鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備及工藝的製作方法
2023-06-12 02:48:11 1
本發明涉及煤礦開採工程中瓦斯抽採和煤層氣開發領域，尤其涉及一種鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備及實現工藝。
背景技術：
煤及煤層氣是中國重要的化石能源礦產，而具有高瓦斯或煤與瓦斯突出傾向的煤層極易在施工作業時發生煤礦瓦斯災害，特別是鬆軟突出煤層的安全生產面臨巨大挑戰。如表1所示，針對堅固性係數f<0.8的鬆軟煤層，滲透性和強度均較低，煤體穩定性差，瓦斯含量和瓦斯壓力高。除了巷道極易發生頂板冒落和底膨破壞，給支護造成極大的困難，煤與瓦斯突出災害事故防治也是困擾產業界的一大難題。因此，煤層氣或瓦斯抽採是防治煤礦瓦斯災害的重要安全技術措施，一般採用大量鑽孔作業以便進行人工增滲施工，降低煤礦瓦斯災害發生的概率。
表1 按堅固性係數劃分的煤層分類
鬆軟突出煤層廣泛分布於貴州、雲南、重慶、湖南、安徽、河南等礦區，據不完全統計，重點礦區含鬆軟突出煤層的煤礦數量佔總礦井數量的53.3％。但鬆軟突出煤層具有滲透性低、瓦斯壓力和瓦斯含量高、強度低的特點，因此鬆軟煤層鑽孔過程中往往發生卡鑽、移出鑽頭後孔壁往往嚴重變形縮頸甚至坍塌等鑽孔失效問題，很難保證鑽孔成功率，從而嚴重製約了鬆軟突出煤層的開發。
目前，一般採用將護孔篩管送入鑽孔的方式保護鑽孔，以減少鑽孔變形縮頸或坍塌的可能性，然而鑽孔中殘留的煤屑容易導致護孔篩管難以下放。例如，公開號為CN 102587961A的專利介紹了一種鬆軟煤層瓦斯抽採孔的護孔管的送入工藝，解決了鬆軟煤層瓦斯抽採孔送入護孔管時遇到鑽孔殘留煤屑和局部塌孔難以下放的問題，但是該工藝是在成孔退鑽後實施，增加了工程量，耗時耗力；公開號為CN 103114810A的專利介紹了一種煤層鑽孔防塌孔隨鑽鑽進下套筒裝備及鑽孔工藝，該工藝起到了防止鑽孔塌孔且避免鑽孔報廢的作用，但是筒式鑽頭無法退出，在鑽孔結束後留在孔內，造成浪費，甚至有可能在採煤機回採切割煤體時相互摩擦而產生火花，存在極大的安全隱患。
為解決上述問題，本發明提出了一種鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備及工藝，能夠避免卡鑽、移出鑽頭後孔壁嚴重變形縮頸甚至坍塌等問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備及工藝，能夠避免卡鑽、移出鑽頭後孔壁嚴重變形縮頸甚至坍塌等問題，以實現煤層氣、瓦斯高效抽採，降低煤與瓦斯突出等瓦斯災害事故發生的概率和威脅，最終實現煤礦安全和煤層氣高效開採。
為了達到上述目的，本發明一方面提供了一種鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備，用於對鬆軟突出煤層進行鑽孔，其特徵在於，所述裝備包括：可變徑鑽頭、篩管、推進單元以及驅動單元；其中，所述可變徑鑽頭通過所述推進單元與所述驅動單元連接，所述篩管包裹於所述推進單元的外表面，用於防止所述鑽孔產生嚴重變形或坍塌，所述驅動單元驅動所述推進單元作用於所述可變徑鑽頭，使其外徑大於所述篩管的外徑並牽引所述篩管直至其進入所述鬆軟突出煤層，並對所述鬆軟突出煤層進行衝擊鑽進直至一預定深度後再對所述可變徑鑽頭變徑，使其能夠縮回所述篩管內。
優選地，在上述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備中，所述篩管的構成材料包括抗靜電阻燃的PVC、PC、PE等新型高分子材料、輕金屬及其合金；所述篩管的外表面均勻設有多個凸起的波粒，用於減少所述篩管與孔壁煤體之間的摩擦力；每個波粒上均設有至少一個通孔，用於流通所述篩管內外的氣體。
優選地，在上述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備中，所述推進單元包括：推進杆以及液壓管線，所述液壓管線布置於所述推進杆上的管線卡槽內；所述驅動單元通過所述液壓管線分別與所述可變徑鑽頭以及推進杆連接。
優選地，在上述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備中，所述推進杆還包括：凸起機構、第一彈簧、第一活塞、第二彈簧、第二活塞以及至少一個卡頭，所述凸起機構用於使所述可變徑鑽頭變徑；所述至少一個卡頭用於固定並拖動所述篩管進入鬆軟突出煤層的鑽孔，並在鑽孔結束後脫離所述篩管並從中退出；所述液壓管線包括第一液壓管線及第二液壓管線，所述驅動單元通過所述第二液壓管線與所述第一活塞連接，所述驅動單元通過所述第一液壓管線與所述第二活塞連接，所述第一彈簧用於牽引所述凸起機構，所述第二彈簧用於牽引所述第二活塞，並在衝進鑽進時傳遞所述第二活塞產生的作用力至所述可變徑鑽頭。
優選地，在上述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備中，所述驅動單元包括：動力機構、第一閥門、第二閥門以及第三閥門，所述第一閥門及第二閥門用於控制所述第二活塞中的液壓，所述第三閥門用於控制所述第一活塞中的液壓，所述動力機構通過所述液壓管線與所述可變徑鑽頭、第一活塞以及第二活塞連接。
優選地，在上述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備中，所述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備還包括一降溫單元，用於對所述可變徑鑽頭、篩管、推進單元以及驅動單元進行降溫、潤滑。
為達到上述目的，本發明的另一方面提出了一種使用上述任一種鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備對鬆軟突出煤層進行鑽進成孔的工藝，包括：
獲取所需鑽進的煤層的基本物理力學參數，根據煤體地質強度指標GSI統計和Hoek-Brown準則等理論計算，設計和優化篩管的尺寸參數及構成材料，設計鑽進方案和施工參數，並進行裝備的安裝及調試；
驅動單元驅動推進單元工作，所述推進單元作用於可變徑鑽頭，使其攜帶篩管進行衝擊鑽進；
以及當鑽進至預定深度時，所述可變徑鑽頭脫離所述篩管並從中退出，所述篩管留於鑽孔內，防止所述鑽孔產生嚴重變形或坍塌，完成鑽孔。
優選地，在上述鬆軟突出煤層進行鑽進成孔的工藝中，所述驅動單元驅動推進單元工作，所述推進單元作用於可變徑鑽頭，使其攜帶篩管進行衝擊鑽進的步驟還包括：
所述可變徑鑽頭變徑使其外徑大於所述篩管的外徑並牽引所述篩管直至所述可變鑽頭進入所述鬆軟突出煤層；以及
對鑽孔的鑽進質量進行檢測，若鑽進質量未達到要求，則調整所述鑽孔裝備的施工參數，包括所述可變徑鑽頭的衝擊頻率，直到鑽進質量達到要求。
優選地，在上述鬆軟突出煤層進行鑽進成孔的工藝中，所述當鑽進至要求孔深所述預定深度時，所述可變徑鑽頭脫離所述篩管並從中退出，所述篩管留於鑽孔內，防止所述鑽孔產生嚴重變形或坍塌，完成鑽孔的步驟還包括：
所述推進單元作用於所述可變徑鑽頭變徑，使其外徑小於所述篩管的內徑縮回所述篩管內並從所述篩管中退出。
優選地，在上述鬆軟突出煤層進行鑽進成孔的工藝中，所述工藝還包括；
降溫單元對所述可變徑鑽頭、篩管、推進單元以及驅動單元進行降溫、潤滑。
綜上所述，在本發明提出的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備及工藝中，採用可變徑鑽頭對鬆軟突出煤層進行衝擊鑽進，以不排渣鑽進方式迴避排渣問題，極大地減少了粉塵排放，改善了工作環境；設置一定結構的篩管，減小了篩管與孔壁煤體之間的摩擦力，由可變徑鑽頭及推動單元對其進行牽引，解決了篩管下放困難的問題；鑽孔結束後，可變徑鑽頭從篩管中退出，留下篩管對鑽孔進行保護，有效防止孔壁坍塌。
附圖說明
圖1為本發明中一優選實施例中的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備結構示意圖；
圖2為本發明中一優選實施例中的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備沿垂直於X方向的截面示意圖；
圖3為本發明中一優選實施例中的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備的篩管波粒示意圖；
圖4為本發明中一優選實施例中的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔工藝的工作流程圖。
1-可變徑鑽頭；2-篩管；21-波粒；211-橢圓形孔；3-推進單元；31-第一彈簧；32-第一活塞；33-第二彈簧；34-第二活塞；35-凸起機構；36-推進杆；371-第一液壓管線；372-第二液壓管線；38-卡頭；4-驅動單元；41-第一閥門；42-第二閥門；43-第三閥門。
具體實施方式
下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。
本實施例中的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備包括可變徑鑽頭1、篩管2、推進單元3以及驅動單元4，用於對鬆軟突出煤層進行鑽孔。
具體的，如圖1及圖2所示，篩管2包裹於推進單元3的外表面；篩管2的外表面均勻設有多個凸起的波粒21，用於增加篩管2的強度和剛度，減小篩管外壁與鑽孔煤壁之間的摩擦力，提高篩管2下放效率和可靠性；每個波粒21上均設有至少一個通孔，本實施例中，通孔為橢圓形孔211，橢圓形孔211用與流通篩管2內外的流體，便於後期對鑽孔中的瓦斯及煤層氣進行抽採，進而降低了瓦斯災害事故發生的概率和威脅。
上述篩管2的使用材料包括但不限於為新型高分子材料，如抗靜電阻燃的PVC、PC、PE、輕金屬及其合金等，本發明對此不作任何限制；
如圖3所示，上述篩管2上設有的波粒21，及波粒21上設有的橢圓形孔211構成了一種新型結構的篩管，能夠保證橢圓形孔211始終開啟，使篩管2具有優良的透氣性能；且使用高分子材料無有毒有害物質產生，阻燃抗靜電，提高了篩管2的使用壽命及後期施工的安全性。
具體的，本實施例中的推進單元3包括推進杆36、凸起機構35、第一彈簧31、第一活塞32、第二彈簧33、第二活塞34以及液壓管線37。凸起機構35用於改變可變徑鑽頭的外徑，第一活塞32及第一彈簧31用於在復位凸起機構35；第二活塞34在驅動單元4的驅動下運動，作用於第二彈簧33，以保證可變徑鑽頭1實現衝擊鑽進。
如圖1所示，推進單元3還包括一個卡頭38，卡頭38用於固定並攜帶篩管2進入鬆軟突出煤層的鑽孔，本發明對卡頭38的數量及固定攜帶篩管2進入的方式不作任何限制；卡頭38可以但不限於為可充液膨脹式裝備，本發明對此不作任何限制。
鑽孔前，驅動單元4通過第二液壓管線372向第一活塞32注入液壓油，第一活塞32推動第一彈簧33沿X方向運動，凸起機構35進入可變徑鑽頭1的中心，使得可變徑鑽頭1的外徑增大，大於篩管2的外徑，以便牽引篩管2進入鑽孔；卡頭38固定篩管2於推進杆36上。
完成鑽孔後，驅動單元4通過第二液壓管線372停止向第一活塞32注入液壓油，第一活塞32及第一彈簧31沿X方向的反方向運動，凸起機構35離開可變徑鑽頭1的中心，可變徑鑽頭1外徑恢復至初始，卡頭38脫離篩管2，此時可變徑鑽頭1與卡頭38均從篩管2中退出，留下篩管2支撐鑽孔。
具體的，本實施例中的驅動單元4包括動力機構、第一閥門41、第二閥門42以及第三閥門43，第一閥門41及第二閥門42控制第一液壓管線371中的液壓油流向，以控制第二活塞34中的液壓，以使可變徑鑽頭1進行衝擊鑽進；第一閥門41控制進油量，第二閥門42控制出油量或第二閥門42控制進油量，第一閥門41控制出油量，本發明對此不作任何限制。當可變徑鑽頭1需退出鑽孔時，第三閥門43工作，改變了第一閥門41及第二閥門42控制的油量方向，以控制第二液壓管線372中的油量及第一活塞32的液壓，控制可變徑鑽頭1從篩管2中退出。
具體的，在上述裝備中，為保證可變徑鑽頭1、篩管2、推進單元3以及驅動單元4的正常工作，使用降溫單元對其進行降溫、潤滑處理，本發明對降溫單元的工作形式及結構均不作任何限制。
上述鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備可有效防止鑽孔坍塌，增加鬆軟煤層鑽孔成功率，從而降低了瓦斯災害事故發生的概率和威脅，最終實現煤礦安全和煤層氣高效開採。
某礦開採K2#鬆軟煤層時，瓦斯壓力大，工作面煤層泊松比μ為0.35，堅固性係數f為0.15，最大水平主應力σH＝13.2MPa，垂直應力σv＝9.42MPa，c＝1.25MPa，φ＝30°。工作面埋深550m，走向長700m，傾斜長120m；工作面煤層傾角18°，結構穩定、簡單，無較大地質構造，但小斷層發育明顯；平均堅固性係數f＝0.4左右，煤厚為0.8～1.5m，是典型的具有煤與瓦斯突出傾向性的鬆軟煤層，且軟分層分布不均，各向異性明顯。根據公式T＝(H-100)/100×1.13+19計算可知，工作面地溫大約24℃(T為地溫，H為埋深，且大於100m)。煤層瓦斯含量煤層瓦斯原始含量為5.62～21.53m3/t，絕對瓦斯最大湧出量為42m3/min，相對瓦斯湧出量為33.2m3/min，實測原始瓦斯含量25.6m3/t有煤塵爆炸危險性，煤層自燃傾向性為II類，屬於易自然發火煤層。
將本實施例中的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備運用到上述煤層開採工作中的流程如圖4所示。
具體包括：
S1：根據煤體地質強度指標GSI統計和Hoek-Brown準則等理論計算設計和優化篩管的尺寸參數及構成材料：選用外徑Φ32mm，內徑Φ25mm的篩管，篩管2材質選用具有抗靜電阻燃性的聚丙烯(PP)，選用Φ36mm的可變徑鑽頭1，進行裝備安裝及調試；
S2：驅動單元4驅動推進單元3及可變徑鑽頭1，使可變徑鑽頭1的外徑大於篩管2的內徑，並牽引篩管2進行衝擊鑽進。
S3：當鑽進至預定深度時，驅動單元4通過第二液壓管線372停止向第一活塞32注入液壓油，第一彈簧31牽引第一活塞32沿X方向的反方向運動，凸起機構35離開可變徑鑽頭1的中心，可變徑鑽頭1的外徑恢復至初始狀態，同時卡頭38脫離所述篩管2；可變徑鑽頭1及卡頭38均從篩管2中退出，留下篩管2支撐鑽孔。
其中S2包括：
S21：驅動單元4的動力機構工作，第三閥門43使第二液壓管線372向第一活塞32注入液壓油，第一活塞32推動第一彈簧33沿X方向運動，凸起機構35進入可變徑鑽頭1的中心，使得可變徑鑽頭1的外徑增大，大於篩管2的外徑，同時卡頭38工作，固定並拖動篩管2下放；
S22：驅動單元4通過第一液壓管線371向第二活塞34注入液壓油，第一閥門41進油，第二閥門42出油，此時，第二活塞34推動第二彈簧33沿X方向往返運動，在第二彈簧33的作用下，可變徑鑽頭1牽引篩管2在鬆軟突出煤層中進行高頻率的往復運動，進行衝擊鑽進；
其中，S22還包括：
S221：對鑽孔的鑽進質量進行檢測，若鑽進質量未達到要求，則調整鑽孔裝備的參數，包括但不限於為可變徑鑽頭1的衝擊頻率，直到鑽進質量達到要求；以及
S222：降溫單元對可變徑鑽頭1、篩管2、推進單元3以及驅動單元4進行降溫、潤滑。
綜上所述，在本發明提出的鬆軟突出煤層防坍塌連續鑽進成孔裝備及工藝中，採用可變徑鑽頭對鬆軟突出煤層進行衝擊鑽進，以不排渣鑽進方式迴避排渣問題，極大地減少了粉塵排放，改善了工作環境；設置一定結構的篩管，減小了篩管與孔壁煤體之間的摩擦力，由可變徑鑽頭及推動單元對其進行牽引，解決了篩管下放困難的問題；鑽孔結束後，可變徑鑽頭從篩管中退出，留下篩管對鑽孔進行保護，有效防止孔壁坍塌。
上述僅為本發明的優選實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。