矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备及瓦斯抽采方法
技术领域
本发明涉及煤矿安全作业技术领域，尤其是一种瓦斯抽采设备。
背景技术
煤矿生产中，煤与瓦斯突出是一种严重的安全威胁之一，因此煤与瓦斯突出矿井或煤层在煤炭开采之前需要进行钻孔抽采瓦斯；具体是先钻孔进入煤层形成瓦斯抽采孔，再将抽采管放入瓦斯抽采孔，抽采管的管壁上均匀设有多个抽采用孔，通过水环式真空泵在抽采管处形成负压，从而使煤层中的瓦斯通过抽采用孔进入抽采管并抽出。
多数情况下瓦斯抽采孔为水平孔或上向孔，排渣排水较为顺畅。煤矿很多情况下需要选择下向钻孔瓦斯抽采：①井巷揭煤往往需要瓦斯抽采孔抽采瓦斯。②利用顶板巷预抽煤层瓦斯时，一巷两用（预抽巷和高抽巷），可少开挖岩巷，每米岩巷成本在1万元以上。③多煤层开采时，利用煤层间岩巷抽采下部煤层瓦斯。④底板巷下帮预抽钻孔控制范围较大时，边缘孔多为下向钻孔或近水平孔。⑤其他情况。
施工下向瓦斯抽采孔时排渣困难，为解决这一问题多采用水力排渣。水力排渣在施工结束后，孔内会积留大量的煤渣和积水。多篇文献和现场试验表明，当孔内含有积水时，瓦斯通道堵塞，瓦斯无法采出；当孔内水分较高时，瓦斯通道不畅，瓦斯抽采浓度不高，瓦斯抽采效率极低。同时，常用的水力化增透措施，其钻孔下部也存在积水情况，极大地降低瓦斯抽采效率。
受煤矿井下作业空间和作业环境限制，适用于地面的双壁钻杆、反循环排水排渣工艺等均不能满足煤矿井下使用条件，且无法解决积水问题，依然无法消除水封效应，降低孔内水分。下向瓦斯抽采孔和小角度水力化措施孔瓦斯浓度不高的问题常年困扰一线施工。抽采效率低下，导致瓦斯抽采空白带的产生，甚至增加了煤与瓦斯突出概率，严重威胁到煤矿生产安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备，适用于下向瓦斯抽采孔，能够方便地将抽采孔内积存的煤渣、积水排出，消除水封效应，降低孔内水分，增加抽采管周边煤体的透气性，提高瓦斯抽采效率。
为实现上述目的，本发明的矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备包括用于伸入煤层瓦斯抽采孔的抽采管，抽采管下端敞口；抽采管内同轴线套设有用于注水注气提高透气性的中心管，中心管下端位于抽采管底部；抽采管侧壁底部均匀设有多个用于抽采瓦斯的抽采用孔，中心管与抽采管之间围成环形的抽采腔，抽采管侧壁顶部设有抽采接口和排渣接口，抽采接口和排渣接口均与抽采腔相连通，抽采接口用于连接瓦斯抽采管路，排渣接口用于连接排渣管，排渣管通入巷道排水沟；瓦斯抽采管路上设有抽采电磁阀，排渣管上设有排渣电磁阀；
抽采管上端封闭，中心管上端向上伸出抽采管并连接有注水电磁阀和注气电磁阀，中心管通过注水电磁阀连接注水管，中心管通过注气电磁阀连接注气管，注水管用于连接增压泵，注气管用于连接高压气源。
抽采管包括同轴线设置的上管和下管，上管和下管通过法兰结构对接在一起，法兰结构处设有密封垫；抽采用孔设于下管底部。
下管包括外管和套设在外管内的内管，内管外壁和外管内壁相贴合，外管和内管通过螺栓固定连接在一起；
外管通过法兰结构与上管对接在一起，内管下部向下伸出外管并用于伸至瓦斯抽采孔的孔底，抽采用孔均匀分布在内管下部。
外管下端与内管外壁之间设有下密封结构，下密封结构包括下密封套，下密封套套设在外管和内管之外，下密封套上部与外管外壁螺纹连接，下密封套下部设有缩径部分，缩径部分与外管底端之间压设有下密封圈。
中心管向上伸出抽采管的上管的部分与上管顶端之间设有上密封结构，上密封结构包括与中心管固定连接的上密封座，上密封座底部与上管顶壁之间压设有顶密封圈；
上密封座外螺纹连接有上密封套，上密封套上部卡设有压筒，压筒与上密封座顶端之间压设有上密封圈。
本发明还公开了使用上述矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备进行的瓦斯抽采方法，按以下步骤进行：
第一步骤是打孔和安装；
将下管向下伸入瓦斯抽采孔，内管伸至瓦斯抽采孔的孔底处，在内管与瓦斯抽采孔的孔壁之间注浆封孔形成密封，刚伸入瓦斯抽采孔的孔底处时，煤通过内管下端敞口处进入内管下部；使抽采接口连接瓦斯抽采管路，排渣接口连接排渣管，使中心管连接注水电磁阀和注气电磁阀，使注水电磁阀连接注水管，使注气电磁阀连接注气管；使注水管连接增压泵，注气管连接高压气源；
第二步骤是注水排渣；
打开增压泵、注水电磁阀和排渣电磁阀，通过中心管向内管的底部通入高压水，在内管下部形成煤水混合物；在水压作用下，内管下部的煤水混合物经过内管与中心管之间的环形的抽采腔向上进入上管，通过排渣管排入巷道排水沟内；
工作人员观察到排渣管排出的煤水混合物中的煤渣基本消失时或者注水排渣进行时间达到30分钟时，结束第二步骤，进行第三步骤；
第三步骤是注气排水；
关闭增压泵和注水电磁阀，打开注气电磁阀，通过中心管向内管的底部通入高压气；在气压作用下，内管下部的煤水混合物经过内管与中心管之间的环形的抽采腔向上进入上管，接着通过排渣管排入巷道排水沟内；
在巷道内观察到排渣管排出的水基本消失并排出大量气体时或注气排水的时间达到30分钟时，关闭注气电磁阀；
第四步骤是进行瓦斯抽采作业；具体是打开抽采电磁阀关闭注水电磁阀、注气电磁阀和排渣电磁阀，进行瓦斯抽采作业。
本发明具有如下的优点：
使用本发明，能够通过注水排渣将抽采管底部的煤渣排入巷道排水沟内，排渣过程中，抽采管周边的一部分煤也会进入抽采管底部一并排走，因而排渣后，抽采管周边的煤的密实度下降，煤中孔隙增多增大，透气性显著提高，进而明显提高瓦斯抽采的效率。
本发明中的抽采管下端敞口，因而在伸入煤层时阻力更小。
抽采管包括同轴线设置的上管和下管，便于装配，且非常便于根据瓦斯抽采孔深度调节矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备的长度。在调节抽采管的长度时，只需要更换不同长度的下管和中心管即可，无须整体更换抽采管，提高了产品利用率。
下管包括外管和内管，在需要调节矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备的长度时，不需要更换上管和下管中的外管，只需要更换不同长度的内管和中心管即可，进一步方便了调节矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备的长度，提高产品各部件的整体利用率。
下密封结构设置简单，便于在更换内管后在外管下端和内管外壁之间形成密封，防止注水或注气时内管和外管之间的配合间隙向下漏压。
上密封结构通过顶密封圈和上密封圈在中心管伸出上管的部位实现了良好的密封，防止注水或注气时此处漏压。
本发明能够较为彻底的排出孔内积水，消除水封效应，降低孔内水分，从根本上打通瓦斯流动通道，同时抽采管周边的一部分煤也会进入抽采管底部一并排走，因而排渣后，抽采管周边的煤的密实度下降，煤中孔隙增多增大，透气性显著提高，通过现场试验表明显著提高了瓦斯抽采效率。本发明实现了下向瓦斯抽采孔和小角度水力化措施孔的排渣、排水、抽采一体化，通过阀门控制实现三个过程的快速切换。且能根据现场情况进行不同循环组合，如在瓦斯抽采孔内有补给水源时，可进行排水、抽采自动循环；经过一段时间抽采后，在地应力作用下煤体产生蠕变变形，煤层透气性降低时，可再次进行排渣作业，以提高煤层透气性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备包括用于伸入煤层下向瓦斯抽采孔的抽采管，抽采管（内管6）下端敞口；抽采管内同轴线套设有用于注水注气提高透气性的中心管1，中心管1下端位于抽采管底部；抽采管侧壁底部均匀设有多个用于抽采瓦斯的抽采用孔，中心管1与抽采管之间围成环形的抽采腔2，抽采管侧壁顶部设有抽采接口3和排渣接口4，抽采接口3和排渣接口4均与抽采腔2相连通，抽采接口3用于连接瓦斯抽采管路，排渣接口4用于连接排渣管，排渣管通入巷道排水沟；瓦斯抽采管路上设有抽采电磁阀，排渣管上设有排渣电磁阀；下向瓦斯抽采孔即向下延伸的瓦斯抽采孔。
抽采管上端（具体是上管5上端）封闭，中心管1上端向上伸出抽采管并连接有注水电磁阀和注气电磁阀，中心管1通过注水电磁阀连接注水管，中心管1通过注气电磁阀连接注气管，注水管用于连接增压泵，注气管用于连接高压气源（如空气压缩机或者高压气罐）。
抽采用孔（在管上设置多个孔）、电磁阀、注水管、增压泵和高压气源均为常规技术，图未示抽采电磁阀、排渣电磁阀、注水电磁阀、注气电磁阀、增压泵、注水管和高压气源。
本发明能够较为彻底的排出瓦斯抽采孔内积水，消除水封效应，从根本上打通瓦斯流动通道，同时抽采管周边的一部分煤也会进入抽采管底部一并排走，因而排渣后，抽采管周边的煤的密实度下降，煤中孔隙增多增大，透气性显著提高，现场试验也表明显著提高了瓦斯抽采效率。本发明中的抽采管下端敞口，因而在伸入煤层时阻力更小。
抽采管包括同轴线设置的上管5和下管，上管5和下管通过法兰结构8对接在一起，法兰结构8处设有密封垫；抽采用孔设于下管底部。
法兰结构8设置密封垫为现有常规技术，图未示密封垫。抽采管包括同轴线设置的上管5和下管，便于装配，且非常便于根据瓦斯抽采孔深度调节矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备的长度。在调节抽采管的长度时，只需要更换不同长度的下管和中心管1即可，无须整体更换抽采管，提高了产品利用率。
下管包括外管7和套设在外管7内的内管6，内管6外壁和外管7内壁相贴合，外管7和内管6通过螺栓固定连接在一起；
外管7通过法兰结构8与上管5对接在一起，内管6下部向下伸出外管7并用于伸至瓦斯抽采孔的孔底，抽采用孔均匀分布在内管6下部。
下管包括外管7和内管6，在需要调节矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备的长度时，不需要更换上管5和下管中的外管7，只需要更换不同长度的内管6和中心管1即可，进一步方便了调节矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备的长度，提高产品各部件的整体利用率。
外管7下端与内管6外壁之间设有下密封结构，下密封结构包括下密封套9，下密封套9套设在外管7和内管6之外，下密封套9上部与外管7外壁螺纹连接，下密封套9下部设有缩径部分10，缩径部分10与外管7底端之间压设有下密封圈。密封圈为常规装置，图未示下密封圈。下密封结构设置简单，便于在更换内管6后在外管7下端和内管6外壁之间形成密封，防止注水或注气时内管6和外管7之间的配合间隙向下漏压。
中心管1向上伸出抽采管的上管5的部分与上管5顶端之间设有上密封结构，上密封结构包括与中心管1固定连接的上密封座11，上密封座11底部与上管5顶壁之间压设有顶密封圈12；
上密封座11外螺纹连接有上密封套13，上密封套13上部卡设有压筒14，压筒14与上密封座11顶端之间压设有上密封圈15。
上密封结构通过顶密封圈12和上密封圈15在中心管1伸出上管5的部位实现了良好的密封，防止注水或注气时此处漏压。
本发明还公开了使用上述矿用下向钻孔排水排渣抽采一体化装备进行的瓦斯抽采方法，按以下步骤进行：
第一步骤是打孔和安装；
将本发明中的下管向下伸入瓦斯抽采孔，内管6伸至瓦斯抽采孔的孔底处，在内管6与瓦斯抽采孔的孔壁之间注浆封孔形成密封，刚伸入瓦斯抽采孔的孔底处时，煤通过内管6下端敞口处进入内管6下部；使抽采接口3连接瓦斯抽采管路，排渣接口4连接排渣管，使中心管1连接注水电磁阀和注气电磁阀，使注水电磁阀连接注水管，使注气电磁阀连接注气管；使注水管连接增压泵，注气管连接高压气源；
第二步骤是注水排渣；
打开增压泵、注水电磁阀和排渣电磁阀， 通过中心管1向内管6的底部通入高压水，
在内管6下部形成煤水混合物；在水压作用下，内管6下部的煤水混合物经过内管6与中心管1之间的环形的抽采腔2向上进入上管5，通过排渣管排入巷道排水沟内；
工作人员观察到排渣管排出的煤水混合物中的煤渣基本消失时或者注水排渣进行时间达到30分钟时（此处基本消失由工作人员观察而定，并不需要有精确的定量标准；即便还有小颗粒煤未排净，也不影响后期工序效果），结束第二步骤，进行第三步骤；
第三步骤是注气排水；
关闭增压泵和注水电磁阀，打开注气电磁阀，通过上管中心管1向内管6的底部通入高压气；在气压作用下，内管6下部的煤水混合物经过内管6与中心管1之间的环形的抽采腔2向上进入上管5，通过排渣管排入巷道排水沟内；
在巷道内观察到排渣管排出的水基本消失并排出大量气体时或注气排水的时间达到30分钟时（此处基本消失由工作人员观察而定，并不需要有精确的定量标准；即便还有小部分水未排净，也不影响后续的抽采瓦斯作业），关闭注气电磁阀（如果高压气源为空气压缩机，则同时关闭空气压缩机）；
第四步骤是进行瓦斯抽采作业；具体是打开抽采电磁阀关闭注水电磁阀、注气电磁阀和排渣电磁阀，进行瓦斯抽采作业。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
