CN108301807B - 用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置及施工方法，包括用于***煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的钻头，钻杆的中后部套设有封孔器，封孔器上连接有封孔器注浆管，钻杆的后端安装有与钻杆相通的高压旋转水尾，高压旋转水尾上连接有高压胶管，高压胶管内放置有加固液体，加固液体渗入煤层中小于0.1mm及更窄的裂隙中时即刻凝固，加固液体为灰和水按照1∶1的比例混合，其中灰的成分为水泥85～90％，铝基添加剂0.9～1.1％，钠水玻璃9～11％，解决了现有技术中松软煤层瓦斯抽采钻孔过程中塌孔严重的问题。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置及施工方法。
背景技术
我国95％以上高瓦斯和突出矿井属于低透气性煤层，煤质松软，瓦斯含量大。井下各类长距离水平钻孔抽采瓦斯在矿井灾害防治、瓦斯资源开发利用以及环境保护中发挥着重要作用，合理高效地抽采瓦斯能够极大地解决矿井安全生产问题，缓解能源供需紧张的局面。受钻孔稳定性差因素的影响，松软高瓦斯煤层瓦斯治理难度大，因此研究松软煤层钻孔失稳控制方法尤其重要，目前公开的方法有两类：钻井过程中的孔壁稳定技术和成孔后的孔壁稳定技术。成孔后的孔壁稳定技术，也可以兼顾钻井过程中的孔壁稳定。成孔后的孔壁稳定技术现阶段的发展状况及简要方案主要有如下几种：
向已经成孔的钻孔内***筛管护孔，国内试验较早的是沈阳煤业西马煤矿模仿医学领域心脏搭桥手术方法，即成孔后人工将筛管送入孔内，该方法在向孔内送管阶段就碰到较大问题，主要是孔壁多数情况不完整，容易卡管，一般送到20m就送不进去，效果不理想(徐庆武、王国君、董力等。瓦斯抽放钻孔护孔技术探讨。煤矿安全，2007(1)39-40)。该方法的缺点是向钻孔内送管过程中经常卡阻，最多送入20m，即便对管前端加导向轮最多也不过送入50m，而且施工较困难、成本较高，封孔后不能达到预期效果。
煤炭科学研究总院西安研究院研发了一种松软突出煤层中风压空气钻井工艺及配套装备。即当钻头从孔口钻到终孔后先不起钻，通过钻杆内孔送入护孔筛管，之后起钻。护孔筛管穿过内芯可打开的钻头而留在孔内。该技术在淮北、淮南等矿区进行了现场试验(殷新胜、凡东、姚克等。松软突出煤层中风压空气钻井工艺及配套装备。煤炭科学技术。2009(09)72-74)。该方法虽然能将筛管送入孔底，但由于是从钻杆内下管，管径较小筛孔数量有限，抽采效果不理想。
湖南省煤炭科学研究所研制了拖动式下套管方法和装置，即在严重喷孔区采用套管跟进成孔法。在钻孔施工到出现严重喷孔钻杆不能继续钻井后，退回钻杆，在孔口换装转至变径钻头及套管，人工直接向钻孔内同时送入钻杆和套管到孔底止。重新导入钻机，继续缓速均匀钻井，套管通过钻杆的管套上棘轮由钻头钻井向内拖动，将所下套管拖装在喷孔部位护孔。钻孔完成套管护孔后，操作钻杆后缩，棘轮复位，留下套管，理论上钻头可继续向深钻井。钻孔严重喷孔区段护壁工作完成后，特制的变径钻头缩小后穿过套管与钻杆退出钻孔，套管留存孔内继续护壁(周松元、赵军、刘学服等。严重喷孔松软煤层成孔工艺与装备研究。湖南科技大学学报(自然科学版)2011(04)11-16)。该方法现场工艺复杂，操作繁琐，不具备实用推广价值。
卢义玉等公开了一种煤矿井下瓦斯抽采孔清孔钻头、清孔装置及清孔方法。该方法针对塌孔段煤体采用水射流的方法使塌孔堆积煤体击碎成颗粒，然后用射流高压水流将颗粒带走，然后在塌孔段同步下入瓦斯抽采筛管(卢义玉、汤积仁、张欣玮等。一种煤矿井下瓦斯抽采孔清孔钻头、清孔装置及清孔方法，2014)。该方法是水力冲孔，容易造成大面积塌孔、堵孔等附加事故，不具备推广价值。
林柏泉、姚向荣、蒋承林和翟成等先后试验了向钻孔注浆加固孔壁的技术，将一定压力的浆液或者固化剂注入到钻孔中，利用其自身压力渗透到钻孔周围裂隙中，人为提高了钻孔围岩力学强度(姚向荣、石必明、王永保等。深部弱结构煤岩中瓦斯抽采钻孔注浆成孔技术，煤炭科学技术，2010(06)67-70)。该方法注浆压力较小，浆液渗入深度不够，不容易形成稳固的孔壁，而且需要成孔后一次性注浆成功，对于施钻过程的塌孔现象不能较好的控制。国外对松软高瓦斯煤层的研究较少，主要采取向钻孔内***筛管的方式控制塌孔。
本发明可以解决抽采钻孔成孔后的孔壁稳定的技术问题，如果钻井过程中塌孔严重，可以采取分段加固的措施，对于采取水力化增透措施抽采钻孔、瓦斯含量测定钻孔、瓦斯压力测定钻孔等难以成孔的情况可以有效的解决。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中松软煤层瓦斯抽采钻井过程中塌孔严重的问题，提供一种用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置及施工方法。
为达到上述目的，本发明提供一种用于煤矿井下松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，包括用于***煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的钻头，钻杆的中后部套设有封孔器，封孔器上连接有封孔器注浆管，钻杆的后端安装有与钻杆相通的高压旋转水尾，高压旋转水尾上连接有高压胶管，高压胶管内放置有加固液体，加固液体渗入煤层中小于0.1mm及更窄的裂隙中时即刻凝固，加固液体为灰和水按照1∶1的比例混合，其中灰的成分为水泥85～90％，铝基添加剂0.9～1.1％，钠水玻璃9～11％。
进一步，封孔器注浆管和高压旋转水尾上均安装有加压泵。
进一步，铝基添加剂起膨胀作用，为氧化钙、硫铝酸钙和氧化钙-硫铝酸钙三种物质中的任意一种。
进一步，钻头的前端均匀开设有若干喷液孔。
一种用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，包括如下步骤：
A、将需要开钻的煤层采用较大直径的钻头钻进煤层10m后退出该直径的钻头，更换成符合设计钻孔直径的钻头进行施钻，孔口这段10m的大直径钻孔段用于安装封孔器，待钻孔施工至设计深度时，在钻杆的中后部即刻安装封孔器；
B、开启封孔器注浆管上的加压泵，通过封孔器上连接的封孔器注浆管向封孔器内注入6～8MPa的水进行封孔；
C、待孔口全部封闭后，开启高压旋转水尾上的加压泵，通过钻杆尾端的高压旋转水尾和高压胶管向孔内注入加固液体，加固液体的注入压力为3～5MPa，在加固液体注入流量趋于零并稳定5～10min后，将封孔器泄压拆除；
D、封孔器拆除后即向孔内注入清水以冲洗钻杆内加固液体及钻孔内的加固液体；
E、钻孔加固结束，即可进行水力化增透措施或测压测含量等后续操作。
进一步，封孔器和钻杆为分体结构，封孔器不影响钻杆上钻头的施工。
进一步，封孔器中水加压和高压胶管中加固液体加压采用同一加压泵。
进一步，该施工方法适用于煤层瓦斯钻孔成孔过程中分段多次加固，即步骤D结束后为钻孔第一阶段的加固结束，钻孔第一阶段加固结束后，重复步骤A～步骤D直至钻孔施工至设计深度，即可进行水力化增透措施或测压测含量等后续操作。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，钻头与钻杆采取螺纹连接，孔口8～10m部分采用扩孔钻头进行扩孔，使封孔器能够进入，封孔器套在钻杆上；待钻孔施钻结束，将封孔器套在孔口部分的钻杆上，通过封孔器注浆管向封孔器中注入8MPa压力的水将钻孔的孔口密封，然后通过高压胶管和高压旋转水尾向孔内注入加固液体，加固液压力为5Mpa，通过加固液体将钻孔固定。其中加固液体是一种在钢铁或橡胶等非煤物质的容器中不发生凝固，但在煤层的0.1mm级或更小的裂隙中瞬时发生凝固的液体，该加固液体注入钻孔内能够将成孔后的孔壁稳定，防止钻孔后的塌孔现象发生，且加固液体的调配方法简单，适用性强，适于广泛推广。
2、本发明所公开的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，可以解决抽采钻孔成孔后孔壁稳定的技术问题，如果钻井过程中塌孔严重，可以采取分段加固的措施。使得水力化增透措施抽采钻孔、瓦斯含量测定钻孔、瓦斯压力测定钻孔等难以成孔的情况可以有效的解决。
3、本发明所公开的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，有效的解决了现有技术存在的施工困难、工艺复杂、达不到预期效果、造成附加事故、孔壁稳固效果差和不能分段随打随固等问题。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明用于煤矿井下松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
说明书附图中的附图标记包括：
煤层1、钻头2、钻杆3、封孔器4、封孔器注浆管5、高压旋转水尾6、高压胶管7。
如图1所示的用于煤矿井下松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，包括用于***煤层1的中空钻杆3和安装在钻杆3前端的钻头2，钻头2与钻杆3采取螺纹连接，孔口8～10m部分采用扩孔钻头2进行扩孔，使钻杆3中后部的封孔器4能够进入钻孔，5MPa的压力足以将钻头2孔内的残留加固液体压入煤体中。钻杆3的中后部套设有封孔器4，封孔器4和钻杆3为分体结构，封孔器4不影响钻杆3上钻头2的施工。封孔器4上连接有带加压泵的封孔器4注浆管，钻杆3的后端安装有与钻杆3相通的带加压泵的高压旋转水尾6，高压旋转水尾6上连接有高压胶管7，高压胶管7内放置有加固液体，加固液体是一种在钢铁或橡胶等非煤物质的容器中不发生凝固，但在煤层1的0.1mm级或更小的裂隙中瞬时发生凝固的液体，加固液体为灰和水按照1∶1的比例混合，其中灰的成分为水泥85～90％，铝基添加剂0.9～1.1％，钠水玻璃9～11％。
实施例1
成孔后一次性加固
一种用于松软煤层1瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，包括如下步骤：
A、将需要开钻的煤层1采用较大直径的钻头2钻进煤层10m后退出该直径的钻头2，更换成符合设计钻孔直径的钻头2进行施钻，孔口这段10m的大直径钻孔段用于安装封孔器4，待钻孔施工至设计深度时，在钻杆3的中后部即刻安装封孔器4；
B、开启封孔器4注浆管上的加压泵，通过封孔器4上连接的封孔器4注浆管向封孔器4内注入8MPa的水进行封孔；
C、待孔口全部封闭后，开启高压旋转水尾6上的加压泵，通过钻杆3尾端的高压旋转水尾6和高压胶管7向孔内注入加固液体，加固液体的注入压力为5MPa，在加固液体注入流量趋于零并稳定5～10min后，将封孔器4泄压拆除；
D、封孔器4拆除后即向孔内注入清水以冲洗钻杆3内加固液体及钻孔内的加固液体；
E、钻孔加固结束，即可进行水力化增透措施或测压测含量等后续操作。
实施例2
成孔过程中分段多次加固
一种用于松软煤层1瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，包括如下步骤：
A、将需要开钻的煤层1采用较大直径的钻头2钻进煤层10m后退出该直径的钻头2，更换成符合设计钻孔直径的钻头2进行施钻，孔口这段10m的大直径钻孔段用于安装封孔器4，待钻孔施工至设计深度时，在钻杆3的中后部即刻安装封孔器4；
B、开启封孔器4注浆管上的加压泵，通过封孔器4上连接的封孔器4注浆管向封孔器4内注入8MPa的水进行封孔；
C、待孔口全部封闭后，开启高压旋转水尾6上的加压泵，通过钻杆3尾端的高压旋转水尾6和高压胶管7向孔内注入加固液体，加固液体的注入压力为5MPa，在加固液体注入流量趋于零并稳定5～10min后，将封孔器4泄压拆除；
D、封孔器4拆除后即向孔内注入清水以冲洗钻杆3内加固液体及钻孔内的加固液体；
E、钻孔第一阶段加固结束后，重复步骤A～步骤D直至钻孔施工至设计深度，即可进行水力化增透措施或测压测含量等后续操作。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，其特征在于，包括用于***煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的钻头，钻杆的中后部套设有封孔器，封孔器上连接有封孔器注浆管，钻杆的后端安装有与钻杆相通的高压旋转水尾，所述高压旋转水尾上连接有高压胶管，所述高压胶管内放置有加固液体，所述加固液体渗入煤层中小于0.1mm及更窄的裂隙中时即刻凝固，所述加固液体为灰和水按照1：1的比例混合，其中灰的成分为水泥85～90％，铝基添加剂0.9～1.1％，钠水玻璃9～11％，水泥、铝基添加剂和钠水玻璃三者的百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，其特征在于，所述封孔器注浆管和高压旋转水尾上均安装有加压泵。
3.如权利要求2所述的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，其特征在于，所述铝基添加剂起膨胀作用，为硫铝酸钙和氧化钙-硫铝酸钙两种物质中的任意一种。
4.如权利要求3所述的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置，其特征在于，所述钻头的前端均匀开设有若干喷液孔。
5.基于权利要求1～4任一所述用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将需要开钻的煤层采用较大直径的钻头钻进煤层10m后退出该直径的钻头，更换成符合设计钻孔直径的钻头进行施钻，孔口这段10m的大直径钻孔段用于安装封孔器，待钻孔施工至设计深度时，在钻杆的中后部即刻安装封孔器；
B、开启封孔器注浆管上的加压泵，通过封孔器上连接的封孔器注浆管向封孔器内注入6～8MPa的水进行封孔；
C、待孔口全部封闭后，开启高压旋转水尾上的加压泵，通过钻杆尾端的高压旋转水尾和高压胶管向孔内注入加固液体，加固液体的注入压力为3～5MPa，在加固液体注入流量趋于零并稳定5～10min后，将封孔器泄压拆除；
D、封孔器拆除后即向孔内注入清水以冲洗钻杆内加固液体及钻孔内的加固液体；
E、钻孔加固结束，即可进行水力化增透措施或测压测含量的后续操作。
6.如权利要求5所述的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，其特征在于，所述封孔器和钻杆为分体结构，封孔器不影响钻杆上钻头的施工。
7.如权利要求6所述的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，其特征在于，所述封孔器中水加压和高压胶管中加固液体加压采用同一加压泵。
8.如权利要求7所述的用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的孔壁固定装置的施工方法，其特征在于，该施工方法适用于煤层瓦斯抽采钻孔成孔过程中分段多次加固，即步骤D结束后为钻孔第一阶段的加固结束，钻孔第一阶段加固结束后，重复步骤A～步骤D直至钻孔施工至设计深度，即可进行水力化增透措施或测压测含量的后续操作。
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