1.本發(fā)明涉及煤礦瓦斯防治領域，特別涉及一種鉆沖護一體化系統(tǒng)及方法。

背景技術：

2.近年來，隨著我國煤炭資源開采逐漸向深部延伸，以煤與瓦斯突出為主的災害頻發(fā)，瓦斯作為制約煤炭高效抽采的關鍵因素，給礦井安全埋下了較大隱患。目前，水力沖孔技術作為瓦斯災害防治的較為有效的措施，尤其在高瓦斯、松軟低透煤層瓦斯防治中的應用更為廣泛。該技術主要作用在于能夠利用高壓水射流沿鉆孔的工作面前方煤體沖出一定的孔道，從而增加了宏觀裂隙數(shù)量，為煤體的增透和瓦斯的運移創(chuàng)造了有效條件，進一步提升煤層瓦斯抽采效率。然而，由于碎軟煤層的地質條件較為復雜，主要表現(xiàn)為煤體破碎、滲透性差，瓦斯含量和瓦斯壓力高，抽采難度大，治理成本高。因而在瓦斯壓力、地應力的雙重作用下鉆孔容易坍塌，現(xiàn)有鉆孔失穩(wěn)坍塌防控技術的實施缺乏針對性，這極大地降低了瓦斯抽采量，嚴重制約了煤礦安全生產。

3.因此，對于基于煤與瓦斯突出煤層的治理，亟需開發(fā)一種較為有效的水力沖孔沖護一體化系統(tǒng)及方法。

技術實現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明的目的是提供一種鉆沖護一體化系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術中存在的問題。

5.為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術方案是這樣的，一種鉆沖護一體化系統(tǒng)，包括水力沖孔鉆具子系統(tǒng)和護孔子系統(tǒng)。

6.所述水力沖孔鉆具子系統(tǒng)包括高壓水辮、水箱、乳化泵站、卸壓閥、密封鉆桿、高壓軟管、鉆頭、鉆機和流量計。

7.所述密封鉆桿整體為中空圓管。所述鉆頭上設有供高壓水射出的軸向噴嘴。所述鉆頭安裝在密封鉆桿的首端。所述鉆頭的中心孔道與密封鉆桿的內腔連通。所述高壓水辮的輸入端與乳化泵站通過高壓管路連接，輸出端與密封鉆桿的尾端連接。所述高壓管路上布置有卸壓閥和流量計。鉆機夾持密封鉆桿，帶動密封鉆桿旋轉并鉆入煤巖層中。所述鉆頭在密封鉆桿的旋轉帶動下自軸旋轉。水通過乳化泵站和高壓水辮進入密封鉆桿的內腔。水經(jīng)過內腔送入鉆頭。所述軸向噴嘴形成高壓水射流對前方煤巖體進行沖擊。煤巖體經(jīng)受高壓水射流沖擊而破碎或者由鉆頭研磨破碎。

8.所述護孔子系統(tǒng)包括環(huán)狀囊袋、前端固定裝置、氣瓶和注氣管。

9.所述前端固定裝置具有支撐鉤爪。所述支撐鉤爪采用壓簧結構。所述前端固定裝置布置在鉆頭的中心孔道中。所述前端固定裝置的支撐鉤爪與中心孔道的內壁卡合。

10.所述環(huán)狀囊袋采用橡膠材料制成。所述環(huán)狀囊袋通過注氣管與氣瓶聯(lián)通。在非工作狀態(tài)下，呈緊縮狀態(tài)的環(huán)狀囊袋套設在密封鉆桿的桿身上。工作狀態(tài)下，向環(huán)狀囊袋注入氣體。所述環(huán)狀囊袋充壓膨脹擴張，對鉆孔進行支撐。

11.本發(fā)明的技術效果是毋庸置疑的：

12.a.充分依托鉆沖護一體化裝置及時對沖孔后的孔道進行支撐，保證了鉆孔的穩(wěn)定性，，擴大了煤層暴露面積，進一步提升了瓦斯抽采效果；

13.b.能夠實現(xiàn)對煤層的主動支撐，在護孔裝置在利用后可以重復回收，大大減少了護孔所需成本；

14.c.可以有效提高復雜地質構造煤層的瓦斯抽采效率，為實現(xiàn)復雜地質構造煤層的高效、均勻增透提供堅實的理論與技術支撐。

附圖說明

15.圖1為碎軟煤層水力沖孔護孔系統(tǒng)結構示意圖；

16.圖2為環(huán)狀護孔囊袋收縮狀態(tài)示意圖。

17.圖中：高壓水辮1、水箱2、乳化泵站3、卸壓閥4、密封鉆桿5、高壓軟管6、環(huán)狀護孔囊袋7、鉆頭8、鉆機9、流量計10、前段固定裝置11、氣瓶12、注氣管13。

具體實施方式

18.下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術思想的情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的保護范圍內。

19.實施例1：

20.針對碎軟煤層地質構造復雜、透氣性低的特點，鉆孔變形量大，在地應力、瓦斯壓力、構造應力等因素作用下孔壁易失穩(wěn)形成塌孔等問題，本實施例提供一種鉆沖護一體化系統(tǒng)，包括水力沖孔鉆具子系統(tǒng)和護孔子系統(tǒng)。

21.所述水力沖孔鉆具子系統(tǒng)包括高壓水辮1、水箱2、乳化泵站3、卸壓閥4、密封鉆桿5、高壓軟管6、鉆頭8、鉆機9和流量計10。

22.所述密封鉆桿5整體為中空圓管。所述鉆頭8上設有供高壓水射出的軸向噴嘴。所述鉆頭8安裝在密封鉆桿5的首端。所述鉆頭8的中心孔道與密封鉆桿5的內腔連通。所述高壓水辮1的輸入端與乳化泵站3通過高壓管路連接，輸出端與密封鉆桿5的尾端連接。所述高壓管路上布置有卸壓閥4和流量計10。鉆機9夾持密封鉆桿5，帶動密封鉆桿5旋轉并鉆入煤巖層中。所述鉆頭8在密封鉆桿5的旋轉帶動下自軸旋轉。水通過乳化泵站3和高壓水辮1進入密封鉆桿5的內腔。水經(jīng)過內腔送入鉆頭8。所述軸向噴嘴形成高壓水射流對前方煤巖體進行沖擊。煤巖體經(jīng)受高壓水射流沖擊而破碎或者由鉆頭8研磨破碎。

23.所述護孔子系統(tǒng)包括環(huán)狀囊袋7、前端固定裝置11、氣瓶12和注氣管13。

24.所述前端固定裝置11具有支撐鉤爪。所述支撐鉤爪采用壓簧結構。所述前端固定裝置11布置在鉆頭8的中心孔道中。所述前端固定裝置11的支撐鉤爪與中心孔道的內壁卡合。前端固定裝置11可以穿入巖層固定整個護孔系統(tǒng)，防止錯位移動。

25.所述環(huán)狀囊袋7采用橡膠材料制成，具有抗靜電、拉力強、柔性高、耐老化等特點，抗拉和抗撕裂強度高并且不易破損所述環(huán)狀囊袋7通過注氣管13與氣瓶12聯(lián)通。在非工作狀態(tài)下，呈緊縮狀態(tài)的環(huán)狀囊袋7套設在密封鉆桿5的桿身上。工作狀態(tài)下，向環(huán)狀囊袋7注入氣體。所述環(huán)狀囊袋7充壓膨脹擴張，對鉆孔進行支撐。

26.本實施例可以有序完成水力沖孔及護孔一體化作業(yè)，能夠有效提升瓦斯抽采效率，保障工作面安全。環(huán)狀囊袋通過注氣與抽氣控制其展開和收縮，實現(xiàn)對鉆孔的主動支護。護孔系統(tǒng)在使用后可以及時回收并多次利用，相比傳統(tǒng)支護方式，可以節(jié)約大量成本。

27.實施例2：

28.本實施例提供一種采用實施例1所述系統(tǒng)的鉆沖護一體化方法，包括以下步驟：

29.a.安裝系統(tǒng)和地面管線，并檢查。

30.b.鉆孔施工。依據(jù)施工方案所選地點將鉆機輸送至預設位置，開始鉆孔施工。

31.c.鉆孔形成后退出鉆具，前移動力頭，接上高壓水辮1，將特質沖孔鉆頭8安裝到鉆桿上，重新推進鉆孔。

32.d.前端固定裝置11從鉆頭8的中心孔道伸出。支撐鉤爪展開，嵌入鉆孔內壁的煤層中。同時套嵌在鉆桿外部的囊袋7采用推桿推入煤層中的孔道。

33.e.打開乳化泵站3，調整水箱流量計10，適當控制供水量，調整回轉速度進行加壓鉆進，將壓力閥4轉換為高壓狀態(tài)，保持高速旋轉，低速推進。

34.f.如圖2所示，沖孔結束后，將孔中的煤粉排出，同時打開氣瓶12閥門，向囊袋注入空氣，囊袋內部區(qū)域注入空氣后膨脹開始展開，使得周圍緊貼沖孔孔道。

35.g.沖孔結束后關閉孔口安全閥門，觀察壓力表的變化。

36.h.當乳化泵站3壓力急劇上升或水箱內水位不再下降時，關閉壓力閥4對進行接管抽采瓦斯，及時記錄瓦斯抽放濃度和純量。

37.i.抽采達標后，關閉注氣管13閥門，停止向囊袋注氣，囊袋6全部收縮后，將囊袋從孔道中移出。

38.j.將準備好的外堵材料固定在抽采管上，最后將封孔材料倒入外封堵材料袋內，并扎牢上孔永久封孔。技術特征：

1.一種鉆沖護一體化系統(tǒng)，其特征在于：包括水力沖孔鉆具子系統(tǒng)和護孔子系統(tǒng)；所述水力沖孔鉆具子系統(tǒng)包括高壓水辮(1)、水箱(2)、乳化泵站(3)、卸壓閥(4)、密封鉆桿(5)、高壓軟管(6)、鉆頭(8)、鉆機(9)和流量計(10)；所述密封鉆桿(5)整體為中空圓管；所述鉆頭(8)上設有供高壓水射出的軸向噴嘴；所述鉆頭(8)安裝在密封鉆桿(5)的首端；所述鉆頭(8)的中心孔道與密封鉆桿(5)的內腔連通；所述高壓水辮(1)的輸入端與乳化泵站(3)通過高壓管路連接，輸出端與密封鉆桿(5)的尾端連接；所述高壓管路上布置有卸壓閥(4)和流量計(10)；鉆機(9)夾持密封鉆桿(5)，帶動密封鉆桿(5)旋轉并鉆入煤巖層中；所述鉆頭(8)在密封鉆桿(5)的旋轉帶動下自軸旋轉；水通過乳化泵站(3)和高壓水辮(1)進入密封鉆桿(5)的內腔；水經(jīng)過內腔送入鉆頭(8)；所述軸向噴嘴形成高壓水射流對前方煤巖體進行沖擊；煤巖體經(jīng)受高壓水射流沖擊而破碎或者由鉆頭(8)研磨破碎；所述護孔子系統(tǒng)包括環(huán)狀囊袋(7)、前端固定裝置(11)、氣瓶(12)和注氣管(13)；所述前端固定裝置(11)具有支撐鉤爪；所述支撐鉤爪采用壓簧結構；所述前端固定裝置(11)布置在鉆頭(8)的中心孔道中；所述前端固定裝置(11)的支撐鉤爪與中心孔道的內壁卡合，固定整個護孔系統(tǒng)，防止錯位移動；所述環(huán)狀囊袋(7)通過注氣管(13)與氣瓶(12)聯(lián)通；在非工作狀態(tài)下，呈緊縮狀態(tài)的環(huán)狀囊袋(7)套設在密封鉆桿(5)的桿身上；工作狀態(tài)下，向環(huán)狀囊袋(7)注入氣體；所述環(huán)狀囊袋(7)充壓膨脹擴張，展開后對鉆孔進行支撐。2.根據(jù)權利要求1所述的一種鉆沖護一體化系統(tǒng)，其特征在于：所述環(huán)狀囊袋(7)采用橡膠材料制成。3.一種根據(jù)權利要求1所述系統(tǒng)的鉆沖護一體化方法，其特征在于，包括以下步驟：a.安裝系統(tǒng)和地面管線，并檢查；b.鉆孔施工；依據(jù)施工方案所選地點將鉆機輸送至預設位置，開始鉆孔施工；c.鉆孔形成后退出鉆具，前移動力頭，接上高壓水辮(1)，將特質沖孔鉆頭(8)安裝到鉆桿上，重新推進鉆孔；d.前端固定裝置(11)從鉆頭(8)的中心孔道伸出；支撐鉤爪展開，嵌入鉆孔內壁的煤層中；同時套嵌在鉆桿外部的囊袋(7)采用推桿推入煤層中的孔道；e.打開乳化泵站(3)，調整水箱流量計(10)，適當控制供水量，調整回轉速度進行加壓鉆進，將壓力閥(4)轉換為高壓狀態(tài)，保持高速旋轉，低速推進；f.沖孔結束后，將孔中的煤粉排出，同時打開氣瓶(12)閥門，向囊袋(7)注入空氣，囊袋(7)內部區(qū)域注入空氣后膨脹開始展開，使得周圍緊貼沖孔孔道；g.沖孔結束后關閉孔口安全閥門，觀察壓力表的變化；h.當乳化泵站(3)壓力急劇上升或水箱內水位不再下降時，關閉壓力閥(4)對進行接管抽采瓦斯，及時記錄瓦斯抽放濃度和純量；i.抽采達標后，關閉注氣管(13)閥門，停止向囊袋(7)注氣，囊袋(7)(6)全部收縮后，將囊袋(7)從孔道中移出；j.進行封孔處理。

技術總結

發(fā)明提供一種鉆沖護一體化系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括水力沖孔鉆具子系統(tǒng)和護孔子系統(tǒng)。所述水力沖孔鉆具子系統(tǒng)包括高壓水辮、水箱、乳化泵站、卸壓閥、密封鉆桿、高壓軟管、鉆頭、鉆機和流量計。所述護孔子系統(tǒng)包括環(huán)狀囊袋、前端固定裝置、氣瓶和注氣管。兩個子系統(tǒng)可以有序完成鉆沖護一體化作業(yè)，能夠適用于碎軟煤層并有效提升瓦斯抽采效率。環(huán)狀囊袋通過注氣與抽氣控制其展開和收縮，實現(xiàn)主動護孔。護孔系統(tǒng)在使用后可以及時回收并多次利用，相比傳統(tǒng)支護方式，可以節(jié)約大量成本?？梢怨?jié)約大量成本?？梢怨?jié)約大量成本。

技術研發(fā)人員：牛心剛 馬騰飛 張永將 鄒全樂 程國建 劉涵 和樹棟 趙翼 曹建軍 李思乾 陳子涵

受保護的技術使用者：重慶大學

技術研發(fā)日：2022.03.28

技術公布日：2022/7/8