一种瓦斯抽采钻孔的方法

本发明涉及煤层开采，具体涉及一种瓦斯抽采钻孔的方法。

背景技术：

1、我国煤矿大部分是井工开采，随着采深增加(15～30m/年)，瓦斯含量(最高34m3/t)、瓦斯压力(最大7.5mpa)逐渐增大，目前70％以上是高瓦斯矿井，严重制约了煤炭的安全生产。瓦斯是煤矿安全生产的头号杀手，据统计，建国以来煤矿重特大事故中瓦斯事故占90％以上；近十年来，瓦斯事故死亡人数仍占25％以上。

2、对不具备保护层开采的煤层，瓦斯预抽是工作面防突的有效措施。在煤巷掘进前，一般在底板岩石巷布置穿层钻孔进行卸压、预抽，控制范围为煤巷掘进宽度及两帮各15m，同时在底板岩石巷穿层水力割缝、水力冲孔等煤层增透措施，提高穿层预抽效果，消除掘进范围突出危险。以及对采面进行本煤层钻孔预抽，在底板岩石巷进行穿层钻孔卸压、预抽、穿层水力割缝、水力冲孔，消除采面突出危险。

3、cn 205422591 u中公开了一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔的洗孔装置，通过柔性软管推进机构、同步伸缩绞盘、自进式组合射流钻头以及配套其他装置，实现长距离自进式冲洗孔钻进，配合极小半径转向器解决了钻孔工程量大、存在抽放空白带、易形成应力孤岛等问题。然而在实际应用过程中，随着钻进距离的进一步增加，沿程阻力显著增大，破孔洗孔效果随着距离的增加而越来越弱。沿程阻力损失的公式为：沿程阻力与钻进距离呈正比，与射流速度平方成正比，公式中仅有λ(沿程阻力系数或达西系数)可以改变。此外，高压树脂管缠绕在绞盘内，无疑进一步加大了沿程压力损失。

4、目前，解决自进式钻头钻进距离较近、自进式钻头射流压力不够、雾化严重等问题的方法和装置不多，严重制约了自进式水力钻进的广泛应用，从而不仅制约了其在煤矿瓦斯抽采领域的应用，同样严重制约其在市政、管路清理领域的应用前景。因此，寻求一种能有效降低长距离射流管路沿程压力损失、改善射流雾化发散的方法对提高自进式水力钻进的效率十分重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种瓦斯抽采钻孔的方法，以解决现有瓦斯抽采存在自进式钻头钻进距离较近、自进式钻头射流压力不够、雾化严重等问题，从而提升瓦斯抽采效果和延长抽采距离。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种瓦斯抽采钻孔的方法，包括以下步骤：

4、通过加注机构将工作液注入煤矿井下瓦斯抽采钻孔的洗孔装置的水箱中，并使工作液与纯水充分混合，水箱的出水通过输送管连接高压泵，高压泵通过高压管与绞盘相连，并通过高压密封水尾将高压水输送给缠绕在绞盘上的高压硬管，高压硬管在送入钻孔之前穿过推进机构，通过推进机构所提供的推进力使高压硬管沿着钻孔向前输送，高压硬管前端依次连接高压软管和自进式钻头，自进式钻头产生自进推力，对堵塞、垮塌部分进行疏通、扩孔，通过工作液的加入，以实现延长钻进距离、增强射流集束效果和减小自进式钻头喷嘴的雾化效果；

5、所述工作液包括聚丙烯酰胺(pam)、黏弹性激活剂、表面活性剂和脂肪醇；所述黏弹性激活剂为水杨酸钠(nasal)，所述表面活性剂为十六烷基三甲氯化铵(ctac)，所述脂肪醇为聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)。

6、根据上述技术手段，在煤矿井下瓦斯抽采钻孔的洗孔装置中，由于自进式钻头的后部喷嘴主要起着冲孔、阔孔、维持自进式钻头平衡和带动高压树脂软管前进的作用，因此，后部喷嘴的射流效果尤为重要。然而在现有实际使用过程中，由于后部喷嘴的射流方向往往与自进式钻头的前进方向呈钝角，甚至大于135°，从而使得射流的雾化效果非常严重，流体的扩散角大，核心段较短，从而大大降低了钻进速度和效率。而通过工作液的加入能显著降低长距离射流输送过程中的沿程压力损失，使自进式钻头前端的射流更集束，以及能显著降低洗孔射流的雾化效应，大大提高了射流效果，从而有效提高了钻进速度和效率；同时，通过在现在煤矿井下瓦斯抽采钻孔的洗孔装置的水箱上增设一个加注机构，即可实现工作液的加注，具有结构简单、操作方便和成本低的优点。

7、通过采用聚丙烯酰胺(pam)、黏弹性激活剂、表面活性剂和脂肪醇的混合溶液作为水力钻进的工作液，其中，聚丙烯酰胺(pam)的分子量通常在百万数量级，分子链为直线型，使得减阻效果显著，且聚丙烯酰胺(pam)具有良好的絮凝性能，能有效降低液体间的摩擦阻力；ctac在一定的浓度、稳定剂(包括盐类，如nasal、醇类等物质，如aes，起到黏弹激活剂和助表面活性剂的作用)和剪切力的作用下，大量的ctac分子会聚集从而形成棒状结构，进而相互交织成网状结构，进一步提高减阻效果；黏弹性激活剂水杨酸钠nasal作为助表面活性剂，用于进一步激活、提高pam和ctac的黏弹性；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)作为pam和ctac的补剂，能显著提高pam和ctac的化学稳定性，由于煤岩的ph值大概为4-7，而pam和ctac在酸碱条件下会失去稳定性，从而影响破岩微裂隙瓦斯通道的产生，而经过实验验证，通过将aes加入pam和ctac的混合物中，能提高工作液的稳定性。从而将该工作液用于弱酸碱煤岩的水力钻进，在工作液中各成分的相互协同作用下，能显著增长钻进距离，增强射流集束效果，极大的减小了自进式喷嘴的雾化效果，具有洗孔速度快、效率高、节约用水的优点，进而增加了瓦斯抽采的效果和距离；由于工作液的减阻作用，降低了相同射流压力下泵的轴功率，提高了泵的运行效率，从而降低了高压泵的负载，由于为了达到相同的破岩效果，使用工作液射流相比于纯水的射流压力更低，也就是说，同样的高压泵功率情况下，使用工作液的喷嘴出口处的射流压力更大，因此，达到相同的破岩效果时，高压泵的负载更低，延长了高压泵的维修周期，降低了能耗。

8、其中，pam是由丙烯酰胺(am)自由基聚合制备的水溶性线性聚合物，pam分子量通常在百万数量级，经过验证，其分子量越大减阻效果越好；pam分子链为直线型，且主链较长，支链较少，使得减阻效果显著；pam价格低廉，具有良好的絮凝性能，可降低液体间的摩擦阻力，因此，将其作为水力钻进的工作液的主要成分，具有减阻效果好的优点。然而pam也有不足，即容易降解，抗剪切性能差，受温度的影响较大：当湍流流动中剪切力较高时(或者处于较高温度时)，泵受到机械剪切时，分子链很容易发生断裂而导致减阻能力下降甚至失去，同时，pam在低温时减阻效果较高，而高温时因降解会存在减阻效果较低的问题。

9、表面活性剂ctac与高分子聚合物相比，相对分子量较低，而且具有良好的光、热、机械稳定性和可控性，并且对水质要求不高，使用范围更广。ctac在一定的浓度、稳定剂和剪切力的作用下，大量的ctac分子会聚集从而形成棒状结构，进而相互交织成网状结构，发挥减阻功效。与高分子聚合物pam不同的是，表面活性剂ctac具有很强的抗剪切性能，即在泵的机械剪切作用下，其棒状结构会暂时断裂，但是经过泵之后(机械剪切消失)，又可恢复为原来的棒状结构，并且仍然具有较高的减阻效果，因此将ctac作为pam的辅剂，能进一步显著提供工作液的减阻效果。

10、然而在面对酸碱煤岩条件下，pam和ctac的效果会明显降低，因此，将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠aes作为pam和ctac的补剂，能显著提高pam和ctac在酸、碱介质中的化学稳定性。nasal是助表面活性剂，用于激活pam和ctac的黏弹性。

11、本发明的工作液实现减阻的机理如下：

12、由于高分子聚合物分子由憎水基和憎油基组成，在水溶液体系中，由于憎水基的“疏水”作用，使得非极性基团自身聚合形成特殊结构——胶束。pam特有的链状结构可以在流体中形成絮凝网，达到cmc(临界胶束浓度)(critical micelle concentration)浓度后，为保证体系具有最小的自由能，形成憎水基向内，亲水基向外的多个分子的有序结构球状胶束。而在十倍cmc或更大的浓度溶液条件下，胶束往往不是球状而是棒状胶束，使得碳氢链与水的接触面积最小，有更高的热力学稳定性。在一定的剪切力作用下，杆状胶束会相互缠绕并沿流场方向排列形成高次胶束结构。经研究，本发明通过两种主要方式来降低cmc：(1)表面活性剂复配的方法，本发明中采用了pam、ctac及aes复配的方式，在等摩尔比条件下，表面活性剂的复配表现出协同作用，经过测试，cmc的浓度下降1/4～1/2；(2)水化学组分调控法，本发明采用了多种离子联合使用的调控模式，nasal含有多种无机离子，复杂体系中的组分之间的协同作用能降低表面活性剂的cmc，cmc的浓度下降1/6～1/3。

13、聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)是在非离子表面活性剂聚氧乙烯醚即ro(c2h4o)nh的基础上衍生出来的一种重要的表面活性剂，是混合型表面活性剂中最重要、产量最大的一种。其溶解性能、抗硬水性能、起泡性、润湿性均优于脂肪醇硫酸盐，且刺激性也低于脂肪醇硫酸盐。因此，在工作液中加入聚氧乙烯醚硫酸钠不仅能显著提高pam和ctac在酸、碱介质中的化学稳定性，同时还能有效降低射流的流体阻力。

14、工作液在管道中的宏观减阻原理：

15、向普通流体添加少量的高聚合物后，普通流体向粘弹性流体过渡，当然它的边界层也会发生粘弹性流体的现象。添加聚合物，使纵向紊动强度显著提高，但对竖向紊动强度影响不大，纵向脉动流速范围扩大，竖向脉动流速幅值基本没有变化，流体内部的紊动阻力τ下降，从而起到减阻作用。

16、优选的，所述聚丙烯酰胺、黏弹性激活剂、表面活性剂和脂肪醇的浓度比为190ppm～210ppm：170ppm～230ppm：185ppm～215ppm：380ppm～420ppm。

17、优选的，所述聚丙烯酰胺、黏弹性激活剂、表面活性剂和脂肪醇的浓度比为200ppm：200ppm：200ppm：400ppm。

18、优选的，冲孔、洗孔的距离和钻进速度与工作液的注入速度成正比。

19、优选的，所述加注机构通过电磁阀与所述水箱相连，通过电磁阀控制工作液注入水箱中的速度，以实现根据煤岩硬度对应调整工作液的浓度。

20、优选的，所述煤岩硬度与所述工作液的浓度成正比。

21、本发明的有益效果：

22、本发明的瓦斯抽采钻孔的方法，通过工作液的加入能显著降低长距离射流输送过程中的沿程压力损失，使自进式钻头前端的射流更集束，以及能显著降低洗孔射流的雾化效应，大大提高了射流效果，从而有效提高了钻进速度和效率；同时，通过在现在煤矿井下瓦斯抽采钻孔的洗孔装置的水箱上增设一个加注机构，即可实现工作液的加注，具有结构简单、操作方便和成本低的优点；通过采用聚丙烯酰胺(pam)、黏弹性激活剂、表面活性剂和脂肪醇的混合溶液作为水力钻进的工作液，其中，聚丙烯酰胺(pam)的分子量通常在百万数量级，分子链为直线型，使得减阻效果显著，且聚丙烯酰胺(pam)具有良好的絮凝性能，能有效降低液体间的摩擦阻力；ctac在一定的浓度、稳定剂和剪切力的作用下，大量的ctac分子会聚集从而形成棒状结构，进而相互交织成网状结构，进一步提高减阻效果；黏弹性激活剂nasal作为助表面活性剂，用于激活黏弹性；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)作为pam和ctac的补剂，能显著提高pam和ctac的化学稳定性。从而将该工作液用于水力钻进，在工作液中各成分的相互协同作用下，能显著增长钻进距离，增强射流集束效果，极大的减小了自进式喷嘴的雾化效果，具有洗孔速度快、效率高、节约用水的优点，进而增加了瓦斯抽采的效果和距离；同时减弱了高压泵的负载，延长了高压泵的维修周期，降低了能耗，在煤层开采技术领域，具有推广应用价值。