“三软”煤层旋切钻进消突方法及旋切钻进装置

摘要

本发明涉及一种“三软”煤层旋切钻进卸压增透消突方法及旋切钻进钻具。所述“三软”煤层旋切钻进消突方法，在掘进钻机上安装旋切钻进装置对高应力软煤层进行钻进，通过高压水对煤体进行旋切，实现高应力煤层增透卸压，1)正常钻进时，采用不大于2MPa低压水或低压风作为排粉介质，使低压水或低压风通过控制阀到钻杆，从钻杆通过单向阀作用在钻头前方，进行排粉；2)根据掘进工作面前方煤体应力情况，每钻进1～3m，使钻杆做垂直弧形切缝，通过旋切钻进装置对煤体进行旋切，利用高压水流通过旋切体上的喷嘴射向煤体，实施对煤体的环切。本发明应用于高应力软煤层钻进时的煤体增透卸压，可以显著提高瓦斯抽采效率，与普通钻进作业相比，减少钻孔工程量2/3以上。

说明书

一、技术领域：本发明涉及一种软煤层旋切钻进卸压增透消突方法及钻具，特别是涉及一种“三软”煤层旋切钻进卸压增透消突方法及其旋切钻进装置，应用于高应力软煤层钻进时的煤体增透卸压，提高瓦斯抽采效率。

二、背景技术：由于受地质构造控制的影响，豫西“三软”突出煤层构造为全层构造软煤，突出煤层松软、透气性差，存在诸多高瓦斯高应力地质单元，蕴含煤与瓦斯突出危险，并且瓦斯富集区具有明显的条带分布特征，瓦斯灾害威胁严重，属于难以抽采煤层。根据《煤矿安全规程》第183条规定，对于突出煤层中的突出危险区、威胁区，严禁采用放顶煤采煤法。因此，为了实现突出煤层的高产高效，对不具备开采保护层条件的突出煤层，或保护层开采中，突出煤层部分范围未能得到有效解决的，都应采取专门的消突措施。郑煤集团公司作为豫西“三软”煤层开采的主体，由于受地质构造影响，采取传统的防突措施，在打钻时钻进极其困难，难以消除煤层应力和瓦斯压力，严重制约了矿井瓦斯防治和采掘效率。

目前对于高应力软煤层的消突方法，多采用打钻与割缝措施。钻孔施工时由低压风或低压水作为排粉介质(风压小于5MPa)进行正常打钻施工，水介质通过控制阀到钻杆通过单向阀作用在钻头前方，进行排粉；旋切时供水压力由低压转换成高压水，水介质通过控制阀到钻杆作用在单向阀上，使高压水由水嘴射出，实施对煤体的旋切。但现有与钻机配套的旋切钻进装置，使用中存在操作工艺复杂、费工费时、工作效率低的问题，而一些针对上述缺陷有改进的旋切钻进装置，要么结构复杂，制作工艺繁琐，成本高，要么使用效果不够理想，难以满足钻机钻进时对煤层切割的防突或卸压要求。

三、发明内容：

本发明针对现有技术不足，提出一种“三软”煤层旋切钻进卸压增透消突方法，提高了软煤层旋切钻进卸压增透消突效率；

同时，为了增加旋切钻进装置的实用性和可靠性，本发明提出一种结构简单、使用效果好的“三软”煤层消突旋切钻进装置。

本发明所采用的技术方案：

一种“三软”煤层旋切钻进消突方法，通过在掘进钻机上安装旋切钻进装置对高应力软煤层进行钻进，在掘进工作面对煤体进行施工，通过低压水或低压风排粉，通过高压水对煤体进行旋切，实现高应力增透卸压，

1)正常钻进时，采用不大于2MPa低压水或低压风作为排粉介质，使低压水或低压风通过控制阀到钻杆，从钻杆通过单向阀作用在钻头前方，进行排粉；

2)根据掘进工作面前方煤体应力情况，每钻进1～3m，使钻杆做垂直弧形切缝，通过旋切钻进装置对煤体进行旋切，利用高压水流通过旋切体上的喷嘴射向煤体，实施对煤体的环切；

3)旋切时，根据出煤量的大小适当调节旋切时间，旋切时钻机应保持原地旋转，以保证旋切轨迹为圆弧断面；在一个掘进工作面，钻孔的数量根据掘进工作面的大小均匀分布。

所述的“三软”煤层旋切钻进消突方法，掘进钻机推进压力不大于正常打钻时的推进压力，正常打钻时推进压力不大于7MPa；掘进钻机钻进速度为0.5～1.0m/min；掘进钻机旋切时钻机的转矩大于2300Nm；高压水供水压力为15MPa～25MPa，流量不小40m³/min。。

所述的“三软”煤层旋切钻进消突方法，根据煤层应力情况，钻杆每推进1m、2m或3m时进行一次旋切；掘进钻机开孔时转速采用160r/min，正常采用280r/min。。

一种“三软”煤层消突旋切钻进装置，包括旋切体、单向阀、后过渡节和前过渡节，后过渡节用于钻杆与旋切体的连接，前过渡节用于单向阀与钻头的连接，所述旋切体(1)由旋切体套和设置在旋切体套上的喷水嘴(2)组成，所述单向阀包括外壳(6)、阀座(4)、弹簧(5)、单向阀芯(3)，单向阀通过其外壳(6)与所述旋切体(1)匹配连接，所述阀座(4)为前后贯通的筒体结构，匹配设置于外壳(6)内，单向阀芯(3)与阀杆(8)为连体结构，阀杆(8)匹配套装于阀座(4)中空内腔，阀座(4)中空内腔设置弹簧(5)与所述阀杆(8)配合，所述单向阀芯(3)前端面为平面，其与阀杆连接过渡面为工作面，单向阀芯(3)工作面与阀座(4)相互匹配，阀杆体上与单相阀芯(3)衔接的一端设有排风或排水孔(7)连通阀杆中空内腔及钻头。

所述的“三软”煤层消突旋切钻进装置，喷水嘴(2)的数量为出水孔直径相等的2到5个，采用成型喷嘴通过螺纹匹配固定在旋切体上或者直接在旋切体上开孔，出水孔的直径根据煤体硬度和高压水压力不同，为φ0.6mm～φ1.2mm。喷水嘴为两个时，其夹角为180度。

所述的“三软”煤层消突旋切钻进装置，旋切体(1)及单向阀的壳体部分采用MRC28-32调质处理，单向阀芯(3)与阀座(4)采用镀铬处理，钻杆与后过渡节通过锥形螺纹连接，后过渡节与旋切体通过矩形螺纹连接，前、后过渡节螺纹采用行业标准。

本发明的有益积极效果：

1本发明“三软”煤层旋切钻进消突方法，能够在有限时间内提高煤层瓦斯抽采效率，达到快速消突目的，实现突出煤层增透卸压，与普通钻进作业相比，减少钻孔工程量2/3以上，提高了软煤层旋切钻进卸压增透消突效率。

2、本发明“三软”煤层消突旋切钻进装置，通过采用独特的单向阀结构，提供了单向阀的动作可靠性，确保对煤体旋切压力。由于单向阀芯前部端面为平面，受到高压水作用时，受力面积大，能够确保单向阀关闭，使作为旋切动力的高水压通过喷嘴喷出，保证了旋切力。而此时，阀杆上的排风(或排水)孔被推进到阀座内腔。高压水与阀座中空内腔是完全隔离的，绝不会引起单向阀关闭不严的问题。

3、本发明“三软”煤层消突旋切钻进装置，结构简单，可操作性强，匹配使用于双孔钻杆掘进钻机，取得了良好的预期效果。简化了煤层钻进旋切操作工艺，提高了掘进钻机自动化程度和工作利率，降低了生产成本。

四、附图说明：

图1：发明“三软”煤层消突旋切钻进装置结构示意图

五、具体实施方式：

实施例一：本发明“三软”煤层旋切钻进消突方法，通过在掘进钻机上安装旋切钻进装置对高应力软煤层进行钻进，在掘进工作面对煤体进行施工，通过低压水或低压风排粉，通过高压水对煤体进行旋切，实现高应力增透卸压，

1)正常钻进时，采用不大于2MPa低压水或低压风作为排粉介质，使低压水或低压风通过控制阀到钻杆，从钻杆通过单向阀作用在钻头前方，进行排粉；

2)根据掘进工作面前方煤体应力情况，每推进1m、2m或3m时进行一次旋切，使钻杆做垂直弧形切缝，通过旋切钻进装置对煤体进行旋切，利用高压水流通过旋切体上的喷嘴射向煤体，实施对煤体的环切；

3)旋切时，根据出煤量的大小适当调节旋切时间，旋切时钻机应保持原地旋转，以保证旋切轨迹为圆弧断面；在一个掘进工作面，钻孔的数量根据掘进工作面的大小均匀分布。

掘进钻机推进压力不大于正常打钻时的推进压力，正常打钻时推进压力不大于7MPa；掘进钻机钻进速度为0.5～1.0m/min；掘进钻机旋切时钻机的转矩大于2300Nm；高压水供水压力为15MPa～25MPa，流量不小40m³/min。

掘进钻机开孔时转速采用160r/min，正常采用280r/min。

为了增强消突效果，对于60～120平的掘进工作面，可以钻孔4到10个，钻孔相对均匀分布。为扩大消突面积，钻进时可以使周围钻孔与工作面中部水平方向钻孔保持15度左右的角度。一个掘进工作面钻进距离不超过50米。

实施例二：参见图1，本发明“三软”煤层消突旋切钻进装置，包括旋切体、单向阀、后过渡节和前过渡节，后过渡节用于钻杆与旋切体的连接，前过渡节用于单向阀与钻头的连接，所述旋切体1由旋切体套和设置在旋切体套上的喷水嘴2组成，单向阀与旋切体1匹配连接，所述单向阀包括外壳6、阀座4、弹簧5、单向阀芯3，单向阀通过其外壳6和旋切体1匹配连接，阀座4为前后贯通的筒体结构，匹配设置于外壳6内，单向阀芯3与阀杆8为连体结构，阀杆8匹配套装于阀座4中空内腔，弹簧5与阀杆8末端配合设置于阀座4中空内腔，所述单向阀芯3前端面为平面，其与阀杆8连接过渡面工作面为圆弧面，单向阀芯3工作面与阀座4相互匹配，阀杆体上与单相阀芯3衔接的一端设有排风(或排水)孔7连通阀杆中空内腔及钻头。

本发明“三软”煤层消突旋切钻进装置，正常钻进时(非旋切状态时)由低压风或低压水作为排粉介质(风压或水压小于5MPa)进行正常打钻施工，水(或风)介质通过控制阀到钻杆通过单向阀作用在钻头前方，进行排粉。此时，水压(或风压)对单向阀芯的作用力小于弹黄的弹力，单向阀处于打开状态，低压风或低压水通过单向阀芯3的中间小孔9至阀杆8中空内腔，再到钻头；旋切时，高压水流(15MPa-25MPa)通过钻杆直接到单向阀(此时，水压对单向阀的作用力大于弹黄5的弹力，单向阀芯3向阀座4移动，单向阀处于关闭状态)高压水流直接通旋切喷嘴2射向煤体。

由于单向阀芯3前部端面为平面，受力面积大，受到高压水作用时能够确保单向阀关闭，使作为旋切动力的高水压通过喷嘴喷出，保证了旋切力。而此时，阀杆上的排风(或排水)孔7被推进到阀座4内腔。高压水与阀座中空内腔是完全隔离的，绝不会引起单向阀关闭不严的问题。

实施例三：参见图1，本实施例的“三软”煤层消突旋切钻进装置，与实施例一不同的是：旋切体及单向阀外壳的壳体部分采用MRC28-32调质处理，单向阀芯3与阀座4采用镀铬处理。

本发明“三软”煤层消突旋切钻进装置，喷水嘴2的数量为出水孔直径相等的2到5个，可采用成型喷嘴通过螺纹匹配固定在旋切体上，或者直接在旋切体上开孔，出水孔的直径根据煤体硬度不同，可为φ0.8mm、φ1.0mm、φ1.2mm、φ1.4mm、φ1.6mm或φ1.8mm。钻杆与后过渡节通过锥形螺纹连接，后过渡节与旋切体通过矩形螺纹连接，前、后过渡节螺纹采用行业标准。