本發(fā)明屬于水射流鉆孔技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔及煤層割縫的方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)大部分礦區(qū)煤層具有滲透率低、賦存地質(zhì)條件復(fù)雜、含氣飽和度低等特點(diǎn)。針對(duì)這些不利因素，必須開展煤巖體改造從而增加煤層透氣性，才能實(shí)現(xiàn)煤層氣高效開采。自20世紀(jì)70年代以來，高壓水射流煤層割縫技術(shù)在煤層增透方面取得了良好的效果。

大量工程實(shí)踐表明，高壓純水射流煤層割縫的范圍有限，若能適當(dāng)增加射流沖擊力度就能有效增大割縫卸壓的范圍，而單方面提高射流壓力雖能提升射流力度卻給射流泵帶來更苛刻的要求。在此基礎(chǔ)上，為了提升射流沖擊力度、增加煤層割縫長(zhǎng)度、擴(kuò)大瓦斯抽采范圍，該技術(shù)由最初的純水射流割縫發(fā)展到脈沖射流、高溫射流、磨料射流和擺振射流等多種射流割縫技術(shù)。其中，磨料射流極大地增加了有效割縫長(zhǎng)度，擴(kuò)大了煤層瓦斯抽采范圍。同時(shí)，大量磨料顆粒射入煤層也帶來了諸多問題：①降低了煤炭質(zhì)量；②易堵塞孔隙縫槽，導(dǎo)致瓦斯抽采與排渣困難；③可能導(dǎo)致卡鉆抱死等現(xiàn)象。因此，尋找一種即可增大射流沖擊力度、又可避免以上缺陷的替代磨料成為制約該技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的瓶頸。

研究發(fā)現(xiàn)，冰粒是一種理論上可行的替代磨料：①冰粒具有固態(tài)性質(zhì)，其硬度可達(dá)到莫氏硬度2~4，可有效提升射流沖擊力度；②冰粒射入煤層后迅速融化，可避免常規(guī)磨料混入后導(dǎo)致的煤質(zhì)降低、堵塞孔隙等問題；③冰粒融化屬于吸熱過程，可降低煤層局部溫度，減少礦井余熱災(zāi)害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鉆孔和割縫效率高，且能夠減小鉆孔或割縫時(shí)鉆桿磨損程度的冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔及煤層割縫的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔的方法，具體步驟如下：

1）將鉆頭安裝在鉆桿上，并通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用在煤巖體內(nèi)向前鉆進(jìn)，形成鉆孔；

2）開啟冰粒磨料射流裝置，將冰粒磨料射流沿著鉆桿與鉆頭的中心孔射出，沖擊鉆孔底部煤巖體，鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)，直至鉆孔完成，關(guān)閉鉆機(jī)及冰粒磨料射流裝置。

一種冰粒磨料射流輔助煤層割縫的方法，具體步驟如下：

1）將鉆頭安裝在鉆桿上，并通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用在煤層內(nèi)向前鉆進(jìn)，形成鉆孔；

2）當(dāng)鉆頭達(dá)到煤層割縫處，鉆頭停止鉆進(jìn)，開啟冰粒磨料射流裝置，將冰粒磨料射流沿著鉆桿中心孔進(jìn)入，冰粒磨料從鉆桿或鉆頭側(cè)壁上的射流孔射出，沖擊鉆桿周向的煤層對(duì)煤層進(jìn)行割縫，割縫結(jié)束后，關(guān)閉冰粒磨料射流裝置，鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)；

3）重復(fù)步驟2），直至所需割縫全部完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明采用冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔和煤層割縫，提高了鉆孔和割縫效率；

（2）本發(fā)明采用冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔，冰粒撞擊煤巖體或煤層后融化，吸收熱量，降低鉆孔的環(huán)境溫度，從而減小鉆頭的磨損；

（3）本發(fā)明采用冰粒磨料射流進(jìn)行煤層割縫，可擴(kuò)大割縫的范圍，同時(shí)冰粒融化后形成水，可避免常規(guī)磨料混入后導(dǎo)致的煤質(zhì)降低、堵塞孔隙等問題。

附圖說明

圖1是冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔示意圖。

圖2是冰粒磨料射流煤層割縫效果與水射流割縫和傳統(tǒng)的磨粒割縫效果的對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

一種冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔的方法，具體步驟如下：

1）首先依據(jù)煤巷布置與煤層特征設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)，包括鉆孔位置、鉆孔深度、鉆孔間距、鉆孔數(shù)量等，將鉆機(jī)移至待鉆孔位置的巷道處，組裝上鉆桿等設(shè)備。

2）將鉆頭5安裝在鉆桿1上，啟動(dòng)鉆機(jī)，通過鉆桿1的旋轉(zhuǎn)作用破碎巖石向前鉆進(jìn)，在煤巖體2中形成鉆孔3。

3）在鉆進(jìn)的同時(shí)，開啟冰粒磨料射流裝置，使冰粒磨料射流沿著鉆桿1與鉆頭5的中心孔射出，沖擊鉆孔底部煤巖體2，鉆頭5持續(xù)鉆進(jìn)，直至鉆孔完成，關(guān)閉鉆機(jī)及冰粒磨料射流裝置。

如圖1所示，冰粒磨料射流沿著鉆桿1與鉆頭5的中心孔射出，沖擊到鉆孔3底部的煤巖體2的表面，可使煤巖體形成初始裂紋，方便鉆頭5進(jìn)一步破碎煤巖體2；撞擊煤巖體后，冰粒磨料6隨著流體在鉆孔3內(nèi)向外擴(kuò)散，同時(shí)冰粒磨料迅速融化，可降低鉆頭5與鉆桿1的卡鉆效應(yīng)，并且冰粒磨料6融化需要吸收熱量，可降低鉆頭5的溫度，能有效減少鉆頭5的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。

一種冰粒磨料射流輔助煤層割縫的方法，具體步驟如下：

1）將鉆頭5安裝在鉆桿1上，并通過鉆桿1的旋轉(zhuǎn)作用在煤層11內(nèi)向前鉆進(jìn)；完成鉆孔；

2）回退鉆桿，當(dāng)鉆頭達(dá)到煤層11割縫處，鉆頭5停止鉆進(jìn)，啟動(dòng)冰粒磨料射流裝置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)泵壓至5mpa，待壓力穩(wěn)定后，再調(diào)節(jié)系統(tǒng)泵壓至10mpa，待壓力穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)泵壓至15mpa，待壓力穩(wěn)定后進(jìn)行割縫，每1縫切割時(shí)間為15min；

3）冰粒磨料射流將沿著鉆桿中心孔進(jìn)入，冰粒磨料從鉆桿1（或鉆頭5）側(cè)壁上的射流孔射出，沖擊鉆桿1周向的煤層對(duì)煤層進(jìn)行割縫，割縫結(jié)束后，關(guān)閉冰粒磨料射流裝置，退回鉆桿一定距離進(jìn)行第二次割縫；

4）重復(fù)步驟2）與步驟3），直至所需割縫全部完成，關(guān)閉冰粒磨料射流裝置與鉆機(jī)。

如圖2所示，煤層11處于頂板巖層12與底板巖層10之間，高壓純水射流沿著鉆孔7流向煤層11進(jìn)行割縫，割縫完成后形成縫槽16。傳統(tǒng)磨料射流沿著鉆孔9流向煤層11進(jìn)行割縫，割縫完成后形成縫槽14，同時(shí)在縫槽14內(nèi)殘留大量傳統(tǒng)磨料顆粒13；冰粒磨料射流沿著鉆孔8流向煤層11，割縫完成后形成縫槽15。通過最終形成的縫槽可以看出，冰粒磨料射流割縫形成的縫槽15較純水射流割縫形成的縫槽16長(zhǎng)寬度更大，但稍低于傳統(tǒng)磨料射流割縫形成的縫槽14，然而縫槽15內(nèi)由于冰粒的融化沒有磨料顆粒的殘留。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔方法，具體步驟如下：1）將鉆頭安裝在鉆桿上，并通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用在煤巖體內(nèi)向前鉆進(jìn)，形成鉆孔；2）開啟冰粒磨料射流裝置，冰粒磨料射流將沿著鉆桿與鉆頭的中心孔射出，沖擊鉆孔底部煤巖體，鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)，直至鉆孔完成，關(guān)閉鉆機(jī)及冰粒磨料射流裝置。本發(fā)明采用冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔，提高了鉆孔效率；本發(fā)明采用冰粒磨料射流輔助機(jī)械鉆孔，冰粒撞擊煤巖體后融化需吸收熱量，可降低鉆孔環(huán)境溫度，從而減少鉆桿的磨損；本發(fā)明還公開了一種冰粒磨料射流煤層割縫的方法，采用冰粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨料進(jìn)行割縫，一方面有效擴(kuò)大了割縫范圍，同時(shí)冰粒融化避免了傳統(tǒng)磨料導(dǎo)致的煤質(zhì)降低與堵塞孔隙等問題。

技術(shù)研發(fā)人員：黃飛;李樹清;趙延林;劉勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.27
技術(shù)公布日：2017.07.28