高瓦斯软弱煤层抽采系统及方法与流程

1.本发明属于煤层抽采技术领域，尤其涉及一种高瓦斯软弱煤层抽采系统及方法。


背景技术：

2.煤层瓦斯抽采是消除煤层突出危险性最直接最有效的手段，煤层钻孔抽采时，提高煤层瓦斯抽采率的措施主要有两种：一是增加抽采钻孔的数目，优化钻孔参数，二是采取辅助措施提高煤层的渗透率。但是因高瓦斯软弱煤层比较软弱且呈颗粒状，在载荷作用下具有蠕变流变的特点，这就造成了在瓦斯抽采时，在负压作用下极易出现塌孔、钻孔剥落、钻孔大变形等问题，引起抽采管路堵塞、抽采负压降低等事故，导致抽采效率降低。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种高瓦斯软弱煤层抽采系统及方法，旨在保证瓦斯抽采过程中抽采管路的畅通，提升抽采效率。
4.为此，本发明实施例一方面提供的高瓦斯软弱煤层抽采系统，包括：
5.瓦斯抽采管，尾端连接有抽采泵；
6.封孔器，设置于所述瓦斯抽采管上，用于将所述抽采钻孔的孔口封闭；
7.伸缩式网兜，套在所述瓦斯抽采管外，所述伸缩式网兜呈筒状；
8.滑套，滑动安装在所述瓦斯抽采管上；
9.支撑骨架，一端与所述滑套铰接，另一端与所述伸缩式网兜铰接；
10.线性驱动件，设置在所述瓦斯抽采管上，用于驱动所述滑套滑动；
11.弹性元件，设置在所述滑套与所述线性驱动件之间；
12.所述瓦斯抽采管连同所述伸缩式网兜插入煤层上的抽采钻孔中后，所述线性驱动件驱动所述滑套移动至撑开位置时，所述支撑骨架展开将所述伸缩式网兜撑开并与所述抽采钻孔的壁面抵接。
13.具体的，所述封孔器包括：
14.柔性注浆囊体，套在所述瓦斯抽采管上，且外壁上设有注浆孔；
15.注浆泵，通过注浆管与所述柔性注浆囊体的内腔连通；
16.所述注浆泵向所述柔性注浆囊体中注入密封浆液后，将迫使所述柔性注浆囊体膨胀以使其贴紧所述瓦斯抽采管和所述抽采钻孔。
17.具体的，所述封孔器还包括自动挤压模块，所述自动挤压模块设置在所述瓦斯抽采管上，用于迫使所述柔性注浆囊体膨胀；
18.所述自动挤压模块包括能够相互靠近或远离的两个挤压套；
19.其中，两个挤压套分别位于所述柔性注浆囊体的前侧和后侧，位于前侧的所述挤压套与所述瓦斯抽采管固定连接，位于后侧的所述挤压套与所述瓦斯抽采管螺纹连接。
20.具体的，所述柔性注浆囊体的内腔壁的两端设有挤压锥面，所述挤压套面向所述柔性注浆囊体的一端设有与对应的所述挤压锥面相配合的配合锥面。
21.具体的，所述支撑骨架沿所述滑套的轴向间隔设置多个，每个所述支撑骨架包括沿所述滑套的周向均匀布置的多根连杆，每根所述连杆的一端与所述滑套铰接，另一端朝前向外延伸与所述伸缩式网兜铰接。
22.具体的，所述弹性元件为套在所述瓦斯抽采管上的螺旋弹簧。
23.具体的，所述线性驱动件为套在所述瓦斯抽采管外，并与所述瓦斯抽采管螺纹连接的顶推螺母。
24.具体的，所述煤层上还设有增抽导向孔，所述抽采钻孔以所述增抽导向孔为中心均匀分布在所述增抽导向孔的四周，所述增抽导向孔内设有对所述增抽导向孔周围煤层施加动态扰动，以使其产生裂隙的加载机构，所述瓦斯抽采管的抽采范围与所述增抽导向孔的致裂范围部分重合。
25.具体的，所述加载机构包括液态co2相变器，所述液态co2相变器用于将液态co2气化成高压co2气体并通过泄能口向所述增抽导向孔的壁面定向排放。
26.具体的，所述泄能口在所述液态co2相变器上沿所述增抽导向孔的周向均匀布置多个，每个所述泄能口均对准一个所述抽采钻孔。
27.本发明实施例另一方面提供的高瓦斯软弱煤层抽采方法，使用上述高瓦斯软弱煤层抽采系统进行抽采，包括如下步骤：
28.步骤1、在煤层上钻取抽采钻孔；
29.步骤2、将瓦斯抽采管插入抽采钻孔内；
30.步骤3、线性驱动件驱动滑套向前移动，弹性元件压缩产生向前的推力，使得支撑骨架展开，将伸缩式网兜撑开并支撑抽采钻孔的壁面；
31.步骤4、利用封孔器将抽采钻孔的孔口封闭；
32.步骤5、启动抽采泵进行瓦斯抽采。
33.与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：瓦斯抽采管上设有支撑抽采钻孔的伸缩式网兜，以此确保抽采钻孔的畅通性，当抽采钻孔围岩应力较大时，伸缩式网兜在压力作用下可缩，使得抽采钻孔周边围岩松动，使得高应力释放，发挥“让压”作用，使得抽采钻孔周边围岩卸压，抽采钻孔周边围岩煤层颗粒变疏松，以此确保煤层抽采裂隙的畅通，保证瓦斯抽采率。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例提供的高瓦斯软弱煤层抽采系统布置示意图；
36.图2是本发明实施例提供的瓦斯抽采组件结构示意图；
37.图3是图1中a
‑
a方向剖视图；
38.图4是本发明实施例提供的加载机构结构示意图；
39.其中：1、瓦斯抽采管；2、封孔器；201、柔性注浆囊体；202、注浆管；203、注浆泵；204、注浆孔；205、挤压套；206、配合锥面；3、伸缩式网兜；4、滑套；5、支撑骨架；501、连杆；6、
线性驱动件；7、弹性元件；8、抽采泵；9、抽采钻孔；10、增抽导向孔；11、液态co2相变器；12、泄能口；13、加热元件。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.参见图1和图2，一种高瓦斯软弱煤层抽采系统，包括瓦斯抽采组件，该瓦斯抽采组件包括瓦斯抽采管1、封孔器2、伸缩式网兜3、滑套4、支撑骨架5、线性驱动件6和弹性元件7，瓦斯抽采管1的尾端连接有抽采泵8，封孔器2设置于瓦斯抽采管1上，用于将抽采钻孔9的孔口封闭，伸缩式网兜3呈圆筒状的套在瓦斯抽采管1外，伸缩式网兜3的孔径小于煤岩颗粒的粒径，滑套4滑动安装在瓦斯抽采管1上，支撑骨架5一端与滑套4铰接，另一端与伸缩式网兜3铰接，线性驱动件6设置在瓦斯抽采管1上，用于驱动滑套4在瓦斯抽采管1上滑动，弹性元件7设置在滑套4与线性驱动件6之间。
44.利用上述抽采系统对高瓦斯软弱煤层进行抽采的具体过程如下：
45.步骤1、在煤层上钻取抽采钻孔9；
46.步骤2、将瓦斯抽采管1连同伸缩式网兜3插入煤层上的抽采钻孔9中；
47.步骤3、利用线性驱动件6驱动滑套4向前移动，弹性元件7受压产生向前的推力，使得支撑骨架5展开，将伸缩式网兜3撑开，当支撑骨架5完全展开后(此时滑套4位于撑开位置)，伸缩式网兜3紧贴抽采钻孔9的壁面并给予一定的预紧力，对抽采钻孔9提供支撑；在这里，预紧力施加至极限时，网兜的大小充分考虑了颗粒间摩擦力影响范围，能够支撑抽采钻孔9内的煤岩颗粒，防止煤岩颗粒脱落；
48.步骤4、利用封孔器2将抽采钻孔9的孔口封闭；
49.步骤5、启动抽采泵8进行瓦斯抽采，当钻孔围岩应力较大时，伸缩式网兜3径向收缩，使得高应力释放，发挥“让压”作用，使得钻孔围岩卸压。
50.本实施例中，在瓦斯抽采管1上设有支撑抽采钻孔9的伸缩式网兜3，以此确保抽采钻孔9的畅通性，当抽采钻孔9围岩应力较大时，伸缩式网兜3在压力作用下可缩，使得抽采钻孔9周边围岩松动，使得高应力释放，发挥“让压”作用，使得抽采钻孔9周边围岩卸压，抽采钻孔9周边围岩煤层颗粒变疏松，以此确保煤层抽采裂隙的畅通，保证瓦斯抽采率。
51.参见图3，在一些实施例中，煤层上还可以设置增抽导向孔10，抽采钻孔9以增抽导向孔10为中心均匀分布在增抽导向孔10的四周，增抽导向孔10内设有对增抽导向孔周围煤层施加动态扰动，以使其产生裂隙的加载机构，瓦斯抽采管1的抽采范围与增抽导向孔10的致裂范围部分重合。这样的设计方式，可以利用加载机构对围岩施加动态扰动，由于围岩在动态扰动情况下，围岩会产生平行于动态加载方向的裂缝，增强周边围岩的定向毁伤，从而可以达到抽采钻孔9增抽的目的。至于抽采钻孔9的个数及尺寸，本领域技术人员可以根据具体煤层的渗透性而定，只需要保证相邻的两个抽采钻孔9的抽采范围部分重合即可。
52.参见图3和图4，具体的，加载机构包括液态co2相变器11，液态co2相变器11用于将液态co2气化成高压co2气体并通过泄能口12向增抽导向孔10的壁面定向排放，泄能口12在液态co2相变器11上沿增抽导向孔10的周向均匀布置多个，每个泄能口12均对准一个抽采钻孔9。
53.本实施例中，在进行抽采工作时，将液态co2相变器11安装在增抽导向孔10中，并将增抽导向孔10封堵，然后启动抽采泵8进行瓦斯抽采，至瓦斯抽采浓度较小时，启动液态co2相变器11，利用加热元件13对液态co2相变器11内的液态co2进行加热，液态co2受热气化成高压co2气体并从泄能口12喷出，对围岩产生相变爆破，以产生定向裂隙，以此扩大抽采钻孔9的抽采范围，实现抽采钻孔9的定向增抽。
54.参见图1和图2，在另一些实施例中，封孔器2包括柔性注浆囊体201、注浆管202和注浆泵203，注浆泵203通过注浆管202与柔性注浆囊体201的内腔连通，柔性注浆囊体201套在瓦斯抽采管1上，且外壁上设有注浆孔204，注浆泵203向柔性注浆囊体201中注入密封浆液后，将迫使柔性注浆囊体201膨胀以使其贴紧瓦斯抽采管1和抽采钻孔9。
55.本实施例中，通过注浆泵203向柔性注浆囊体201注入密封浆液，注浆过程中，密封浆液将充满柔性注浆囊体201并迫使柔性注浆囊体201膨胀，将抽采钻孔9与柔性注浆囊体201以及瓦斯抽采管1与柔性注浆囊体201之间的间隙密封，随着注浆的进行，密封浆液将通过注浆孔204进入封孔器2周边的围岩中，在对封孔器2周边围岩进行加固的同时，降低该区域围岩的透气性，随着注浆的进一步进行，密封浆液渗入围岩的阻力逐渐增大，柔性注浆囊体201进一步膨胀，将封孔器2周边围岩进行进一步压缩致密，从而进一步降低该区域围岩的透气性，可以进一步降低抽采力。
56.参见图1和图2，可以理解的是，封孔器2还包括自动挤压模块，自动挤压模块设置在瓦斯抽采管1上，用于迫使柔性注浆囊体201膨胀，自动挤压模块包括能够相互靠近或远离的两个挤压套205；其中，两个挤压套205分别位于柔性注浆囊体201的前侧和后侧，位于前侧的挤压套205与瓦斯抽采管1固定连接，位于后侧的挤压套205与瓦斯抽采管1螺纹连接。待注浆完毕后，密封浆液初凝时，关闭注浆阀门，通过旋拧后侧的挤压套205，使得后侧的挤压套205向柔性注浆囊体201方向推进，以进一步挤压柔性注浆囊体201两端，迫使浆液进行补缩并进一步挤压围岩，以此增加封孔器2的密封效果。
57.参见图2，在另一些实施例中，在柔性注浆囊体201的内腔壁的两端设有挤压锥面，挤压套205面向柔性注浆囊体201的一端设有与对应的挤压锥面相配合的配合锥面206，通过设置挤压锥面，不仅利于挤压套205插入柔性注浆囊体201中，对柔性注浆囊体201施加挤压力，而且这样的设计方式，挤压套205对柔性注浆囊体201的损伤也较小。
58.参见图2，需要解释说明的是，在具体应用中，支撑骨架5沿滑套4的轴向间隔设置
多个，每个支撑骨架5包括沿滑套4的周向均匀布置的多根连杆501，每根连杆501的一端与滑套4铰接，另一端朝前向外延伸与伸缩式网兜3铰接，这样的设计方式，可以有效保证伸缩式网兜3各部分能够均匀撑开并贴紧抽采钻孔9的壁面，使得即便在支撑骨架5收拢后，伸缩式网兜3依然可以贴紧抽采钻孔9的壁面，对抽采钻孔9提供支撑，保持抽采钻孔9的基本形态不发生变化。
59.在实际设计中，弹性元件7可以采用套在瓦斯抽采管1上的螺旋弹簧，当然弹性元件7也可以采用橡胶弹簧或其它类似的弹性元件7。其次，为防止滑套4从瓦斯抽采管1的前端滑出，在瓦斯抽采管1的前端设置挡环。另外，为提高抽采效率，不仅在瓦斯抽采管1的前端设有抽采口，而且在瓦斯抽采管1的管壁上还可以均匀增设抽采孔，对应的在滑套4上需要设有与瓦斯抽采孔对应的通孔。
60.在另一些实施例中，线性驱动件6为套在瓦斯抽采管1外的顶推螺母，在瓦斯抽采管1外设有与顶推螺母相配合的外螺纹，通过旋拧顶推螺母使得螺旋弹簧压缩产生向前的推力，进而使得支撑骨架5展开，撑起伸缩式网兜3，当当钻孔围岩应力较大时，支撑骨架5内收并进一步压缩螺旋弹簧，使得伸缩式网兜3径向收缩，达到“让压”目的，使钻孔围岩卸压。当然，线性驱动件6也可以采用油压缸或气压缸等其它类似的线性驱动件6。
61.参见图1
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图4，上述结构的高瓦斯软弱煤层抽采系统工作过程如下：
62.首先在诸如煤层的巷道壁面上钻取增抽导向孔10，接着以增抽导向孔10为中心钻取若干个分布在增抽导向孔10周围的抽采钻孔9；
63.接着将液态co2相变器11放入增抽导向孔10中并将孔口封闭，将瓦斯抽采管1连同伸缩式网兜3放入抽采钻孔9底部，旋转顶推螺母，使得恒阻力螺旋弹簧压缩产生向前的推力，进而使得支撑骨架5展开，撑起伸缩式网兜3，网兜紧贴钻孔壁面并给予一定的预紧力，在这里，预紧力施加至极限时，网兜的大小充分考虑了颗粒间摩擦力影响范围，能够支撑网兜内的煤岩颗粒，防止煤岩颗粒脱落；
64.然后利用注浆的方法向的柔性注浆囊体201注入密封浆液，使其通过囊袋上的注浆孔204渗入封孔器2周边的围岩中，在进行封孔器2周边围岩加固的同时，降低该区域围岩的透气性，并在柔性注浆囊体201膨胀压缩的作用下对封孔器2周边围岩进行进一步压缩致密，待注浆完毕后，关闭注浆阀门，旋转后侧的挤压套205，使得后侧的挤压套205向柔性注浆囊体201方向推进以进一步挤压柔性注浆囊体201两端，进一步增加密封器的密封效果；
65.启动抽采泵8进行瓦斯抽采，至瓦斯抽采浓度较小时，启动液态co2相变器11，利用加热元件13对液态co2相变器11内的液态co2进行加热，液态co2受热气化成高压co2气体并从泄能口12喷出，对围岩产生相变爆破，以产生定向裂隙，以此扩大抽采钻孔9的抽采范围，实现抽采钻孔9的定向增抽，伸缩式网兜3支撑抽采钻孔9的避免，以此确保抽采钻孔9的畅通性，当钻孔围岩应力较大时，网兜在压力作用下可缩，钻孔周边围岩松动，使得高应力释放，发挥“让压”作用，使得钻孔围岩卸压，围岩颗粒变得更加稀疏，以此确保煤层抽采裂隙的畅通，保证瓦斯抽采率。
66.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不
应构成对本发明创造保护范围的限制。
67.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
68.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
69.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。