CN104879159A - 一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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究课题。
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
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。
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。
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。
所述喷孔沿钻杆周向均匀分布，其数量为4个。
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，（1）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1~2m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。
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1m。
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。
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。
所述钻孔沿其轴向每15m为一个单元。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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1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1左端连通，膨胀式封隔器4设置在钻杆1上，滚珠滑套5转动套设于钻杆1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1上设置有与滚珠滑套5对应的喷孔8，钻头6设置于钻杆1右端。
滚珠滑套5包括护套9和滚珠10，护套9套设于钻杆1上，护套9与钻杆1为间隙配合，护套9两端与钻杆1之间设置有密封结构，护套9内侧面和钻杆1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1自由转动，同时避免了护套9和钻杆1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1组成的腔体内。
所述喷孔8沿钻杆1周向均匀分布，其数量为4个。
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，（1）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1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 1～2m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1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返出的液体成分判断是否停止射孔。若钻孔13返出的液体成分中有煤渣或者岩渣时，则继续射孔；若钻孔13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4、滚珠滑套5以及钻杆1之间的配合进行水力压裂，当高压注水泵2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12裂隙已与邻近压裂煤层12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12，此时应继续加压压裂；（6）选择不同的单元依次进行工序（4）和工序（5），直至整个钻孔13完成射孔和压裂作业，（6）对钻孔13内进行负压瓦斯抽采。
钻孔13以钻场11为圆心的扇形区域内呈放射状均匀分布，钻孔13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，可增大对煤层12的压裂范围，钻孔13沿其轴向每15m为一个单元。
钻场11由运输平巷14一侧向顶板开掘而成，钻场11平台底部与煤层12之间的距离为1m，钻孔13直径为94mm。
膨胀式封隔器4的坐封压力必须大于射孔注液压力而小于压裂设计注液压力；当水砂射孔时，膨胀式封隔器4并不坐封，射孔液可以环空返出，水力压裂时，注液压力达到膨胀式封隔器4坐封压力后膨胀式封隔器4的胶筒扩张与钻孔壁紧密接触，实现环空密封，膨胀式封隔器4为现有设备，故其具体结构在本发明中不在赘述。
实施例1
对于埋深623 m，平均厚度4.8 m的单一煤层，煤层12倾角6°~12°，平均为8°左右。煤质松软且多为碎块状。煤层12相对瓦斯含量27 m3/t，瓦斯压力1.8 MPa。煤层12直接顶为砂岩，厚7.5~12.8 m，平均厚9.1 m；老顶为细砂岩，厚4~22.4 m，平均厚14.9 m；煤层12底板为炭质泥岩或泥岩，厚3.9~27.6 m ，平均厚16.2 m。顶板岩层完整性较好。
根据运输平巷14空间位置及煤层12层位关系、工作面长度、煤层12倾角、煤质硬度、顶底板岩性等参数设计钻场11位置、钻孔13距煤层12距离、钻孔13长度、钻孔13个数及射孔密度。
从运输平巷14一帮向拟采煤层12顶板施工一个底板距煤层12的距离为1 m，且宽4 m、长4.5 m、高2.5 m的挑顶钻场11。
在钻场11内通过钻杆1带动钻头6转动施工钻孔13，钻孔13距离钻场11底部为1m，将每个钻孔13按其轴向长度划分，每15m为一个单元，然后对钻孔13的每个单元依次进行射孔和压裂施工，由于珠滑套5转动套设于钻杆1上且滚珠滑套5的重心位于滚珠滑套5的中心和喷砂嘴7之间，当钻杆1转动时，在重力的作用下，护套9通过滚珠10与钻杆1相对转动，从而使喷砂嘴7始终竖直向下，在进行射孔施工时，启动高压注水泵2和加沙装置3，由水和沙子组成的混合物进入钻杆1内，并通过喷孔8进入护套9与钻杆1组成的腔体内，由于护套9两端与钻杆1之间设置有密封结构，因此水和沙子组成的混合物以高压力从喷砂嘴7竖直向下喷出，根据钻孔13内的返液判断射孔是否直达煤层12；射孔施工结束后进行压裂施工，通过高压注水泵2和加沙装置3在钻杆1内注入压裂液，压裂液由细砂和含有2%kcl的水组成，细砂的直径为0.2~1.2 mm，且压裂液中细砂的含量为5%，压裂液的注液压力为30 Mpa，膨胀式封隔器4型号为K344型膨胀式封隔器，压裂液由喷砂嘴7竖直向下喷出，由于喷砂嘴7节流压差使膨胀式封隔器4坐封，相邻的膨胀式封隔器4形成封闭的环境，由于滚珠滑套5位于相邻的膨胀式封隔器4之间，利用煤层12的抗压强度小于岩石抗压强度的特点，随着压裂液的不断注入，压力逐渐变大，喷砂嘴7喷出的压裂液通过射孔进入煤层12使之产生立体裂隙网络，而作为支撑剂的细砂可防止压裂液返回以后裂隙重新闭合。
压裂施工结束后停止注射压裂液，使膨胀式封隔器4解封，将一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置移至钻孔13的下一单元进行射孔和压裂施工，直至一个钻孔13内的所有单元均完成射孔和压裂施工，然后对此钻孔13进行瓦斯抽采，在水力压裂后的钻孔13内进行瓦斯抽采，压裂产生的裂隙更容易使煤层12瓦斯达到临届解吸压力以下，在负压抽采过程中，解吸后的瓦斯通过压裂产生的裂缝快速渗流运移，再通过岩层中的钻孔13被大规模抽采出来。
依次对所有钻孔13进行上述操作，直至完成对所有钻孔13内的瓦斯抽采，使回采工作面煤层12内的瓦斯含量降至相关规定以下，从而达到改造煤储层缝网快速抽采瓦斯的目的。
Claims (10)
1.一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置，其特征在于：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。
2.如权利要求1所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置，其特征在于：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。
3.如权利要求1或2所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述喷孔沿钻杆周向均匀分布，其数量为4个。
4.一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，包括如下工序，（1）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1~2m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。
5.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。
6.如权利要求4所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，其特征在于：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1m。
7.如权利要求4所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，其特征在于：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。
8.如权利要求4所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，其特征在于：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。
9.如权利要求4所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，其特征在于：所述钻孔沿其轴向每15m为一个单元。
10.如权利要求4所述的一种松软煤层回采工作面增透抽采瓦斯的方法，其特征在于：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。
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