本發(fā)明涉及煤礦開采工程中瓦斯抽采和煤層氣開發(fā)領(lǐng)域，尤其涉及一種松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備及實現(xiàn)工藝。

背景技術(shù)：

煤及煤層氣是中國重要的化石能源礦產(chǎn)，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(yè)時發(fā)生煤礦瓦斯災(zāi)害，特別是松軟突出煤層的安全生產(chǎn)面臨巨大挑戰(zhàn)。如表1所示，針對堅固性系數(shù)f<0.8的松軟煤層，滲透性和強度均較低，煤體穩(wěn)定性差，瓦斯含量和瓦斯壓力高。除了巷道極易發(fā)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(zāi)害事故防治也是困擾產(chǎn)業(yè)界的一大難題。因此，煤層氣或瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害的重要安全技術(shù)措施，一般采用大量鉆孔作業(yè)以便進行人工增滲施工，降低煤礦瓦斯災(zāi)害發(fā)生的概率。

表1 按堅固性系數(shù)劃分的煤層分類

松軟突出煤層廣泛分布于貴州、云南、重慶、湖南、安徽、河南等礦區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計，重點礦區(qū)含松軟突出煤層的煤礦數(shù)量占總礦井?dāng)?shù)量的53.3％。但松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，因此松軟煤層鉆孔過程中往往發(fā)生卡鉆、移出鉆頭后孔壁往往嚴重變形縮頸甚至坍塌等鉆孔失效問題，很難保證鉆孔成功率，從而嚴重制約了松軟突出煤層的開發(fā)。

目前，一般采用將護孔篩管送入鉆孔的方式保護鉆孔，以減少鉆孔變形縮頸或坍塌的可能性，然而鉆孔中殘留的煤屑容易導(dǎo)致護孔篩管難以下放。例如，公開號為CN 102587961A的專利介紹了一種松軟煤層瓦斯抽采孔的護孔管的送入工藝，解決了松軟煤層瓦斯抽采孔送入護孔管時遇到鉆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鉆后實施，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鉆孔防塌孔隨鉆鉆進下套筒裝備及鉆孔工藝，該工藝起到了防止鉆孔塌孔且避免鉆孔報廢的作用，但是筒式鉆頭無法退出，在鉆孔結(jié)束后留在孔內(nèi)，造成浪費，甚至有可能在采煤機回采切割煤體時相互摩擦而產(chǎn)生火花，存在極大的安全隱患。

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備及工藝，能夠避免卡鉆、移出鉆頭后孔壁嚴重變形縮頸甚至坍塌等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備及工藝，能夠避免卡鉆、移出鉆頭后孔壁嚴重變形縮頸甚至坍塌等問題，以實現(xiàn)煤層氣、瓦斯高效抽采，降低煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害事故發(fā)生的概率和威脅，最終實現(xiàn)煤礦安全和煤層氣高效開采。

為了達到上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備，用于對松軟突出煤層進行鉆孔，其特征在于，所述裝備包括：可變徑鉆頭、篩管、推進單元以及驅(qū)動單元；其中，所述可變徑鉆頭通過所述推進單元與所述驅(qū)動單元連接，所述篩管包裹于所述推進單元的外表面，用于防止所述鉆孔產(chǎn)生嚴重變形或坍塌，所述驅(qū)動單元驅(qū)動所述推進單元作用于所述可變徑鉆頭，使其外徑大于所述篩管的外徑并牽引所述篩管直至其進入所述松軟突出煤層，并對所述松軟突出煤層進行沖擊鉆進直至一預(yù)定深度后再對所述可變徑鉆頭變徑，使其能夠縮回所述篩管內(nèi)。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備中，所述篩管的構(gòu)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(shè)有多個凸起的波粒，用于減少所述篩管與孔壁煤體之間的摩擦力；每個波粒上均設(shè)有至少一個通孔，用于流通所述篩管內(nèi)外的氣體。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備中，所述推進單元包括：推進桿以及液壓管線，所述液壓管線布置于所述推進桿上的管線卡槽內(nèi)；所述驅(qū)動單元通過所述液壓管線分別與所述可變徑鉆頭以及推進桿連接。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備中，所述推進桿還包括：凸起機構(gòu)、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(gòu)用于使所述可變徑鉆頭變徑；所述至少一個卡頭用于固定并拖動所述篩管進入松軟突出煤層的鉆孔，并在鉆孔結(jié)束后脫離所述篩管并從中退出；所述液壓管線包括第一液壓管線及第二液壓管線，所述驅(qū)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(qū)動單元通過所述第一液壓管線與所述第二活塞連接，所述第一彈簧用于牽引所述凸起機構(gòu)，所述第二彈簧用于牽引所述第二活塞，并在沖進鉆進時傳遞所述第二活塞產(chǎn)生的作用力至所述可變徑鉆頭。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備中，所述驅(qū)動單元包括：動力機構(gòu)、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于控制所述第二活塞中的液壓，所述第三閥門用于控制所述第一活塞中的液壓，所述動力機構(gòu)通過所述液壓管線與所述可變徑鉆頭、第一活塞以及第二活塞連接。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備中，所述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備還包括一降溫單元，用于對所述可變徑鉆頭、篩管、推進單元以及驅(qū)動單元進行降溫、潤滑。

為達到上述目的，本發(fā)明的另一方面提出了一種使用上述任一種松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備對松軟突出煤層進行鉆進成孔的工藝，包括：

獲取所需鉆進的煤層的基本物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)煤體地質(zhì)強度指標(biāo)GSI統(tǒng)計和Hoek-Brown準則等理論計算，設(shè)計和優(yōu)化篩管的尺寸參數(shù)及構(gòu)成材料，設(shè)計鉆進方案和施工參數(shù)，并進行裝備的安裝及調(diào)試；

驅(qū)動單元驅(qū)動推進單元工作，所述推進單元作用于可變徑鉆頭，使其攜帶篩管進行沖擊鉆進；

以及當(dāng)鉆進至預(yù)定深度時，所述可變徑鉆頭脫離所述篩管并從中退出，所述篩管留于鉆孔內(nèi)，防止所述鉆孔產(chǎn)生嚴重變形或坍塌，完成鉆孔。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層進行鉆進成孔的工藝中，所述驅(qū)動單元驅(qū)動推進單元工作，所述推進單元作用于可變徑鉆頭，使其攜帶篩管進行沖擊鉆進的步驟還包括：

所述可變徑鉆頭變徑使其外徑大于所述篩管的外徑并牽引所述篩管直至所述可變鉆頭進入所述松軟突出煤層；以及

對鉆孔的鉆進質(zhì)量進行檢測，若鉆進質(zhì)量未達到要求，則調(diào)整所述鉆孔裝備的施工參數(shù)，包括所述可變徑鉆頭的沖擊頻率，直到鉆進質(zhì)量達到要求。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層進行鉆進成孔的工藝中，所述當(dāng)鉆進至要求孔深所述預(yù)定深度時，所述可變徑鉆頭脫離所述篩管并從中退出，所述篩管留于鉆孔內(nèi)，防止所述鉆孔產(chǎn)生嚴重變形或坍塌，完成鉆孔的步驟還包括：

所述推進單元作用于所述可變徑鉆頭變徑，使其外徑小于所述篩管的內(nèi)徑縮回所述篩管內(nèi)并從所述篩管中退出。

優(yōu)選地，在上述松軟突出煤層進行鉆進成孔的工藝中，所述工藝還包括；

降溫單元對所述可變徑鉆頭、篩管、推進單元以及驅(qū)動單元進行降溫、潤滑。

綜上所述，在本發(fā)明提出的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備及工藝中，采用可變徑鉆頭對松軟突出煤層進行沖擊鉆進，以不排渣鉆進方式回避排渣問題，極大地減少了粉塵排放，改善了工作環(huán)境；設(shè)置一定結(jié)構(gòu)的篩管，減小了篩管與孔壁煤體之間的摩擦力，由可變徑鉆頭及推動單元對其進行牽引，解決了篩管下放困難的問題；鉆孔結(jié)束后，可變徑鉆頭從篩管中退出，留下篩管對鉆孔進行保護，有效防止孔壁坍塌。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中一優(yōu)選實施例中的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中一優(yōu)選實施例中的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備沿垂直于X方向的截面示意圖；

圖3為本發(fā)明中一優(yōu)選實施例中的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備的篩管波粒示意圖；

圖4為本發(fā)明中一優(yōu)選實施例中的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔工藝的工作流程圖。

1-可變徑鉆頭；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(gòu)；36-推進桿；371-第一液壓管線；372-第二液壓管線；38-卡頭；4-驅(qū)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(jié)合示意圖對本發(fā)明的具體實施方式進行更詳細的描述。

本實施例中的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備包括可變徑鉆頭1、篩管2、推進單元3以及驅(qū)動單元4，用于對松軟突出煤層進行鉆孔。

具體的，如圖1及圖2所示，篩管2包裹于推進單元3的外表面；篩管2的外表面均勻設(shè)有多個凸起的波粒21，用于增加篩管2的強度和剛度，減小篩管外壁與鉆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(shè)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(nèi)外的流體，便于后期對鉆孔中的瓦斯及煤層氣進行抽采，進而降低了瓦斯災(zāi)害事故發(fā)生的概率和威脅。

上述篩管2的使用材料包括但不限于為新型高分子材料，如抗靜電阻燃的PVC、PC、PE、輕金屬及其合金等，本發(fā)明對此不作任何限制；

如圖3所示，上述篩管2上設(shè)有的波粒21，及波粒21上設(shè)有的橢圓形孔211構(gòu)成了一種新型結(jié)構(gòu)的篩管，能夠保證橢圓形孔211始終開啟，使篩管2具有優(yōu)良的透氣性能；且使用高分子材料無有毒有害物質(zhì)產(chǎn)生，阻燃抗靜電，提高了篩管2的使用壽命及后期施工的安全性。

具體的，本實施例中的推進單元3包括推進桿36、凸起機構(gòu)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(gòu)35用于改變可變徑鉆頭的外徑，第一活塞32及第一彈簧31用于在復(fù)位凸起機構(gòu)35；第二活塞34在驅(qū)動單元4的驅(qū)動下運動，作用于第二彈簧33，以保證可變徑鉆頭1實現(xiàn)沖擊鉆進。

如圖1所示，推進單元3還包括一個卡頭38，卡頭38用于固定并攜帶篩管2進入松軟突出煤層的鉆孔，本發(fā)明對卡頭38的數(shù)量及固定攜帶篩管2進入的方式不作任何限制；卡頭38可以但不限于為可充液膨脹式裝備，本發(fā)明對此不作任何限制。

鉆孔前，驅(qū)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(gòu)35進入可變徑鉆頭1的中心，使得可變徑鉆頭1的外徑增大，大于篩管2的外徑，以便牽引篩管2進入鉆孔；卡頭38固定篩管2于推進桿36上。

完成鉆孔后，驅(qū)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(gòu)35離開可變徑鉆頭1的中心，可變徑鉆頭1外徑恢復(fù)至初始，卡頭38脫離篩管2，此時可變徑鉆頭1與卡頭38均從篩管2中退出，留下篩管2支撐鉆孔。

具體的，本實施例中的驅(qū)動單元4包括動力機構(gòu)、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，以使可變徑鉆頭1進行沖擊鉆進；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(fā)明對此不作任何限制。當(dāng)可變徑鉆頭1需退出鉆孔時，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，控制可變徑鉆頭1從篩管2中退出。

具體的，在上述裝備中，為保證可變徑鉆頭1、篩管2、推進單元3以及驅(qū)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(fā)明對降溫單元的工作形式及結(jié)構(gòu)均不作任何限制。

上述松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備可有效防止鉆孔坍塌，增加松軟煤層鉆孔成功率，從而降低了瓦斯災(zāi)害事故發(fā)生的概率和威脅，最終實現(xiàn)煤礦安全和煤層氣高效開采。

某礦開采K₂^#松軟煤層時，瓦斯壓力大，工作面煤層泊松比μ為0.35，堅固性系數(shù)f為0.15，最大水平主應(yīng)力σ_H＝13.2MPa，垂直應(yīng)力σ_v＝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(jié)構(gòu)穩(wěn)定、簡單，無較大地質(zhì)構(gòu)造，但小斷層發(fā)育明顯；平均堅固性系數(shù)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松軟煤層，且軟分層分布不均，各向異性明顯。根據(jù)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，且大于100m)。煤層瓦斯含量煤層瓦斯原始含量為5.62～21.53m³/t，絕對瓦斯最大涌出量為42m³/min，相對瓦斯涌出量為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，屬于易自然發(fā)火煤層。

將本實施例中的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備運用到上述煤層開采工作中的流程如圖4所示。

具體包括：

S1：根據(jù)煤體地質(zhì)強度指標(biāo)GSI統(tǒng)計和Hoek-Brown準則等理論計算設(shè)計和優(yōu)化篩管的尺寸參數(shù)及構(gòu)成材料：選用外徑Φ32mm，內(nèi)徑Φ25mm的篩管，篩管2材質(zhì)選用具有抗靜電阻燃性的聚丙烯(PP)，選用Φ36mm的可變徑鉆頭1，進行裝備安裝及調(diào)試；

S2：驅(qū)動單元4驅(qū)動推進單元3及可變徑鉆頭1，使可變徑鉆頭1的外徑大于篩管2的內(nèi)徑，并牽引篩管2進行沖擊鉆進。

S3：當(dāng)鉆進至預(yù)定深度時，驅(qū)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(gòu)35離開可變徑鉆頭1的中心，可變徑鉆頭1的外徑恢復(fù)至初始狀態(tài)，同時卡頭38脫離所述篩管2；可變徑鉆頭1及卡頭38均從篩管2中退出，留下篩管2支撐鉆孔。

其中S2包括：

S21：驅(qū)動單元4的動力機構(gòu)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(gòu)35進入可變徑鉆頭1的中心，使得可變徑鉆頭1的外徑增大，大于篩管2的外徑，同時卡頭38工作，固定并拖動篩管2下放；

S22：驅(qū)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，可變徑鉆頭1牽引篩管2在松軟突出煤層中進行高頻率的往復(fù)運動，進行沖擊鉆進；

其中，S22還包括：

S221：對鉆孔的鉆進質(zhì)量進行檢測，若鉆進質(zhì)量未達到要求，則調(diào)整鉆孔裝備的參數(shù)，包括但不限于為可變徑鉆頭1的沖擊頻率，直到鉆進質(zhì)量達到要求；以及

S222：降溫單元對可變徑鉆頭1、篩管2、推進單元3以及驅(qū)動單元4進行降溫、潤滑。

綜上所述，在本發(fā)明提出的松軟突出煤層防坍塌連續(xù)鉆進成孔裝備及工藝中，采用可變徑鉆頭對松軟突出煤層進行沖擊鉆進，以不排渣鉆進方式回避排渣問題，極大地減少了粉塵排放，改善了工作環(huán)境；設(shè)置一定結(jié)構(gòu)的篩管，減小了篩管與孔壁煤體之間的摩擦力，由可變徑鉆頭及推動單元對其進行牽引，解決了篩管下放困難的問題；鉆孔結(jié)束后，可變徑鉆頭從篩管中退出，留下篩管對鉆孔進行保護，有效防止孔壁坍塌。

上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不對本發(fā)明起到任何限制作用。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)，對本發(fā)明揭露的技術(shù)方案和技術(shù)內(nèi)容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容，仍屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。