CN112228028A - 一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置及施工方法，涉及采矿和岩石的钻进技术领域，实现了对钻头运动轨迹的控制以及煤层切割的远程控制。该煤层增透装置包括复合钻头、探测管、钻杆机构、激流外管、钻机、转换接头和高压供水管路，探测管监测钻头的动态，并将监测信息传输至远程操控***，复合钻头通过马达、转子和定子调整钻头的移动轨迹；激流外管呈环形设置在钻杆机构内，高压供水管路通过转换接头向激流外管供水，钻机控制钻杆机构和复合钻头转动。以及利用该装置切割煤层增透的施工方法，通过远程操控调整钻头运动轨迹，退钻过程中实现对煤体的全方位均匀切割，完成切割后安装瓦斯抽采管网，从而提高割缝效率，保证施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及采矿和岩石的钻进技术领域，尤其是一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置及施工方法。
背景技术
煤炭作为主要能源，其产量与消费量在很长一段时间内占据主导地位，随着煤炭资源的开采，地质条件越来越复杂，煤炭开采深度逐年增加，导致矿井灾害频发，其中瓦斯与火灾造成的损失尤为严重，严重威胁了井下工作人员的生命安全。水力切割技术是一种新兴的切割技术，它把水经过高压泵加压然后再通过极细的喷嘴喷出，形成高压射流，以完成清洗、切割、破碎等作业。水力切割作为一种冷切割技术，具有无粉尘、无火花、无热效应等优点，不仅作业安全，切割效率还高，因此适合在煤矿这种封闭易爆的环境中使用。将水力切割技术应用于煤层增透中既能增加煤层通透性，降低瓦斯含量，又能润湿煤层，降低矿井粉尘浓度、减小火灾发生的概率。
现阶段在煤矿采用的水力钻孔割缝施工过程中，主要由井下人员现场操作完成，施工过程中钻头的轨迹和切割方向无法控制；尤其是多个钻孔同时施工时，如果不能保证钻孔之间的平行关系，则不能保证钻孔之间很好的连通，使得瓦斯分布不均，留下事故隐患，增加施工风险。因此需要通过远程操控钻头来调整钻进方向，从而保证确定轨迹钻孔水力割缝的施工效果。
发明内容
为了实现对钻头运动轨迹的控制以及煤层切割的远程控制，提高割缝效率，保证施工安全，本发明提供了一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置及施工方法，具体的技术方案如下。
一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，包括复合钻头、探测管、钻杆机构、激流外管、钻机、转换接头、远程操控***和高压供水管路；所述复合钻头包括钻头马达、定子、转子和钻头，钻头马达和定子相连，定子和转子连接，钻头固定在转子的端部；所述复合钻头与探测管固定连接，探测管固定在钻杆机构的端部，钻机控制钻杆机构转动，激流外管配置在钻杆机构内；所述高压供水管路和转换接头相连，转换接头向激流外管供水；所述远程操控***分别与探测管和复合钻头传输无线信号。
优选的是，高压供水管路包括水站、压力泵和高压水管，压力泵和水站相连，高压水管和压力泵的出水口相连。
优选的是，远程操控***向钻头马达发送无线控制信号，探测管将监测的钻头位置信息传输至远程操控***。
优选的是，钻杆机构包括多个钻杆，钻杆中心设置有内管，钻杆外壁和内管之间的环形空间设置有激流外管。
还优选的是，高效水力切割煤层增透装置用于多个钻孔的施工，多个钻孔协同施工由1个远程操控***控制多个探测管和复合钻头工作。
一种远程操控的高效水力切割煤层增透施工方法，利用上述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，步骤包括：
A.连接探测管、钻杆机构和复合钻头，启动钻机，探测管实时监测钻头的运动轨迹，远程操控***控制钻头马达调整钻头运动轨迹；
B.钻头继续钻进至预定的深度后停止钻进，开启压力泵向激流外管泵送高压水；
C.高压水经过激流外管送至钻头上的割缝口，高压水喷射形成高压激流，切割煤体；
D.继续泵送高压水，并开启钻机退钻，探测管实时监测钻头的运动轨迹，远程操控***控制钻头马达调整钻头运动轨迹；
E.退出一根钻杆的长度后关闭钻机和压力泵，卸下钻杆；
F.重复步骤D-E，直至全部钻杆退出钻孔；
G.向钻孔内安装抽采管，并密封钻孔，封堵完成后连接抽采管和井下抽采管网。
进一步优选的是，多个钻孔同时施工，远程操控***控制多个钻孔内钻头的运动轨迹。
本发明提供的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置及施工方法有益效果包括：
(1)该煤层增透装置复合钻头和探测管相互配合，从而可以实时判断并调整钻头的运动轨迹，复合钻头调整钻进方向的偏离，从而保证多个钻孔之间的协调性，钻孔之间保持平行布置，从而可以使钻孔之间的煤层裂隙实现更好的贯通，并且保证瓦斯的均匀分布。
(2)高压供水管路通过转换接头向激流外管供水，远程操控***可以同时实现对多个钻孔内钻头的控制，从而保证多个钻孔同时施工的协调性。
(3)水力切割煤层增透施工的方法，利用了煤层增透装置的结构特征，另外还通过实时调整钻头运动轨迹，控制钻孔轴向的位置；激流外管配合钻头位置在退出钻杆的过程中完成水力切割，由于各个钻孔协同布置，以及远程操控***通过“集中控制，单独工作”的方式进行控制，提高了钻孔及水力割缝的效率，远程操控还能提升安全性能。
附图说明
图1是远程操控的高效水力切割煤层增透装置结构示意图；
图2是复合钻头的安装结构示意图；
图3是多钻孔协同布置示意图；
图中：1-复合钻头，2-探测管，3-钻杆机构，4-激流外管，5-钻机，6-转换接头，7-远程操控***，8-水站，9-压力泵，10-高压水管，11-钻头马达，12-定子，13-转子，14-钻头，15-内管。
具体实施方式
结合图1至图3所示，对本发明提供的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置及施工方法具体实施方式进行说明。
一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置其结构包括复合钻头1、探测管2、钻杆机构3、激流外管4、钻机5、转换接头6、远程操控***7和高压供水管路，钻机5和复合钻头1之间可以设置多个钻杆机构，钻杆机构和复合钻头之间设置探测管，高压供水管路通过转换接头和钻机相连。其中复合钻头1包括钻头马达11、定子12、转子13和钻头14，钻头马达11和定子12相连，定子12和转子13连接，钻头14固定在转子的端部。钻头14马达可以选用液动孔底马达或螺杆马达，螺杆马达是正排量容积式液压马达，是“莫诺泵”即单螺杆泵原理的逆应用。其中定子和转子带有螺旋齿和槽，定子内表面是一层有螺旋齿和槽腔的橡胶，处于定子包容之中的钢制转子表面也有螺旋齿和槽腔，通常与定子之间处于静配合状态，并形成由若干连续密封线划分成的若干个封闭腔；当有一定压力的液体输入到达定子、转子时，一部分密封腔中充满高压液体，而且它们周期性地与高压室或低压室相通，这样在工作液体压力作用下，每个工作空腔横断面上产生不平衡液压力，因此沿着转子螺距长度上，就造成一个总的旋转力矩M，控制钻头实现偏移，其偏移角度一般为5-10°，通过偏移修正长距离钻孔中钻头移动轨迹的偏移。
复合钻头1与探测管2固定连接，通过探测管2可以确定复合钻头中钻头的移动轨迹，探测管2固定在钻杆机构的端部，钻机5控制钻杆机构转动，接多个钻杆机构3可以实现长距离的钻孔，激流外管4配置在钻杆机构内，通过激流外管4向钻孔内供高压水。高压供水管路和转换接头6相连，转换接头6将来自高压供水管路的高压水输入钻杆机构的激流外管内，转换接头6向激流外管供水，激流外管4和钻杆机构3可以一体化设置，从而保证高压水供给的稳定性。远程操控***7分别与探测管2和复合钻头1传输无线信号，通过远程操控***可以实现多个钻孔内设备的“集中控制，单独工作”，从而协同各个钻孔的施工，保证多个钻孔之间的协调性，钻孔之间保持平行布置，从而可以使钻孔之间的煤层裂隙实现更好的贯通，并且保证瓦斯的均匀分布。
高压供水管路包括水站8、压力泵8和高压水管10，压力泵8和水站8相连，水站储存大量的清水供压力泵抽取，高压水管10和压力泵8的出水口相连，压力泵8通过高压水管向钻机输水。远程操控***7向钻头马达发送无线控制信号，从而控制钻头沿既定的方向和预定的轨迹移动，避免长钻孔中钻头位置偏移导致的相邻钻孔轴线，探测管2将监测的钻头位置信息传输至远程操控***，远程控制***7计算确定钻头的移动轨迹，并与其他钻孔内钻头的移动轨迹进行对比，实现对多个钻孔内钻头的实时控制。钻杆机构3包括多个钻杆，每个钻杆的中心设置有内管15，钻杆外壁和内管15之间的环形空间设置有激流外管；每个钻杆都为双层结构，激流外管4呈环形从而保证了高压密封。
高效水力切割煤层增透装置用于多个钻孔的同时施工，其中多个钻孔协同施工由1个远程操控***控制多个探测管和复合钻头工作，远程操控***根据各个钻头的移动轨迹实时整体调节全部钻头的移动。
一种远程操控的高效水力切割煤层增透施工方法，利用上述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，步骤包括：
A.连接探测管、钻杆机构和复合钻头等各个部件，启动钻机，探测管实时监测钻头的运动轨迹，远程操控***控制钻头马达调整钻头运动轨迹；使钻头按照预定的设计钻孔轨迹进行钻进。在多个钻孔同时施工时，需要保持各个钻孔中钻头的钻进进度基本一致，各个钻头分别沿各自的移动轨迹钻进，从而实现对协同钻孔，保证各个钻孔之间呈平行的结构，远程操控***实现对多个钻孔内钻头移动轨迹的统一控制。
B.钻头继续钻进至预定的深度后停止钻进，开启压力泵向激流外管泵送高压水。通常钻孔的深度为90-100m左右，并且同时布置多个钻孔，多个钻孔同时钻进；当多个钻孔的间距较小时，可以使用同一高压供水管路对各个钻孔供水，也可以根据需要分别设置高压供水管路进行供水。
C.高压水经过激流外管送至钻头上的割缝口，高压水喷射形成高压激流，切割煤体。高压水经过钻头上的割缝口喷射，形成高压激流，从而对煤层进行切割增透。由于高压水的压力一定，各个钻孔的切割缝长度一般相差不大，所以保持钻孔平行可以使切割缝尽量连通，沟通各个钻孔，使瓦斯的均匀分布
D.继续泵送高压水，并开启钻机退钻，探测管实时监测钻头的运动轨迹，远程操控***控制钻头马达调整钻头运动轨迹。退钻过程中高压水对钻孔及进行均匀的切割，多个钻孔之间相互连通，从而提高了钻孔及水力割缝的效率。
E.退出一根钻杆的长度后关闭钻机和压力泵，卸下钻杆。
F.重复步骤D-E，直至全部钻杆退出钻孔。
G.向钻孔内安装抽采管，并密封钻孔，封堵完成后连接抽采管和井下抽采管网。
在本方法中如果是多个钻孔同时施工，远程操控***控制多个钻孔内钻头的运动轨迹。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，其特征在于，包括复合钻头、探测管、钻杆机构、激流外管、钻机、转换接头、远程操控***和高压供水管路；所述复合钻头包括钻头马达、定子、转子和钻头，钻头马达和定子相连，定子和转子连接，钻头固定在转子的端部；所述复合钻头与探测管固定连接，探测管固定在钻杆机构的端部，钻机控制钻杆机构转动，激流外管配置在钻杆机构内；所述高压供水管路和转换接头相连，转换接头向激流外管供水；所述远程操控***分别与探测管和复合钻头传输无线信号。
2.根据权利要求1所述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，其特征在于，所述高压供水管路包括水站、压力泵和高压水管，压力泵和水站相连，高压水管和压力泵的出水口相连。
3.根据权利要求1所述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，其特征在于，所述远程操控***向钻头马达发送无线控制信号，探测管将监测的钻头位置信息传输至远程操控***。
4.根据权利要求1所述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，其特征在于，所述钻杆机构包括多个钻杆，钻杆中心设置有内管，钻杆外壁和内管之间的环形空间设置有激流外管。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，其特征在于，所述高效水力切割煤层增透装置用于多个钻孔的施工，多个钻孔协同施工并由1个远程操控***控制多个探测管和复合钻头工作。
6.一种远程操控的高效水力切割煤层增透施工方法，利用权利要求1至4任一项所述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透装置，其特征在在于，步骤包括：
A.连接探测管、钻杆机构和复合钻头，启动钻机，探测管实时监测钻头的运动轨迹，远程操控***控制钻头马达调整钻头运动轨迹；
B.钻头继续钻进至预定的深度后停止钻进，开启压力泵向激流外管泵送高压水；
C.高压水经过激流外管送至钻头上的割缝口，高压水喷射形成高压激流，切割煤体；
D.继续泵送高压水，并开启钻机退钻，探测管实时监测钻头的运动轨迹，远程操控***控制钻头马达调整钻头运动轨迹；
E.退出一根钻杆的长度后关闭钻机和压力泵，卸下钻杆；
F.重复步骤D-E，直至全部钻杆退出钻孔；
G.向钻孔内安装抽采管，并密封钻孔，封堵完成后连接抽采管和井下抽采管网。
7.根据权利要求6所述的一种远程操控的高效水力切割煤层增透施工方法，其特征在于，多个钻孔同时施工，所述远程操控***同时控制多个钻孔内钻头的运动轨迹。
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