[发明专利]煤矿井下超音速旋转气刀进行环形造穴增渗设备及方法

说明书

本发明涉及煤矿瓦斯强化抽采相关技术领域，尤其是涉及一种煤矿井下超音速旋转气刀进行环形造穴增渗设备及方法。通过本发明公开的超音速旋转气刀环形造穴增渗方法，利用中等压力(5‑20MPa)气体经拉瓦尔喷嘴加速后形成的多马赫数超音速气体，在钻头旋转退钻过程中形成环形气刀，按照不同的预定压力完成“退‑进‑退”的造穴增渗工艺，有效的排出造穴煤渣并完成造穴增渗，同时本发明还提供了预定压力的计算方法。本发明施工安全、操作简单，避免了水力造穴容易带来的堵孔和抑制瓦斯解吸问题，能够有效的对松软煤层进行造穴增渗和强化抽采。

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯强化抽采相关技术领域，主要适用于低渗碎软难抽煤层,尤其是涉及一种煤矿井下超音速旋转气刀进行环形造穴增渗设备及方法。

背景技术

瓦斯灾害是煤矿灾害类型中危害最大的一种，包括煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故曾对我国煤矿安全生产造成了严重威胁。瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯灾害的主要技术手段，受煤矿采掘部署与衔接的影响，尤其是对于低渗碎软难抽煤层来说，如何在有限时间内抽采出煤层中的瓦斯，是困扰煤矿瓦斯灾害治理工作的最大问题。水力造穴技术利用钻杆与钻头的连接通道，在钻机钻进或完钻后退钻过程中输送高压水(压力20-100MPa)，冲击钻孔周边煤体使钻孔孔径扩大，人工制造煤层内洞穴，从而增大抽采过程中瓦斯的有效流动面积，并在钻孔变形过程中释放煤层本身的应力和提升煤体渗透率。这种提升煤层瓦斯抽采效率的方法取得了一定的效果，并在很多矿区进行了应用。

然而，具有较强极性的水在煤表面的吸附势阱远大于瓦斯，极易在煤体微裂隙和大孔隙中形成水分子簇，堵塞气体运移尤其是解吸瓦斯向外扩散的运移通道，且下向钻孔或者成穴的下部孔洞也会存留大量的液态水，减小了钻孔有效抽采面积，难以被抽采系统的抽采负压抽出。因此水力造穴虽然在初期可以促使部分裂隙的发育与发展，从而一定程度上提高煤体的透气性系数，但从长远的角度看，其对于瓦斯分子的解吸具有抑制作用，并不利于快速降低煤层内吸附态的瓦斯含量，探寻新的无水造穴方法对于煤层增渗与强化抽采具有非常重要的意义。

现有技术中也有一些相关技术文献记载了造穴技术。例如：专利文献(ZL200910172558.7)提出了一种煤层气井的反循环空气动力造穴方法及设备，通过向煤层气井内注入高压空气/泡沫，其后让煤层气井进行放喷造穴。专利文献(ZL201510006074.0)提出了一种高压磨料气体射流破煤卸压增透的设备及方法，将高压空气与磨料进行混合后形成的高压磨料空气射流输送至钻头的喷嘴，对煤体进行冲蚀。专利文献(ZL201910796409.1)提出了一种利用气力耦合作用的煤层扩孔增透方法，先通过钻头Ⅰ完成第一段钻孔的钻进，再采用直径可扩张的钻头Ⅱ，通过高压气体和扩张钻头对煤体耦合冲击完成扩孔造穴过程。上述方法中均存在装备或工艺结构复杂的问题，现场施工可能存在一定困难。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

针对现有煤层造穴增渗强化抽采技术中存在的问题，本发明提出了一种在煤矿井下利用超音速气体旋转气刀进行环形造穴增渗的设备及方法。其装置简单，操作方便，且不会产生水锁堵孔现象，能够有效的对煤层进行扩孔增渗和强化抽采。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种煤矿井下超音速旋转气刀进行环形造穴增渗设备，其包括：钻机、导气导水双通路钻杆、超音速气体射流钻头、压风过滤装置、高压气体压缩机、高压储气罐和气体压力调节装置；

所述高压气体压缩机的入口与所述压风过滤装置相连；

所述高压气体压缩机与所述高压储气罐的入口相连；

所述高压储气罐的出口与所述气体压力调节装置的入口相连；

所述气体压力调节装置的出口与所述钻机上的导气导水双通路钻杆的入口相连；