一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿瓦斯抽采领域，尤其涉及一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]矿井瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要自然因素之一，而煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸是影响当今煤矿生产的灾害之最，每年造成大规模人员伤亡和巨大财产损失。随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力也逐渐增大，尤其对于单一、松软、低渗的回采工作面，目前还没有有效的煤层瓦斯高效抽采技术。因此，如何有效防治瓦斯事故，积极控制瓦斯灾害，成为制约当下煤矿高产高效安全生产的主要研宄课题。
[0003]对单一、松软的高瓦斯煤层回采工作面进行缝网增透和瓦斯抽采是防治瓦斯问题的根本措施，而目前公知的预抽煤层瓦斯方法主要有两种:一是通过向煤层打顺层抽采钻孔进行瓦斯抽采，但对于部分单一、松软的高瓦斯煤层，在煤层中施工长钻孔是十分困难的，由于所回采煤层煤质松软使得钻孔过程中极易出现喷孔、蹋孔、堵孔、卡钻的现象，这使得从运输平巷内所施工的钻孔很难穿过天然存在于原岩内而不受人为因素干扰的原岩应力区到达回采空间周围煤岩体内应力升高的回风平巷侧的支承应力集中区，再加上松软煤层中裂隙不发育、渗透率低等原因，使得利用现有技术直接进行预抽煤层瓦斯的抽采时间短，抽出率低下，有时甚至根本无法抽出瓦斯，造成“有气抽不出”的困难局面，使抽采效果很不理想；另一个是在煤层顶板或底板施工岩抽巷加穿层钻孔预抽煤层瓦斯，但由于投资高，井巷工程量大，生产及辅助系统复杂等原因造成吨煤生产成本偏高，考虑到安全及经济问题，该项措施也没有得到大范围的推广。因此，对于单一、松软的高瓦斯煤层的瓦斯预抽，急需一个行之有效的方法来改变现状。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置及其方法，针对松软煤层回采工作面的缝网改造增透抽采瓦斯，在钻孔内进行裸孔定向水力加沙射孔和裸孔分段水力压裂，使煤层中产生煤层与煤层顶板裂隙沟通的立体裂隙网络，形成煤层瓦斯运移产出的有效通道，大幅度提高煤层透气性，从而使瓦斯得到有效抽采。
[0005]具体技术方案为:一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置，包括钻杆、高压注水泵、加沙装置、膨胀式封隔器、滚珠滑套和钻头，高压注水泵和加沙装置与钻杆左端连通，膨胀式封隔器设置在钻杆上，滚珠滑套转动套设于钻杆上并位于相邻的膨胀式封隔器之间，滚珠滑套上设置有喷砂嘴，滚珠滑套的重心位于滚珠滑套的中心和喷砂嘴之间，钻杆上设置有与滚珠滑套对应的喷孔，钻头设置于钻杆右端。
[0006]所述滚珠滑套包括护套和滚珠，护套套设于钻杆上，护套与钻杆为间隙配合，护套两端与钻杆之间设置有密封结构，护套内侧面和钻杆外侧面上分别设置有相对应的第一环形凹槽和第二环形凹槽，滚珠设置于第一环形凹槽和第二环形凹槽内，喷砂嘴设置于护套上，喷孔设置于护套与钻杆组成的腔体内。
[0007]所述喷孔沿钻杆周向均匀分布，其数量为4个。
[0008]一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，包括如下工序，(I)在煤层顶板开掘一个钻场；(2)利用一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置的钻杆和钻头之间的配合在钻场内钻设轴线平行于煤层和顶板交界面且距煤层l~2m的钻孔；(3)将一个钻孔轴向分为多个单元；(4)利用一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置钻杆与滚珠滑套的配合在一个单元内沿垂直于煤层的方向向煤层定向射孔，根据观察钻孔返出的液体成分判断是否停止射孔。若钻孔返出的液体成分中有煤渣或者岩渣时，则继续射孔；若钻孔返出的液体开始变得澄清，既无岩渣又无煤渣时，停止射孔，射孔所用射孔液的成分包含水和细砂；(5)在与工序(4)同一个单元内利用一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置的膨胀式封隔器、滚珠滑套以及钻杆之间的配合进行水力压裂，当高压注水泵的泵压达到注液压力以上若稳定一段时间后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，说明煤层裂隙已与邻近压裂煤层裂隙连通，则停止压裂；若持续加压时压力迅速上升，则说明压裂液正在破裂煤层，此时应继续加压压裂；(6 )选择其他单元依次进行工序(4)和工序(5 )，直至整个钻孔完成射孔和压裂作业，(6)对钻孔内进行负压瓦斯抽采。
[0009]所述钻场由运输平巷一侧向顶板开掘而成，钻场平台底部距离煤层lm。
[0010]所述钻孔在以钻场为圆心的扇形区域内呈放射状均匀分布，钻孔深度应穿过原岩应力区进入回风平巷侧煤壁的支承应力集中区内。
[0011]所述的膨胀式封隔器的坐封压力大于射孔注液压力且小于压裂设计注液压力。
[0012]所述钻孔沿其轴向每15m为一个单元。
[0013]所述工序(5)中，打开高压注水泵和加砂装置注水压裂时，在前3~5min内缓慢注水使水压逐渐增高至设计注液压力；在压裂结束时，高压注水泵缓慢卸压。
[0014]本发明的有益效果是:
1.从运输平巷一侧向顶板开掘钻场，在顶板钻场中钻设钻孔的方法，既缩短了从地面打孔抽采时抽采钻孔的长度，又利用岩层施工易成孔的特点，提高了钻孔钻进速度及成孔稳定性，极大地延长了钻孔抽采寿命，避免了本煤层顺层孔抽采时在煤层中打钻容易喷钻、卡钻、蹋孔、堵孔的缺点。
[0015]2.在钻孔内进行的分段水力压裂将整个钻孔分为数段，每次将压力集中在一小段上进行压裂，以较小的流量即获得好的压裂效果，减小水流量，从而降低了对压裂系统的要求，设备的体积大大减小，可以更好地适应井下平巷条件。
[0016]3.在顶板岩层中的射孔为压裂时的缝隙延伸提供了一个导向煤层的趋势，岩层中的缝网进一步开启、扩张，与煤层中的原生裂隙相互沟通，进而压裂煤层，形成较为均匀、发达的煤岩立体缝隙网络，增加煤层瓦斯解吸表面积，提高解吸速度，为煤层瓦斯的快速运移产出提供了一条高速通道，实现连续稳定高效抽采。
[0017]4.带有钻头的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置真正实现了钻孔、水力加沙射孔、水力压裂的一体化、显著提升单孔抽采能力和抽采效果，极大地提高了工作效率。
[0018]5.在工作面回采过程中，钻场内靠近回风平巷的钻孔可以留作回采时抽采上隅角瓦斯的抽采钻孔使用，减少工程投入，降低生产成本，提高了经济效益。
[0019]6.本发明采用了基于缝网改造的松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯方法，既能避免开掘岩抽巷的高工程投入，又可以避免从地面开设抽采钻孔和工程钻孔抽采时钻孔长、压裂压力损失大、设备要求高、操作复杂的不足。就近开设钻场进行大规模瓦斯抽采，不仅能提高抽采效果，确保工作面的“抽、采、掘”平衡，而且抽采出来的瓦斯也可作为与煤共生的资源实现工业利用。
【附图说明】
[0020]图1为本发明一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置结构示意图；
图2为本发明滚珠滑套结构示意图；
图3为图2中A-A向结构剖视图；
图4为本发明施工原理结构示意图；
图5为图4左视图；
图6为图4俯视图。
【具体实施方式】
[0021]如图1、图2和图3所示，一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置，包括钻杆1、高压注水泵2、加沙装置3、膨胀式封隔器4、滚珠滑套5和钻头6，钻杆I为两端开口的中空结构，高压注水泵2和加沙装置3通过安全接头15与钻杆I左端连通，膨胀式封隔器4设置在钻杆I上，滚珠滑套5转动套设于钻杆I上并位于相邻的膨胀式封隔器4之间，滚珠滑套5上设置有喷砂嘴7，滚珠滑套5的重心位于滚珠滑套5的中心和喷砂嘴7之间，钻杆I上设置有与滚珠滑套5对应的喷孔8，钻头6设置于钻杆I右端。
[0022]滚珠滑套5包括护套9和滚珠10，护套9套设于钻杆I上，护套9与钻杆I为间隙配合，护套9两端与钻杆I之间设置有密封结构，护套9内侧面和钻杆I外侧面上分别设置有相对应的第一环形凹槽和第二环形凹槽，滚珠10设置于第一环形凹槽和第二环形凹槽内，使护套9可以绕钻杆I自由转动，同时避免了护套9和钻杆I发生轴向相对运动，喷砂嘴7设置于护套9上，喷孔8设置于护套9与钻杆I组成的腔体内。
[0023]所述喷孔8沿钻杆I周向均匀分布，其数量为4个。
[0024]如图4、图5和图6所示，一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，包括如下工序，(I)在煤层12上方开掘一个钻场11 ; (2)利用一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置的钻杆I和钻头6之间的配合在钻场11内钻设轴线平行于煤层12和煤层12顶板的交界面且距煤层12的距离为I?2m的钻孔13 ; (3)将一个钻孔13分为多个单元；(4)利用一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置钻杆I与滚珠滑套5的配合在一个单元内沿垂直于煤层12的方向向煤层12定向射孔，根据观察钻孔13返出的液体成分判