一种碎软煤层抽采钻孔柔性护孔装置及方法

1.本发明涉及煤矿瓦斯防治领域，特别涉及一种碎软煤层抽采钻孔柔性护孔装置及方法。


背景技术：

2.突出碎软煤层在我国广泛分布，随着我国煤层开采向深部推进，高地应力、高瓦斯压力的特性愈发显著，煤层条件的复杂多变给煤层钻孔成孔及护孔带来了很大的困难，钻孔在地应力、瓦斯压力、构造应力等多因素作用下周围孔壁易失稳，从而出现钻孔坍塌、钻孔变形等一系列破坏形式，严重阻碍并影响了井下钻孔施工进程及瓦斯抽采效率，目前国内相应成套护孔设备较为匮乏，同时针对复杂地质条件下的护孔技术尚未成熟，传统护孔方法采用刚性管道，被动护孔，管道直径有限，筛孔易堵塞，护孔范围小，护孔效果有限，难以形成有效的瓦斯运移通道，以致煤层瓦斯抽采面临一系列技术瓶颈。
3.因此，亟需开发一种主动护孔的碎软煤层抽采钻孔柔性护孔装置及方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种碎软煤层抽采钻孔柔性护孔装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。
5.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种碎软煤层顺层抽采钻孔柔性护孔装置，包括钻具系统和柔性护孔系统。
6.所述钻具系统包括钻头和钻杆。所述钻头安装在钻杆的首端。所述钻头具有中心孔道。所述中心孔道与钻杆的内腔连通。
7.所述柔性护孔系统包括前端固定装置、注水支撑管和柔性护孔支架。
8.所述注水支撑管的管壁上设置有注水孔。所述注水支撑管的首端连接固定有前端固定装置，尾端与液压泵联通。所述前端固定装置具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述注水支撑管布置在钻杆的内腔中。所述前端固定装置布置在钻头的中心孔道中。所述前端固定装置的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。
9.所述柔性护孔支架为网套结构物。所述柔性护孔支架包括沿纵向依次排列的若干环状支撑管。每根环状支撑管包括若干单元波，单元波沿周向依次排列。相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布。相邻两根环状支撑管相对的两个波峰之间固定连接。相邻两根环状支撑管的内腔连通。若干环状支撑管的内腔构成管网结构。
10.在非工作状态下，呈紧缩状态的柔性护孔支架套设在注水支撑管的管身上。所述注水孔与柔性护孔支架的管网内腔连通。
11.工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动注水支撑管，前端固定装置从钻头的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。退出钻具系统。液压泵向注水支撑管内注入高压水。所述柔性护孔支架充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。抽采完成后，柔性护孔支架卸压收缩。
12.进一步，所述柔性护孔支架的网眼根据碎软煤层的破碎程度选择。
13.进一步，所述注水支撑管由若干段支撑管拼接制得。每段支撑管上对应设置有柔性护孔支架。
14.进一步，所述柔性护孔支架采用铜制成。
15.进一步，所述注水支撑管的注水孔与柔性护孔支架的管网内腔通过注水承压软管连通。
16.本发明还公开一种根据上述系统的碎软煤层抽采钻孔柔性护孔方法，包括以下步骤：
17.1)根据矿井瓦斯测定数据，在待施工区域施工考察孔。其中，考察孔的孔径与抽采钻孔保持一致。每施工1m，收集钻屑，统计粒径。
18.2)依据工作面防突设计，施工抽采钻孔。根据不同深度钻屑粒径分布，分段选择不同孔径柔性护孔支架。
19.3)钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位后。推动注水支撑管。前端固定装置从钻头的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。
20.4)退出钻具系统。液压泵向注水支撑管内注入高压水。所述柔性护孔支架充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。
21.5)清理抽采钻孔内的小粒径煤屑。
22.6)柔性支架末端连接封孔套管10，套管直径略大于收缩支架直径。支架展开后，在封孔套管内粘土进行短期封孔，套管外用混凝土进行永久封孔并连接瓦斯抽采管，进行瓦斯抽采。
23.7)抽采达标后，将柔性护孔系统回收。停止向柔性支架内注入高压水，支架卸压后回弹恢复收缩状态后，断开套管与瓦斯抽采管之间的连接，破除封孔套管内短期封孔，将柔性支架及注水支撑管从封孔套管中取出，实现柔性护孔系统回收，并对钻孔进行永久封孔。
24.进一步，步骤5)中，将喷水管伸入抽采钻孔内。喷水管向抽采钻孔内注水清理从网孔中落下的小粒径煤屑。
25.本发明的技术效果是毋庸置疑的：
26.a.柔性护孔支架可实现钻孔完孔后的快速护孔；柔性护孔支架的展开程度由支架弹性收缩力、注入水压以及外部护孔应力决定，三力达到平衡时支架动态平衡，此时柔性支架的展开程度随钻孔形状的改变而改变，自适应不同的钻孔环节，实时与孔壁贴合；
27.b.柔性护孔支架护孔范围更大，柔性护孔可实现在钻孔失稳初期变形量较小时的主动护孔，维持钻孔更为完成的环形结构，减少护孔所需的支撑力；
28.c.根据碎软煤层的破碎程度选择合适大小筛眼，允许小粒径煤屑通过同时维持由大粒径煤屑组成的框架结构的稳定，减少钻孔孔周的空间填充率，改善钻孔周围的渗透性。
29.d.柔性支架可实现对不同钻孔形状、大小的自适应，提升对不规则形状的钻孔的护孔效果；
30.e.抽采达标后，柔性支架可进行收缩，随注水支撑管一同回收并重复利用，避免污染煤层影响开采，并降低护孔成本。
附图说明
31.图1为柔性护孔系统工作示意图；
32.图2为柔性护孔支架完全展开示意图；
33.图3为封孔套管工作示意图。
34.图中：钻杆3、钻头4、前端固定装置5、注水支撑管6、柔性护孔支架9、封孔套管10。
具体实施方式
35.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
36.实施例1：
37.本实施例提供一种碎软煤层抽采钻孔柔性护孔装置，包括钻具系统和柔性护孔系统。
38.所述钻具系统包括钻头4和钻杆3。所述钻头4安装在钻杆3的首端。所述钻头4具有中心孔道。所述中心孔道与钻杆3的内腔连通。
39.所述柔性护孔系统包括前端固定装置5、注水支撑管6和柔性护孔支架9。
40.所述注水支撑管6的管壁上设置有注水孔。所述注水支撑管6的首端连接固定有前端固定装置5，尾端与液压泵联通。所述前端固定装置5具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述注水支撑管6布置在钻杆3的内腔中。所述前端固定装置5布置在钻头4的中心孔道中。所述前端固定装置5的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。
41.所述柔性护孔支架9为网套结构物。所述柔性护孔支架9包括沿纵向依次排列的多根环状支撑管。每根环状支撑管包括若干单元波，单元波沿周向依次排列。相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布。相邻两根环状支撑管相对的两个波峰之间固定连接。相邻两根环状支撑管的内腔连通。多根环状支撑管的内腔构成管网结构。
42.在非工作状态下，呈紧缩状态的柔性护孔支架9套设在注水支撑管6的管身上。所述注水孔与柔性护孔支架9的管网内腔连通。
43.工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动注水支撑管6，前端固定装置5从钻头4的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。退出钻具系统。液压泵向注水支撑管6内注入高压水。所述柔性护孔支架9充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。柔性护孔支架9的展开程度由支架弹性收缩力、注入水压以及外部护孔应力决定，三力达到平衡时支架动态平衡，此时柔性支架9的展开程度随钻孔形状的改变而改变，自适应不同的钻孔环节，实时与孔壁贴合。抽采完成后，柔性护孔支架9卸压收缩。
44.本实施例利用可展开的柔性护孔支架在钻孔成孔后主动及时对钻孔进行支撑。柔性护孔支架可自适应不规则的钻孔形状。抽采达标后，柔性护孔支架可收缩回收，节约护孔成本，避免污染煤层。
45.实施例2：
46.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述柔性护孔支架9的网眼根据碎软煤层的破碎程度选择。柔性护孔支架扩张完全后，柔性护孔支架9与孔壁贴合，大粒径煤屑不能通过网眼。
47.实施例3：
48.所述注水支撑管6由多段支撑管拼接制得。每段支撑管上对应设置有柔性护孔支架9。
49.实施例4：
50.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述柔性护孔支架9采用采用硅青铜弹性合金(qsi1-3)制成，含镍的硅青铜具有很高的弹性性能，可用于制造在腐蚀介质(如井水，地下水)中工作的各种弹簧。柔性护孔支架9的管网内腔中无水压时，因其自身的弹性保持收缩状态，紧贴在注水支撑管6表面。通过向柔性护孔支架9内注入一定压力的高压水，使柔性护孔支架9展开并维持一定的支撑压力。柔性护孔支架9的支撑压力由提供的水压决定，可根据现场使用情况调节。
51.实施例5：
52.本实施例主要结构同实施例1，其中，所述注水支撑管6的注水孔与柔性护孔支架9的管网内腔通过注水承压软管连通。
53.实施例6：
54.一种根据权利要求3所述的系统的碎软煤层抽采钻孔柔性护孔方法，包括以下步骤：
55.1)根据矿井瓦斯测定数据，在待施工区域施工考察孔。其中，考察孔的孔径与抽采钻孔保持一致。每施工1m，收集钻屑，统计粒径。
56.2)依据工作面防突设计，施工抽采钻孔。根据不同深度钻屑粒径分布，分段选择不同孔径柔性护孔支架。
57.3)钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位后。推动注水支撑管6。前端固定装置5从钻头4的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。
58.4)退出钻具系统。液压泵向注水支撑管6内注入高压水。所述柔性护孔支架9充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。
59.5)清理抽采钻孔内的小粒径煤屑。将喷水管伸入抽采钻孔内。喷水管向抽采钻孔内注水清理从网孔中落下的小粒径煤屑。
60.6)柔性支架末端连接封孔套管10，套管直径略大于收缩支架直径。支架展开后，在封孔套管内粘土进行短期封孔，套管外用混凝土进行永久封孔并连接瓦斯抽采管，进行瓦斯抽采。
61.7)抽采达标后，将柔性护孔系统回收。停止向柔性支架内注入高压水，支架卸压后回弹恢复收缩状态后，断开套管与瓦斯抽采管之间的连接，破除封孔套管内短期封孔，将柔性支架及注水支撑管从封孔套管中取出，实现柔性护孔系统回收，并对钻孔进行永久封孔。