松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺制造技术

本发明专利技术提出的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺，主要用于对松软突出煤层进行钻孔，装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元。钻孔施工工艺是采用可变径钻头对松软突出煤层进行冲击钻进，以不排渣钻进方式回避排渣问题，极大地减少了粉尘排放，改善了工作环境；设置有仿生结构的透气筛管由可变径钻头牵引并随钻护壁，大大减小了筛管与孔壁煤体之间的摩擦力，解决了筛管下放困难的问题，避免了孔壁坍塌，且能保证筛管具有优良的透气性能。所述的成孔装备及工艺的实施可有效防止钻孔坍塌，增加松软煤层钻进成孔率，减少钻孔的工作量，降低瓦斯灾害事故发生的概率和威胁，最终实现煤矿安全和煤层气高效开采。

Drilling equipment and technology for preventing collapse and continuous drilling in soft and protruding coal seam

The invention provides a soft coal seam collapse prevention continuous drilling equipment and technology, mainly used for drilling in soft and outburst seam equipment including: adjustable drill, sieve tube, propulsion unit and a driving unit. Drilling technology is the use of adjustable drill to impact loose outburst coal seam drilling, to avoid slag slag drilling problems, greatly reducing dust emissions, improve the working environment; equipped with bionic structure by reducing air screen traction and drill drilling wall, greatly reduces the friction between the screen and the holes Bimei body the screen solves the decentralization of difficult problems, to avoid the collapse of hole wall, and can ensure the screen with excellent air permeability. The implementation of the drilling equipment and technology can effectively prevent borehole collapse, increase the soft coal seam drilling rate, reduce drilling workload, reduce the probability of gas disaster and accident threat, finally realize the coal mine safety and high efficient mining of coalbed gas.

【技术实现步骤摘要】
松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺
本专利技术涉及煤矿开采工程中瓦斯抽采和煤层气开发领域，尤其涉及一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及实现工艺。
技术介绍
煤及煤层气是中国重要的化石能源矿产，而具有高瓦斯或煤与瓦斯突出倾向的煤层极易在施工作业时发生煤矿瓦斯灾害，特别是松软突出煤层的安全生产面临巨大挑战。如表1所示，针对坚固性系数f<0.8的松软煤层，渗透性和强度均较低，煤体稳定性差，瓦斯含量和瓦斯压力高。除了巷道极易发生顶板冒落和底膨破坏，给支护造成极大的困难，煤与瓦斯突出灾害事故防治也是困扰产业界的一大难题。因此，煤层气或瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的重要安全技术措施，一般采用大量钻孔作业以便进行人工增渗施工，降低煤矿瓦斯灾害发生的概率。表1按坚固性系数划分的煤层分类松软突出煤层广泛分布于贵州、云南、重庆、湖南、安徽、河南等矿区，据不完全统计，重点矿区含松软突出煤层的煤矿数量占总矿井数量的53.3％。但松软突出煤层具有渗透性低、瓦斯压力和瓦斯含量高、强度低的特点，因此松软煤层钻孔过程中往往发生卡钻、移出钻头后孔壁往往严重变形缩颈甚至坍塌等钻孔失效问题，很难保证钻孔成功率，从而严重制约了松软突出煤层的开发。目前，一般采用将护孔筛管送入钻孔的方式保护钻孔，以减少钻孔变形缩颈或坍塌的可能性，然而钻孔中残留的煤屑容易导致护孔筛管难以下放。例如，公开号为CN102587961A的专利介绍了一种松软煤层瓦斯抽采孔的护孔管的送入工艺，解决了松软煤层瓦斯抽采孔送入护孔管时遇到钻孔残留煤屑和局部塌孔难以下放的问题，但是该工艺是在成孔退钻后实施，增加了工程量，耗时耗力；公开号为CN103114810A的专利介绍了一种煤层钻孔防塌孔随钻钻进下套筒装备及钻孔工艺，该工艺起到了防止钻孔塌孔且避免钻孔报废的作用，但是筒式钻头无法退出，在钻孔结束后留在孔内，造成浪费，甚至有可能在采煤机回采切割煤体时相互摩擦而产生火花，存在极大的安全隐患。为解决上述问题，本专利技术提出了一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺，能够避免卡钻、移出钻头后孔壁严重变形缩颈甚至坍塌等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺，能够避免卡钻、移出钻头后孔壁严重变形缩颈甚至坍塌等问题，以实现煤层气、瓦斯高效抽采，降低煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故发生的概率和威胁，最终实现煤矿安全和煤层气高效开采。为了达到上述目的，本专利技术一方面提供了一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，用于对松软突出煤层进行钻孔，其特征在于，所述装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元；其中，所述可变径钻头通过所述推进单元与所述驱动单元连接，所述筛管包裹于所述推进单元的外表面，用于防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，所述驱动单元驱动所述推进单元作用于所述可变径钻头，使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至其进入所述松软突出煤层，并对所述松软突出煤层进行冲击钻进直至一预定深度后再对所述可变径钻头变径，使其能够缩回所述筛管内。优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述筛管的构成材料包括抗静电阻燃的PVC、PC、PE等新型高分子材料、轻金属及其合金；所述筛管的外表面均匀设有多个凸起的波粒，用于减少所述筛管与孔壁煤体之间的摩擦力；每个波粒上均设有至少一个通孔，用于流通所述筛管内外的气体。优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述推进单元包括：推进杆以及液压管线，所述液压管线布置于所述推进杆上的管线卡槽内；所述驱动单元通过所述液压管线分别与所述可变径钻头以及推进杆连接。优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述推进杆还包括：凸起机构、第一弹簧、第一活塞、第二弹簧、第二活塞以及至少一个卡头，所述凸起机构用于使所述可变径钻头变径；所述至少一个卡头用于固定并拖动所述筛管进入松软突出煤层的钻孔，并在钻孔结束后脱离所述筛管并从中退出；所述液压管线包括第一液压管线及第二液压管线，所述驱动单元通过所述第二液压管线与所述第一活塞连接，所述驱动单元通过所述第一液压管线与所述第二活塞连接，所述第一弹簧用于牵引所述凸起机构，所述第二弹簧用于牵引所述第二活塞，并在冲进钻进时传递所述第二活塞产生的作用力至所述可变径钻头。优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述驱动单元包括：动力机构、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述第一阀门及第二阀门用于控制所述第二活塞中的液压，所述第三阀门用于控制所述第一活塞中的液压，所述动力机构通过所述液压管线与所述可变径钻头、第一活塞以及第二活塞连接。优选地，在上述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备中，所述松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备还包括一降温单元，用于对所述可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元进行降温、润滑。为达到上述目的，本专利技术的另一方面提出了一种使用上述任一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备对松软突出煤层进行钻进成孔的工艺，包括：获取所需钻进的煤层的基本物理力学参数，根据煤体地质强度指标GSI统计和Hoek-Brown准则等理论计算，设计和优化筛管的尺寸参数及构成材料，设计钻进方案和施工参数，并进行装备的安装及调试；驱动单元驱动推进单元工作，所述推进单元作用于可变径钻头，使其携带筛管进行冲击钻进；以及当钻进至预定深度时，所述可变径钻头脱离所述筛管并从中退出，所述筛管留于钻孔内，防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，完成钻孔。优选地，在上述松软突出煤层进行钻进成孔的工艺中，所述驱动单元驱动推进单元工作，所述推进单元作用于可变径钻头，使其携带筛管进行冲击钻进的步骤还包括：所述可变径钻头变径使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至所述可变钻头进入所述松软突出煤层；以及对钻孔的钻进质量进行检测，若钻进质量未达到要求，则调整所述钻孔装备的施工参数，包括所述可变径钻头的冲击频率，直到钻进质量达到要求。优选地，在上述松软突出煤层进行钻进成孔的工艺中，所述当钻进至要求孔深所述预定深度时，所述可变径钻头脱离所述筛管并从中退出，所述筛管留于钻孔内，防止所述钻孔产生严重变形或坍塌，完成钻孔的步骤还包括：所述推进单元作用于所述可变径钻头变径，使其外径小于所述筛管的内径缩回所述筛管内并从所述筛管中退出。优选地，在上述松软突出煤层进行钻进成孔的工艺中，所述工艺还包括；降温单元对所述可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元进行降温、润滑。综上所述，在本专利技术提出的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备及工艺中，采用可变径钻头对松软突出煤层进行冲击钻进，以不排渣钻进方式回避排渣问题，极大地减少了粉尘排放，改善了工作环境；设置一定结构的筛管，减小了筛管与孔壁煤体之间的摩擦力，由可变径钻头及推动单元对其进行牵引，解决了筛管下放困难的问题；钻孔结束后，可变径钻头从筛管中退出，留下筛管对钻孔进行保护，有效防止孔壁坍塌。附图说明图1为本专利技术中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备结构示意图；图2为本专利技术中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备沿垂直于X方向的截面示意图；图3为本专利技术中一优选实施例中的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备的筛管波粒示意图；图4为本专利技术中一优选实施例中的松软本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，用于对松软突出煤层进行钻孔，其特征在于，所述装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元；其中，所述可变径钻头通过所述推进单元与所述驱动单元连接，所述筛管包裹于所述推进单元的外表面，用于防止所述钻孔产生严重变形或坍塌；所述驱动单元驱动所述推进单元作用于所述可变径钻头，使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至其进入所述松软突出煤层，并对所述松软突出煤层进行冲击钻进直至一预定深度后再对所述可变径钻头变径，使其能够缩回所述筛管内。

【技术特征摘要】
1.一种松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，用于对松软突出煤层进行钻孔，其特征在于，所述装备包括：可变径钻头、筛管、推进单元以及驱动单元；其中，所述可变径钻头通过所述推进单元与所述驱动单元连接，所述筛管包裹于所述推进单元的外表面，用于防止所述钻孔产生严重变形或坍塌；所述驱动单元驱动所述推进单元作用于所述可变径钻头，使其外径大于所述筛管的外径并牵引所述筛管直至其进入所述松软突出煤层，并对所述松软突出煤层进行冲击钻进直至一预定深度后再对所述可变径钻头变径，使其能够缩回所述筛管内。2.如权利要求1所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述筛管的构成材料包括抗静电阻燃的PVC、PC、PE等新型高分子材料、轻金属及其合金；所述筛管的外表面均匀设有多个凸起的波粒，用于减少所述筛管与孔壁煤体之间的摩擦力；每个波粒上均设有至少一个通孔，用于流通所述筛管内外的流体。3.如权利要求1所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述推进单元包括：推进杆以及液压管线，所述液压管线布置于所述推进杆上的管线卡槽内；所述驱动单元通过所述液压管线分别与所述可变径钻头以及推进杆连接。4.如权利要求3所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述推进杆还包括：凸起机构、第一弹簧、第一活塞、第二弹簧、第二活塞以及至少一个卡头，所述凸起机构用于使所述可变径钻头变径；所述至少一个卡头用于固定并拖动所述筛管进入松软突出煤层的钻孔，并在钻孔结束后脱离所述筛管并从中退出；所述液压管线包括第一液压管线及第二液压管线，所述驱动单元通过所述第二液压管线与所述第一活塞连接，所述驱动单元通过所述第一液压管线与所述第二活塞连接，所述第一弹簧用于牵引所述凸起机构，所述第二弹簧用于牵引所述第二活塞，并在冲进钻进时，传递所述第二活塞产生的作用力至所述可变径钻头。5.如权利要求4所述的松软突出煤层防坍塌连续钻进成孔装备，其特征在于，所述驱动单元包括：动力机构、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述第一阀门及第二阀门...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹光志，尚德磊，石发瑞，陈嘉祺，马波，宋真龙，刘超，曹冠森，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50