一种低透气性煤层水力割缝优化方案.docx

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一种低透气性煤层水力割缝优化方案

本实用新型属于煤矿井下瓦斯抽采领域，具体公开了一种低透气性煤层水力割缝优化方案，可有效解决现有水力割缝技术排渣困难，割缝质量差的问题，其技术方案是采用新型开口钻头、变径接头和双壁钻杆及优化布孔方式，变径接头利用螺纹与新型开口钻头和双壁钻杆相连，实现钻进割缝一体化，钻孔3个一组，2个辅助抽采钻孔平行布置在割缝钻孔的割缝半径之内，割缝钻孔布置在2个辅助抽釆钻孔的下部，进行倾斜割缝，钻孔时，双壁钻杆外孔与注浆泵相连，进行固孔，割缝时与高压水管相连，进行割缝，双壁钻杆内孔与真空泵相连，在钻进及割缝时进行排渣，双壁钻杆外接固-液-气分离装置，实现钻进割缝时的安全操作。

本实用新型施工简便，割缝质量好，抽采效率高，安全可靠。

1．一种低透气性煤层水力割缝优化方案，包括新型开口钻头1，变径接头3，双壁钻杆4及优化布孔方式，其特征在于：

所述变径接头3通过螺纹与新型开口钻头1和双壁钻杆4相连，实现钻割一体化作业，双壁钻杆外接固-液-气分离装置，双壁钻杆4的内孔6与真空泵11相连；钻进时双壁钻杆4的外孔5与注浆泵12相连，割缝时外孔5与高压水管相连，；所述优化布孔方式为钻孔3个一组，2个辅助抽采钻孔8水平布置并布置在割缝钻孔7的割缝半径内，割缝钻孔7布置在2个辅助抽采钻孔8下部。

2.如权利要求1所述的一种低透气性煤层水力割缝优化方案，其特征在于：

新型开口钻头1上有对称布置的3个刀片翼，每个刀片翼上有3个PDC复合片。

刀片翼内侧的PDF复合片应向钻头内径偏斜一定角度，起到粉碎钻头内径外侧煤体的作用，避免大块煤体进入钻头内径。

3.如权利要求1所述的一种低透气性煤层水力割缝优化方案，其特征在于：

钻杆4表面焊接具有扒孔降温功能的螺纹，在钻进时，可以自行排渣，减少夹钻，卡钻等事故。

4.如权利要求1所述的一种低透气性煤层水力割缝优化方案，其特征在于：

变径接头3前端轴线偏上部分设有割缝喷嘴2，变径接头3的后部直径增大，接近于钻头1直径，在钻孔时，喷嘴2喷出固孔液进入钻孔裂隙，并将松散的部分粘结在一起，利用变径接头直径增大部分对钻孔7进行挤压，密实，形成稳定的钻孔结构，防止大量塌孔造成的钻进困难，卡钻，夹钻等钻进事故的发生。

在割缝时，变径接头3直径增大部分起到阻挡煤水混合物进入钻杆4与钻孔壁7之间，引导煤水混合物通过钻头1进入钻杆内孔6的作用。

5.如权利要求4所述的一种低透气性煤层水力割缝优化方案，其特征在于：

喷嘴2的通道与钻杆外孔5相通，喷嘴2与水平面呈一定角度，水射流方向朝喷嘴2斜前上方，以便形成倾斜割缝，方便排渣。

一种低透气性煤层水力割缝优化方案

技术领域

本实用新型属于煤矿井下瓦斯抽采领域，涉及水力割缝瓦斯抽采，特别涉及一种低透气性煤层水力割缝优化方案。

技术背景

瓦斯是煤矿井下安全生产的主要威胁，瓦斯事故具有群体性伤亡的特点，给煤矿生产带来巨大损失，也使相关矿工的家庭遭受巨大悲痛，所以，治理好瓦斯问题，防止瓦斯事故的发生，是煤矿工作中的重中之重。

由于我国绝大部分的煤层赋存条件先天不足，造成我国煤矿瓦斯治理工作投入大，收效小，投入产出不成比例，瓦斯治理工作成为煤矿安全生产的主要难题之一。

现有的井下瓦斯治理技术主要包括：

保护层开采、顺层钻孔、穿层钻孔、水力冲孔、水力割缝、深孔爆破等主要方法。

对于单一煤层，或条件不具备的煤层群，保护层开采技术无法有效应用。

顺层钻孔是现在应用最多的方法，顺层钻孔成本低，施工方便，工艺简单，在煤矿得到了普遍应用，但是，顺层钻孔对煤体的扰动小，只能依靠增加钻孔数量和延长抽采时间来换取瓦斯抽采量，特别是低透气性软煤层，钻孔易塌孔，抽采时间长，效果差，影响煤矿正常接替。

深孔爆破的应用效果较好，可是如何防止爆破时引起的瓦斯事故及处理瞎炮等问题，是困扰深孔爆破应用的主要问题。

穿层钻孔，水力冲孔需利用底板巷，成本高昂，投入大，施工不便。

水力割缝的原理是在煤层钻孔中，利用专用钻头，高压水在钻孔两侧各开一条具有一定宽度和厚度的水平卸压槽，相当于在煤层中开采了一层保护层，从而增加了煤体暴露面积,割缝后整个煤体在自身重力和周围煤岩体的应力变化下发生垮落变形，应力降低，煤体膨胀变形裂隙增多。

我国最早在鹤壁四矿、二矿及湖南红卫煤矿进行过钻孔水力割缝抽采瓦斯试验，试验表明：

对于f=0.2～1.1的煤层，采取割缝压力为12～16MPa、水量为11.7m3／h进行水力割缝后，钻孔自然瓦斯涌出量为非割缝的2.5倍左右；水力割缝形成的松动卸压影响范围可达4～10m，能够达到排放瓦斯和卸压的要求。

从目前不同地方水力割缝的实验效果来说，水力割缝对于煤矿井下瓦斯抽采是一种非常有效的抽采手段。

现有的的水力割缝技术，利用高压水射流将切割下来的煤渣从钻孔带出孔外,由于钻孔空间有限，切割的煤量大，容易发生煤渣堵孔事故，影响施工进度。

特别在突出高瓦斯松软煤层中更为显著，根据冯增朝在阳煤集团寺家庄煤矿进行的实验，割缝时堵孔严重，排渣不畅,当发生堵孔后，大量的水聚集在煤层中，如果割缝速度太小，将把大量的高压水封存在煤层中，可能导致煤层突出，在割缝中难实现以恒定的割缝速度进行割缝。

现有的水力割缝技术主要以在钻孔两边切割水平卸压槽为主，水平卸压槽随着钻头的后退，煤渣量产生较均匀，有利于钻孔排渣，而且切缝后的卸压槽上方垮落煤体不易进入钻孔，从而减少了钻孔潜在排渣量，但是这种切缝方式却存在着切割卸压槽的煤渣向钻孔运移困难，特别，距离钻孔越远的切缝处，煤渣越不容易排出，残存的煤渣堆积在卸压槽空间，降低了卸压槽对煤层上下的卸压作用，从而使煤层的扰动变小。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种技术可靠，施工方便，割缝效率高，抽采效果好的低透气性煤层水力割缝优化方案。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

将新型开口钻头，双壁返渣钻杆通过变径接头螺纹连接，形成一个整体，新型开口钻头，实现钻孔，变径接头前部设有引射流喷头进行割缝，利用双壁钻杆的内外孔，在钻孔时由外孔通入固孔液经割缝水射流喷嘴喷出，加固钻孔，内孔接上真空泵，利用真空泵在钻头附近形成的负压，煤渣经双壁钻杆内孔排出钻孔，在割缝时，外孔通入高压水通过割缝喷嘴在钻孔两侧各切割一个与水平面有一定倾角的割缝，煤渣和水混合物进入钻杆内孔，内孔中的水煤混合物在自重，水流压力，负压的作用下排出钻杆。

在钻孔时，先用扩孔钻头钻一个6m深的钻孔，安装防喷孔装置，气-液-固分离装置，实现钻进割缝时的安全操作。

进一步地，新型开口钻头上有对称布置的3个刀片翼，每个刀片翼上有3个PDC复合片。

刀片翼内侧的PDC复合片应向钻头内径偏斜一定角度，起到粉碎钻头内径外侧煤体的作用，避免大块煤体进入钻头内径。

进一步地，钻杆表面焊接具有扒孔降温功能的螺纹，在钻进时，可以自行排渣，减少夹钻，卡钻等事故。

进一步地，变径接头前端轴线偏上部分设有割缝喷嘴，变径接头的后部直径增大，接近于钻头直径，在钻孔时，喷嘴喷出固孔液进入钻孔裂隙，并将松散的部分粘结在一起，利用变径接头直径增大部分对钻孔进行挤压，密实，形成稳定的钻孔结构，防止大量塌孔造成的钻进困难，卡钻，夹钻等钻进事故的发生。

在割缝时，变径接头直径增大部分起到阻挡煤水混合物进入钻杆与钻孔壁之间，引导煤水混合物通过钻头进入钻杆的作用，

进一步地，喷嘴通道与钻杆外孔相通，喷嘴与水平面呈一定角度，水射流方向朝喷嘴斜前上方，以便形成倾斜割缝，方便排渣。

本方案为了增大水力割缝的应用效果，采用3个钻孔一组进行布孔，中间孔为水力割缝钻孔，两边为下花管辅助抽采钻孔，3个钻孔在空间上的位置为，2个辅助抽采钻孔在水平面上平行布置，并处在水力割缝钻孔割缝半径之内，水力割缝钻孔位于2个辅助抽采钻孔下部一定位置。

这样布孔的优势是水力割缝钻孔在切割卸压槽时，形成一个倾斜斜面，从卸压槽切割下来的煤在重力，水流的作用下可以顺利的移动到割缝钻孔，从而保证卸压槽割缝时的质量，有效避免水平割缝时残留煤渣对卸压槽空间的充填，从而增大对煤体的人为扰动，提高卸压效果，加快瓦斯抽釆。

附图说明

图1是本实用新型的原理图；

图2是本实用新型开口钻头的结构示意图；

图3是本实用新型布孔方式图；

图4是本实用新型施工图；

具体实施方式

低透气性煤层水力割缝优化方案在施工时，在准备工作完成后，如图3，4先钻进2个辅助抽采孔8，目的是钻进2个辅助抽采孔时相对于钻进水力割缝孔7，瓦斯涌出量要小的多，提前钻进2个辅助抽采孔8并下入花管封孔抽采，这样就可以加速对割缝时大量解析瓦斯的抽采，缓冲水力割缝时瓦斯大量解吸在割缝钻孔7积聚所造成的喷孔事故。

打钻时，先用扩孔钻头打一个深6m的大直径钻孔，安装防喷装置，并进行封孔，之后，换用可从钻孔下花管的普通钻头，钻杆，接入高压风，利用钻杆自身的扒孔螺纹和通入钻杆的高压风排渣，钻孔中的瓦斯煤渣混合物进入气-液-固分离器，瓦斯经软管进入巷道瓦斯抽采管13，煤渣经防尘喷头喷水除尘后进入沉降室10。

在钻进到目标位置时，利用钻杆将花管塞入钻孔8，然后退钻，封孔并接入瓦斯抽采管路13中。

在施工水力割缝钻孔7时，如图1,4为了割缝时排渣的顺利进行，钻孔7应沿煤层倾向有一定的向上的小倾角，这样，水，渣混合物更容易进入钻孔7。

按照上述步骤钻进安装水力割缝钻孔7的防喷装置，然后换用专用的空心钻割一体化钻头1，双壁钻杆4，开动注浆泵12将固孔液送入双壁钻杆的外孔5，将真空泵11接在双壁钻杆的内孔6，这样就可以利用真空泵11使钻头1附近形成负压区，在钻头1内外压差的作用下，空气由钻孔7经钻头1流入钻杆内孔6内，形成一个风路循环，对煤渣起扰动和抽吸作用，煤渣顺着风路循环经钻杆内孔6排出钻孔1，保证了排渣的顺利进行。

同时，加快割缝时对所产生的瓦斯快速抽采，防止堵孔及瓦斯积聚喷孔。

钻孔时，利用钻杆4自身的扒孔螺纹和风路循环进行排渣，钻孔7中的瓦斯煤渣混合物进入气-液-固分离器，瓦斯经软管进入巷道瓦斯抽采管13，煤渣经防尘喷头除尘后进入沉降室10。

在钻进到目标位置时，关闭注浆泵12，进行排渣。

之后，钻头后退0.5m,将双壁钻杆外孔5接上高压水管，开动设备，调整钻杆角度，使水射流喷嘴到达预定角度，在钻孔7两侧各切割一个与水平面形成一定角度的倾斜切缝，以一定的速度后退钻杆，进行割缝。

从钻杆内孔6排出的瓦斯，水，煤渣等混合物进入气-液-固分离器，瓦斯经软管进入巷道瓦斯抽采管路13，水和煤渣分离后，煤渣装车运走，污水经净化后循环使用。

割缝进行到距孔口10m位置，停止割缝，关闭高压水管，排出高压水后，退出钻杆4，进行封孔，接入瓦斯抽采管路13，一个循环结束。

图1

图2

图3

图4