技术摘要：
本发明属于煤矿井下施工领域，具体是一种大直径瓦斯抽采钻孔成孔装置和方法。包括高压液体发生系统、中央智能控制系统以及智能钻进系统，高压液体发生系统与中央智能控制系统连接，中央智能控制系统通过高压密封水管与智能钻进系统连接，智能钻进系统包括智能钻机、密  全部
背景技术：
我国煤炭开采主要以井工作业为主，与采煤伴生的瓦斯灾害一直是制约煤矿安全 生产的一大难题。随着浅部资源日益枯竭，我国煤炭开采深度以每年10~25m的速度向深部 延伸，使得瓦斯灾害的发生频率和强度也逐渐加大。同时，煤层瓦斯又具有资源属性，它是 一种高热、清洁、经济的非常规天然气资源。国家能源局规划表明，到2020年，我国煤层气抽 采量达到240亿m³，其中煤矿瓦斯抽采占140亿m³。煤矿井下的瓦斯抽采将是我国煤层气开 发的主要来源，开发利用煤层瓦斯资源、强化瓦斯抽采，对于减少瓦斯灾害、实现瓦斯资源 化利用，都具有重大的经济效益和社会效益。目前，通过钻孔抽采瓦斯是防治煤矿瓦斯灾害 和开发煤层瓦斯的根本性方法。但我国多数煤层的微孔隙、低渗透、高吸附特征使得瓦斯难 以抽出，造成瓦斯灾害难以消除，煤层气资源利用效率低。 解决这一难题的关键之一是如何实现低透气性煤层瓦斯的有效抽采。通过外界扰 动作用，人为诱导煤体裂隙萌生、扩展及贯通，创造瓦斯流动通道，是增加煤层透气性、提高 瓦斯抽采效果的主要思路。也就是说，对煤层进行卸压增透是低透气性煤层瓦斯灾害防治 和瓦斯高效抽采的关键。 解决这一难题的另一关键是如何实现钻孔的高效抽采。钻孔作为瓦斯抽采的主 体，其特征参数对抽采效率影响显著。当前国内矿井采用的抽采钻孔直径普遍在0.04~ 0.25m之间，由于单一抽采钻孔的有效影响半径小、瓦斯抽采量少，造成瓦斯抽采的工程量 巨大，高成本也成为阻碍矿井瓦斯抽采率大幅提高的一个因素。如何在有限条件下施工 0.5m~1m的大直径的抽采钻孔、提高钻孔的影响范围和抽采效率、减少钻孔工程量，是煤矿 瓦斯资源化抽采的重点。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提供一种大直径瓦斯抽采钻孔成孔装置和方法。 本发明采取以下技术方案：一种大直径瓦斯抽采钻孔成孔装置，包括高压液体发 生系统、中央智能控制系统以及智能钻进系统，高压液体发生系统与中央智能控制系统连 接，中央智能控制系统通过高压密封水管与智能钻进系统连接，智能钻进系统包括智能钻 机、密封自动钻杆和自旋钻头，智能钻机上安装密封自动钻杆，密封自动钻杆前端安装自旋 钻头，自旋钻头上安装有激光测距装置以及高压射流装置。 一种大直径瓦斯抽采钻孔成孔装置的成孔方法，包括以下步骤。 S100～启动中央智能控制系统，输入需要的钻孔成孔直径并选择钻孔类型，中央 智能控制系统将接受到的数据换算成需要的初始射流压力，开始启动高压液体发生系统； 调节高压工作液体输入的工作射流压力从而控制工作射流流量，高压液体发生系统中的高 3 CN 111608585 A 说　明　书 2/3 页 压工作液体经过加压后，通过密封自动钻杆到达多功能自旋钻头并呈射流状喷出。 S200～开始启动智能钻进系统，调节初始泵压，各处开关开启，开始沿钻进方向进 行钻孔钻进，沿垂直钻进平面进行钻孔切割；在目标钻孔切割5~10min后完成一个小周期运 行，中央智能处理系统暂时关闭高压液体发生系统，停止供入高压工作液体，自旋射流钻头 停止自旋，同时开启激光测距器，并将成孔直径数据实时传回中央智能控制系统，中央智能 系统根据接收到的数据再次调节泵压，然后开启高压液体发生系统继续切割过程；按周期 不断重复，中央智能控制系统根据即时的钻孔成孔效果对射流压力进行智能调节，以保证 成孔效果。 S300～每完成10~15m钻进工作之后，中央智能控制系统自动停止智能钻进系统和 高压液体发生系统，开启专用智能钻机自动更换钻杆，加装钻杆之后重复步骤S200。 S400～在目标钻孔切割完成后，中央智能控制系统下达停止切割指令，系统关闭 高压液体发生系统，停止供入高压工作液体，同时智能钻机完成自动卸钻。 步骤S100中，工作射流流量P0和工作射流压力Q的关系为： ； 式中，D为喷嘴直径， 为水密度，kg/m3； 为速度系数，取0.98~1，当喷嘴直径一定时，通过 调节射流压力，控制射流的出口速度和流量。 与现有技术相比，本发明将水射流技术结合到抽采钻孔施工中，提出一种采用自 旋高压水射流施工0.5~1m的大直径瓦斯抽采钻孔的成孔装置及方法，采用该装置与方法可 以实现煤矿井下大直径抽采钻孔的一次成孔。该装置在钻孔过程中可以根据成孔效果实时 调节射流压力，保证成孔效果的同时可以根据操作者要求在煤层或岩层中形成各种特殊形 态的钻孔，可以有效提高瓦斯抽采段的钻孔直径，并且相较于其他同类型水力化装置有一 定节水功效。同时，由于高压水射流在钻孔内的冲击侵蚀作用，钻孔周围的煤体得以卸圧、 增透，使得钻孔有效抽采半径进一步增大。采用本发明中提出的装置与方法，可以实现低透 气性煤层的卸圧增透作用与抽采钻孔的扩孔径、降成本作用相结合，在减少钻孔数量的同 时，能够保障矿井煤层瓦斯的高效抽采，具有广阔的应用前景。 附图说明 图1是本发明的大直径瓦斯抽采钻孔成孔装置在穿层钻孔条件下应用时的结构示 意图； 图2是本发明的装置中自旋钻头的正视图； 图3是本发明的装置中自旋钻头的侧视图； 图中：1—高压液体发生系统，2—中央智能控制系统，3—高压密封水管；4—智能钻机， 5—密封自动钻杆，6—自旋钻头，7—智能钻进系统，8—激光测距装置，9—高压射流装置。