專利名稱：煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法
煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法技術領域
本發(fā)明屬于煤層氣開采技術領域，特別涉及一種煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復 與氣驅置換綜合方法。
背景技術：
我國煤礦瓦斯災害嚴重，嚴重制約著煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)。瓦斯抽采是我國目前 進行瓦斯治理的主要技術手段，但由于我國煤層松軟、賦存復雜，鉆進過程中存在卡鉆、頂 鉆、掉鉆、鉆桿連接困難，排渣不及時難以拔鉆等現(xiàn)象，制約著煤層鉆孔鉆進速度和質量；煤 層透氣性系數(shù)對瓦斯抽采效果起著決定性作用，而我國的大部分高瓦斯突出礦井都屬于低 透性煤層，決定了我國大部分礦井抽采困難，單孔抽采量低下、有效抽采時間短。另外，隨著 時間的推移，瓦斯抽采鉆孔也存在塌孔、積水、增加瓦斯啟動壓力梯度的可能性，嚴重影響 了煤層鉆孔瓦斯抽采的質和量，使瓦斯抽采消突難以按期達標，甚至沒有達標鉆孔便已坍 塌，只能以補打鉆孔作為補充措施。
針對以上情況，我國目前已有不少的大功率鉆機相繼研發(fā)并投入到生產(chǎn)應用中， 但依然沒有實現(xiàn)鉆桿連續(xù)鉆進，鉆孔及時排渣等功能。
我國煤層瓦斯治理關鍵在于煤層的增透，目前煤層增透主要以水力化措施為主， 如水力壓裂、水力沖孔、水力擠出、高壓注水等，另外還有松動爆破、空氣置換等，盡管取得 了一定的成績，但由于受技術應用的復雜性(裂縫開啟不均勻、應力集中混亂等)及設備的 難以操控性(設備體積龐大、操作復雜)等因素的影響，都沒有大規(guī)模的推廣應用。
由于受上覆巖層壓力、采動應力、瓦斯壓力、煤巖層裂隙水及煤體結構、強度等因 素的影響，隨著時間的推移，抽采鉆孔會在不同程度上出現(xiàn)垮塌、積水等問題，導致抽采效 率低下甚至作廢，嚴重影響了礦井的消突計劃及生產(chǎn)部署。為解決長時間抽采后鉆孔塌孔、 積水的問題，目前主要是靠在鉆孔中壓入高壓風(礦井壓風管供風，風壓< O. 7MPa)進行排 渣、透孔，針對孔長小于15m、傾角小于10°的俯角鉆孔能夠取得一定的效果，由于水壓、風 壓壓力值有限，對大孔長和大傾角鉆孔卻起不到排渣、透孔的目的。同時，也沒有具有一定 強度工具能夠連續(xù)鉆入已坍塌鉆孔之內，因此，透孔效率低下，往往重新施工鉆孔以作彌 補。發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種便于實施、工藝可靠的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅 置換綜合方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與 氣驅置換綜合方法，其特征在于，通過礦用水力作業(yè)機依次完成如下步驟a、鉆孔鉆進I)丈量鉆孔所處巷道高度，確定鉆孔開孔高度、孔長、傾角及方位角，觀測鉆孔鉆進處 煤(巖)體結構，測試其力學強度；2)將礦用水力作業(yè)機運送至鉆孔施工地點，并將其固定牢靠；3)按照鉆孔開孔高度、孔長、傾角及方位角設計要求，調整礦用水力作業(yè)機的高度和角度，保持與鉆孔開孔方向一致；4)根據(jù)觀測的煤(巖)體結構及測試的力學強度，選擇礦用水力作業(yè)機的水射流噴頭， 計算礦用水力作業(yè)機工作時所需的注入壓力及流量；5)鉆孔鉆進作業(yè)地點200m范圍內撤人，開啟礦用水力作業(yè)機的清水泵站、遠程控制按鈕，使礦用水力作業(yè)機的輸管器工作，連續(xù)撓性鋼管在輸管器的帶動下拉直并向預定鉆孔孔口位置運動；6)調整清水泵站的流量與壓力至預計的破巖壓力與流量，根據(jù)鉆孔作業(yè)現(xiàn)場安放的攝像儀觀測鉆進時的排水、排渣情況，并據(jù)此控制鉆進的速度，鉆進速度為Im/ (Γ2)πι η；7)鉆進作業(yè)完成設計孔長時停止鉆進，關閉清水泵站，開啟液壓泵站，使礦用水力作業(yè)機的滾筒反向轉動，以帶動撓性鋼管退出鉆孔并纏繞在滾筒上，若存在退鉆困難的情況，可開啟清水泵站向撓性鋼管注入較小流量及壓力的水流，通過水射流噴頭清洗鉆孔，以使鉆孔內的殘渣排出，實現(xiàn)順利退鉆；8)退鉆完成，可進行下一個鉆孔的鉆進；b、煤層增透1)在鉆孔前固定礦用水力作業(yè)機，并確定撓性鋼管鉆進的高度、傾角和方位角，確定水射流噴頭所需壓力與流量，水射流壓力至少為煤巖體強度的1. 5倍，開啟礦用水力作業(yè)機， 在輸管器作用下，將撓性鋼管及水射流噴頭送至鉆孔孔底，關閉礦用水力作業(yè)機；2)開啟清水泵站，煤巖體在水射流作用下形成射流槽和局部裂縫，觀察返水、排渣情況，達到撓性鋼管高壓水預計注入流量和壓力IOmin后關閉清水泵站；3)開啟礦用水力作業(yè)機的液壓泵站，帶動滾筒反向轉動，使撓性鋼管后退10m，重復煤層增透過程中的步驟2); 4)重復煤層增透過程中的步驟3)，直至水射流噴頭距離鉆孔孔口20m以深的鉆孔形成均勻的射流槽并開啟裂縫；5)加大注入水射流噴頭的壓力和流量，使鉆孔的排渣量增多，撓性鋼管與鉆孔內壁之間的空間有限，排渣速度受限，煤、巖粉渣堆積在鉆孔孔口難以及時排出，從而實現(xiàn)封堵鉆孔的目的，再次加大注入水射流噴頭的壓力和流量，實現(xiàn)水力壓裂功能，此時水力壓裂開啟的大部分裂縫均是沿之前形成的射流槽開啟和延伸，從而形成了均勻定點、均勻壓裂；C、鉆孔修復1)調整礦用水力化作業(yè)機，使水射流噴頭達到設計工作高度和傾角；2)調整校直機構的調節(jié)導向輪，使連續(xù)鋼管校直；3)啟動清水泵站，高壓水經(jīng)撓性鋼管注入水射流噴頭，經(jīng)切削噴嘴射流切削待修復鉆孔的巖礦體；4)啟動輸管器，并調整撓性鋼管的推進速度，正常鉆進；5)鉆進至孔底時水射流噴頭開始后退，開啟液壓泵站，使礦用水力作業(yè)機的滾筒反向轉動，緩慢收回撓性鋼管，與此同時，高壓水同鉆孔修復過程中步驟3)的路徑進入鉆孔實施沖孔作業(yè)，以沖出煤量最大化為作業(yè)標準；d、氣驅增透1)選擇瓦斯抽采效果差的鉆孔作為實施孔，且排除塌孔或積水造成的抽采效果差的鉆 孔，打開抽采管，將礦用水力作業(yè)機的撓性鋼管通過輸管器下放至鉆孔孔底，并對鉆孔孔口 進行密封，將清水泵站內的介質換為氣體，向撓性鋼管內注氣；2)計量實施孔周邊鉆孔的瓦斯抽采量，觀測其在注氣前、中、后的瓦斯抽采流量和濃度 的變化情況；3)開啟清水泵站，高壓氣通過撓性鋼管被送至孔底，由于孔口密封，鉆孔內壓力值不斷 上升，當孔內注入壓力高于預計注入壓力時，增大撓性鋼管內的注入氣量，注入壓力增大， 當注入壓力增大至設計壓力120%時，保持恒定注入氣量；4)煤體中的瓦斯在注入高壓氣的驅動置換下，向實施孔的周邊鉆孔流動，以提高該區(qū) 域瓦斯抽采效果；5)測量統(tǒng)計實施孔的周邊鉆孔的抽采流量變化情況，抽采流量與濃度增大的抽采鉆孔 中，與實施孔距離最遠的間距為該注入氣量下的氣驅半徑。
所述礦用水力作業(yè)機包括主機、執(zhí)行臺、清水泵站、液壓泵站和開關柜，執(zhí)行臺內 安裝有撓性鋼管控制儀和高壓水控制儀，主機通過油管與撓性鋼管控制儀相連、通過水管 與高壓水控制儀相連，撓性鋼管控制儀通過油管與液壓泵站相連，高壓水控制儀通過水管 與清水泵站相連，執(zhí)行臺、清水泵站和液壓泵站分別通過動力電纜與開關柜電連接；所述主 機包括橇形底座和橇形底座兩側倒置的升降油缸，升降油缸通過其側壁上的左支座與右支 座安裝有套移徑轉滾筒主軸，升降油缸與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通；套移徑轉滾筒 主軸一端設有高壓水通道，高壓水通道的進出口分別設有高壓水連接管和高壓水接頭，高 壓水連接管與主機和執(zhí)行臺之間的水管相連通；套移徑轉滾筒主軸兩側設有左支撐臂和右 支撐臂，左支撐臂和右支撐臂前端設有輸管器；左支撐臂和右支撐臂前端還安裝有收管液 壓馬達、液壓離合器和減速器，收管液壓馬達與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通，減速器輸 出端設有主動鏈輪，套移徑轉滾筒主軸上設有與主動鏈輪相對應的從動鏈輪，主動鏈輪和 從動鏈輪上設有鏈條；套移徑轉滾筒主軸上設有滾筒，滾筒上纏繞有撓性鋼管，撓性鋼管上 安裝有水射流噴頭，撓性鋼管一端伸入輸管器內、另一端通過高壓軟管與高壓水接頭相連; 輸管器輸管方向與滾筒外圓周相切。
所述套移徑轉滾筒主軸包括帶有滑動槽的花鍵軸、往復軸、滑移套、花鍵套和軸 頭，花鍵套套設于花鍵軸外部，花鍵套通過滾筒箍與滾筒固連，軸頭固定在花鍵軸右端面 上；滑移套與花鍵軸內孔間隙配合，滑移套套設在往復軸上，往復軸上設有端部相通的左 螺旋槽和右螺旋槽，滑移套上開設有滑塊孔，滑塊孔內設有滑塊，滑塊頂部設有滑動鍵，滑 動鍵與左螺旋槽和右螺旋槽滑動配合，花鍵套上開設有方孔，方孔內設有套設于滑塊外部 的滑塊套，滑塊套通過螺釘固定于滑移套上，且滑塊套與花鍵軸的滑動槽滑動配合；往復軸 的右端穿過軸頭，軸頭位于右支座內，軸頭端面上固設有第一齒輪，往復軸外端設有第二齒 輪，第一齒輪和第二齒輪一側設有雙聯(lián)齒輪，雙聯(lián)齒輪分別與第一齒輪和第二齒輪相嚙合。
所述滑塊內設有壓簧和鋼球，頂絲通過鋼球頂壓在壓簧上。
所述輸管器包括傳動箱體、上蓋板、下蓋板和下蓋板上設置的放管液壓馬達與液 壓離合器，放管液壓馬達與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通；傳動箱體內并列設有兩對鏈 輪和每對鏈輪上的鏈條，其中一對鏈輪中的一個鏈輪上設有主動鏈輪軸、另一對鏈輪中的 一個鏈輪上設有從動鏈輪軸，主動鏈輪軸上設有主動齒輪，從動鏈輪軸上設有與主動齒輪相嚙合的從動齒輪，主動鏈輪軸外端與液壓離合器驅動連接；鏈條外側通過小彎板固定有 卡塊，卡塊外側設有凹槽，在外側面相對的卡塊之間形成包容撓性鋼管的輸管腔體。
所述傳動箱體底部通過固定塊設有軌道，固定塊上設有頂在軌道側面上的調整螺 釘，軌道另一側面頂壓在鏈條內側。
所述支撐臂與套移徑轉滾筒主軸之間設有調向機構，支撐臂的調向中心與套移徑 轉滾筒主軸的旋轉中心重合；調向機構包括軸頭外部的銅套和銅套外部的內齒圈，內齒圈 的外圓周面與右支撐臂固連，右支座內設有與內齒圈嚙合的小齒輪軸，小齒輪軸的端部設 有渦輪，渦輪與伸向右支座外部的蝸桿相嚙合，蝸桿外部連接調向液壓馬達，調向液壓馬達 與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通。
所述撓性鋼管控制儀為撓性鋼管遠程控制儀，其包括船用比例流量方向復合閥和 船用比例流量方向復合閥上通過連接板固定的指示面板，船用比例流量方向復合閥上通過 換向擺動軸連接有操作桿，操作桿上開設有滑槽，連接板上安裝有電機及減速機，電機及減 速機的輸出軸位于指示面板中間位置，電機及減速機的輸出軸上設有曲柄，曲柄另一端安 裝有滑軸，滑軸與滑槽滑動配合。
所述高壓水控制儀為高壓水遠程控制儀，其包括高壓水閥和高壓水閥上通過連接 套設置的指示盤，連接套上面安裝有位于指示盤后部的電機及減速機，電機及減速機的輸 出端位于指示盤中心位置；電機及減速機的輸出端上設有指針和曲柄，曲柄另一端通過銷 軸鉸連有連桿，連桿另一端通過轉軸與高壓水閥的滑閥桿相鉸連。
所述礦用水力作業(yè)機還包括由遠程控制按鈕和顯示儀構成的遠程控制臺，遠程控 制臺通過動力電纜和控制信號電纜與開關柜電連接，顯示儀通過信號線連接有監(jiān)控主機和 執(zhí)行臺的攝像儀。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點1、本發(fā)明包括鉆孔鉆進、煤層增透、鉆孔修復和氣驅增透四個工藝步驟，可實現(xiàn)連續(xù)鉆 進、遠程操作，具有施工簡便、排渣順暢、鉆進速度快等優(yōu)點，且施工過程中操作人員遠離施 工現(xiàn)場，改善工人勞動環(huán)境，降低和防止危險事故的發(fā)生，操作人員人身安全可得到有效保 障；可以對煤層進行水力割縫、壓裂、沖孔等措施，可大幅度均勻的提高煤層的透氣性系數(shù)， 使水力化作業(yè)造成的應力集中有規(guī)律可循，也可以對已有坍塌鉆孔、積水鉆孔進行鉆孔修 復，增加鉆孔使用壽命，提高鉆孔有效抽采的質量；在鉆孔修復過程中，實現(xiàn)邊排渣邊鉆進， 修復效率高，透孔完成后，由高壓水改換為高壓風，高壓風通過撓性鋼管將俯角鉆孔內的透 孔水排出，可大大提高鉆孔抽采效率。同時，在鉆孔增透及修復的基礎上，如后期抽采效果 不明顯，則可采用氣驅工藝，提高瓦斯抽采效率。通過以上的鉆進一增透一修復一氣驅步 驟，實現(xiàn)煤礦瓦斯治理的新型工藝及方法。
2、礦用水力作業(yè)機結構緊湊，大大簡化了作業(yè)機的結構，可調節(jié)煤礦井下成孔位 置與方向，可適應礦井下向全方位進行成孔、疏孔、擴孔、割縫、壓裂等作業(yè)施工的需求，工 作穩(wěn)定，安全可靠，占用空間小，非常適合于煤礦井下等空間狹小的場合使用；遠程控制臺 的攝像儀將作業(yè)巷道內的現(xiàn)場作業(yè)場景信息和執(zhí)行臺上的執(zhí)行指示及儀表信息傳輸?shù)竭h 距離設置的顯示儀上，操作人員通過顯示的畫面信息操作遠程操作按鈕，將控制信號傳送 至開關柜，實現(xiàn)對清水泵站和液壓泵站的開?？刂?，同時實現(xiàn)對執(zhí)行臺的動力控制，并對執(zhí) 行臺內的船用比例流量方向復合閥和高壓水閥進行方向、壓力與流量的控制，保證對作業(yè)機放管、收管動作、速度和高壓水開關及壓力流量大小進行準確控制，既可就近操作，又可 實現(xiàn)精確遠程控制，自動化程度高，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供了可靠的裝備保證，同時可實 現(xiàn)在危險區(qū)域進行高壓水力施工作業(yè)的突破，大大提高了施工作業(yè)的安全系數(shù)。
3、作業(yè)機支架采用底座和升降油缸，將支架與升降機構合為一體，使得作業(yè)機結 構更加緊湊，工作時穩(wěn)定可靠；升降油缸同步升降可實現(xiàn)主機在不同高度位置進行作業(yè)； 調向機構可使右支撐臂轉動，從而帶動輸管器繞滾筒的軸線調整方向，始終保持輸管器的 輸管方向與滾筒的切線方向一致，以實現(xiàn)主機在不同角度位置進行作業(yè)。
4、在花鍵軸內設置往復軸，可使?jié)L筒在同向轉動的同時實現(xiàn)軸向往復運動，始終 保持撓性鋼管沿滾筒的外圓周切線方向運動時在左右方向上與輸管器的輸管中心線一致， 從而對不同直徑撓性鋼管實現(xiàn)多層有序纏繞，實現(xiàn)撓性鋼管的有序收放動作。5、液壓同步回路向放管液壓馬達供油，液壓離合器合上，卡塊夾持撓性鋼管向外輸送， 與此同時，收管液壓馬達不供油，液壓離合器分離，滾筒在撓性鋼管的拉動下被動轉動，完 成放管動作；反之，向收管液壓馬達供油，液壓離合器合上，在鏈條帶動下滾筒主動反向轉 動，向滾筒上纏繞撓性鋼管，與此同時，放管液壓馬達不供油，液壓離合器分離，撓性鋼管帶 動卡塊及鏈條反向運動，完成收管動作，推進或收回操作簡便，撓性鋼管可實現(xiàn)在滾筒內主 被動運動和在輸管器內正反向的同步運動，使得放管和收管運動靈活，便于控制，動作精準 可靠。
6、滾筒轉動時，可使花鍵軸與往復軸產(chǎn)生轉角差，通過改變齒輪傳動的齒輪參數(shù)， 可以實現(xiàn)需要的轉角差；花鍵軸與往復軸之間存在的轉角差使得滑動鍵在左螺旋槽或者右 螺旋槽內相對滑動，從而使?jié)L筒軸向移動，由于往復軸上的左螺旋槽與右螺旋槽為左右旋 向的螺旋槽，并且在左右兩端相通，當滑塊在左螺旋槽內運動到頭時，滑動鍵自動轉入右螺 旋槽，可實現(xiàn)自動換向，反之亦然；可有效保證滾筒旋轉的同時軸向移動，撓性鋼管沿滾筒 切線方向運動時在左右方向上與輸管器的輸管中心線始終保持一致，可保證撓性鋼管在滾 筒上的纏繞或釋放動作規(guī)律、穩(wěn)定，可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，使得鉆孔方式由鉆桿逐節(jié)間斷鉆進、 逐節(jié)間斷退出變成連續(xù)鉆進和連續(xù)退出，大大提高了作業(yè)效率。另外，可通過選擇往復軸上 螺旋槽不同的螺距及傳動機構，使?jié)L筒旋轉一圈時，軸向移動撓性鋼管直徑大小的距離，實 現(xiàn)撓性鋼管單層纏繞或多層纏繞。
7、在傳動箱體底部設有軌道，軌道的一個側面頂壓在鏈條的內側，可撐緊鏈條，防 止鏈條松弛造成撓性鋼管打滑，確保放管動作精確無誤。
8、在滑塊內設有壓簧，頂絲通過滾珠頂壓在壓簧上，在壓簧作用下，滑動鍵始終保 持與左螺旋槽或右螺旋槽滑動配合，以實現(xiàn)在左右旋轉槽兩端靈活地轉換方向。


圖1為本發(fā)明采用的礦用水力作業(yè)機的結構示意圖； 圖2為圖1中主機的結構示意圖；圖3為圖2的左視圖；圖4為圖2的右視圖；圖5為圖2中軸移徑轉滾筒軸的結構示意圖；圖6為圖2中輸管器的結構示意圖；圖7為圖6的剖面示意圖；圖8為圖1中撓性鋼管遠程控制儀的結構示意圖；圖9為圖1中高壓水遠程控制儀的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，礦用水力作業(yè)機包括主機1、執(zhí)行臺3、清水泵站4、液壓泵站5和開關 柜6，執(zhí)行臺3通過動力電纜14、清水泵站4通過動力電纜15、液壓泵站5通過動力電纜16 分別與開關柜6電連接，清水泵站4以高壓水為介質，必要條件下可使用陶麗、聚甲醛等作 為支撐劑。在執(zhí)行臺3內安裝有撓性鋼管遠程控制儀301和高壓水遠程控制儀302，主機I 通過四根油管11與撓性鋼管遠程控制儀301相連、通過一根水管10與高壓水遠程控制儀 302相連，在執(zhí)行臺3的另一側，液壓泵站5通過兩根油管12與撓性鋼管遠程控制儀301和 油壓表相連，清水泵站4通過兩根水管13與高壓水遠程控制儀302和水壓表相連。主機I 位于作業(yè)巷道19內，主機I的撓性鋼管21及其水射流噴頭22位于作業(yè)孔20內。通過控 制水射流噴頭22的形狀、大小、噴嘴直徑大小及噴嘴布置形式，適應不同煤(巖)體硬度鉆進 需求；同時，水射流噴頭22的噴嘴設計要有利于鉆進排渣。
為了實現(xiàn)遠程控制，提高安全系數(shù)，本發(fā)明還設有遠程控制臺，其由遠程控制按鈕 7和顯示儀8構成，遠程控制臺通過動力電纜17和控制信號電纜18與開關柜6電連接，顯 示儀8通過三根信號線9連接有三臺攝像儀2，三臺攝像儀2分別用于監(jiān)控主機1、執(zhí)行臺3 和作業(yè)巷道19的工作情況，以確定在遠程控制臺上做何操作。攝像儀2將作業(yè)巷道19內的 現(xiàn)場作業(yè)場景信息和執(zhí)行臺3上的執(zhí)行指示及儀表信息傳輸?shù)竭h距離設置的顯示儀8上， 操作人員通過顯示的畫面信息操作遠程操作按鈕7，將控制信號傳送至開關柜6，實現(xiàn)對清 水泵站4和液壓泵站5的開停控制，同時實現(xiàn)對執(zhí)行臺3的動力控制，并對撓性鋼管遠程控 制儀301和高壓水遠程控制儀302內的船用比例流量方向復合閥和高壓水閥進行方向、壓 力與流量的控制，保證對作業(yè)機放管、收管動作、速度和高壓水開關及壓力流量大小進行準 確控制，既可就近操作，又可實現(xiàn)精確遠程控制，同時可實現(xiàn)在危險區(qū)域進行高壓水力施工 作業(yè)的突破。
如圖2、圖3和圖4所示，主機I包括橇形底座38和橇形底座38兩側倒置的升降 油缸24，升降油缸24的活塞桿固定在橇形底座38上，升降油缸24與主機I和執(zhí)行臺3之 間的油管11相連通，通過升降油缸24的伸縮實現(xiàn)升降，兩升降油缸24通過在液壓系統(tǒng)中 設置同步閥或同步馬達實現(xiàn)同步升降，也可通過在兩油缸上部設置剛性同步橫梁實現(xiàn)同步 升降，使主機I在不同高度位置進行作業(yè)，滿足井下不同巷道高度要求。底座38承受整個 水力作業(yè)機的重量，可以在煤礦井下通過安放底座38實現(xiàn)安放整套設備，同時，為方便井 下的搬運及移動，底座38內部可以安裝橡膠輪、萬向輪等。升降油缸24通過其側壁上的左 支座35與右支座31安裝有套移徑轉滾筒主軸30，套移徑轉滾筒主軸30 —端設有高壓水通 道65，高壓水通道65的進出口分別設有高壓水連接管42和高壓水接頭44，高壓水連接管 42與主機I和執(zhí)行臺3之間的水管10相連通。在套移徑轉滾筒主軸30兩側設有左支撐臂 37和右支撐臂28，左支撐臂37和右支撐臂28的前端通過連接板安裝有輸管器25。套移徑 轉滾筒主軸30上設有滾筒23，滾筒23上纏繞有撓性鋼管21，撓性鋼管21上安裝有水射流 噴頭22，撓性鋼管21 —端伸入輸管器25內、另一端通過高壓軟管109與高壓水接頭44相連，利用清水泵站4向撓性鋼管21提供高壓水。滾筒23的直徑按照撓性鋼管21的直徑選 取確定，在滾筒23未工作狀態(tài)下，撓性鋼管21纏繞在滾筒23上，當滾筒23工作時，滾筒23 轉動，通過輸管器25向鉆孔內輸送撓性鋼管21。撓性鋼管21能夠承受較大的抗壓抗拉強 度，撓性鋼管21的長度可由鉆孔鉆進長度而選擇，撓性鋼管21的直徑可以根據(jù)預計開孔直 徑確定。輸管器25的輸管方向與滾筒23的外圓周相切。在左支撐臂37和右支撐臂28前 端的連接板上還安裝有收管液壓馬達41、液壓離合器40和減速器39，收管液壓馬達41與 主機I和執(zhí)行臺3之間的油管11相連通，減速器39的輸出端設有主動鏈輪26，套移徑轉滾 筒主軸30上設有與主動鏈輪26相對應的從動鏈輪29，主動鏈輪26和從動鏈輪29通過鏈 條27傳動連接，收管液壓馬達41驅動主動鏈輪26轉動，帶動從動鏈輪29轉動，從而帶動 套移徑轉滾筒主軸30及滾筒23反轉，以實現(xiàn)對撓性鋼管21的收管動作。
如圖5所示，套移徑轉滾筒主軸30包括帶有滑動槽46的花鍵軸34、往復軸47、滑 移套48、花鍵套50和軸頭53，花鍵套50套設于花鍵軸34的外部，花鍵套50與滾筒箍51 通過螺釘固連。滾筒23通過輪輻與滾筒箍51連接為一體，花鍵套50通過滾筒箍51與滾 筒23固連。滑移套48與花鍵軸34的內孔間隙配合，滑移套48套裝在往復軸47上，在往 復軸47上設有左右兩端端部相通的左螺旋槽66和右螺旋槽67。在滑移套48上開設有滑 塊孔45，在滑塊孔45內設有滑塊49，滑塊49頂部設有滑動鍵70，滑動鍵70與左螺旋槽66 和右螺旋槽67滑動配合。在花鍵套50上開設有方孔68，方孔68內設有套設于滑塊49外 部的滑塊套69，滑塊套69通過螺釘固定于滑移套48上，且滑塊套69與滑動槽46滑動配 合。在滑塊49內設有壓簧72和鋼球73，頂絲71通過鋼球73頂壓在壓簧72上，在壓簧72 作用下，滑動鍵70始終保持與左螺旋槽66或右螺旋槽67滑動配合。軸頭53固定在花鍵 軸34右端面上，軸頭53和往復軸47的右端位于右支座31內，在軸頭53端面上固設有第 一齒輪59，往復軸47外端設有第二齒輪60，第二齒輪60通過鍵61與往復軸47連接，第一 齒輪59和第二齒輪60 —側設有雙聯(lián)齒輪63，雙聯(lián)齒輪63分別與第一齒輪59和第二齒輪 60相嚙合。
在花鍵軸34內設置往復軸47，可使?jié)L筒23在同向轉動的同時實現(xiàn)軸向往復運動， 始終保持撓性鋼管21沿滾筒23的外圓周切線方向運動時在左右方向上與輸管器25的輸 管中心線一致，從而對不同直徑撓性鋼管21實現(xiàn)多層有序纏繞，實現(xiàn)撓性鋼管21的有序收 放動作。
在右支撐臂28與套移徑轉滾筒主軸30之間設有調向機構，右支撐臂28的調向中 心與套移徑轉滾筒主軸30的旋轉中心重合。調向機構包括軸頭53外部的銅套54和銅套 54外部的內齒圈52，內齒圈52的外圓周面與右支撐臂28固連，右支座31內設有與內齒圈 52嚙合的小齒輪軸56，小齒輪軸56的端部設有渦輪57，渦輪57與伸向右支座31外部的蝸 桿58相嚙合，蝸桿58的外部連接調向液壓馬達36，調向液壓馬達36與主機I和執(zhí)行臺3 之間的油管11相連通。通過調向機構使右支撐臂28轉動，從而使輸管器25繞滾筒23軸 線調整方向，始終保持輸管器25的輸管方向與滾筒23的切線方向一致，以實現(xiàn)主機I在不 同角度位置進行作業(yè)。
如圖6和圖7所示，所述輸管器25包括傳動箱體74、上蓋板75、下蓋板111和下 蓋板111上設置的放管液壓馬達32與液壓離合器33，放管液壓馬達32與主機I和執(zhí)行臺 3之間的油管11相連通。在傳動箱體74內并列設有兩對鏈輪和每對鏈輪上的鏈條78，其中左側一對鏈輪中的一個鏈輪76上設有主動鏈輪軸87、右側一對鏈輪中的一個鏈輪77上 設有從動鏈輪軸88，在主動鏈輪軸87上設有主動齒輪85，從動鏈輪軸88上設有與主動齒 輪85齒數(shù)相等且相互嚙合的從動齒輪86，主動鏈輪軸87下端與液壓離合器33驅動連接。 在鏈條78的外側設有小彎板110，小彎板110通過螺釘79固定有卡塊80，卡塊80外側設 有凹槽，在外側面相對的卡塊80之間形成包容撓性鋼管21的輸管腔體，輸管腔體與撓性鋼 管21外形相適應。為了撐緊鏈條78，防止其松弛造成撓性鋼管21打滑，在傳動箱體74底 部通過固定塊83設有軌道82，固定塊83上設有頂在軌道82側面的調整螺釘84，軌道82 的另一側面頂壓在鏈條78的內側。
撓性鋼管21被夾持在兩卡塊80之間，撓性鋼管21依靠與卡塊80之間的摩擦力向 前運動放管。通過設置液壓同步回路，向放管液壓馬達32供油，液壓離合器33合上，卡塊 80夾持撓性鋼管21向外輸送，與此同時，收管液壓馬達41不供油，液壓離合器40分離，滾 筒23在撓性鋼管21的拉動下被動轉動，完成放管動作；反之，向收管液壓馬達41供油，液 壓離合器40合上，在鏈條27帶動下滾筒23主動反向轉動，向滾筒23上纏繞撓性鋼管21， 與此同時，放管液壓馬達32不供油，液壓離合器33分離，撓性鋼管21帶動卡塊80及鏈條 78反向運動,完成收管動作。
為適應鉆孔不同高度、不同傾角和方位角的要求，滾筒23可上下升降移動，移動 范圍由升降油缸24的高度及開孔高度確定，同時，也可在鉆進前調整輸管器25的傾角，滿 足不同角度開孔需求。滾筒23的動作原理為收管液壓馬達41轉動，帶動主動鏈輪26轉 動，通過鏈條27帶動從動鏈輪29轉動，花鍵軸34與從動鏈輪29聯(lián)動，從而帶動滾筒23轉 動；花鍵軸34與軸頭53相連，花鍵軸34帶動軸頭53轉動，軸頭53帶動第一齒輪59轉動， 第一齒輪59與雙聯(lián)齒輪63嚙合，雙聯(lián)齒輪63同時與第二齒輪60嚙合，從而帶動往復軸47 轉動，并使花鍵軸34與往復軸47產(chǎn)生轉角差，通過改變齒輪傳動的齒輪參數(shù)，可以實現(xiàn)需 要的轉角差；花鍵軸34與往復軸47之間存在的轉角差使得滑動鍵70在左螺旋槽66或者 右螺旋槽67內相對滑動，從而使滑塊49及滑塊套69在滑動槽46內移動，并帶動花鍵套50 及滾筒23移動。由于往復軸47上的左螺旋槽66與右螺旋槽67為左右旋向的螺旋槽，并 且在左右兩端相通，當滑塊49在左螺旋槽66內運動到頭時，滑動鍵70自動轉入右螺旋槽 67，實現(xiàn)自動換向，反之亦然。通過選擇往復軸47上螺旋槽不同的螺距及通過傳動機構選 擇合適的轉角差，使?jié)L筒23旋轉一圈時，軸向移動撓性鋼管21直徑大小的距離，實現(xiàn)撓性 鋼管21單層纏繞或多層纏繞。
如圖8所示，撓性鋼管遠程控制儀301包括船用比例流量方向復合閥96和船用比 例流量方向復合閥96上通過連接板97固定的指示面板89，船用比例流量方向復合閥96上 通過換向擺動軸95連接有操作桿90，操作桿90上開設有滑槽91。連接板97上安裝有電 機及減速機92，電機及減速機92的輸出軸位于指示面板89的中間位置，電機及減速機92 的輸出軸上設有曲柄93，曲柄93的另一端安裝有滑軸94，滑軸94與滑槽91滑動配合。通 過操作操作桿90來選擇液壓油是供給收管液壓馬達41，還是供給放管液壓馬達32，從而實 現(xiàn)收管和放管之間的切換，同時控制液壓油流量大小。指示面板89從中間向兩側分別設有 40°的刻度線，若操作桿90向右為放管，則操作桿90向左為收管，通過操作操縱桿90向左 或向右擺動的角度大小控制液壓油流量大小，從而控制液壓馬達的轉速，實現(xiàn)控制放管或 收管的速度。
如圖9所示，高壓水遠程控制儀302包括高壓水閥108和高壓水閥108上通過連接套107設置的指示盤98，連接套107上面安裝有位于指示盤98后部的電機及減速機100， 電機及減速機100的輸出端位于指示盤98的中心位置。在電機及減速機100的輸出端上設有指針99和曲柄102，曲柄102的另一端通過銷軸103鉸連有連桿104，連桿104的另一端通過轉軸105與高壓水閥108的滑閥桿106相鉸連。工作時，清水泵站4輸出的高壓水通過水管13進入高壓水閥108的P 口，并通過撓性鋼管21到達作業(yè)孔20內，通過操作電機及減速機100運轉，使曲柄連桿機構運動，可控制滑閥桿106的位置，觀查指針99的指定位置，從而調整高壓水流量和流向，實現(xiàn)控制高壓水的開關以及高壓水流量的大小。
本發(fā)明是通過礦用水力作業(yè)機完成的工藝，該工藝依次包括如下步驟a、鉆孔鉆進1)丈量鉆孔所處巷道高度，確定鉆孔開孔高度、孔長、傾角及方位角，觀測鉆孔鉆進處煤(巖)體結構，測試其力學強度，每一工作面或采區(qū)測試至少一組煤(巖)體力學強度；2)將礦用水力作業(yè)機運送至鉆孔施工地點，并將其固定牢靠；3)按照鉆孔開孔高度、孔長、傾角及方位角設計要求，調整礦用水力作業(yè)機的高度和角度，保持與鉆孔開孔方向一致；4)根據(jù)觀測的煤(巖)體結構及測試的力學強度，選擇礦用水力作業(yè)機的水射流噴頭， 計算礦用水力作業(yè)機工作時所需的注入壓力及流量；5)鉆孔鉆進作業(yè)地點200m范圍內撤人，開啟礦用水力作業(yè)機的清水泵站、遠程 控制按鈕，使礦用水力作業(yè)機的輸管器工作，連續(xù)撓性鋼管在輸管器的帶動下拉直并向預定鉆孔孔口位置運動；6)調整清水泵站的流量與壓力至預計的破巖壓力與流量，根據(jù)鉆孔作業(yè)現(xiàn)場安放的攝像儀觀測鉆進時的排水、排渣情況，并據(jù)此控制鉆進的速度，鉆進速度為Im/ (Γ2)πι η；7)鉆進作業(yè)完成設計孔長時停止鉆進，關閉清水泵站，開啟液壓泵站，使礦用水力作業(yè)機的滾筒反向轉動，以帶動撓性鋼管退出鉆孔并纏繞在滾筒上，若存在退鉆困難的情況，可開啟清水泵站向撓性鋼管注入較小流量及壓力的水流，通過水射流噴頭清洗鉆孔，以使鉆孔內的殘渣排出，實現(xiàn)順利退鉆；8)退鉆完成，可進行下一個鉆孔的鉆進；b、煤層增透1)在鉆孔前固定礦用水力作業(yè)機，并確定撓性鋼管鉆進的高度、傾角和方位角，確定水射流噴頭所需壓力與流量，水射流壓力至少為煤巖體強度的1. 5倍，開啟礦用水力作業(yè)機， 在輸管器作用下，將撓性鋼管及水射流噴頭送至鉆孔孔底，關閉礦用水力作業(yè)機；2)開啟清水泵站，煤巖體在水射流作用下形成射流槽和局部裂縫，觀察返水、排渣情況，達到撓性鋼管高壓水預計注入流量和壓力IOmin后關閉清水泵站；3)開啟礦用水力作業(yè)機的液壓泵站，帶動滾筒反向轉動，使撓性鋼管后退10m，重復煤層增透過程中的步驟2);4)重復煤層增透過程中的步驟3)，直至水射流噴頭距離鉆孔孔口20m以深的鉆孔形成均勻的射流槽并開啟裂縫；5)加大注入水射流噴頭的壓力和流量，使鉆孔的排渣量增多，撓性鋼管與鉆孔內壁之間的空間有限，排渣速度受限，煤、巖粉渣堆積在鉆孔孔口難以及時排出，從而實現(xiàn)封堵鉆孔的目的，再次加大注入水射流噴頭的壓力和流量，實現(xiàn)水力壓裂功能，此時水力壓裂開啟 的大部分裂縫均是沿之前形成的射流槽開啟和延伸，從而形成了均勻定點、均勻壓裂；C、鉆孔修復對于已有的坍塌、積水鉆孔，可利用礦用水力作業(yè)機壓力大、排量大、連續(xù)性強的特點， 使用高壓水對鉆孔進行清洗，使孔內坍塌煤渣排出孔外，除此之外，礦用水力作業(yè)機還可以 在高壓大流量水的作用之下，對鉆孔進行割縫、擴孔，最大程度上達到透孔增透的目的，清 洗鉆孔后的水會殘存在孔內，影響了瓦斯的抽采，此時，采用礦用壓風將鉆孔內殘余水吹排 出孔外。
具體步驟如下1)調整礦用水力化作業(yè)機，使水射流噴頭達到設計工作高度和傾角；2)調整校直機構的調節(jié)導向輪，使連續(xù)鋼管校直；3)啟動清水泵站，高壓水經(jīng)撓性鋼管注入水射流噴頭，經(jīng)切削噴嘴射流切削待修復鉆 孔的巖礦體；4)啟動輸管器，并調整撓性鋼管的推進速度，正常鉆進；5)鉆進至孔底時水射流噴頭開始后退，疏孔狀態(tài)切換為割縫狀態(tài)，開啟液壓泵站，使礦 用水力作業(yè)機的滾筒反向轉動，緩慢收回撓性鋼管，與此同時，高壓水同鉆孔修復過程中步 驟3)的路徑進入鉆孔實施沖孔作業(yè)，以沖出煤量最大化為作業(yè)標準；d、氣驅增透CH4 (瓦斯)和CO2與煤分子之間作用力的差異，導致煤對CH4和CO2吸附能力有所不 同。這種作用力與相同壓力下CH4和CO2的沸點有關，沸點越高，被吸附的能力越強， CH4和CO2的沸點分別為161°C和78 °C，從而CO2在煤表面具有較強的吸附能力。同 時，煤體對CH4和CO2的吸附試驗已經(jīng)證明了 煤對CO2的吸附能力大于煤CH4吸附能力。 這些研究都充分論證了在煤表面CO2具有很強的驅CH4能力，為CO2置換驅替CH4的實施 提供了理論基礎。
I)選擇瓦斯抽采效果差的鉆孔作為實施孔，且排除塌孔或積水造成的抽采效果差 的鉆孔，打開抽采管，將礦用水力作業(yè)機的撓性鋼管通過輸管器下放至鉆孔孔底，并對鉆孔 孔口用長度不小于Im的充氣橡膠圈進行密封，將清水泵站內的介質換為氣體，向撓性鋼管 內注氣；2)計量實施孔周邊鉆孔的瓦斯抽采量，觀測其在注氣前、中、后的瓦斯抽采流量和濃度 的變化情況；3)開啟清水泵站，高壓氣通過撓性鋼管被送至孔底，由于孔口密封，鉆孔內壓力值不斷 上升，當孔內注入壓力高于預計注入壓力時，增大撓性鋼管內的注入氣量，注入壓力增大， 當注入壓力增大至設計壓力120%時，保持恒定注入氣量；4)煤體中的瓦斯在注入高壓氣的驅動置換下，向實施孔的周邊鉆孔流動，以提高該區(qū) 域瓦斯抽采效果；5)測量統(tǒng)計實施孔的周邊鉆孔的抽采流量變化情況，抽采流量與濃度增大的抽采鉆孔 中，與實施孔距離最遠的間距為該注入氣量下的氣驅半徑。
除了使用CO2進行氣驅增透之外，還可以使用空氣進行氣驅，但由于氣驅過程中需 要封堵鉆孔口，并且在注氣過程中，由于鉆孔阻力作用，注入的空氣或CO2難以以較高壓力到達孔底，從容影響了氣驅效果。使用水力噴射裝備，可以通過連續(xù)油管將氣體注入到孔內 的任何位置，并且對于長鉆孔，也可以直接在其孔底進行氣驅而不需要進行封孔。
在本發(fā)明中，高壓水射流是以水為工作介質，具有極高的能級密度，在煤層鉆孔方 面，高壓水射流鉆孔具有以下幾方面的優(yōu)點高壓水射流鉆進時，通過水射流切割煤巖，噴 嘴與煤體沒有直接接觸，不會出現(xiàn)機械鉆頭的發(fā)熱、磨損、壽命短等缺陷，且成孔直徑大、鉆 進速度快、能耗低，可有效避免機械鉆孔時出現(xiàn)的卡鉆、夾鉆等現(xiàn)象，同時可以提高鉆孔周 圍煤層的透氣性；高壓水射流鉆進時，孔底處于淹沒狀態(tài)，溫度低，沒有火花產(chǎn)生，可用于具 有自燃煤層中的鉆孔；在連續(xù)撓性鋼管作用下，可實現(xiàn)煤、巖層鉆孔的連續(xù)鉆進，不需要換 接鉆桿，使鉆孔施工簡便易行。
煤層增透是對煤層進行水力噴射壓裂，達到定點、定向、均勻壓裂的目的，主要可 實現(xiàn)水力沖洗卸壓、水力噴射壓裂和水力吞吐壓裂等工藝。
吞吐式水力沖洗卸壓過程是煤體破壞剝落排出，應力狀態(tài)改變，瓦斯大量釋放的 過程。首先利用高壓水射流破碎煤體，在一定時間內由本孔沖出大量煤體，形成較大直徑的 孔洞，從而破壞煤體原應力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應力 狀態(tài)重新分布，集中應力帶外移，有效應力降低；其次煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應力的降低打 破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，使部分吸附瓦斯轉化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂 隙運移得以排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤層瓦斯透氣 性顯著提高；最后，高壓水潤濕了煤體，降低煤體中殘存瓦斯的解吸速率。水力沖洗過程沖 出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤，因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域，在這個安全 區(qū)域內，破壞了突出發(fā)生的基礎條件，起到了有效的防治突出效果。
對已施工完成鉆孔，選擇合適的水力噴射噴頭噴嘴，開動水力噴射裝備，不加入高 壓水，當連續(xù)油管伸入到孔底時，通過高壓水泵向水力噴射器加入高壓水，高壓水經(jīng)過連續(xù) 油管，最后又噴嘴噴出，鉆孔在噴嘴噴出的高壓水作用之下，使附著在孔壁的煤、巖粉排除 孔外。同時，由于高壓水的射流沖蝕，使鉆孔孔徑擴大，局部形成空腔，加大了鉆孔卸壓空 間，增大了煤層透氣性系數(shù)，提高了抽采效率。
對未施工鉆孔，可使用水射流裝備鉆進，鉆進完成實施沖洗卸壓，同已施工完成鉆 孔。
水力噴射壓裂應用于井下硬煤主要有噴射和壓裂兩個作用。由壓裂泵增壓后的流 體，經(jīng)毫米級直徑的噴嘴后轉化為高速射流，并迅速進入煤層。由于鉆孔孔口體積有限及水 的不可壓縮性，鉆孔內流體會擠壓射流，致使其軸心速度迅速衰減，巨大動能轉化為內能， 并在孔內衰減，高壓水的巨大動能又重新轉化為壓能，使得孔內滯止壓力迅速升高，形成增 壓效應。當孔內增壓值超過地層起裂壓力時，鉆孔末端煤層就會立即起裂。由于噴嘴周圍 會形成低壓區(qū)，所以環(huán)空流體會被卷吸進入裂縫。驅使裂縫向前延伸。
水力噴射壓裂應用于井下軟煤主要有噴射和沖孔兩個作用。
第一為噴射對軟煤的作用。在已施工的鉆孔中，利用水力噴射對鉆孔煤層段孔壁 進行打擊、破碎煤體，并在一定時間內沖出大量煤體，形成較大直徑的孔洞，從而破壞煤體 原應力平衡狀態(tài)，孔洞周圍煤體向孔洞方向發(fā)生大幅度位移，促使應力狀態(tài)重新分布，集中 應力帶前移，有效應力降低；其次煤層中的應力降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，使 部分吸附瓦斯轉化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移得以排放，大幅度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤層瓦斯透氣性顯著提高；最后，高壓水潤濕了煤 體，可降低煤體中殘存瓦斯的解吸速率，起到抑制瓦斯涌出作用。
第二為水力沖孔對軟煤的作用。水力噴射過程中，軟煤部分沖擊到鉆孔與噴射管 環(huán)空處，由于噴射速度大于軟煤噴出孔速度，環(huán)空處的軟煤不斷的填充、壓實，起到了封孔 的效果，本孔只有微量出水，起到了封孔壓裂煤層的作用。
可以通過兩種作業(yè)方式使用礦用水力作業(yè)機實現(xiàn)水力噴射壓裂方式一當鉆孔施工完成之后，水力噴射噴頭及噴嘴此時接近孔底，可向孔外方向拉動 水力噴射噴頭及噴嘴，每隔一定距離(如IOm)進行低強度較短時間的噴射(可通過高壓水泵 調節(jié)注入流量及壓力)，以不使連續(xù)油管難以拔出為好，通過水力噴射，在孔內內產(chǎn)生較為 均勻的射流裂縫。在接近孔口使，加大噴射的流量及壓力，使孔內煤、巖粉由于流動速度沒 有射流返水速度快而堆積在孔口，封堵住連續(xù)油管與鉆孔孔壁之間的空隙，此時，進行水力 壓裂可較為均勻的開啟、延伸、溝通裂縫，在較大范圍之內增大煤層的透氣性系數(shù)，提高抽 米效率。
方式二 當鉆孔施工完成后，連續(xù)油管每向孔口移動一定距離，便進行一次高壓大 排量的水力噴射壓裂，直至孔口。
方式一和二均可以實現(xiàn)煤層鉆孔的均勻、定點起裂，但由于方式二在實際操作過 程中，每退向孔口一次進行壓裂，則對其前端的裂縫又進行了一次壓裂，這樣盡管能夠造成 更大的裂縫，但由于損失了一定的水流量，在進行本段的水力噴射壓裂時可能造縫效果與 理想效果偏差較大。
在硬煤中，水力吞吐壓裂使鉆孔有效地連通了割理、裂隙，并經(jīng)過不斷的注入壓裂 液，排除水煤渣，在鉆孔周圍形成洞穴，使煤儲層所受的應力得到釋放、應力場重新分布，作 用在洞穴上的應力發(fā)生了改變，它被部分轉移到洞穴的壁面以外，在煤層中形成了指向洞 穴的單向負荷，引起煤體因缺乏支撐而向洞穴中移動。這種影響向煤層內不斷延續(xù)，可以擴 展到洞穴周圍一定范圍內，有效的開啟、延伸、溝通了裂隙，形成較大范圍之內的體積改造。 吞吐壓裂增透在形成鉆孔洞穴的同時形成4類裂隙徑向引張裂隙、周緣引張裂隙、剪切裂 隙和轉向裂隙。
在軟煤中，軟煤自身的力學性質決定其不可壓裂，通過吞吐壓裂，可在軟煤層中形 成洞穴，起到卸壓的作用。洞穴形成一定空間之后，不能夠繼續(xù)擴展，此時，洞穴內壓裂流 體壓力逐漸增大，壓實洞穴周邊煤體，形成堅硬、低孔隙度、高應力的壓實帶，使瓦斯不能快 速運移產(chǎn)出。當形成壓實帶之后，注入的壓裂液難以在煤層中繼續(xù)流動，出現(xiàn)擠脹與穿刺現(xiàn)象。
通過使用水力噴射裝備，變排量對鉆孔長度內的任意位置實施吞吐壓裂，使吞吐 壓裂鉆孔空間范圍增大，更有利于鉆孔裂縫的均勻開啟及卸壓，同時，避免了以往吞吐壓裂 時復雜的封孔工藝，節(jié)約了封孔管，節(jié)省了時間，創(chuàng)造了效益。
在鉆孔鉆進、增透、修復過程中，礦用水力作業(yè)機工作時所需的注入壓力及流量的 控制，主要是受以下因素的影響地層壓力大小、煤體結構和煤體抗壓強度。
地層壓力大小在使用礦用水力化作業(yè)機進行鉆進、增透時，由于是在井下進行作業(yè)，因此，其所需壓 力受到上覆地層壓力影響，噴嘴出口壓力可以由以下公式進行確定
權利要求
1.一種煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，通過礦用水力作業(yè)機依次完成如下步驟a、鉆孔鉆進1)丈量鉆孔所處巷道高度，確定鉆孔開孔高度、孔長、傾角及方位角，觀測鉆孔鉆進處煤(巖)體結構，測試其力學強度；2)將礦用水力作業(yè)機運送至鉆孔施工地點，并將其固定牢靠；3)按照鉆孔開孔高度、孔長、傾角及方位角設計要求，調整礦用水力作業(yè)機的高度和角度，保持與鉆孔開孔方向一致；4)根據(jù)觀測的煤(巖)體結構及測試的力學強度，選擇礦用水力作業(yè)機的水射流噴頭， 計算礦用水力作業(yè)機工作時所需的注入壓力及流量；5)鉆孔鉆進作業(yè)地點200m范圍內撤人，開啟礦用水力作業(yè)機的清水泵站、遠程控制按鈕，使礦用水力作業(yè)機的輸管器工作，連續(xù)撓性鋼管在輸管器的帶動下拉直并向預定鉆孔孔口位置運動；6)調整清水泵站的流量與壓力至預計的破巖壓力與流量，根據(jù)鉆孔作業(yè)現(xiàn)場安放的攝像儀觀測鉆進時的排水、排渣情況，并據(jù)此控制鉆進的速度，鉆進速度為Im/ (Γ2)πι η；7)鉆進作業(yè)完成設計孔長時停止鉆進，關閉清水泵站，開啟液壓泵站，使礦用水力作業(yè)機的滾筒反向轉動，以帶動撓性鋼管退出鉆孔并纏繞在滾筒上，若存在退鉆困難的情況，可開啟清水泵站向撓性鋼管注入較小流量及壓力的水流，通過水射流噴頭清洗鉆孔，以使鉆孔內的殘渣排出，實現(xiàn)順利退鉆；8)退鉆完成，可進行下一個鉆孔的鉆進；b、煤層增透1)在鉆孔前固定礦用水力作業(yè)機，并確定撓性鋼管鉆進的高度、傾角和方位角，確定水射流噴頭所需壓力與流量，水射流壓力至少為煤巖體強度的1. 5倍，開啟礦用水力作業(yè)機， 在輸管器作用下，將撓性鋼管及水射流噴頭送至鉆孔孔底，關閉礦用水力作業(yè)機；2)開啟清水泵站，煤巖體在水射流作用下形成射流槽和局部裂縫，觀察返水、排渣情況，達到撓性鋼管高壓水預計注入流量和壓力IOmin后關閉清水泵站；3)開啟礦用水力作業(yè)機的液壓泵站，帶動滾筒反向轉動，使撓性鋼管后退10m，重復煤層增透過程中的步驟2);4)重復煤層增透過程中的步驟3)，直至水射流噴頭距離鉆孔孔口20m以深的鉆孔形成均勻的射流槽并開啟裂縫；5)加大注入水射流噴頭的壓力和流量，使鉆孔的排渣量增多，撓性鋼管與鉆孔內壁之間的空間有限，排渣速度受限，煤、巖粉渣堆積在鉆孔孔口難以及時排出，從而實現(xiàn)封堵鉆孔的目的，再次加大注入水射流噴頭的壓力和流量，實現(xiàn)水力壓裂功能，此時水力壓裂開啟的大部分裂縫均是沿之前形成的射流槽開啟和延伸，從而形成了均勻定點、均勻壓裂；C、鉆孔修復1)調整礦用水力化作業(yè)機，使水射流噴頭達到設計工作高度和傾角；2)調整校直機構的調節(jié)導向輪，使連續(xù)鋼管校直；3)啟動清水泵站，高壓水經(jīng)撓性鋼管注入水射流噴頭，經(jīng)切削噴嘴射流切削待修復鉆孔的巖礦體；4)啟動輸管器，并調整撓性鋼管的推進速度，正常鉆進；5)鉆進至孔底時水射流噴頭開始后退，開啟液壓泵站，使礦用水力作業(yè)機的滾筒反向轉動，緩慢收回撓性鋼管，與此同時，高壓水同鉆孔修復過程中步驟3)的路徑進入鉆孔實施沖孔作業(yè)，以沖出煤量最大化為作業(yè)標準；d、氣驅增透1)選擇瓦斯抽采效果差的鉆孔作為實施孔，且排除塌孔或積水造成的抽采效果差的鉆孔，打開抽采管，將礦用水力作業(yè)機的撓性鋼管通過輸管器下放至鉆孔孔底，并對鉆孔孔口進行密封，將清水泵站內的介質換為氣體，向撓性鋼管內注氣；2)計量實施孔周邊鉆孔的瓦斯抽采量，觀測其在注氣前、中、后的瓦斯抽采流量和濃度的變化情況；3)開啟清水泵站，高壓氣通過撓性鋼管被送至孔底，由于孔口密封，鉆孔內壓力值不斷上升，當孔內注入壓力高于預計注入壓力時，增大撓性鋼管內的注入氣量，注入壓力增大， 當注入壓力增大至設計壓力120%時，保持恒定注入氣量；4)煤體中的瓦斯在注入高壓氣的驅動置換下，向實施孔的周邊鉆孔流動，以提高該區(qū)域瓦斯抽采效果；5)測量統(tǒng)計實施孔的周邊鉆孔的抽采流量變化情況，抽采流量與濃度增大的抽采鉆孔中，與實施孔距離最遠的間距為該注入氣量下的氣驅半徑。
2.如權利要求1所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述礦用水力作業(yè)機包括主機、執(zhí)行臺、清水泵站、液壓泵站和開關柜，執(zhí)行臺內安裝有撓性鋼管控制儀和高壓水控制儀，主機通過油管與撓性鋼管控制儀相連、通過水管與高壓水控制儀相連，撓性鋼管控制儀通過油管與液壓泵站相連，高壓水控制儀通過水管與清水泵站相連，執(zhí)行臺、清水泵站和液壓泵站分別通過動力電纜與開關柜電連接；所述主機包括橇形底座和橇形底座兩側倒置的升降油缸，升降油缸通過其側壁上的左支座與右支座安裝有套移徑轉滾筒主軸，升降油缸與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通；套移徑轉滾筒主軸一端設有高壓水通道，高壓水通道的進出口分別設有高壓水連接管和高壓水接頭，高壓水連接管與主機和執(zhí)行臺之間的水管相連通；套移徑轉滾筒主軸兩側設有左支撐臂和右支撐臂，左支撐臂和右支撐臂前端設有輸管器；左支撐臂和右支撐臂前端還安裝有收管液壓馬達、液壓離合器和減速器，收管液壓馬達與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通，減速器輸出端設有主動鏈輪，套移徑轉滾筒主軸上設有與主動鏈輪相對應的從動鏈輪，主動鏈輪和從動鏈輪上設有鏈條；套移徑轉滾筒主軸上設有滾筒，滾筒上纏繞有撓性鋼管，撓性鋼管上安裝有水射流噴頭，撓性鋼管一端伸入輸管器內、另一端通過高壓軟管與高壓水接頭相連；輸管器輸管方向與滾筒外圓周相切。
3.如權利要求2所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述套移徑轉滾筒主軸包括帶有滑動槽的花鍵軸、往復軸、滑移套、花鍵套和軸頭，花鍵套套設于花鍵軸外部，花鍵套通過滾筒箍與滾筒固連，軸頭固定在花鍵軸右端面上；滑移套與花鍵軸內孔間隙配合，滑移套套設在往復軸上，往復軸上設有端部相通的左螺旋槽和右螺旋槽，滑移套上開設有滑塊孔，滑塊孔內設有滑塊，滑塊頂部設有滑動鍵，滑動鍵與左螺旋槽和右螺旋槽滑動配合，花鍵套上開設有方孔，方孔內設有套設于滑塊外部的滑塊套， 滑塊套通過螺釘固定于滑移套上，且滑塊套與花鍵軸的滑動槽滑動配合；往復軸的右端穿過軸頭，軸頭位于右支座內，軸頭端面上固設有第一齒輪，往復軸外端設有第二齒輪，第一齒輪和第二齒輪一側設有雙聯(lián)齒輪，雙聯(lián)齒輪分別與第一齒輪和第二齒輪相嚙合。
4.如權利要求3所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述滑塊內設有壓簧和鋼球，頂絲通過鋼球頂壓在壓簧上。
5.如權利要求2所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述輸管器包括傳動箱體、上蓋板、下蓋板和下蓋板上設置的放管液壓馬達與液壓離合器，放管液壓馬達與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通；傳動箱體內并列設有兩對鏈輪和每對鏈輪上的鏈條，其中一對鏈輪中的一個鏈輪上設有主動鏈輪軸、另一對鏈輪中的一個鏈輪上設有從動鏈輪軸，主動鏈輪軸上設有主動齒輪，從動鏈輪軸上設有與主動齒輪相嚙合的從動齒輪，主動鏈輪軸外端與液壓離合器驅動連接；鏈條外側通過小彎板固定有卡塊， 卡塊外側設有凹槽，在外側面相對的卡塊之間形成包容撓性鋼管的輸管腔體。
6.如權利要求5所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述傳動箱體底部通過固定塊設有軌道，固定塊上設有頂在軌道側面上的調整螺釘， 軌道另一側面頂壓在鏈條內側。
7.如權利要求2所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述支撐臂與套移徑轉滾筒主軸之間設有調向機構，支撐臂的調向中心與套移徑轉滾筒主軸的旋轉中心重合；調向機構包括軸頭外部的銅套和銅套外部的內齒圈，內齒圈的外圓周面與右支撐臂固連，右支座內設有與內齒圈嚙合的小齒輪軸，小齒輪軸的端部設有渦輪，渦輪與伸向右支座外部的蝸桿相嚙合，蝸桿外部連接調向液壓馬達，調向液壓馬達與主機和執(zhí)行臺之間的油管相連通。
8.如權利要求2所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述撓性鋼管控制儀為撓性鋼管遠程控制儀，其包括船用比例流量方向復合閥和船用比例流量方向復合閥上通過連接板固定的指示面板，船用比例流量方向復合閥上通過換向擺動軸連接有操作桿，操作桿上開設有滑槽，連接板上安裝有電機及減速機，電機及減速機的輸出軸位于指示面板中間位置，電機及減速機的輸出軸上設有曲柄，曲柄另一端安裝有滑軸，滑軸與滑槽滑動配合。
9.如權利要求2所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述高壓水控制儀為高壓水遠程控制儀，其包括高壓水閥和高壓水閥上通過連接套設置的指示盤，連接套上面安裝有位于指示盤后部的電機及減速機，電機及減速機的輸出端位于指示盤中心位置；電機及減速機的輸出端上設有指針和曲柄，曲柄另一端通過銷軸鉸連有連桿，連桿另一端通過轉軸與高壓水閥的滑閥桿相鉸連。
10.如權利要求2-9中任一所述的煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，其特征在于，所述礦用水力作業(yè)機還包括由遠程控制按鈕和顯示儀構成的遠程控制臺， 遠程控制臺通過動力電纜和控制信號電纜與開關柜電連接，顯示儀通過信號線連接有監(jiān)控主機和執(zhí)行臺的攝像儀。
全文摘要
煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅置換綜合方法，包括鉆孔鉆進、煤層增透、鉆孔修復和氣驅增透四個工藝步驟。本發(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)鉆進、遠程操作，具有施工簡便、排渣順暢、鉆進速度快等優(yōu)點，且施工過程中操作人員遠離施工現(xiàn)場，改善工人勞動環(huán)境，降低和防止危險事故的發(fā)生，操作人員人身安全可得到有效保障。可以對煤層進行水力割縫、壓裂、沖孔等措施，可大幅度均勻的提高煤層的透氣性系數(shù)，使水力化作業(yè)造成的應力集中有規(guī)律可循，也可以對已有坍塌鉆孔、積水鉆孔進行鉆孔修復，增加鉆孔使用壽命，提高鉆孔有效抽采的質量；同時，在鉆孔增透及修復的基礎上，如后期抽采效果不明顯，則可采用氣驅工藝，提高瓦斯抽采效率。
文檔編號E21B19/22GK103016044SQ201210489910
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權日2012年11月27日
發(fā)明者蘇現(xiàn)波, 劉曉, 王建國, 馬寶安, 馬耕, 張雙斌 申請人:河南理工大學