1.本发明涉及煤矿瓦斯防治领域，特别涉及一种钻冲护一体化系统及方法。
背景技术：
2.近年来，随着我国煤炭资源开采逐渐向深部延伸，以煤与瓦斯突出为主的灾害频发，瓦斯作为制约煤炭高效抽采的关键因素，给矿井安全埋下了较大隐患。目前，水力冲孔技术作为瓦斯灾害防治的较为有效的措施，尤其在高瓦斯、松软低透煤层瓦斯防治中的应用更为广泛。该技术主要作用在于能够利用高压水射流沿钻孔的工作面前方煤体冲出一定的孔道，从而增加了宏观裂隙数量，为煤体的增透和瓦斯的运移创造了有效条件，进一步提升煤层瓦斯抽采效率。然而，由于碎软煤层的地质条件较为复杂，主要表现为煤体破碎、渗透性差，瓦斯含量和瓦斯压力高，抽采难度大，治理成本高。因而在瓦斯压力、地应力的双重作用下钻孔容易坍塌，现有钻孔失稳坍塌防控技术的实施缺乏针对性，这极大地降低了瓦斯抽采量，严重制约了煤矿安全生产。
3.因此，对于基于煤与瓦斯突出煤层的治理，亟需开发一种较为有效的水力冲孔冲护一体化系统及方法。
技术实现要素：
4.本发明的目的是提供一种钻冲护一体化系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
5.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种钻冲护一体化系统，包括水力冲孔钻具子系统和护孔子系统。
6.所述水力冲孔钻具子系统包括高压水辫、水箱、乳化泵站、卸压阀、密封钻杆、高压软管、钻头、钻机和流量计。
7.所述密封钻杆整体为中空圆管。所述钻头上设有供高压水射出的轴向喷嘴。所述钻头安装在密封钻杆的首端。所述钻头的中心孔道与密封钻杆的内腔连通。所述高压水辫的输入端与乳化泵站通过高压管路连接，输出端与密封钻杆的尾端连接。所述高压管路上布置有卸压阀和流量计。钻机夹持密封钻杆，带动密封钻杆旋转并钻入煤岩层中。所述钻头在密封钻杆的旋转带动下自轴旋转。水通过乳化泵站和高压水辫进入密封钻杆的内腔。水经过内腔送入钻头。所述轴向喷嘴形成高压水射流对前方煤岩体进行冲击。煤岩体经受高压水射流冲击而破碎或者由钻头研磨破碎。
8.所述护孔子系统包括环状囊袋、前端固定装置、气瓶和注气管。
9.所述前端固定装置具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述前端固定装置布置在钻头的中心孔道中。所述前端固定装置的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。
10.所述环状囊袋采用橡胶材料制成。所述环状囊袋通过注气管与气瓶联通。在非工作状态下，呈紧缩状态的环状囊袋套设在密封钻杆的杆身上。工作状态下，向环状囊袋注入气体。所述环状囊袋充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。
11.本发明的技术效果是毋庸置疑的：
12.a.充分依托钻冲护一体化装置及时对冲孔后的孔道进行支撑，保证了钻孔的稳定性，，扩大了煤层暴露面积，进一步提升了瓦斯抽采效果；
13.b.能够实现对煤层的主动支撑，在护孔装置在利用后可以重复回收，大大减少了护孔所需成本；
14.c.可以有效提高复杂地质构造煤层的瓦斯抽采效率，为实现复杂地质构造煤层的高效、均匀增透提供坚实的理论与技术支撑。
附图说明
15.图1为碎软煤层水力冲孔护孔系统结构示意图；
16.图2为环状护孔囊袋收缩状态示意图。
17.图中：高压水辫1、水箱2、乳化泵站3、卸压阀4、密封钻杆5、高压软管6、环状护孔囊袋7、钻头8、钻机9、流量计10、前段固定装置11、气瓶12、注气管13。
具体实施方式
18.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
19.实施例1：
20.针对碎软煤层地质构造复杂、透气性低的特点，钻孔变形量大，在地应力、瓦斯压力、构造应力等因素作用下孔壁易失稳形成塌孔等问题，本实施例提供一种钻冲护一体化系统，包括水力冲孔钻具子系统和护孔子系统。
21.所述水力冲孔钻具子系统包括高压水辫1、水箱2、乳化泵站3、卸压阀4、密封钻杆5、高压软管6、钻头8、钻机9和流量计10。
22.所述密封钻杆5整体为中空圆管。所述钻头8上设有供高压水射出的轴向喷嘴。所述钻头8安装在密封钻杆5的首端。所述钻头8的中心孔道与密封钻杆5的内腔连通。所述高压水辫1的输入端与乳化泵站3通过高压管路连接，输出端与密封钻杆5的尾端连接。所述高压管路上布置有卸压阀4和流量计10。钻机9夹持密封钻杆5，带动密封钻杆5旋转并钻入煤岩层中。所述钻头8在密封钻杆5的旋转带动下自轴旋转。水通过乳化泵站3和高压水辫1进入密封钻杆5的内腔。水经过内腔送入钻头8。所述轴向喷嘴形成高压水射流对前方煤岩体进行冲击。煤岩体经受高压水射流冲击而破碎或者由钻头8研磨破碎。
23.所述护孔子系统包括环状囊袋7、前端固定装置11、气瓶12和注气管13。
24.所述前端固定装置11具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述前端固定装置11布置在钻头8的中心孔道中。所述前端固定装置11的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。前端固定装置11可以穿入岩层固定整个护孔系统，防止错位移动。
25.所述环状囊袋7采用橡胶材料制成，具有抗静电、拉力强、柔性高、耐老化等特点，抗拉和抗撕裂强度高并且不易破损所述环状囊袋7通过注气管13与气瓶12联通。在非工作状态下，呈紧缩状态的环状囊袋7套设在密封钻杆5的杆身上。工作状态下，向环状囊袋7注入气体。所述环状囊袋7充压膨胀扩张，对钻孔进行支撑。
26.本实施例可以有序完成水力冲孔及护孔一体化作业，能够有效提升瓦斯抽采效率，保障工作面安全。环状囊袋通过注气与抽气控制其展开和收缩，实现对钻孔的主动支护。护孔系统在使用后可以及时回收并多次利用，相比传统支护方式，可以节约大量成本。
27.实施例2：
28.本实施例提供一种采用实施例1所述系统的钻冲护一体化方法，包括以下步骤：
29.a.安装系统和地面管线，并检查。
30.b.钻孔施工。依据施工方案所选地点将钻机输送至预设位置，开始钻孔施工。
31.c.钻孔形成后退出钻具，前移动力头，接上高压水辫1，将特质冲孔钻头8安装到钻杆上，重新推进钻孔。
32.d.前端固定装置11从钻头8的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。同时套嵌在钻杆外部的囊袋7采用推杆推入煤层中的孔道。
33.e.打开乳化泵站3，调整水箱流量计10，适当控制供水量，调整回转速度进行加压钻进，将压力阀4转换为高压状态，保持高速旋转，低速推进。
34.f.如图2所示，冲孔结束后，将孔中的煤粉排出，同时打开气瓶12阀门，向囊袋注入空气，囊袋内部区域注入空气后膨胀开始展开，使得周围紧贴冲孔孔道。
35.g.冲孔结束后关闭孔口安全阀门，观察压力表的变化。
36.h.当乳化泵站3压力急剧上升或水箱内水位不再下降时，关闭压力阀4对进行接管抽采瓦斯，及时记录瓦斯抽放浓度和纯量。
37.i.抽采达标后，关闭注气管13阀门，停止向囊袋注气，囊袋6全部收缩后，将囊袋从孔道中移出。
38.j.将准备好的外堵材料固定在抽采管上，最后将封孔材料倒入外封堵材料袋内，并扎牢上孔永久封孔。技术特征：
1.一种钻冲护一体化系统，其特征在于：包括水力冲孔钻具子系统和护孔子系统；所述水力冲孔钻具子系统包括高压水辫(1)、水箱(2)、乳化泵站(3)、卸压阀(4)、密封钻杆(5)、高压软管(6)、钻头(8)、钻机(9)和流量计(10)；所述密封钻杆(5)整体为中空圆管；所述钻头(8)上设有供高压水射出的轴向喷嘴；所述钻头(8)安装在密封钻杆(5)的首端；所述钻头(8)的中心孔道与密封钻杆(5)的内腔连通；所述高压水辫(1)的输入端与乳化泵站(3)通过高压管路连接，输出端与密封钻杆(5)的尾端连接；所述高压管路上布置有卸压阀(4)和流量计(10)；钻机(9)夹持密封钻杆(5)，带动密封钻杆(5)旋转并钻入煤岩层中；所述钻头(8)在密封钻杆(5)的旋转带动下自轴旋转；水通过乳化泵站(3)和高压水辫(1)进入密封钻杆(5)的内腔；水经过内腔送入钻头(8)；所述轴向喷嘴形成高压水射流对前方煤岩体进行冲击；煤岩体经受高压水射流冲击而破碎或者由钻头(8)研磨破碎；所述护孔子系统包括环状囊袋(7)、前端固定装置(11)、气瓶(12)和注气管(13)；所述前端固定装置(11)具有支撑钩爪；所述支撑钩爪采用压簧结构；所述前端固定装置(11)布置在钻头(8)的中心孔道中；所述前端固定装置(11)的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合，固定整个护孔系统，防止错位移动；所述环状囊袋(7)通过注气管(13)与气瓶(12)联通；在非工作状态下，呈紧缩状态的环状囊袋(7)套设在密封钻杆(5)的杆身上；工作状态下，向环状囊袋(7)注入气体；所述环状囊袋(7)充压膨胀扩张，展开后对钻孔进行支撑。2.根据权利要求1所述的一种钻冲护一体化系统，其特征在于：所述环状囊袋(7)采用橡胶材料制成。3.一种根据权利要求1所述系统的钻冲护一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：a.安装系统和地面管线，并检查；b.钻孔施工；依据施工方案所选地点将钻机输送至预设位置，开始钻孔施工；c.钻孔形成后退出钻具，前移动力头，接上高压水辫(1)，将特质冲孔钻头(8)安装到钻杆上，重新推进钻孔；d.前端固定装置(11)从钻头(8)的中心孔道伸出；支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中；同时套嵌在钻杆外部的囊袋(7)采用推杆推入煤层中的孔道；e.打开乳化泵站(3)，调整水箱流量计(10)，适当控制供水量，调整回转速度进行加压钻进，将压力阀(4)转换为高压状态，保持高速旋转，低速推进；f.冲孔结束后，将孔中的煤粉排出，同时打开气瓶(12)阀门，向囊袋(7)注入空气，囊袋(7)内部区域注入空气后膨胀开始展开，使得周围紧贴冲孔孔道；g.冲孔结束后关闭孔口安全阀门，观察压力表的变化；h.当乳化泵站(3)压力急剧上升或水箱内水位不再下降时，关闭压力阀(4)对进行接管抽采瓦斯，及时记录瓦斯抽放浓度和纯量；i.抽采达标后，关闭注气管(13)阀门，停止向囊袋(7)注气，囊袋(7)(6)全部收缩后，将囊袋(7)从孔道中移出；j.进行封孔处理。
技术总结
发明提供一种钻冲护一体化系统及方法。该系统包括水力冲孔钻具子系统和护孔子系统。所述水力冲孔钻具子系统包括高压水辫、水箱、乳化泵站、卸压阀、密封钻杆、高压软管、钻头、钻机和流量计。所述护孔子系统包括环状囊袋、前端固定装置、气瓶和注气管。两个子系统可以有序完成钻冲护一体化作业，能够适用于碎软煤层并有效提升瓦斯抽采效率。环状囊袋通过注气与抽气控制其展开和收缩，实现主动护孔。护孔系统在使用后可以及时回收并多次利用，相比传统支护方式，可以节约大量成本。可以节约大量成本。可以节约大量成本。
技术研发人员：牛心刚 马腾飞 张永将 邹全乐 程国建 刘涵 和树栋 赵翼 曹建军 李思乾 陈子涵
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/8
声明：
“钻冲护一体化系统及方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：重庆大学
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2024年08月13日 ~ 15日 
