[发明专利]一种水力冲孔、清淤与排渣一体化装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采设备及方法技术领域，特别涉及一种适用于松软煤层的水力冲孔、清淤与排渣一体化装置及方法。

背景技术

水力冲孔作为一种强化瓦斯抽采的工艺，凭借采用的系统装置和工艺简单的优势，得到了广泛推广与应用。

但是，在松软煤层中应用水力冲孔时，随着水力冲孔的不断进行，新揭露煤体的变形较难充分发展，导致应力梯度不断增大，应变能和弹性潜能逐渐聚集，使得煤体具备了突发性破坏的条件，煤体处于不稳定的应变软化阶段，在应力作用下发生破坏和垮落。水在排渣的同时，对煤层物理性质和力学性质的影响也较大，其主要原因是煤的水化作用，即物理弱化作用和力学作用：煤块浸水后,水进入孔隙、裂隙中,润湿煤块自由面上的每个颗粒；由于水分子的侵入，削弱了颗粒间的联系、弱化了煤的力学性质；进入煤体孔隙、裂隙中的高压水,降低了煤体弹性屈服极限,促使煤体产生塑性变形，降低煤体的抗剪强度,导致其强度降低，造成松软煤层易发生“泥化”，阻碍煤渣的排出，大量煤泥包裹在钻头与钻杆的周围，并与钻孔形成整体真空状态，导致堵孔、抱钻等现象。另外，随着煤体暴露面积的增加，在外力扰动下，吸附瓦斯解吸和游离瓦斯汇集后，不断从孔壁周围暴露表面释放出来。水力冲孔后，由于不同尺寸的孔隙相互连通，促使煤层瓦斯中贮存的大量能量迅速发散，在压力梯度的作用下流向冲孔空间；随着高压水不断注入冲孔内，瓦斯在密闭空间内也被不断压缩，压力不断升高，当压力升高至一定程度时，煤泥、钻杆在高压力的作用下被顶出，最终出现喷孔、瓦斯超限等事故。

为了避免发生堵孔、抱钻、喷孔、顶钻和瓦斯超限等现象，专利号为CN201010512993.2的专利公开了“一种顺层钻进松软煤层深长瓦斯抽采孔的方法及装置”，该方法在硬分层中钻孔，对软分层冲孔卸压，从而保证钻孔的完好性，能起到避免钻孔塌孔、抱钻的作用；但是，该方法无法适用于没有硬分层的煤层，局限性较大。另外，专利号为CN201210173486.X的专利公开了“多级水力冲孔钻”，其在钻杆最前侧安装的射流钻头上设置有至少两个对称射流嘴，用于冲孔时清理钻头周边的煤渣；但是，由于清渣水流和返水速度方向相反，导致喷射距离受到极大限制，且冲孔过程中需要分出一定的水量用于清渣，降低了冲孔的能量；除此之外，若冲孔过程中出现堵孔、抱钻等现象时，钻头向冲孔孔洞中注水，瓦斯受到挤压，压力增大，当增大一定程度的时候，仍会出现喷孔、顶钻等现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于操作、可防止堵孔与抱钻和避免水力冲孔过程中出现喷孔、顶钻与瓦斯超限等现象的水力冲孔、清淤与排渣一体化装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种水力冲孔、清淤与排渣一体化装置，包括钻机、容器和通过高压管路与容器相连通的高压密封旋转输水器，高压管路上设有高压泵；高压密封旋转输水器输出端与钻机的钻杆相连，钻杆前端设有清淤排渣钻头和冲孔钻头，冲孔钻头位于清淤排渣钻头前方。

所述清淤排渣钻头包括壳体和壳体内通过孔用弹性挡圈固定的阀体，阀体后端设有底封圈，阀体内滑动设置有阀芯，阀体内部前端设有密封腔室，阀芯前端设有与密封腔室过渡配合的密封端头，阀芯后端与阀体内壁过渡配合，阀芯中部主体部分与密封腔室间隙配合，阀芯上套设有复位弹簧；壳体内部前端设有单向阀，阀体后端外表面设有环形凹槽，环形凹槽内设有与阀体内部相通的通孔，壳体侧壁上设有径向布置的喷嘴和切齿，喷嘴内部设有与环形凹槽相通的液体流道。

所述高压管路上连通有位于高压泵与高压密封旋转输水器之间的高压支路，高压支路端部伸入容器内，高压支路上设有溢流阀。

所述壳体前端设有位于单向阀前方的出水过滤垫，壳体内设有位于孔用弹性挡圈和底封圈之间的进水过滤垫。

所述复位弹簧包括前复位弹簧和后复位弹簧，阀芯前端与后端之间的中部主体部分为阶梯状，中部主体部分的前半段通过前垫圈设置前复位弹簧，中部主体部分的后半段通过与前垫圈相邻的后垫圈设置后复位弹簧。

所述壳体与阀体之间设有密封圈。