本發明屬于碎軟煤層增透技術研究領域，涉及一種碎軟煤層中氣動-水力協同連續鉆孔增透施工方法及系統。

背景技術：

1、煤層瓦斯防治是煤礦安全生產的核心環節，而在煤體強度低(普氏系數f＜0.8)、透氣性差(＜0.5md)的碎軟低滲煤層中，瓦斯預抽采面臨雙重技術瓶頸：其一，現有定向鉆進工藝對地層適應性不足，導致鉆孔穩定性與抽采效率難以兼顧；其二，增透改造作業連續性差，加劇孔壁損傷風險。具體表現為：①液動定向鉆進技術依賴高壓水介質驅動，雖可實現精確軌跡控制，但在碎軟煤層中易引發孔壁滲透軟化，導致塌孔率較高；并且對碎軟煤層鉆孔沖刷擾動大，極易造成孔壁失穩，造成孔內瓦斯積聚、孔壁瓦斯壓力梯度增大，導致噴孔、塌孔、卡鉆事故頻發，鉆孔深部一般不超過100m；②氣動定向鉆進技術雖通過壓縮空氣降低了對煤體的潤濕損傷，但受限于風壓排渣效率，鉆孔深度超過50m時煤粉沉積量增加，有效抽采段損失嚴重；③傳統分步施工模式需在定向成孔后退出鉆具、更換造穴裝置二次下鉆，此過程導致孔壁長時間暴露，塌孔概率增加，以及重新送鉆失敗等問題。因此，亟需開發一種集定向鉆進、動態增透與孔壁防護于一體的連續作業方法，在降低孔壁擾動的同時實現煤層透氣性的階梯式提升，從而縮短瓦斯抽采周期、保障煤礦安全高效開采。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在于，提供一種碎軟煤層中氣動-水力協同連續鉆孔增透施工方法及系統，解決現有氣動定向鉆孔受限于風動排渣，孔內煤渣沉積，容易影響抽采效果等問題，本發明采用先氣動定向成孔，到達增透孔段后采用液動增透的方式，氣動/水力雙模動力無縫切換技術進行成孔與增透連續作業，將適用于碎軟煤層中氣動定向鉆孔結合水力機械造穴，實現在碎軟煤層中鉆孔并有效提升煤層的透氣性，從而增加瓦斯抽采效果。

2、為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：

3、一種碎軟煤層中氣動-水力協同連續鉆孔增透施工方法，包括以下步驟：

4、s1，鉆場及鉆孔準備：根據煤礦平面構造圖以及采掘工程平面圖，設計鉆場及開孔位置；根據煤層展布，設計定向鉆孔軌跡；

5、s2，氣動定向成孔：連接鉆具，開孔時以壓縮氮氣為動力介質，高壓氮氣通過高強度螺旋通纜鉆桿中氣液通道，驅動氣液兩用螺桿馬達帶動雙模復合鉆頭回轉碎巖，完成碎軟煤層段鉆孔施工，形成初始鉆孔；

6、s3，動力模式切換：當鉆頭到達目標位置時，通過孔底聲波發生器發送編碼指令，觸發智能切換閥組將動力介質由壓縮氮氣切換為高壓水流；

7、s4，水力機械造穴：通過高強度螺旋通纜鉆桿中氣液通道注入高壓水，觸發雙模復合鉆頭的刀臂展開，切割齒接觸煤巖開始造穴；

8、s5，動態參數調節：建立刀臂展開幅度與煤層強度的映射關系，基于隨鉆測量的扭矩值與位移量，實時調節刀臂展開幅度；

9、s6，護孔強化鉆進：完成造穴段施工后，切換回氣動模式進行掃孔，切換回氣動模式并注入速凝型高分子護壁劑，推進3-5m形成穩定孔壁；

10、s7，退鉆下篩管，每個鉆孔擴孔完成后，采用篩管完孔方式護孔；

11、s8，封孔，封孔采用安爾特兩堵一注人工封孔模式；

12、s9，連孔抽采，封孔結束后將鉆孔通過蛇形軟管與巷道內的抽放支管連接起來。

13、本發明還包括如下技術特征：

14、具體的，所述s2中，連接鉆具依次為雙模復合鉆頭、氣液兩用螺桿馬達、下無磁鉆桿、隨鉆測量短節、上無磁鉆桿、孔底聲波發生器、高強度螺旋通纜鉆桿，再連接氣液兩用器、高壓管路、智能切換閥組，智能切換閥組分別連接制氮機和泥漿泵車以及防爆電腦。

15、具體的，所述s2中鉆孔施工時，整個鉆桿柱不旋轉，僅孔底氣液兩用螺桿馬達帶動雙模復合鉆頭回轉碎巖，在給進力作用下向前鉆進延伸，對碎軟煤層擾動小，不易塌孔；鉆孔軌跡控制通過改變孔底氣液兩用螺桿馬達彎角的方向實現，隨鉆測量短節將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角數據實時傳輸到孔口監視器內進行處理，形成鉆孔實鉆軌跡并顯示，調整工具面向角能調整鉆孔軌跡或糾偏。

16、具體的，所述s3中，智能切換閥組包括磁控式分流閥以及雙動力渦輪機組，當時進行氣動定向鉆進時，控制磁控式分流閥打開雙動力渦輪機組中的氣動渦輪，氣動渦輪驅動切削頭鉆進，到達需要造穴位置后，通過孔底聲波發生器發送編碼指令，打開雙動力渦輪機組中的水力渦輪，從而驅動雙模復合鉆頭中的刀臂徑向展開，進行擴孔造穴。

17、具體的，所述s3中，停供高壓氮氣并啟動高壓水泵，切換延時控制在3-5秒；通過鉆桿振動信號校驗切換狀態，當檢測到特征頻率f＝150±10hz的振動波形時，確認切換完成。

18、具體的，所述雙模復合鉆頭包括鉆頭本體、刀臂、切割齒、四翼平底鉆頭、液壓彈簧、連接桿、活塞和活塞限位器；所述鉆頭本體兩端分別為螺桿馬達接頭和四翼平底鉆頭，鉆頭本體中心通孔內依次布設液壓彈簧、活塞和活塞限位器；刀臂及切割齒設在鉆頭本體側壁鏤空處，連接桿兩端分別連接活塞和刀臂后端。

19、具體的，所述s4中，高壓水通過高強度螺旋通纜鉆桿中氣液通道注入，觸發雙模復合鉆頭中的驅動液壓彈簧推動活塞，活塞移動時牽引連接桿，從而使刀臂展開，此時活塞限位器打開，防止刀臂收縮，刀臂上的切割齒接觸煤巖開始造穴。

20、具體的，所述s5中，刀盤展開幅度與煤層強度的映射關系如下式所示，基于隨鉆測量的扭矩值與位移量，實時調節刀盤展開幅度；

21、

22、式中：d-刀盤展開量，mm；k-煤體特性系數；pmax-水射流壓力，mpa；σc-煤層抗壓強度，mpa。

23、一種碎軟煤層中氣動-水力協同連續鉆孔增透系統，該系統用于實現所述的碎軟煤層中氣動-水力協同連續鉆孔增透施工方法；

24、該系統包括能依次相連接的雙模復合鉆頭、氣液兩用螺桿馬達、下無磁鉆桿、隨鉆測量短節、上無磁鉆桿、孔底聲波發生器、高強度螺旋通纜鉆桿、螺旋接口、氣液兩用器、高壓管路、智能切換閥組，還包括智能切換閥組分別的連接制氮機和泥漿泵車以及防爆電腦。

25、具體的，所述雙模復合鉆頭包括鉆頭本體、刀臂、切割齒、四翼平底鉆頭、液壓彈簧、連接桿、活塞和活塞限位器；所述鉆頭本體兩端分別為螺桿馬達接頭和四翼平底鉆頭，鉆頭本體中心通孔內從后向前依次布設液壓彈簧、活塞和活塞限位器；刀臂及切割齒設在鉆頭本體側壁鏤空處，連接桿兩端分別連接活塞和刀臂后端；

26、所述刀臂包括相互鉸接的刀臂前段和刀臂后段，在鉸接處設有切割齒；刀臂前段靠近四翼平底鉆頭且其前端與鉆頭本體側壁鉸接；刀臂后段的后端與連接桿鉸接；活塞軸向移動能驅動連接桿拉動刀臂后段移動從而使刀臂前段和刀臂后段鉸接處切割齒徑向伸縮。

27、本發明與現有技術相比，具有如下技術效果：

28、本發明基于碎軟煤層的展布特征進行瓦斯預抽鉆孔設計鉆孔，采用氣動定向鉆進系統完成碎軟煤層段鉆孔成孔，鉆孔鉆進至增透段切換動力模式至水力造穴狀態，利用高強度螺旋通纜鉆桿氣液通道向液壓彈簧提供高壓水，驅動刀盤徑向展開，根據實時扭矩-位移參數動態調節刀盤幅度，對鉆孔進行造穴，分段造穴后切換回氣動模式實施護孔鉆進，鉆孔終孔后實施水力沖孔-注漿封孔聯合作業，形成強化抽采孔。

29、本發明方法核心是氣動/水力雙模動力無縫切換技術將氣動定向和擴孔結合實現成孔與增透連續作業，具體通過特制的雙模鉆頭以及氣液兩用馬達，以及智能控制閥切換動力源實現氣動鉆進與增透的結合。本發明通過氣動定向鉆進有效解決碎軟煤層鉆進過程中塌孔導致無法鉆進的問題，同時通過鉆孔-增透連續作業解決退鉆后二次下鉆時送鉆困難的問題。

30、本發明最小程度的減小對碎軟煤層的擾動，瓦斯抽采通道受破壞程度降低，該成孔方式能較好的適應碎軟煤層環境，液動增透彌補氣動成孔排渣效果差的缺點，水力-機械造穴過程中，出煤量大，且水力排渣，孔內積渣少，增透效果較好。

31、本發明針對低滲煤層或需快速預抽的工作面，能夠有效的提高抽采效果、縮短抽放時間，降低煤層瓦斯含量進而降低工作面瓦斯涌出量，達到治理瓦斯的目的。