[发明专利]三维旋转水射流煤层扩孔系统及扩孔与压裂增透方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采增透装备，特别涉及三维旋转水射流煤层扩孔系统，同时涉及煤矿瓦斯抽采技术，特别涉及水力扩孔与压裂综合增加煤层透气性方法。

背景技术

由于高瓦斯、低透气性煤层中的瓦斯很难预抽，导致在高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井采掘作业过程中大量的瓦斯涌出，容易造成工作面瓦斯超限，甚至诱发煤与瓦斯突出事故。随着煤炭生产向高效集约化发展和开采深度的不断增加，该问题越来越制约煤矿安全生产。在不具备保护层开采条件的煤与瓦斯突出矿井中，穿层钻孔预抽突出煤层瓦斯成为一种重要的区域防突措施。如何增大钻孔的有效影响范围，提高煤层瓦斯预抽效果，一直受到煤炭行业的广泛关注。目前国内外研究出了多种方法来提高瓦斯抽采率，交叉钻孔、密集钻孔、大直径钻孔、水力冲孔、水力割缝、加砂致裂预抽等是其中较有效的手段。但这些方法多数存在钻孔施工工程量大、有效影响范围小和抽采时间长等问题。高压水力扩孔和割缝技术虽然在一定程度上增加了钻孔周围煤体的卸压范围和抽采影响范围，但仅局限于一个钻孔增大抽采影响范围且增加程度还不够大，这影响了水力扩孔和割缝技术在穿层钻孔抽采方面的应用。目前常用的扩孔方法除了通过增大钻头直径外，其余多数是采用自动旋转喷嘴产生的圆射流对煤体进行切割来实现的，该射流方法具有水压损失大、切割效率低、排渣困难、扩孔用时较长等缺点，当出现堵孔时，容易引起孔内压力增大造成喷孔，存在一定安全隐患。水力压裂技术能够实现钻孔周围一定范围内煤层的卸压，但在卸压的同时却产生高应力集中，集中应力能够达到原始应力的3～4倍，这给煤矿安全生产造成了新的障碍。此外，由于突出煤层构造复杂、煤质松软、地应力大，常导致压裂方向不易控制，压裂液浸入煤体后不易排除，形成的煤层裂隙很快闭合，从而限制了该技术的广泛应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种三维旋转水射流煤层扩孔系统，在三维旋转水射流煤层扩孔与压裂增透方法中应用，降低水压损失，提高切割效率，实现顺利排渣和缩短扩孔用时；同时提供一种三维旋转水射流煤层扩孔与压裂增透方法，对穿层钻孔的煤层段水力扩孔后，形成了较大的孔洞，周围煤体发生大的位移和变形破坏而增加了煤体中的裂隙，注入高压水使水力扩孔钻孔与控制钻孔之间的煤体压穿，从控制钻孔带出大量煤屑，煤层的卸压范围大、整体卸压充分，有效缩短了煤层预抽时间。

本发明所要解决的技术问题的技术方案是：一种三维旋转水射流煤层扩孔系统，它由高压水力泵站通过设有截止阀的高压胶管连至回转式高压旋转接头，特点在于经过钻机后再连至高压水射流钻杆，高压水射流钻杆前端连接带有喷嘴底座的高压水射流喷头，在喷嘴底座上安设高压旋转水射流喷嘴。

其中：对于具有煤与瓦斯突出危险或有钻孔自喷现象的煤层，在水力扩孔钻孔开口段设封孔钢管，在封孔钢管和水力扩孔钻孔之间注入封孔材料，并在水力扩孔钻孔孔口安装钻孔防喷装置，钻孔防喷装置的抽采端接矿井瓦斯抽采系统管路。

其中：在垂直于高压水射流喷头轴线的方向上交错布置若干个喷嘴底座，使其在垂直于高压水射流喷头轴线的平面上的投影呈中心对称分布。

其中：内置导向叶轮的高压旋转水射流喷嘴安装在喷嘴底座上，高压旋转水射流喷嘴直径为1.7～2.5mm。

其中：高压旋转水射流喷头与高压水射流钻杆之间的连接、回转式高压旋转接头与高压水射流钻杆之间的连接、高压水射流钻杆之间的连接均采用内置挤压密封和组合垫片的密封连接方式，回转式高压旋转接头包括中空的旋转轴、高压密封圈和外部壳体，连接处采用旋转密封方式进行密封。

一种三维旋转水射流煤层扩孔与压裂增透方法，对于没有煤与瓦斯突出危险并没有钻孔自喷现象的煤层，用钻机从巷道向煤层打一水力扩孔钻孔，在水力扩孔钻孔周围打若干控制钻孔，特点在于用钻机带动连接高压水射流喷头的高压水射流钻杆，待高压水射流喷头送至煤层预定位置后，启动高压水力泵站，开启钻机，带动高压水射流钻杆旋转，同时使高压水射流钻杆在水力扩孔钻孔内缓慢往复运动，利用安装在高压水射流喷头上的高压旋转水射流喷嘴产生的旋转射流冲割水力扩孔钻孔的煤层段进行扩孔，水力扩孔后，退出高压水射流钻杆，在水力扩孔钻孔内预设钢管并用封孔材料使预设钢管外壁与水力扩孔钻孔内壁紧密结合，通过预设钢管往水力扩孔钻孔内注入一定压力的高压水，当某个控制钻孔有大量携带煤屑的水流出直至水流中不再有煤屑排出时，停止水力压裂作业，进行煤层瓦斯预抽。

其中：往复运动指利用钻机带动高压水射流钻杆前进或后退，通过改变水力扩孔钻孔内高压水射流钻杆的长度来控制水力扩孔钻孔扩孔段的范围。

其中：预设钢管内直径为20mm。