[发明专利]一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法

说明书

本发明提供了一种深部低渗透高瓦斯煤层钻‑割‑封‑压钻孔设备及方法，涉及煤矿瓦斯抽采和降尘技术领域，包括钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统，钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，高压水动力系统为设备提供不同压力的高压水，水压分级控制系统保证钻进冲刷钻屑水压小于5MPa，垂直于钻杆长度方向割缝用水压为25‑35MPa，封孔胶囊的封孔水压为35‑40MPa，煤层进一步卸压增透的水压为40‑50MPa；压裂封堵控制系统完成封孔和水力压裂施工的控制；以及利用该设备施工钻孔、孔内割缝、封孔、水力压裂的方法，实现了单一设备的一体化施工，提高了瓦斯抽采钻孔和煤层防尘的施工效率。

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采和煤层降尘技术领域，尤其是一种深部低渗透高瓦斯煤层的钻-割-封-压钻孔设备，以及利用该设备实现钻孔、割缝、封孔、压裂施工的方法。

背景技术

目前，煤矿开采已由浅部开采转向深部开采，随着采深的增加，煤层所在的地应力也增大，导致煤层的渗透性极低，同样煤层瓦斯压力进一步增大，发生瓦斯灾害的可能性也随之增大。然而瓦斯也是一种清洁高效的能源，在低渗煤层进行有效的瓦斯抽采，以降低发生灾害的可能性并提高瓦斯的利用率，是当前深部煤矿科学开采不可避免的难题。据统计大部分的煤矿是瓦斯矿井，为保障矿井正常安全生产，通常预先对富含瓦斯煤层进行瓦斯抽放，即在煤层不同位置施工多个钻孔，对含瓦斯煤层进行水力割缝，再应用多种封孔器封堵钻孔，再次注入高压水对煤体进行压裂增透，使瓦斯从钻孔内自主散发出来或进行人工进行瓦斯抽放。但是，上述工艺存在的主要问题是：(1)单一钻孔的煤层增透效果差，排放瓦斯的效率很低；(2)人工进行煤层压裂增透的多个抽采瓦斯钻孔的工序复杂。由于受煤层低渗透率的束缚，瓦斯的抽放效率也很低。并且上述工艺需要施工多个钻孔、施工效率低、生产成本较高。虽然，目前的瓦斯抽采研究领域中也提出过一些的瓦斯抽放方法，比如高位钻孔瓦斯抽采、水压致裂煤层抽采瓦斯方法等。但这些工艺都需要预先进行施工钻工，退出原有钻杆后进行封堵钻孔和水力压裂，再进行瓦斯抽采，工艺存在重复性。

为了实现“钻-割-封-压”一体化工艺，并方便施工，需要提供深部低渗透高瓦斯煤层“钻-割-封-压”一体化钻孔施工装备及方法，不仅对低渗煤层进行预裂增渗，还能将“钻进-割缝-封堵-压裂”等四个工艺集中成一体，不需要反复钻进或钻退，提高了瓦斯抽采的安全性、施工效率。

发明内容

为了实现钻孔、孔内割缝、封孔、水力压裂的单一设备施工和一体化施工，提高瓦斯抽采钻孔和煤层防尘的施工效率，保证瓦斯抽采安全，本发明提供了一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备及方法，具体技术方案如下。

一种深部低渗透高瓦斯煤层钻-割-封-压钻孔设备，包括水箱、高压水管、高压泵、溢流阀、钻头、钻杆、封孔胶囊和控制阀；具有钻孔控制系统、高压水动力系统、水压分级控制系统和压裂封堵控制系统；所述钻孔控制系统调整钻孔钻杆的钻进方向和钻杆供水水压，所述高压水动力系统提供压力在0-50MPa之间的高压水，所述水压分级控制系统调整钻进冲刷钻屑的水压小于5MPa，垂直于钻杆长度方向割缝用的水压为25-35MPa，封孔胶囊的封孔水压为35-40MPa，煤层水力压裂的卸压增透用水压为40-50MPa；所述压裂封堵控制系统对封孔和水力压裂施工进行控制。

优选的是，钻孔控制系统包括钻孔角度控制单元、钻进速度控制单元和钻孔角度修正控制单元，所述钻孔角度控制单元调整钻头钻杆的钻进方向，钻进速度控制单元调整钻机的转速和推进力，所述钻孔角度修正控制单元对钻孔的钻进方向进行实时修正。

还优选的是，钻头上设置有湿式钻杆出水口，沿钻杆的长度方向从钻头侧开始依次设置有割缝出水口、水力压裂出水口和封孔胶囊。

优选的是，高压水动力系统包括水箱、高压泵、溢流阀和高压水管，高压泵泵送来自水箱的水，高压泵通过高压水管输送高压水，高压水管的上游设置有溢流阀。