低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置及方法
阅读说明：本技术 低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置及方法 (Low-permeability and difficult-desorption coal seam blasting and gas injection combined enhanced gas extraction device and method ) 是由 范超军 文海欧 梁冰 李胜 杨振华 杨雷 于 2021-10-11 设计创作，主要内容包括：一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置及方法,装置的孔内组件包括PDC钻头、钻杆、螺旋叶片及爆破增透堵头；钻头和堵头位于钻杆两端,堵头外侧设有封孔囊袋；螺旋叶片设在钻杆表面；钻杆上设有若干燃爆控制器；孔外组件包括燃爆混合气供给机构和智能点火控制柜；燃爆控制器外接燃爆混合气输入管和燃爆点火导线,二者密封穿过爆破增透堵头后接入与燃爆混合气供给机构相连的控制柜。方法为：利用孔内组件打完平行孔后留置钻孔内并封孔；制备燃爆混合气,通过燃爆混合气输入管和燃爆控制器注入钻孔内；注气结束后启动燃爆控制器进行点火,引爆混合气利用爆炸冲击制造裂隙；移除孔内组件,安装瓦斯抽采管和二氧化碳注气管,进行瓦斯抽采。(A low-permeability and difficult-desorption coal seam blasting and gas injection combined enhanced gas extraction device and a method thereof are disclosed, wherein components in a hole of the device comprise a PDC drill bit, a drill rod, a helical blade and a blasting permeability-increasing plug; the drill bit and the plug are positioned at two ends of the drill rod, and a hole sealing bag is arranged outside the plug; the helical blade is arranged on the surface of the drill rod; a plurality of blasting controllers are arranged on the drill rod; the out-of-hole component comprises a burning and blasting mixed gas supply mechanism and an intelligent ignition control cabinet; the blasting controller is externally connected with a blasting mixed gas input pipe and a blasting ignition lead, and the blasting mixed gas input pipe and the blasting ignition lead are connected into a control cabinet connected with a blasting mixed gas supply mechanism after penetrating through a blasting anti-reflection plug in a sealing manner. The method comprises the following steps: after the parallel holes are punched by the in-hole assembly, reserving the drill holes and sealing the holes; preparing a blasting mixed gas, and injecting the blasting mixed gas into the drill hole through a blasting mixed gas input pipe and a blasting controller; after gas injection is finished, starting a blasting controller to ignite, and blasting mixed gas to manufacture cracks by using explosive impact; and removing the assemblies in the holes, and installing a gas extraction pipe and a carbon dioxide gas injection pipe to extract gas.)
技术领域
本发明属于煤岩增透瓦斯抽采技术领域，特别是涉及一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置及方法。
背景技术
目前，随着能源需求量的不断增加，煤矿开采深度也在不断加大，深部煤岩长期处于高地应力环境，其渗透性普遍较低，导致深部开采条件下瓦斯抽采难度加大，瓦斯突出问题成为制约矿井生产安全的重要因素。
常规的瓦斯抽采技术包括水力压裂技术、卸压抽采技术及深空爆破技术等，这些瓦斯抽采技术普遍存在工程量大、效率低、安全性差、对环境影响较大的缺点。
另外，在进行常规的煤岩增透瓦斯抽采时，传统的操作方式都是先进行打钻孔，然后撤除钻孔设备，之后再执行煤岩增透，最后开展常规的瓦斯抽采，但在面对低透气性难解吸煤层时，其瓦斯抽采效果并不理想。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置及方法，在完成钻孔打钻后，无需撤除钻孔设备，可快速启动爆破增透，煤岩增透结束后，利用二氧化碳驱替完善的方式完成瓦斯抽采。通过本发明可有效增加低透气性难解吸煤层的裂隙发育程度，进一步增强了瓦斯抽采效果，有效降低了瓦斯突出、瓦斯爆炸风险。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置，包括孔内组件和孔外组件；所述孔内组件包括PDC钻头、钻杆、螺旋叶片及爆破增透堵头；所述PDC钻头安装在钻杆底端，所述爆破增透堵头安装在钻杆顶端且位于钻孔孔口处；在所述爆破增透堵头外侧套装有充气式封孔囊袋；所述螺旋叶片设置在钻杆的杆体表面；在所述钻杆的杆体表面设有若干燃爆控制器，每个燃爆控制器均外接有燃爆混合气输入管和燃爆点火导线；所述孔外组件包括燃爆混合气供给机构和智能点火控制柜，在智能点火控制柜内还设有燃爆混合气控制阀组；所述燃爆点火导线密封穿过爆破增透堵头与智能点火控制柜相连；所述燃爆混合气输入管密封穿过爆破增透堵头与智能点火控制柜内的燃爆混合气控制阀组的出气端相连，燃爆混合气控制阀组的进气端与燃爆混合气供给机构相连。
所述燃爆控制器位于相邻的两片螺旋叶片中间处，且相邻的两处燃爆控制器之间具有90度相位角，全部燃爆控制器在钻杆杆体上呈螺旋状态空间分布。
所述燃爆控制器包括点火电极、燃爆混合气喷气孔、喷气孔密封板、密封板支撑导向杆、密封板支撑导向孔、密封板复位弹簧、弹簧定位板及三通管；在所述钻杆杆体上开设有点火电极安装孔，所述点火电极位于点火电极安装孔内；所述燃爆混合气喷气孔数量为两个且对称分布在点火电极两侧；所述密封板支撑导向孔位于燃爆混合气喷气孔外侧，所述喷气孔密封板位于燃爆混合气喷气孔的出口侧，所述密封板支撑导向杆位于密封板支撑导向孔内，密封板支撑导向杆一端与喷气孔密封板相固连；所述密封板复位弹簧位于密封板支撑导向孔内，所述密封板支撑导向杆另一端与密封板复位弹簧一端相固连，密封板复位弹簧另一端通过弹簧定位板与钻杆杆体相固连；两个所述燃爆混合气喷气孔的进口侧通过三通管与燃爆混合气输入管相连通；所述点火电极与燃爆点火导线相连接。
所述燃爆混合气供给机构包括瓦斯储气罐、瓦斯空气混合罐、燃爆混合气存储罐及增压泵；所述瓦斯储气罐的出气口与瓦斯空气混合罐的瓦斯进口相连通，二者之间的管路上设有第一截止阀；所述瓦斯空气混合罐的空气进口与干燥空气供气源相连通，二者之间的管路上设有第二截止阀；所述瓦斯空气混合罐的混合气出口与燃爆混合气存储罐的进气口相连通，二者之间的管路上设有第三截止阀；所述燃爆混合气存储罐的出气口与增压泵的进气口相连通，二者之间的管路上设有第四截止阀；所述增压泵的出气口与智能点火控制柜内的燃爆混合气控制阀组的进气端相连通，二者之间的管路上依次设有第五截止阀和单向阀，且单向阀的出气口与智能点火控制柜内的燃爆混合气控制阀组的进气端相连通。
一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采方法，采用了所述的低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置，包括如下步骤：
步骤一：选定煤层的瓦斯抽采区域，在选定区域内标定打孔位置，采用平行打孔法，并由PDC钻头、钻杆、螺旋叶片及爆破增透堵头构成的孔内组件完成钻孔的打孔作业，且在打孔结束后，将孔内组件留置在钻孔内，之后通过向充气式封孔囊袋内充气完成钻孔的封孔；
步骤二：打开第一截止阀，通过瓦斯储气罐向瓦斯空气混合罐内注入瓦斯，同时打开第二截止阀，通过干燥空气供气源向瓦斯空气混合罐内注入干燥空气，直到瓦斯空气混合罐的瓦斯浓度达到设定值，并形成燃爆混合气，之后关闭第一截止阀和第二截止阀；
步骤三：打开第三截止阀，将混配好的燃爆混合气注入燃爆混合气存储罐中，直到燃爆混合气充满燃爆混合气存储罐，之后关闭第三截止阀；
步骤四：打开第四截止阀、第五截止阀及智能点火控制柜内的燃爆混合气控制阀组，同时启动增压泵，将燃爆混合气存储罐中的燃爆混合气通过燃爆混合气输入管注入燃爆控制器的燃爆混合气喷气孔内，在压差作用下，喷气孔密封板被顶开，使密封板复位弹簧处于伸长状态，高压的燃爆混合气持续不断充入钻孔中，当燃爆混合气喷气孔与钻孔之间的压差减小到不足以克服密封板复位弹簧的弹簧力时，在密封板复位弹簧的弹簧力作用下会使喷气孔密封板重新关闭，此时关停增压泵，同时关闭第四截止阀、第五截止阀及智能点火控制柜内的燃爆混合气控制阀组；
步骤五：通过智能点火控制柜控制点火电极产生电火花，利用电火花引爆钻孔中的燃爆混合气，在爆炸冲击作用下使钻孔周围的煤层产生裂隙，且相邻钻孔之间通过裂隙导通；
步骤六：将孔内组件移除钻孔，然后在若干钻孔内交替插入瓦斯抽采管和二氧化碳注气管，且所有的钻孔孔口处均安装瓦斯抽采堵头，瓦斯抽采管和二氧化碳注气管均密封穿过瓦斯抽采堵头，在瓦斯抽采堵头外侧也套装有充气式封孔囊袋，通过向充气式封孔囊袋内充气完成钻孔的封孔；
步骤七：将瓦斯抽采管接入矿场内的负压瓦斯抽采设备，同时将二氧化碳注气管接入矿场内的二氧化碳供气设备，之后启动负压瓦斯抽采设备和二氧化碳供气设备，二氧化碳气体首先通过二氧化碳注气管注入对应钻孔内，然后由钻孔进入周围裂隙内用于驱替煤层内的瓦斯，被驱替的瓦斯会通过裂隙进入用于瓦斯抽采的钻孔内，最后经由瓦斯抽采管排出，实现瓦斯抽采。
本发明的有益效果：
本发明的低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置及方法，在完成钻孔打钻后，无需撤除钻孔设备，可快速启动爆破增透，煤岩增透结束后，利用二氧化碳驱替完善的方式完成瓦斯抽采。通过本发明可有效增加低透气性难解吸煤层的裂隙发育程度，进一步增强了瓦斯抽采效果，有效降低了瓦斯突出、瓦斯爆炸风险。
附图说明
图1为本发明的低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置的结构示意图；
图2为本发明的燃爆控制器的结构示意图；
图3为瓦斯抽采示意图；
图中，1—PDC钻头，2—钻杆，3—螺旋叶片，4—爆破增透堵头，5—钻孔，6—充气式封孔囊袋，7—燃爆控制器，8—燃爆混合气输入管，9—燃爆点火导线，10—智能点火控制柜，11—点火电极，12—燃爆混合气喷气孔，13—喷气孔密封板，14—密封板支撑导向杆，15—密封板支撑导向孔，16—密封板复位弹簧，17—弹簧定位板，18—三通管，19—瓦斯储气罐，20—瓦斯空气混合罐，21—燃爆混合气存储罐，22—增压泵，23—第一截止阀，24—第二截止阀，25—第三截止阀，26—第四截止阀，27—第五截止阀，28—单向阀，29—煤层，30—瓦斯抽采管，31—二氧化碳注气管，32—瓦斯抽采堵头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置，包括孔内组件和孔外组件；所述孔内组件包括PDC钻头1、钻杆2、螺旋叶片3及爆破增透堵头4；所述PDC钻头1安装在钻杆2底端，所述爆破增透堵头4安装在钻杆2顶端且位于钻孔5孔口处；在所述爆破增透堵头4外侧套装有充气式封孔囊袋6；所述螺旋叶片3设置在钻杆2的杆体表面；在所述钻杆2的杆体表面设有若干燃爆控制器7，每个燃爆控制器7均外接有燃爆混合气输入管8和燃爆点火导线9；所述孔外组件包括燃爆混合气供给机构和智能点火控制柜10，在智能点火控制柜10内还设有燃爆混合气控制阀组；所述燃爆点火导线9密封穿过爆破增透堵头4与智能点火控制柜10相连；所述燃爆混合气输入管8密封穿过爆破增透堵头4与智能点火控制柜10内的燃爆混合气控制阀组的出气端相连，燃爆混合气控制阀组的进气端与燃爆混合气供给机构相连。
所述燃爆控制器7位于相邻的两片螺旋叶片3中间处，且相邻的两处燃爆控制器7之间具有90度相位角，全部燃爆控制器7在钻杆2杆体上呈螺旋状态空间分布。
所述燃爆控制器7包括点火电极11、燃爆混合气喷气孔12、喷气孔密封板13、密封板支撑导向杆14、密封板支撑导向孔15、密封板复位弹簧16、弹簧定位板17及三通管18；在所述钻杆2杆体上开设有点火电极安装孔，所述点火电极11位于点火电极安装孔内；所述燃爆混合气喷气孔12数量为两个且对称分布在点火电极11两侧；所述密封板支撑导向孔15位于燃爆混合气喷气孔12外侧，所述喷气孔密封板13位于燃爆混合气喷气孔12的出口侧，所述密封板支撑导向杆14位于密封板支撑导向孔15内，密封板支撑导向杆14一端与喷气孔密封板13相固连；所述密封板复位弹簧16位于密封板支撑导向孔15内，所述密封板支撑导向杆14另一端与密封板复位弹簧16一端相固连，密封板复位弹簧16另一端通过弹簧定位板17与钻杆2杆体相固连；两个所述燃爆混合气喷气孔12的进口侧通过三通管18与燃爆混合气输入管8相连通；所述点火电极11与燃爆点火导线9相连接。
所述燃爆混合气供给机构包括瓦斯储气罐19、瓦斯空气混合罐20、燃爆混合气存储罐21及增压泵22；所述瓦斯储气罐19的出气口与瓦斯空气混合罐20的瓦斯进口相连通，二者之间的管路上设有第一截止阀23；所述瓦斯空气混合罐20的空气进口与干燥空气供气源相连通，二者之间的管路上设有第二截止阀24；所述瓦斯空气混合罐20的混合气出口与燃爆混合气存储罐21的进气口相连通，二者之间的管路上设有第三截止阀25；所述燃爆混合气存储罐21的出气口与增压泵22的进气口相连通，二者之间的管路上设有第四截止阀26；所述增压泵22的出气口与智能点火控制柜10内的燃爆混合气控制阀组的进气端相连通，二者之间的管路上依次设有第五截止阀27和单向阀28，且单向阀28的出气口与智能点火控制柜10内的燃爆混合气控制阀组的进气端相连通。
一种低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采方法，采用了所述的低透难解吸煤层爆破与注气联合增强瓦斯抽采装置，包括如下步骤：
步骤一：选定煤层29的瓦斯抽采区域，在选定区域内标定打孔位置，采用平行打孔法，并由PDC钻头1、钻杆2、螺旋叶片3及爆破增透堵头4构成的孔内组件完成钻孔5的打孔作业，且在打孔结束后，将孔内组件留置在钻孔5内，之后通过向充气式封孔囊袋6内充气完成钻孔5的封孔；
步骤二：打开第一截止阀23，通过瓦斯储气罐19向瓦斯空气混合罐20内注入瓦斯，同时打开第二截止阀24，通过干燥空气供气源向瓦斯空气混合罐20内注入干燥空气，直到瓦斯空气混合罐20的瓦斯浓度达到设定值，并形成燃爆混合气，之后关闭第一截止阀23和第二截止阀24；本实施例中，燃爆混合气中的瓦斯浓度设定为9％～10％；
步骤三：打开第三截止阀25，将混配好的燃爆混合气注入燃爆混合气存储罐21中，直到燃爆混合气充满燃爆混合气存储罐21，之后关闭第三截止阀25；
步骤四：打开第四截止阀26、第五截止阀27及智能点火控制柜10内的燃爆混合气控制阀组，同时启动增压泵22，将燃爆混合气存储罐21中的燃爆混合气通过燃爆混合气输入管8注入燃爆控制器7的燃爆混合气喷气孔12内，在压差作用下，喷气孔密封板13被顶开，使密封板复位弹簧16处于伸长状态，高压的燃爆混合气持续不断充入钻孔5中，当燃爆混合气喷气孔12与钻孔5之间的压差减小到不足以克服密封板复位弹簧16的弹簧力时，在密封板复位弹簧16的弹簧力作用下会使喷气孔密封板13重新关闭，此时关停增压泵22，同时关闭第四截止阀26、第五截止阀27及智能点火控制柜10内的燃爆混合气控制阀组；本实施例中，增压泵22将燃爆混合气的注气压力控制在10MPa；
步骤五：通过智能点火控制柜10控制点火电极11产生电火花，利用电火花引爆钻孔5中的燃爆混合气，在爆炸冲击作用下使钻孔5周围的煤层29产生裂隙，且相邻钻孔5之间通过裂隙导通；
步骤六：将孔内组件移除钻孔5，然后在若干钻孔5内交替插入瓦斯抽采管30和二氧化碳注气管31，且所有的钻孔5孔口处均安装瓦斯抽采堵头32，瓦斯抽采管30和二氧化碳注气管31均密封穿过瓦斯抽采堵头32，在瓦斯抽采堵头32外侧也套装有充气式封孔囊袋6，通过向充气式封孔囊袋6内充气完成钻孔5的封孔，如图3所示；
步骤七：将瓦斯抽采管30接入矿场内的负压瓦斯抽采设备，同时将二氧化碳注气管31接入矿场内的二氧化碳供气设备，之后启动负压瓦斯抽采设备和二氧化碳供气设备，二氧化碳气体首先通过二氧化碳注气管31注入对应钻孔5内，然后由钻孔5进入周围裂隙内用于驱替煤层29内的瓦斯，被驱替的瓦斯会通过裂隙进入用于瓦斯抽采的钻孔5内，最后经由瓦斯抽采管30排出，实现瓦斯抽采。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种煤矿软岩巷道底板返修治理方法