[发明专利]煤层高压水射流冲‑钻‑扩‑割一体化增透装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于煤与瓦斯开采技术领域，具体地讲，特别涉及一种煤层高压水射流冲-钻-扩-割一体化增透装置及其方法。

背景技术

目前，煤层瓦斯作为清洁高热值能源之一，其抽采具有重大的现实意义。而我国的煤层瓦斯透气性低，瓦斯抽采困难，往往需要采用人工强化措施进行煤体致裂，增加煤层透气性系数，从而增大矿井瓦斯抽采率，实现煤层瓦斯规模化抽采利用。比较传统的煤层增透方法主要有水力压裂法和深孔预裂爆破法。但是，水力压裂的水压裂隙一般沿最大主应力方向扩展，受地质构造影响较大，其致裂裂隙往往具有一定的方向性；并且水力压裂裂隙扩展方向受煤层结构影响具有较大的不确定性，造成煤体致裂效果不均匀。深孔预裂爆破增透方法利用炸药爆炸瞬间产生的冲击波对煤体进行致裂，可取得较好的应用效果。但是，炸药运输、钻孔安装、起爆等各个环节均可能会出现安全事故；应用过程中如出现炸药拒爆，造成钻孔内残留炸药，在处理过程中相当危险；并且政府炸药管控严格，炸药审批程序复杂；实际使用时，炸药用量过大导致煤体粉化严重，炸药量少达不到理想的致裂半径。

高压水射流技术是上世纪五十年代开始发展起来的一项新技术，近三十年来，此技术在国内外研究发展迅速。高压水射流具有传递能量集中、无磨损、无火花、降尘和适应性强等优点，已广泛应用到煤炭、石油、化工、航空、建筑、机械等领域的清洗、切割、破碎等方面。煤炭行业最初只是利用高压水射流技术进行钻孔，近年来，一些学者和科研院所在水力压裂和高压水射流研究基础上又提出了高压水力割缝增透技术：利用专用的高压水力割缝设备，在煤层中已有的瓦斯抽采钻孔实施水平或者垂直割缝，增加煤层中的裂隙数量，使煤层应力释放，并增加煤层的渗透性。高压水力割缝破岩机理不同于普通圆射流，其破岩机理主要是：一方面通过高压水射流的正面冲击，对煤岩体产生拉伸、水楔作用进行破岩，另一方面在正面冲击形成的裂隙内产生水平载荷，使裂隙面产生剪切破坏并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式作用的复杂过程。高压水力割缝增透技术能在钻孔煤层段形成均匀割缝，实现煤体卸压、促进煤体内吸附瓦斯向游离瓦斯转化，增大煤体透气性系数，显著增加煤层瓦斯抽采效率。

现有煤矿井下高压水射流钻孔技术和利用高压水射流进行水力割缝的研究成果主要存在以下缺陷：

一、钻孔水力割缝钻进过程中，由于岩层是一种非均质各向异性材料，且含较多的天然裂隙及缺陷，钻头在磨削煤岩体过程中，会沿前方软弱方向发生偏移，造成实际施工钻孔位置与设计钻孔位置产生一定的偏移误差，严重影响现场煤层割缝及瓦斯抽采效果；

二、钻扩孔和高压水力割缝是两套设备，需要先进行钻孔施工，之后再退出钻杆安装水力割缝钻头，进行水力切割，耗费时间长，劳动强度大，效率低下。并且，更换钻头时必须全部退出钻杆，若钻孔深度很深，则需花费更长的时间，在更换钻头过程中，频繁装拆钻杆，加快钻杆磨损，降低钻杆使用寿命；

三、在孔口没有相关保护装置，而井下煤层在钻进过程中，由于煤体内含有大量的高压瓦斯气体，存在较大的喷孔危险，钻孔施工过程中容易造成钻杆喷出、大量气体泄漏，造成瓦斯超限，甚至引起人员伤亡；

四、没有设置废水循环回收系统，造成煤矿工作面大量积水，现场工作条件恶劣，限制了该技术在现场的应用；

五、钻头主要以旋转磨削破岩为主进行钻进，钻头易损坏，钻孔经济成本大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种煤层高压水射流冲-钻-扩-割一体化增透装置，用以避免钻孔偏差，并提高钻孔和水力割缝效率。