[发明专利]松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔施工方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔施工方法及其装置，尤其涉及利用压缩空气和稳定泡沫作为钻孔冲洗介质以复合方式循环钻进的松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔的方法及其装置。

背景技术

我国的松软煤层分布广泛，在可采煤层中占有相当大的比例。开采松软煤层过程中瓦斯灾害治理尤为重要，是影响高产高效采煤技术推广应用的一个关键因素，也是困扰产量提高的难题之一。瓦斯预抽采是降低松软煤层瓦斯含量、防治瓦斯灾害最有效的技术手段，同时也是综合利用瓦斯的基础。煤矿井下瓦斯预抽采的关键是顺层瓦斯抽采钻孔的施工。

松软煤层顺层长钻孔（深孔＞120m的钻孔）是实现工作面瓦斯高效预抽的有效手段，但是，在松软煤层中施工瓦斯抽采长钻孔十分困难，钻进过程中容易出现喷孔、塌孔和卡钻等异常现象，致使钻孔成孔深度浅、成孔率低，无法满足高效抽采瓦斯的需要。针对松软煤层中打钻难题，经过多年的努力，我国在钻进技术与装备方面取得了一定发展，先后尝试了水力排渣钻进、螺旋钻杆机械排渣钻进等多种钻进工艺方法。

近年来，煤矿井下中风压空气钻进技术的开发应用使松软煤层顺层瓦斯抽采钻孔的平均成孔深度和成孔率得到了大幅提高，然而，煤矿井下中风压空气钻进技术本身存在一定的局限性，表现为纯空气的冷却能力差，孔壁局部坍塌易导致钻杆柱回转摩擦生热而产生孔内瓦斯燃爆隐患;环空高速返出气流对孔壁冲刷作用强，不利于松软煤层孔壁稳定；钻遇含水煤层后排渣困难，易引发孔内卡钻事故。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔施工方法及其装置，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对煤矿井下利用中风压空气钻进技术施工松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔时存在的纯空气冷却能力差、存在孔内瓦斯燃爆隐患，满足排渣所需的环空气流流速高、不利松软煤层孔壁稳定，钻遇含水煤层后排渣困难、易引发孔内卡钻事故等问题，提供了一种松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔施工方法及其装置。

为解决上述问题，本发明公开了一一种松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔施工方法，其应用于松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔的钻进设备中，所述钻进设备包含钻头、钻杆柱，所述钻杆柱上设有孔口密封器，所述孔口密封器在钻进时对孔口进行密封，其特征在于：

通过压缩空气和稳定泡沫两种气基流体作为钻孔冲洗介质，二者相间经钻杆柱的中心孔注入，到达孔底后经由钻头上的流道进入环空间隙，冷却所述钻头后携带孔底随钻头钻进产生的煤渣屑返至孔外，二者相间流动，其中稳定泡沫流携带煤渣屑、冷却润滑钻具，压缩空气流冲洗孔底和推动稳定泡沫段塞流动。

其中包含如下步骤：

浅孔钻进步骤；在浅孔段钻进时采用压缩空气单介质钻进工艺，只利用压缩空气作为循环介质，实施中风压空气钻进；

深孔钻进步骤：在深孔段钻进时采用稳定泡沫和压缩空气复合钻进工艺，实施稳定泡沫和压缩空气两种气基流体作为钻进冲洗介质以复合方式循环的钻进工艺，通过将两种介质交替注入孔内，在循环通道内形成泡沫流和压缩空气流相间的复合流。

其中：预备阶段：配置泡沫剂溶液，所述泡沫剂溶液包含发泡剂和稳泡剂，所述发泡剂为4‰十二烷基苯磺酸钠，所述稳泡剂为0.8‰田菁胶粉0.5‰羟乙基纤维素，按照比例将发泡剂和稳泡剂加入清水中充分混合，静置溶解后形成泡沫剂溶液。

其中：在浅孔钻进步骤中还设有险情排除步骤，所述险情排除步骤实施稳定泡沫和压缩空气复合钻进工艺，通过稳定泡沫和压缩空气两种气基流体作为钻进冲洗介质以复合方式循环的钻进工艺，形成泡沫流和压缩空气流相间的复合流，及时排除险情后恢复压缩空气单循环钻进或持续钻进至深孔钻进步骤。

还公开了一种实现如上所述施工方法的装置，至少包含液路系统、气路系统和泡沫发生器三部分，其特征在于：

所述液路系统依次由泡沫液泵、泡沫液调控阀块、泡沫液流量计、液路压力表和液路单向阀彼此相连组成；

所述气路系统依次由防爆空压机、气路压力表、压缩空气调控阀块、气路单向阀和气体流量计彼此相连组成；

所述气路系统和液路系统分别连接在泡沫发生器的进气和进液口上。

其中：所述压缩空气调控阀块包含发泡气体出口、消泡气体出口、控气滑动阀芯和进气口，所述发泡气体出口和消泡气体出口位于阀体的一侧，所述进气口位于阀体的另一侧，所述控气滑动阀芯位于阀体中部并可在阀体内上下移动，通过所述控气滑动阀芯的上下移动，所述发泡气体出口和消泡气体出口分别与所述进气口进行连通。