一种循环筛管清洗与煤层增透装置及增透方法

技术领域

本发明属于煤层瓦斯抽采及卸压增透技术领域，尤其涉及一种循环筛管清洗与煤层增透装置及增透方法。

背景技术

煤矿井下瓦斯抽采以施工钻孔抽采为主，钻孔的瓦斯抽采效果直接影响矿井瓦斯灾害的治理效果。随着瓦斯抽采时间的增加，在地应力、瓦斯压力、地质构造等因素影响下，钻孔发生塌孔、堵孔的现象显著增加，导致钻孔抽采功能部分或者完全失效。针对钻孔塌孔、堵孔导致瓦斯抽采效率降低的难题，学者提出筛管护孔技术，利用管壁布有筛管孔的筛管在钻孔中布置全程骨架通道，当钻孔发生塌孔或较大变形时，护孔筛管将作为瓦斯流动通道避免钻孔的完全失效。但由于松软煤层成孔性差、孔壁极不稳定，筛管孔眼、筛管外壁与钻孔壁之间会发生堵塞现象，进而影响钻孔瓦斯抽采效果。同时，孔内煤体坍塌导致卸压构建的裂隙闭合，致使瓦斯流动通道堵塞，瓦斯抽采效率降低。清除筛管中的煤渣，恢复钻孔抽采能力，重新构建瓦斯运移缝网，是保证钻孔高效使用、瓦斯高效抽采的重要前提。

为了清除钻孔中煤渣，恢复钻孔抽采能力，专利号为CN202121102204.8的专利公开了“一种水力联合机械修孔装置”，利用高压水射流和机械钻头进行钻孔修复，但对于钻孔坍塌导致瓦斯运移缝网闭合的难题尚未有效解决；专利号为CN201620258436.5的专利公开了“一种自进式旋转气体射流修复瓦斯抽采钻孔的装置”、专利号为CN201611113553.3的专利公开了“一种井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复装置及方法”，上述装置利用气体射流对坍塌的钻孔进行修复，但装置密封性要求较高高，气体利用效率较低，对于筛孔中的煤渣以及筛管外壁与钻孔内壁之间的煤渣无法有效清除，无法解决钻孔坍塌导致瓦斯运移缝网闭合的难题；专利号为CN201720916011.3的专利公开了“穿层钻孔水力割缝装置”、专利号为CN201520478360.2的专利公开了“一种旋转式水力割缝喷嘴”，上述装置通过钻杆带动割缝装置进行旋转切割或前进，使用过程中均需要接、卸钻杆，效率低下。并且常用水射流卸压增透装置体积较大，受封孔或筛管护孔后孔内有限空间限制，抽采过程中发生塌孔现象，上述设备难以进入深长钻孔进行卸压增透。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、适用范围广、修复效率高、可循环清洗筛管、可循环构建瓦斯运移缝网的循环筛管清洗与煤层增透装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种循环筛管清洗与煤层增透装置，包括水箱，与水箱通过软管连接的柱塞泵，柱塞泵出口通过软管与射孔器连接，射孔器端部设有自进式旋转钻头，高压水射流从自进式旋转钻头喷出，提供破煤动力和前进动力，同时，推进过程中，高压水射流冲击筛管壁面后清理出筛孔中堵塞的煤渣，疏通瓦斯运移通道，提高瓦斯抽采效率。

进一步的，所述射孔器包括壳体，壳体内设有同轴可相对滑动的压力转换阀芯，压力转换阀芯左端外壁处设有上下对称的导轨，导轨与壳体上设置的凹槽相互配合且相对滑动设置，压力转换阀芯右端通过第一弹簧与密封底座连接，所述密封底座包括位于中心的锥台和沿底座圆周设置的多个圆形孔洞，压力转换阀芯右端中心设有与锥台配合的锥孔，射孔器壳体的圆周侧壁上径向设有多个直口槽位，直口槽位端口设有射孔喷嘴，所述压力转换阀芯侧壁径向上设有多个排送孔，所述压力转换阀芯在与锥台接触时排送孔与直口槽位联通；压力转换阀芯同轴可相对滑动的设置在射孔器壳体内，阀芯右侧通过弹簧与底座连接，中心设有锥形孔，圆周开设有多个排送孔，工作时，各排送孔与直口槽位一一对应设置，当水压低于25MPa时，高压水流经阀芯中心锥形孔进入自进式旋转钻头，射流从钻头喷嘴喷出进行钻孔修复，并冲洗筛孔中的煤渣，带动射孔器前进；当水压高于25MPa时，高压水推动阀芯移动，阀芯与底座之间的弹簧压缩，锥形孔与底座中心锥台密封衔接。此时，自进式旋转钻头流道关闭，阀芯壁面上的排送孔与直口槽位一一对应，高速射流经射孔喷嘴喷出清洗筛管外壁与钻孔壁之间的煤渣，并冲蚀煤体进行破煤，重新构建瓦斯运移缝网。

进一步的，所述压力转换阀芯外壁设有多个对称的L形滑杆，滑杆端部设有滑轮，还包括与滑杆配合使用的固定杆，所述固定杆为由短臂与长臂拼合呈钝角的异形杆，固定杆短臂与长臂交叉点可转动的设置于壳体顶部，所述壳体上设有可容纳固定杆短臂旋转的扇形容纳腔，短臂与长臂端部均设有滑轮，所述短臂通过第二弹簧与扇形腔体侧壁固定连接，所述L形滑杆的滑轮在压力转换阀芯未压缩第一弹簧时与短臂端部的滑轮抵触，所述第一弹簧压缩至极限时排送孔与直口槽位完全对应贯通，固定杆短臂与长臂的交点固定在射孔器壳体上并以此为支点转动。所述固定杆短臂对应射孔器壳体处设置扇形腔室。当系统压力达到25MPa时，高压水推动压力转换阀芯右移，滑杆推动固定杆短臂压缩弹簧，固定杆长臂绕支点转动展开与钻孔壁接触，固定射孔器。射孔作业结束后降低系统压力，压力转换阀芯和固定杆在弹簧作用下复位。

进一步的，所述阀芯中心锥孔内设有密封堵件，密封堵件包括内夹座、转子、密封垫和内曲齿，内夹座固定于压力转换阀芯锥孔内壁上，密封垫与内夹座一一对应，所述密封垫与内夹座之间设有多个转子，并通过转子与内夹座限位滑动连接，且密封垫与内夹座之间还连设有内弹簧；通过内弹簧可以使得密封垫在初始状态下呈滑动分离，从而保证锥台脱离密封垫之后，密封垫能分离复位，所述内曲齿倾斜固定于密封垫右端。

一种循环筛管清洗与煤层增透装置的增透方法，包括以下步骤：

（1）将自进式旋转钻头、射孔器和高压软管置入堵塞的抽采管内；

（2）检查高压管路密封性，并在抽采管出口安装防坠装置；

（3）开启柱塞泵并升高系统压力至23MPa，高压水从自进式旋转钻头喷出，进行钻孔修复，冲洗筛孔中的煤渣，并带动射孔器前进，煤渣随返水排出钻孔，达到钻孔修复的目的；

（4）当自进式旋转钻头推进速度减慢时，到达塌孔位置，调节柱塞泵压力达到30MPa，压力转换阀芯工作，固定杆展开固定射孔器，高速射流从射孔器两侧喷嘴喷出清洗筛管外壁与钻孔壁之间的煤渣，并冲蚀煤体重新构建瓦斯运移缝网，提高瓦斯抽采效率，射孔结束后，降低系统压力至23MPa，固定杆和压力转换阀芯复位，自进式旋转钻头继续推进；

（5）自进式旋转钻头到达钻孔底部后，关闭柱塞泵，通过软管卷盘回收高压软管；

（6）钻孔修复和循环筛管清洗完成后，监测抽采瓦斯浓度，当抽采瓦斯浓度大幅衰减时，重复步骤（1）-（6）再次进行钻孔修复和破煤卸压增透。

本发明具有的优点是：

1.本发明实现了瓦斯抽采钻孔循环筛管清洗与煤层卸压增透，通过调节水压的大小，可在两种工作模式间切换，能够同时进行钻孔修复筛管清洗和重新构建瓦斯运移缝网，提高瓦斯抽采效率；

2.本发明可通过抽采管进入钻孔进行钻孔修复及射孔作业，无须破坏封孔设施，保证了钻孔的完整性，抽采过程中可多次循环筛管清洗与破煤卸压增透；

3.本发明射孔器结构简单，尺寸可根据钻孔条件进行设计，工程适用范围广；

4.本发明可有效修复坍塌钻孔、循环清洗筛管、重新构建瓦斯运移缝网，避免了重新打孔造成资源浪费，并且装置操作简便，工程应用性高。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明中射孔器剖面图。

图3是本发明中锥孔内密封堵件的结构示意图。

图4是本发明中密封底座的结构示意图。

具体实施方式

如图所示，一种循环筛管清洗与煤层增透装置，包括水箱1，与水箱1通过软管连接的柱塞泵2，柱塞泵出口通过软管与射孔器4连接，射孔器端部设有自进式旋转钻头5，高压水射流从自进式旋转钻头喷出，提供破煤动力和前进动力，同时，推进过程中，高压水射流冲击筛管壁面后清理出筛孔中堵塞的煤渣，疏通瓦斯运移通道，提高瓦斯抽采效率；所述射孔器4包括壳体，壳体内设有同轴可相对滑动的压力转换阀芯8，压力转换阀芯左端外壁处设有上下对称的导轨22，导轨22与壳体上设置的凹槽21相互配合且相对滑动设置，压力转换阀芯8右端通过第一弹簧16与密封底座14连接，所述密封底座14包括位于中心的锥台15和沿底座圆周设置的多个圆形孔洞19，压力转换阀芯右端中心设有与锥台配合的锥孔18，射孔器壳体的圆周侧壁上径向设有多个直口槽位17，直口槽位端口设有射孔喷嘴12，所述压力转换阀芯侧壁径向上设有多个排送孔20，所述压力转换阀芯在与锥台接触时排送孔与直口槽位联通；压力转换阀芯同轴可相对滑动的设置在射孔器壳体内，阀芯右侧通过第一弹簧与底座连接，中心设有锥形孔，圆周开设有多个排送孔，工作时，各排送孔与直口槽位一一对应设置，当水压低于25MPa时，高压水流经阀芯中心锥形孔进入自进式旋转钻头，射流从钻头喷嘴喷出进行钻孔修复，并冲洗筛孔中的煤渣，带动射孔器前进；当水压高于25MPa时，高压水推动阀芯移动，阀芯与底座之间的弹簧压缩，锥形孔与底座中心锥台密封衔接。此时，自进式旋转钻头流道关闭，阀芯壁面上的排送孔与直口槽位一一对应，高速射流经射孔喷嘴喷出清洗筛管外壁与钻孔壁之间的煤渣，并冲蚀煤体进行破煤，重新构建瓦斯运移缝网。进一步的，所述压力转换阀芯外壁设有多个对称的L形滑杆9，滑杆端部设有滑轮10，还包括与滑杆配合使用的固定杆11，所述固定杆为由短臂与长臂拼合呈钝角的异形杆，固定杆短臂与长臂交叉点可转动的设置于壳体顶部，所述壳体上设有可容纳固定杆短臂旋转的扇形容纳腔，短臂与长臂端部均设有滑轮，所述短臂通过第二弹簧13与扇形腔体侧壁固定连接，所述L形滑杆的滑轮在压力转换阀芯未压缩第一弹簧时与短臂端部的滑轮抵触，所述第一弹簧压缩至极限时排送孔与直口槽位完全对应贯通，固定杆短臂与长臂的交点固定在射孔器壳体上并以此为支点转动，在固定杆短臂对应射孔器壳体处设置扇形腔室，当系统压力达到25MPa时，高压水推动压力转换阀芯右移，滑杆推动固定杆短臂压缩弹簧，固定杆长臂绕支点转动展开与钻孔壁接触，固定射孔器。射孔作业结束后降低系统压力，压力转换阀芯和固定杆在弹簧作用下复位。所述阀芯中心锥孔内设有密封堵件，密封堵件包括内夹座26、转子25、密封垫24和内曲齿23，内夹座固定于压力转换阀芯锥孔内壁上，密封垫与内夹座一一对应，所述密封垫与内夹座之间设有多个转子，并通过转子与内夹座限位滑动连接，且密封垫与内夹座之间还连设有内弹簧；通过内弹簧可以使得密封垫在初始状态下呈滑动分离，从而保证锥台脱离密封垫之后，密封垫能分离复位，所述内曲齿倾斜固定于密封垫右端。

一种循环筛管清洗与煤层增透装置的增透方法，包括以下步骤：

（1）将自进式旋转钻头、射孔器和高压软管置入堵塞的抽采管内；

（2）检查高压管路密封性，并在抽采管出口安装防坠装置；

（3）开启柱塞泵并升高系统压力至23MPa，高压水从自进式旋转钻头喷出，进行钻孔修复，冲洗筛孔中的煤渣，并带动射孔器前进，煤渣随返水排出钻孔，达到钻孔修复的目的；

（4）当自进式旋转钻头推进速度减慢时，到达塌孔位置，调节柱塞泵压力达到30MPa，压力转换阀芯工作，固定杆展开固定射孔器，高速射流从射孔器两侧喷嘴喷出清洗筛管外壁与钻孔壁之间的煤渣，并冲蚀煤体重新构建瓦斯运移缝网，提高瓦斯抽采效率，射孔结束后，降低系统压力至23MPa，固定杆和压力转换阀芯复位，自进式旋转钻头继续推进；

（5）自进式旋转钻头到达钻孔底部后，关闭柱塞泵，通过软管卷盘回收高压软管；

（6）钻孔修复和循环筛管清洗完成后，监测抽采瓦斯浓度，当抽采瓦斯浓度大幅衰减时，重复步骤（1）-（6）再次进行钻孔修复和破煤卸压增透。

具体使用时，打开柱塞泵，当水压低于25MPa时，高压水进入压力转换阀芯8，通过锥孔18和密封底座14上的圆形孔洞19到达自进式旋转钻头5，射流从钻头喷嘴喷出进行钻孔修复，并冲洗筛管中的煤渣29，带动射孔器前进；当水压高于25MPa时，高压水推动压力转换阀芯8右移，压力转换阀芯8与密封底座14之间的弹簧16收缩，锥形孔18与底座中心锥台15密封衔接。此时，自进式旋转钻头流道关闭，阀芯壁面上的排送孔20与直口槽位17一一对应，高速射流经射孔喷嘴12喷出清洗筛管外壁与钻孔壁之间的煤渣27和筛孔中的煤渣28，并冲蚀煤体进行破煤，重新构建瓦斯运移缝网。压力转换阀芯8右移的同时带动滑杆9右移，滑杆9端部的滑轮10推动固定杆11短臂压缩弹簧13，固定杆11长臂绕支点转动展开与钻孔壁接触，固定射孔器4。射孔作业结束后降低系统压力，压力转换阀芯和固定杆在弹簧作用下复位。