[发明专利]一种用于松软煤层的钻孔、解卡和致裂一体装置及方法

说明书

本发明提供了一种用于松软煤层的钻孔、解卡和致裂一体装置及方法，装置：钻杆装配在钻机上，其出口端安装射流钻头，其入口端与低温泵出口连接；第一套液氮罐组中的多个第一液氮罐的出口通过第一供氮管路与低温泵的入口连接；第二套液氮罐组中的多个第二液氮罐的出口通过第二供氮管路与主供氮管路连接；第二液氮罐的底部设有加热器。方法：确定煤层钻孔位置和增透改造区域；在岩巷内布置钻孔、解卡和致裂一体装置；使第一套液氮罐组输出的液氮经低温泵加压后输送到射流钻头中，利用形成的高速液氮射流作用于煤层；封堵钻孔入口，利用液氮相变产生的高压流体压裂煤层，并在煤层内形成裂缝。该装置和方法能一体化的实现钻孔、解卡和致裂作业。

技术领域

本发明属于煤瓦斯抽采与治理技术领域，具体涉及一种用于松软煤层的钻孔、解卡和致裂一体装置及方法。

背景技术

由于松软煤层具有煤质松软、透气性差以及瓦斯含量高等诸多问题，在开采过程中容易发生煤与瓦斯突出等安全事故。目前，为了降低松软煤层的开采事故，解决的主要方式是通过钻孔进行瓦斯的抽采，以此来降低瓦斯压力。在钻进过程中，钻孔周围煤层在钻头高速冲击作用下发生破碎，瓦斯会迅速释放，这会在钻孔内形成高瓦斯梯度，甚至会引发喷孔现象。同时，破碎的煤粉与水分混合形成的胶结物会堵塞钻孔，造成钻孔排渣困难，当钻孔内煤渣积累到一定程度后，钻头和钻杆周围煤渣被进一步压实，易造成卡钻事故。此外，由于松软煤层质地松软，在钻孔过程中容易发生塌孔现象，导致钻孔延伸长度有限和成孔率低等问题，从而达不到瓦斯抽采要求。再者，钻孔时所使用的水基工作液还会引起松软煤层内黏土矿物膨胀，进而会堵塞煤层孔隙，这进一步增加了瓦斯的抽采难度。在这种情况下，需要发展新型的煤层钻孔装备与增透工艺，以解决松软煤层存在的钻孔成孔困难、煤层增透效果差以及瓦斯抽采效率低等技术难题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于松软煤层的钻孔、解卡和致裂一体装置及方法，该装置可以有效提高钻孔的成孔率和煤渣的返排率，并能够便捷的解决卡钻的问题；同时，可确保钻孔长度的延伸，并能提高煤层的增透效果，有利于提高后期瓦斯的抽采效率；该装置结构简单，制造成本低，能一体化的实现钻孔、解卡和致裂作业。

该方法步骤简单，操作方便，能有效解决松软煤层钻孔过程中存在的易卡钻、成孔率低、排渣难以及煤层增透效果不理想等问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于松软煤层的钻孔、解卡和致裂一体装置，包括射流钻头、钻杆、钻机、第一套液氮罐组、低温泵、第二套液氮罐组和加热器；

所述射流钻头安装在钻杆的出口端；所述钻杆装配在钻机上；

所述第一套液氮罐组用于为液氮射流钻孔提供射流介质，其由多个第一液氮罐组成；每个第一液氮罐上均连接有第一压力传感器，且其出口均连接有第一电磁阀；多个第一液氮罐的出口通过第一供氮管路与低温泵的入口连接，低温泵的出口通过主供氮管路与钻杆的入口连接；

所述第二套液氮罐组用于液氮气化解卡与相变致裂，其由多个第二液氮罐组成；每个第二液氮罐上均连接有第二压力传感器，且其出口均连接有第二电磁阀；多个第二液氮罐的出口通过第二供氮管路与主供氮管路连接；

所述加热器的数量与第二液氮罐的数量相同，且一一对应的设置，加热器对应的装配在第二液氮罐的底部，用于对第二液氮罐内的液氮进行加热。

进一步，为了方便封堵钻杆与钻孔之间的环形空间，还包括环形封堵塞，所述环形封堵塞套装于钻杆的外部，用于实现钻杆与钻孔的密封连接。

进一步，为了有助于实现自动化控制过程，还包括PLC控制器，所述PLC控制器分别与第一压力传感器、第一电磁阀、第二压力传感器、第二电磁阀、低温泵和加热器连接。