[发明专利]煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法

说明书

一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法。本发明的钻进装备由增压供风系统、射流发泡系统、定向钻进系统和尘气泡沫分离系统组成，以连续泡沫流为冲洗介质，采用增压供风方式和射流发泡原理，产生钻进用高压泡沫；采用定向钻进系统在高压泡沫和钻机复合驱动下进行深孔定向钻进和复合高效排渣；利用尘气泡沫分离系统对钻孔返出的污染后的尘气泡沫流进行净化处理。整体上保护了孔壁稳定，提高了钻进装备的冲洗介质输送能力、钻具冷却效果、钻进能力和钻屑携带清除能力，预防了孔内事故与孔口瓦斯超限事故的发生，满足深孔定向钻进对高压泡沫的需求，为松软突出煤层深孔定向钻进提供了技术与装备保障。

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻进的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法。

背景技术

瓦斯是煤矿安全高效开采中的重要事故隐患，为确保后期采煤安全，必须提前对煤层瓦斯进行预抽采，瓦斯抽采效率严重影响煤层开采效率。

钻孔是进行瓦斯抽采的主要技术途径。松软突出煤层在我国分布广泛，在可采煤层中占有相当大的比例，我国大部分高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井均为松软突出煤层，其煤体破碎、渗透性低、瓦斯压力大、瓦斯抽采钻孔施工困难，瓦斯抽采治理效果急需提高。

近年来，为解决松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工问题，我国开发了水力正循环回转钻进技术和冲击回转钻进技术、螺旋钻杆干式回转钻进技术、异形钻杆空气钻进技术、泡沫/雾化钻进技术、空气反循环钻进技术、空气套管钻进技术、梳状钻孔定向钻进技术、泥浆脉冲随钻测量定向钻进技术和电磁波随钻测量空气定向钻进技术等，钻孔成孔率和成孔深度均有一定提高，但仍然存在以下不足：①松软突出煤层钻进时为提高孔壁稳定性，宜采用空气作为冲洗介质，但空气钻进冷却效果差、粉尘大，环境污染严重，存在燃烧、爆炸等安全隐患；②区域递进式瓦斯抽采钻孔施工时，采用的定向钻具需要的冲洗介质压力和流量均较大，且随着钻孔深度逐渐提高，冲洗介质循环阻力增加，孔内钻屑携带清除困难，易导致孔内事故，深孔钻进对高压供风或泡沫存在需要迫切；③目前主要采用矿用空气压缩机进行中风压供风，其供风风压≤1.25MPa，且无满足煤矿安全要求的高压供风空压机，矿井现有供风能力不能满足深孔钻进和定向钻进需要。

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，研究设计出一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备与方法，其能克服现有技术的缺陷，有效解决目前煤矿井下松软突出煤层钻进时，纯空气钻进易污染环境、存在安全隐患；泡沫钻进，供风风压受限，不能满足深孔钻进和定向钻进需要等不足。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下松软突出煤层泡沫增压定向钻进装备，由增压供风系统、射流发泡系统、定向钻进系统和尘气泡沫分离系统组成，其特征在于：

增压供风系统提供压力空气，所述压力空气包含低压空气和高压空气，所述射流发泡系统连接至增压供风系统并将压力空气与泡沫液混合产生高压泡沫，所述定向钻进系统连接至射流发泡系统以利用高压泡沫进行钻孔施工，所述尘气泡沫分离系统连接至增压供风系统并利用压力空气用于将钻屑、瓦斯气体从孔口返出的污染泡沫中分离，避免粉尘和瓦斯气体逸出。

其中：所述增压供风系统由井上空气压缩机、矿用空气压缩机、低压输风管路、中压输风管路、矿用空气增压机、驱动风管、增压风管和高压风管组成，所述井上空气压缩机与低压输风管路连接；所述矿用空气压缩机与中压输风管路连接；所述矿用空气增压机通过驱动风管与低压输风管路连接，并通过增压风管与中压输风管路连接，所述矿用空气增压机通过高压风管向外部输出高压风。

其中：所述矿用空气增压机包含驱动进风口、增压进风口、增压机构和高压储气罐，所述驱动进风口和增压进风口分别连接至驱动风管和增压风管，所述增压机构的出口连接至高压储气罐。