冲孔从煤层底部开始冲孔。由于护孔筛管和煤壁之间有环空间隙，因此顶部煤渣和水可以顺着环空到达筛管底部，且由于煤层松软，随着冲孔卸压的不断进行，底部筛管周边空间会不断变大，进一步保证水力冲孔的顺利进行。

步骤七：在完成步骤六并确认喷射头到达预定位置后，将高压管和水便连接，对整个系统进行排查无误后，开启高压泵，调节供水阀门。待孔口返水后再次启动钻机，在保持高压管不旋转的情况下，来回拖动工具进行射流冲孔卸压，每次拖动距离不大于1m。

步骤八：观察孔口返渣情况，出煤量满足要求后，停止该点射流冲孔作业。重复步骤七并进行第二个点的射流冲孔作业，如此反复，直至完成整个钻孔的射流冲孔作业。

步骤九：待钻孔全部射流冲孔完成后，退出所有工具设备，拆卸高压自转喷头，拆下气渣水分离器，连接抽采管路，监测钻孔瓦斯抽采数据，完成该钻孔的射流冲孔卸压作业。

通过上述内容可知，本发明具有如下优点：

1、可以有效控制射流冲孔过程中煤渣返出的量，确保不会造成喷孔、诱发突出和巷道瓦斯超限；

2、可以防止射流冲孔完成后钻孔煤层段由于塌孔造成的瓦斯抽放通道堵塞，确保钻孔瓦斯运移通道畅通，提高钻孔利用效率；

3、自转喷头能够有效避免由于高压管旋转带动护孔筛管旋转，震动导致的防喷护孔筛管脱落，造成孔内事故，影响射流冲孔和钻孔有效利用；

4、孔口气渣水分离器能够及时将孔内排出的瓦斯气体、水和煤渣分离，瓦斯气体抽至抽放管路，避免瓦斯气体在巷道空间内积聚，水和煤渣进入沉渣箱，累积到一定量以后自行进入循环系统，确保作业场所环境干净整洁。

5、防喷护孔筛管能够避免由于钻孔塌孔造成的瓦斯抽采通道堵塞，确保钻孔瓦斯运移通道畅通，提高钻孔利用效率。

由此，在射流冲孔卸压过程中高压水通过筛管眼射向煤壁，由于射流冲孔过程中喷头处于旋转状态，因此，高压水间歇性的作用在煤壁上，保证射流冲孔强度处于可控范围内。

且高压水作用在煤壁上以后产生的煤渣和水需通过筛管眼进入护孔管，从护孔管内排出到孔外。确保射流冲孔过程中不会发生严重喷孔、塌孔等孔内事故，射流冲孔过程安全可控。

单位时间内通过筛管眼进入到护孔管内的煤渣和水的数量是有限的，保证射流冲孔过程中不会发生煤渣携带瓦斯突然大量涌出，造成巷道瓦斯超限等事故。

从护孔管内排出的水、煤渣、瓦斯进入到了孔口气渣水分离器中，瓦斯不会排向巷道，同时产生的水和煤渣经气渣水分离器后进入专用沉渣池，保证作业现场环境干净整洁。

射流冲孔卸压完成后，防喷护孔筛管可避免由于钻孔煤层段塌孔造成的瓦斯抽采通道堵塞，确保钻孔瓦斯运移通道畅通，提高钻孔利用效率。

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。