一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置及方法与流程

本发明属于煤矿抽采瓦斯钻孔施工领域，具体为一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置及方法。

背景技术：

目前，我国抽采瓦斯最普遍的方法是施工长距离抽采钻孔对煤层瓦斯提前预抽，地应力作用下钻孔周围必定出现应力集中，在钻孔无支护条件下且当煤层强度较低或钻孔使用时间较长时钻孔持续发生大变形甚至大范围的完全闭合而极大的降低瓦斯抽采量；当在极软和较为破碎的煤层中布置抽采钻孔时容易出现钻杆退出钻孔的过程中发生大面积塌孔而显著降低瓦斯抽采效果严重影响煤炭安全回采。应对钻孔塌孔的传统方法主要有：一是向长距离抽采钻孔中放置粒径大小不等的充填物支护钻孔，即使塌孔，瓦斯也可以通过充填物的间隙排出，但是该方法效率较低且有如下缺陷，在放置充填物的过程中易扰动钻孔孔壁而发生塌孔导致充填物无法顺利放置在整个抽采钻孔中，充填物未放之前甚至是拔钻过程中出现塌孔也无法采用该传统方法；二是在抽采钻孔中放置防塌孔管，该方法效率较低，且必须在钻孔完全拔出后方可实施，且在强度较软极易塌孔煤层中该方法受到极大限制甚至无法使用。可见，提出一种使用方便快捷，应对各种复杂煤层条件的防瓦斯抽采钻孔塌孔的方法对于显著提高瓦斯抽采效率保障矿井安全回采意义重大。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决当前防瓦斯抽采钻孔塌孔而显著影响瓦斯抽采效率的所面临的技术和方法问题，提供一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置及方法，该装置结构合理，易于安装，且方法简单有效，在钻杆拔出过程中随即实现喷浆支护钻孔，能显著解决各类瓦斯抽采钻孔易塌孔问题，尤其是松软煤层易塌孔钻孔。

为实现本发明的上述目的，提供的技术方案如下：一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置，包括喷浆钻杆和特制钻杆；喷浆钻杆与特制钻杆采用螺纹连接，喷浆钻杆的底部与钻头连接；特制钻杆内部有速凝剂通道、浆液通道和水通道三条通道；喷浆钻杆为空心钻杆，内部设有喷浆管路系统；所述喷浆管路系统包括速凝剂管路、浆液管路以及环形喷浆环；当喷浆钻杆和特制钻杆连接，特制钻杆的速凝剂通道、浆液通道分别与喷浆钻杆的速凝剂管路、浆液管路接通；速凝剂管路、浆液管路的一端汇合成一根混合管路后与环形喷浆环连接，环形喷浆环上设有喷浆口；水通道为钻头供水。

所述的速凝剂通道、浆液通道和水通道的管径不同，水通道管径最大，其次为浆液通道，速凝剂通道管径最小。

所述的速凝剂管路、浆液管路汇合形成“y”型管路，“y”型管路的总管连接有螺旋管，螺旋管的另一端连接有倒“t”型管路，倒“t”型管路的横管两端与环形喷浆环连接。

所述的螺旋管的螺旋内部有三角形实心倒齿，使浆液与速凝剂充分混合，经喷浆口喷出的混合浆液能迅速凝固。

所述的速凝剂使用的是高强速凝剂，在与浆液充分混合喷到钻孔孔壁后，加快浆液凝固；且浆液中加入聚酯纤维材料增强喷浆层的抗变形能力。

所述环形喷浆环位于喷浆钻杆底部的100-300mm处，喷浆环上布置多个喷浆口；或者喷浆环在钻头上布置。

所述的环形喷浆环的喷浆口的布置方式包括在喷浆环周围设置一整圈喷浆口的圆环形喷浆结构，或者在喷浆环周围设置一部分喷浆口的扇形喷浆结构，喷浆环上未有喷浆口的范围为未喷浆的范围，未喷浆的范围角度θ为0°~270°；依据未喷浆θ的范围可形成圆形薄柱壳或扇形薄柱壳，当θ=0°时即为圆形薄柱壳，θ≠0°时即为扇形薄柱壳。

所述的喷浆口的疏密程度设置为多种形式，喷浆口的疏密程度不一，疏密程度用来控制喷浆的厚度，喷浆口越密，喷浆的厚度越厚：其中，圆环形喷浆结构的喷浆口布置方式为：方式一，喷浆口疏密程度一致，喷浆后则形成等厚的圆形薄柱壳；方式二，喷浆口上部疏密程度一致，下部稀疏，稀疏范围对应的角度为45°~180°，喷浆后则可形成上部加厚，下部不加厚的不等厚圆形薄柱壳；方式三，喷浆口由上部逐渐向下部变稀疏，喷浆后形成厚度渐变的圆形薄柱壳；所述扇形喷浆结构的喷浆口布置方式为：方式四，喷浆口位于上部，未有喷浆口的范围对应的角度为0°~180°，喷浆口疏密程度一致，喷浆后则形成等厚的扇形薄柱壳；方式五，喷浆口位于上部，未有喷浆口的范围对应的角度为0°~180°，喷浆口由上部逐渐向下部变稀疏，喷浆后形成厚度渐变的扇形薄柱壳；方式六，喷浆口位于上部，布置范围对应的角度为180°~270°，喷浆口疏密程度一致，喷浆后形成顶部扇形薄柱壳。

一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的方法，包括以下步骤：

步骤1）安装钻机及钻杆，将防瓦斯抽采钻孔塌孔装置的喷浆钻杆与特制钻杆连接，喷浆钻杆的另一端与钻头连接，特制钻杆的另一端与钻机连接，装置安装完毕后进行钻孔作业；

步骤2）当钻孔达到预定距离，钻进停止，开始后退式喷浆，浆液和速凝剂在管路系统下最终通过环形喷浆环喷到钻孔孔壁，形成圆形薄柱壳或扇形薄柱壳加固孔壁；

步骤3）根据不同的喷浆方式以及不同的喷浆钻杆有不同的喷浆效果：

3.1）采用圆环形喷浆结构进行喷浆，有两种喷浆方式：

第一种方式：当第一个圆形薄柱壳长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个圆形薄柱壳，第二个圆形薄柱壳长度也为a；

第二种方式：当第一个圆形薄柱壳长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个圆形薄柱壳，第二个圆形薄柱壳长度为c，其中c>a。

3.2）采用扇形喷浆结构的方式四或方式五喷浆钻杆时，分别有两种喷浆方式；

第一种方式；当第一个扇形薄柱壳长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个扇形薄柱壳，第二个扇形薄柱壳长度为c，其中c>a；

第二种方式：当第一个扇形薄柱壳长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个扇形薄柱壳，第二个扇形薄柱壳长度为c，其中c>a；

3.3）采用扇形喷浆结构的方式六所述的喷浆钻杆时，则采用全程喷浆的方法，在钻孔顶部形成扇形薄柱壳，防止钻孔顶部大范围塌孔。

以此类推，可按照上述步骤形成多个圆形薄柱壳或扇形薄柱壳，达到加固整个钻孔的效果，此方法在拔钻时就及时支护钻孔孔壁，提高了加固钻孔孔壁的效率，同时也防止钻孔围岩松软破碎造成大范围塌孔，造成瓦斯抽采钻孔堵塞，影响瓦斯抽采。

本实发明的有益效果：一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置结构合理，易于安装，且方法简单有效，在钻杆拔出过程中随即实现喷浆支护钻孔，提高了加固钻孔孔壁的效率，能显著解决各类瓦斯抽采钻孔易塌孔问题，尤其是松软煤层易塌孔钻孔。

附图说明

图1为一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置喷浆钻杆结构示意图。

图2为一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置喷浆钻杆剖面结构示意图。

图3为一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置特制钻杆结构示意图。

图4为一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置特制钻杆剖面图。

图5为施工工艺原理示意图。

图6为喷浆钻杆第一种布置方式的喷浆环剖面图。

图7为喷浆钻杆第一种布置方式喷浆钻喷浆后钻孔断面图。

图8为喷浆钻杆第二种布置方式的喷浆环剖面图。

图9为喷浆钻杆第二种布置方式喷浆钻喷浆后钻孔断面图。

图10为喷浆钻杆第三种布置方式的喷浆环剖面图。

图11为喷浆钻杆第三种布置方式喷浆钻喷浆后钻孔断面图。

图12为喷浆钻杆第四种布置方式的喷浆环剖面图。

图13为喷浆钻杆第四种布置方式喷浆钻喷浆后钻孔断面图。

图14为喷浆钻杆第五种布置方式的喷浆环剖面图。

图15为喷浆钻杆第五种布置方式喷浆钻喷浆后钻孔断面图。

图16为喷浆钻杆第六种布置方式的喷浆环剖面图。

图17为喷浆钻杆第六种布置方式喷浆钻喷浆后钻孔断面图。

图18为采用圆环形喷浆结构的第一种喷浆方式进行喷浆施工后的效果示意图。

图19为采用圆环形喷浆结构的第二种喷浆方式进行喷浆施工后的效果示意图。

图20为采用扇形喷浆结构的第一种喷浆方式进行喷浆施工后的效果示意图。

图21为采用扇形喷浆结构的第二种喷浆方式进行喷浆施工后的效果示意图。

图22为采用扇形喷浆结构的第六种布置方式的喷浆钻杆进行喷浆施工后的效果示意图。

图中：1-喷浆钻杆、2-浆液管路、3-速凝剂管路、4-喷浆环、5-喷浆口、6-“y”型管、7-螺旋管、8-倒齿、9-倒“t”型管、10-特制钻杆、11-浆液通道、12-水通道、13-速凝剂通道、14-煤岩、15-钻头、16-圆形薄柱壳、16a-等厚圆形薄柱壳、16b-不等厚圆形薄柱壳、16c-渐变圆形薄柱壳16c、17-扇形薄柱壳、17a-等厚扇形薄柱壳、17b-渐变扇形薄柱壳、17c-顶部扇形薄柱壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明：

如图1-4所示，一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的装置，包括喷浆钻杆1和特制钻杆10；喷浆钻杆1与特制钻杆10采用螺纹连接，喷浆钻杆1的底部与钻头15连接；特制钻杆10内部有速凝剂通道13、浆液通道11和水通道12三条通道；喷浆钻杆1为空心钻杆，内部设有喷浆管路系统；所述喷浆管路系统包括速凝剂管路3、浆液管路2以及环形喷浆环4；当喷浆钻杆1和特制钻杆10连接，特制钻杆10的速凝剂通道13、浆液通道11分别与喷浆钻杆1的速凝剂管路3、浆液管路2接通；速凝剂管路3、浆液管路2的一端汇合成一根混合管路后与环形喷浆环4连接，环形喷浆环4上设有喷浆口5；水通道12为钻头15供水。

所述的速凝剂通道13、浆液通道11和水通道12的管径不同，水通道12管径最大，其次为浆液通道11，速凝剂通道13管径最小。

所述的速凝剂管路3、浆液管路2汇合形成“y”型管路，“y”型管路的总管连接有螺旋管7，螺旋管7的另一端连接有倒“t”型管路9，倒“t”型管路9的横管两端与环形喷浆环4连接。

所述的螺旋管7的螺旋内部有三角形实心倒齿8，使浆液与速凝剂充分混合，经喷浆口5喷出的混合浆液能迅速凝固。

所述的速凝剂使用的是高强速凝剂，在与浆液充分混合喷到钻孔孔壁后，加快浆液凝固；且浆液中加入聚酯纤维材料增强喷浆层的抗变形能力。

所述环形喷浆环4位于喷浆钻杆1底部的100-300mm处，喷浆环4上布置多个喷浆口5；或者喷浆环4在钻头15上布置。

如图5-22所法，所述的环形喷浆环4的喷浆口5的布置方式包括在喷浆环周围设置一整圈喷浆口的圆环形喷浆结构，或者在喷浆环周围设置一部分喷浆口的扇形喷浆结构，喷浆环4上未有喷浆口5的范围为未喷浆的范围，未喷浆的范围角度θ为0°~270°；依据未喷浆θ的范围可形成圆形薄柱壳16或扇形薄柱壳17，当θ=0°时即为圆形薄柱壳16，θ≠0°时即为扇形薄柱壳17。

所述的喷浆口5的疏密程度设置为多种形式，喷浆口5的疏密程度不一，疏密程度用来控制喷浆的厚度，喷浆口5越密，喷浆的厚度越厚：其中，圆环形喷浆结构的喷浆口布置方式为：方式一，喷浆口5疏密程度一致，喷浆后则形成等厚的圆形薄柱壳16a，如图6-7所示；方式二，喷浆口5上部疏密程度一致，下部稀疏，稀疏范围对应的角度β为45°~180°，喷浆后则可形成上部加厚，下部不加厚的不等厚圆形薄柱壳16b，如图8-9所示；方式三，喷浆口5由上部逐渐向下部变稀疏，喷浆后形成厚度渐变的圆形薄柱壳16c，如图10-11所示；所述扇形喷浆结构的喷浆口5布置方式为：方式四，喷浆口5位于上部，未有喷浆口5的范围对应的角度θ1为0°~180°，喷浆口5疏密程度一致，喷浆后则形成等厚的扇形薄柱壳17a，如图12-13所示；方式五，喷浆口5位于上部，未有喷浆口5的范围对应的角度θ1为0°~180°，喷浆口5由上部逐渐向下部变稀疏，喷浆后形成厚度渐变的扇形薄柱壳17b，如图14-15所示；方式六，喷浆口5位于上部，布置范围对应的角度θ2为180°~270°，喷浆口5疏密程度一致，喷浆后形成顶部扇形薄柱壳17c，如图16-17所示。

一种防瓦斯抽采钻孔塌孔的方法，包括以下步骤：

步骤1）安装钻机及钻杆，将防瓦斯抽采钻孔塌孔装置的喷浆钻杆1与特制钻杆10连接，喷浆钻杆1的另一端与钻头15连接，特制钻杆10的另一端与钻机连接，装置安装完毕后进行钻孔作业；

步骤2）当钻孔达到预定距离，钻进停止，开始后退式喷浆，浆液和速凝剂在管路系统下最终通过环形喷浆环4喷到钻孔孔壁，形成圆形薄柱壳16或扇形薄柱壳17加固孔壁；

步骤3）根据不同的喷浆方式以及不同的喷浆钻杆1有不同的喷浆效果：

3.1）采用圆环形喷浆结构进行喷浆，有两种喷浆方式：

第一种方式：当第一个圆形薄柱壳16长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个圆形薄柱壳16，第二个圆形薄柱壳16长度也为a，如图18所示；

第二种方式：当第一个圆形薄柱壳16长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个圆形薄柱壳16，第二个圆形薄柱壳16长度为c，其中c>a，如图19所示。

3.2）采用扇形喷浆结构的方式四或方式五喷浆钻杆1时，分别有两种喷浆方式；

第一种方式；当第一个扇形薄柱壳17长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个扇形薄柱壳17，第二个扇形薄柱壳17长度为c，其中c>a，如图20所示；

第二种方式：当第一个扇形薄柱壳17长度到达设计距离a，停止输送浆液，钻杆向后退回一定距离b后，再次输送浆液进行喷浆，形成第二个扇形薄柱壳17，第二个扇形薄柱壳17长度为c，其中c>a，如图21所示；

3.3）采用扇形喷浆结构的方式六所述的喷浆钻杆1时，则采用全程喷浆的方法，在钻孔顶部形成扇形薄柱壳17，如图22所示，防止钻孔顶部大范围塌孔。

以此类推，可按照上述步骤形成多个圆形薄柱壳16或扇形薄柱壳17，达到加固整个钻孔的效果，此方法在拔钻时就及时支护钻孔孔壁，提高了加固钻孔孔壁的效率，同时也防止钻孔围岩松软破碎造成大范围塌孔，造成瓦斯抽采钻孔堵塞，影响瓦斯抽采。

其中，圆形薄柱壳16或扇形薄柱壳17的长度a一般为200-300mm，圆形薄柱壳16或扇形薄柱壳17之间的距离b一般为800-1200mm，c的长度一般为300-600mm，具体长度及间距应视现场塌孔情况而定。

最后应说明的是：以上各实例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管上文对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围内。