一种钻割排分一体化煤层物理化学联合增透系统及方法

摘要

一种钻割排分一体化煤层物理化学联合增透系统及方法，属于松软煤层卸压的增透系统及方法。系统包括掺药射流发生装置、钻割排一体化装置以及水煤气分离装置三个部分。所述的掺药射流发生装置通过高压水泵与加药泵将高压水与化学试剂送入射流混合器进行充分混合，形成掺药射流；所述的钻割排一体化装置可实现打钻、割缝及孔内排渣一体化，减少割缝过程中堵孔的发生；所述的水煤气分离装置能够实现对割缝过程中喷出的水、煤渣及瓦斯混合物的充分分离，分离出的瓦斯进入抽采管道，水过滤后进入水箱，实现循环利用。该系统通过割缝卸除地应力和瓦斯压力，实现物理增透；在物理和化学增透的联合作用下，煤层透气性及瓦斯抽采效果显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种松软煤层卸压的增透系统及方法，特别是一种钻割排分一体化煤层物 理化学联合增透系统及方法。

技术背景

我国煤层瓦斯赋存具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特征，煤层渗透率平均只有1.1974 ×10^-18～1.1596×10^-14m²。煤层透气性低是造成我国高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采效果普遍 较差的主要原因之一。以高压射流煤层水力割缝为代表的水力化措施通过在煤体内形成卸 压空间实现对煤层的物理增透，取得了较好的应用效果。但是，随着煤矿开采深度的增加， 煤层瓦斯含量增大，纯水射流因切割能力有限而无法满足高强度的瓦斯抽采要求。在化学 增透方面，现有的研究成果表明，在一定浓度下，二氧化氯能够对煤体进行氧化刻蚀，增 加煤体孔隙率及孔隙连通性，从而提高煤体渗透率。

此外，割缝过程中易发生喷孔、煤体垮塌及瓦斯超限等现象，造成钻孔内抱钻和射流 器堵塞，导致割缝作业被迫中止，同时使作业场所环境恶化。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种钻割排分一体化 煤层物理化学联合增透系统及方法，解决割缝过程中易发生喷孔、煤体垮塌及瓦斯超限等 现象，造成钻孔内抱钻和射流器堵塞，导致割缝作业被迫中止，同时使作业场所环境恶化 的问题。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：本发明的钻割排分一体化煤层物理化学联合 增透系统，由高压水泵、加药泵、加药泵调压阀、高压水泵调节阀、过滤器、掺药射流混 合器、高压胶管、主体排水口、压控钻头、挂耳、旋流发生器、钻杆、透视窗口、排渣门、 钻机、前置喷嘴、侧喷嘴、孔口密封器、球阀、抽采管路、中转净化箱、半球形集气室、 吸收锥、过滤锥、滤板、可升降支撑、中转净化箱排水口、水煤气分离、逆止阀装置构成， 中转净化箱排水口和主体排水口通过高压胶管和过滤器与高压水泵的输入口连接，高压水 泵的输出口通过高压水与泵调节阀与掺的药射流混合器一个端口连接，掺药射流混合器的 另一端口通过串联的逆止阀装置和加药泵调压阀与加药泵的输出端连接；掺药射流混合器 的输出端口与钻机的水辫相连，钻机的钻杆前端穿过挂耳，在钻杆的有端连接有压控钻头， 在压控钻头上有前置喷嘴、侧喷嘴和孔口密封器；在挂耳的下端连接有旋流发生器，在旋 流发生器的下端连接有水煤气分离，在水煤气分离的底部连接有可升降支撑，在水煤气分 离内顺序有吸收锥、过滤锥和滤板；在水煤气分离侧壁上连接有透视窗口和排渣门，滤板 的底部有排水口，在水煤气分离上部的外壁上有半球形集气室；中转净化箱通过管道与半 球形集气室连接，并通入水煤气分离内与吸收锥连接，中转净化箱的底部有中转净化箱排 水口；抽采管路通过球阀和管道通入中转净化箱内。

所述的掺药射流混合器包括旋流导向带、第一混合室、分流板、雾化管、固定轴、螺 旋片以及第二混合室；雾化管连接在第一混合室的二端，在第一混合室的中间部位连接有 第二混合室，在第二混合室内有螺旋片在第一混合室内的二端有旋流导向带，在旋流导向 带连接在固定轴上，在第一混合室内还有分流板，分流板与旋流导向带相邻。

所述的前置喷嘴包括喷嘴体、排渣通道、弹簧、树脂小球以及降温通道；排渣通道与 降温通道呈“V”形岔开，并位于喷嘴体的一端，在排渣通道与降温通道内均顺序连接有 弹簧和树脂小球。

所述的可升降支撑包括：螺栓、圆孔和底座；底座内有内管，在内管上有通圆孔，在 底座上有螺栓；通过调节螺栓改变可升降支撑内管的高度。

所述的孔口密封器包括：韧性钢圈、胶圈、滑板和调节螺母，在韧性钢圈的外壁上连 接有胶圈，在韧性钢圈的另一端连接有滑板和调节螺母，通过调节调节螺母移动滑板可改 变韧性钢圈的大小，使胶圈与钻孔壁紧密接触，防止漏气。

所述的吸收锥距过滤锥尖端1～3cm；所述的吸收锥夹角为90～120°；所述的过滤锥 呈倒V形，夹角为25～30°；

所述的分流板上均匀分布着150～200个孔径为1～2mm的圆孔。

所述的前置喷嘴的V形双通道夹角为120～150°。

所述的排渣通道中的树脂小球与通道壁紧密接触，降温通道中的树脂小球与通道壁不 接触。

本发明的钻割排分一体化煤层物理化学联合增透方法，包括如下步骤：

a、启动钻机带动压控钻头依次穿过水煤气分离装置和孔口密封器，通过调节螺母移 动滑板使韧性钢圈上的胶圈与钻孔壁紧密接触，防止漏气；

b、启动高压水泵，调节高压水泵调压阀使压力表读数为3～5Mpa；钻机推动压控钻 头钻进至设定位置；钻进过程中，水从前置喷嘴的降温通道流出，防止侧喷嘴堵塞，同时 降低压控钻头的温度；

c、调节高压水泵调压阀使压力表读数为15～20MPa，同时启动加药泵调节加药泵调 压阀使得流量表读数为1～1.5L/min，化学试剂与高压水在掺药射流混合器中充分混合后 得到浓度6‰的掺药射流经钻杆进入压控钻头，并通过侧喷嘴冲击煤体实现割缝，同时掺 药射流通过前置喷嘴的排渣通道冲击煤渣，防止堵孔；割缝过程中，煤渣经旋流发生器进 入水煤气分离装置，部分瓦斯通过半球形集气室积聚并经中转净化箱过滤后，进入瓦斯抽 采管路，剩余的水煤气混合物经过滤锥过滤，瓦斯通过吸收锥进入抽采管路，煤渣通过自 动排渣门排出，水通过主体排水口进入耐高压胶管并通过过滤器处理后进入高压水泵；

d、转动压控钻头25～35min，调节调压阀的压力表示数为3～5MPa，同时，关闭加 药泵；

e、压控钻头沿孔口方向后退1～1.5m，重复步骤b，完成压控钻头下一位置的割缝， 周而复始，完成多个位置的割缝。

方法中采用的化学试剂由主剂和助剂组成，其中主剂为二氧化氯，助剂包括MCRS-2 型表面活性剂和缓蚀剂膦酸盐，二氧化氯、MCRS-2型表面活性剂和缓蚀剂膦酸盐的配比 为4:1:1。

有益效果：本发明通过将化学试剂和高压水混合冲击煤体形成卸压空间，促使煤层卸 压，裂隙发育，实现物理增透。煤层物理增透形成的裂隙促进化学试剂向煤体渗透，化学 试剂氧化侵蚀煤体，增大煤体孔隙率及孔隙连通性，实现煤层化学增透。在地应力作用下 化学增透形成的孔裂隙发生坍塌进一步促进煤体物理增透，从而形成了物理增透与化学增 透相互促进的煤层物理化学联合增透，煤层透气性可提高300～500倍。利用前置喷嘴射流 冲击煤渣可有效减少割缝过程中堵孔的发生。此外，水煤气分离装置可对喷出的水煤气混 合物进行分离，实现水的循环利用，改善作业场所环境。该装置集成化程度高，实用性强， 在高瓦斯低透气性松软煤层的瓦斯抽采中具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的混合器结构示意图。

图3是本发明的前置喷嘴结构图。

图4是本发明的可升降支撑示意图。

图5是本发明的孔口密封器示意图。

图中：1-高压水泵，2-加药泵，3-加药泵调压阀，4-高压水泵调节阀，5-过滤器，6- 掺药射流混合器，6-1-旋流导向带，6-2-第一混合室，6-3-分流板，6-4-雾化管，6-5-固定 轴，6-6-螺旋片，6-7-第二混合室，7-耐高压胶管，8-主体排水口，9-压控钻头，10-挂耳， 11-旋流发生器，12-钻杆，13-透视窗口，14-排渣门，15-钻机，16-煤层，17-前置喷嘴， 17-1-喷嘴体，17-2-排渣通道，17-3-弹簧，17-4-树脂小球，17-5-降温通道，18-侧喷嘴， 19-孔口密封器，19-1-韧性钢圈，19-2-胶圈，19-3-滑板，19-4-调节螺母，20-球阀，21-抽 采管路，22-中转净化箱，23-半球形集气室，24-吸收锥，25-过滤锥，26-滤板，27-可升降 支撑，27-1-螺栓，27-2-圆孔，27-3-底座，28-中转净化箱排水口，29-水煤气分离装置， 30-逆止阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的钻割排分一体化煤层物理化学联合增透系统，由高压水泵1、 加药泵2、加药泵调压阀3、高压水泵调节阀4、过滤器5、掺药射流混合器6、高压胶管 7、主体排水口8、压控钻头9、挂耳10、旋流发生器11、钻杆12、透视窗口13、排渣门 14、钻机15、煤层16、前置喷嘴17、侧喷嘴18、孔口密封器19、球阀20、抽采管路21、 中转净化箱22、半球形集气室23、吸收锥24、过滤锥25、滤板26、可升降支撑27、中 转净化箱排水口28、水煤气分离29、逆止阀装置30构成，中转净化箱排水口28和主体 排水口8通过高压胶管7和过滤器5与高压水泵1的输入口连接，高压水泵1的输出口通 过高压水与泵调节阀4与掺的药射流混合器6一个端口连接，掺药射流混合器6的另一端 口通过串联的逆止阀装置30和加药泵调压阀3与加药泵2的输出端连接；掺药射流混合 器6的输出端口与钻机15的水辫相连，钻机15的钻杆12前端穿过挂耳10，在钻杆12 的有端连接有压控钻头9，在压控钻头9上有前置喷嘴17、侧喷嘴18和孔口密封器19； 在挂耳10的下端连接有旋流发生器11，在旋流发生器11的下端连接有水煤气分离29， 在水煤气分离29的底部连接有可升降支撑27，在水煤气分离29内顺序有吸收锥24、过 滤锥25和滤板26；在水煤气分离29侧壁上连接有透视窗口13和排渣门14，滤板26的 底部有排水口8，在水煤气分离29上部的外壁上有半球形集气室23；中转净化箱22通过 管道与半球形集气室23连接，并通入水煤气分离29内与吸收锥24连接，中转净化箱22 的底部有中转净化箱排水口28；抽采管路21通过球阀20和管道通入中转净化箱22内。

所述的掺药射流混合器6包括旋流导向带6-1、第一混合室6-2、分流板6-3、雾化管 6-4、固定轴6-5、螺旋片6-6以及第二混合室6-7；雾化管6-4连接在第一混合室6-2的二 端，在第一混合室6-2的中间部位连接有第二混合室6-7，在第二混合室6-7内有螺旋片 6-6在第一混合室6-2内的二端有旋流导向带6-1，在旋流导向带6-1连接在固定轴6-5上， 在第一混合室内还有分流板6-3分流板6-3与旋流导向带6-1相邻。

所述的前置喷嘴17包括喷嘴体17-1、排渣通道17-2、弹簧17-3、树脂小球17-4以及 降温通道17-5；排渣通道17-2与降温通道17-5呈“V”形岔开，并位于喷嘴体17-1的一 端，在排渣通道17-2与降温通道17-5内均顺序连接有弹簧17-3和树脂小球17-4。

所述的可升降支撑27包括：螺栓27-1、圆孔27-2和底座27-3；底座27-3内有内管， 在内管上有通圆孔27-2，在底座27-3上有螺栓27-1；通过调节螺栓27-1改变可升降支撑 27内管的高度。

所述的孔口密封器19包括：韧性钢圈19-1、胶圈19-2、滑板19-3和调节螺母19-4， 在韧性钢圈19-1的外壁上连接有胶圈19-2，在韧性钢圈19-1的另一端连接有滑板19-3 和调节螺母19-4，通过调节调节螺母19-4移动滑板19-3可改变韧性钢圈19-1的大小，使 胶圈19-2与钻孔壁紧密接触，防止漏气。

所述的吸收锥24距过滤锥25尖端1～3cm；

所述的吸收锥24夹角为90～120°；所述的过滤锥25呈倒V形，夹角为25～30°；

所述的旋流发生器11固定于水煤气分离装置29壁面上。

如图2所示，所述的掺药射流混合器6包括旋流导向带6-1、第一混合室6-2、分流板 6-3、雾化管6-4、固定轴6-5、螺旋片6-6以及第二混合室6-7；

所述的旋流导向带6-1固定在固定轴6-5上且不随气流转动；所述的分流板6-3上均 匀分布着150～200个孔径为1～2mm的圆孔，化学试剂与高压水通过分流板6-3分流后 在第一混合室6-2充分混合后进入第二混合室6-7，在旋流导向带6-1再次混合。

如图3所示，所述的前置喷嘴17包括喷嘴体17-1、排渣通道17-2、弹簧17-3、树脂 小球17-4以及降温通道17-5，排渣通道17-2与降温通道17-5呈“V”形岔开，夹角为120～ 150°；所述的排渣通道17-2中的树脂小球17-4与通道壁紧密接触，降温通道17-5中的 树脂小球17-4与通道壁不接触，打钻时低压水通过降温通道17-5流出，割缝时在高压水 作用下降温通道17-5关闭，排渣通道17-2打开，高压水从排渣通道17-2流出。

如图4所示，所述的可升降支撑27包括螺栓27-1，圆孔27-2，底座27-3，通过调节 螺栓27-1可改变可升降支撑27的高度。

如图5所示，所述的孔口密封器19包括韧性钢圈19-1，胶圈19-2，滑板19-3，调节 螺母19-4，通过调节调节螺母19-4移动滑板19-3可改变韧性钢圈19-1的大小，使胶圈 19-2与钻孔壁紧密接触，防止漏气。

本发明的钻割排分一体化煤层物理化学联合增透方法：

a、启动钻机15带动压控钻头9依次穿过水煤气分离装置29和孔口密封器19，通过 调节螺母19-4移动滑板19-3使韧性钢圈19-1上的胶圈19-2与钻孔壁紧密接触，防止漏 气。

b、启动高压水泵1，调节高压水泵调压阀4使压力表读数为3～5MPa。钻机15推动 压控钻头9钻进至设定位置。钻进过程中，水从前置喷嘴17的降温通道17-5流出，防止 侧喷嘴18堵塞，同时降低压控钻头9的温度；

c、调节高压水泵调压阀4使压力表读数为15～20MPa，同时启动加药泵2调节加药 泵调压阀3使得流量表读数为1～1.5L/min，化学试剂与高压水在掺药射流混合器6中充 分混合后得到浓度6‰的掺药射流经钻杆12进入压控钻头9，并通过侧喷嘴18冲击煤体 实现割缝，同时掺药射流通过前置喷嘴17的排渣通道17-2冲击煤渣，防止堵孔；割缝过 程中，煤渣经旋流发生器11进入水煤气分离装置29，部分瓦斯通过半球形集气室23积 聚并经中转净化箱过滤后，进入瓦斯抽采管路21，剩余的水煤气混合物经过滤锥25过滤， 瓦斯通过吸收锥24进入抽采管路21，煤渣通过自动排渣门14排出，水通过主体排水口 28进入耐高压胶管7并通过过滤器5处理后进入高压水泵1；

d、转动压控钻头925～35min，调节调压阀的压力表示数为3～5MPa，同时，关闭 加药泵(2)；

e、压控钻头9沿孔口方向后退1～1.5m，重复步骤b，完成压控钻头9下一位置的割 缝，周而复始，完成多个位置的割缝。