煤矿在施工瓦斯抽放钻孔时，配套需要使用钻机、钻杆、水便轴等，而水便轴的好坏直接影响钻孔施工质量和速度，在急倾斜煤与瓦斯突出煤层钻孔施工过程中体现尤为明显。水便轴主要由水便壳、软皮碗、钻杆短接、滚珠轴承、堵头等构成，使用过程中存在的主要问题：（1）钻杆与水便轴相联处经常容易漏风、漏水，其主要原因为：水便轴的水便壳头部有四个眼孔，侧面亦有一个眼孔，当使用时间过久、有杂物进入、老化、工人操作失误等都会造成；滚珠轴承不防水且容易损坏；水便轴堵头与水便壳连接无密封圈；高压缠绕管与水便轴堵头连接成垂直关系，在使用的过程中容易与钻机滑槽相碰挂断；（2）水便轴套内软皮碗和轴承容易损坏；（3）水便轴在使用中损坏后，更换配件比较困难，并且受井下条件影响，大部分配件是一次性的，无法重复使用；（4）不能承受30～50Mpa压力。根据绿水洞煤矿2011年瓦斯等级鉴定，瓦斯绝对涌出量22.43m3/min，相对涌出量12.48m3/t，二氧化碳绝对涌出量11.42m3/min，相对涌出量6.36m3/t，鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井，所开采煤层为单一煤层，矿井无保护层可采，预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的主要措施，煤层透气性系数为0.010261～0.022090m2/MPa2.d，其均值为0.0161755m2/MPa2.d，以透气性系数为主要指标，以瓦斯流量衰减系数为辅助指标，绿水洞煤矿K1煤层属于较难抽放煤层。为解决矿单一低透气性对瓦斯抽采的制约和限制，采用水力割缝、水力压裂等技术来实现煤层增透，但这对水便轴的要求就更为苛刻，迫切需要能够承受高压的装置。

 

　　2钻杆送水器研究与制造

 

　　2.1结构改进

 

　　钻杆送水器充分吸收水便轴的基础结构，对存在的问题和缺点进行改进，结构见图1。

 

　　（1）改进原水便轴堵头，高压缠绕管与堵头的连接方式由垂直改成了水平连接方式，增添钻杆送水套堵头与钻杆送水套“O”型密封圈（80mm×3.1mm），使钻杆送水器不漏风或不漏水。（2）水便轴采用的软皮碗，钻杆送水器改为盘根凸槽、盘根、盘根凹槽结构，内环镶铜，不容易损坏轴承连接杆。（3）水便轴采用的是滚珠轴承，承受水压的能力较小，对于高压水基本不能使用；钻杆送水器采用的是滚柱轴承，能够承受35Mpa以下的高压水或风。（4）水便轴的水便壳原设计有5个眼孔，容易漏风或漏水；钻杆送水器的钻杆送水套无眼孔，减少施工过程中造成的漏风漏水。（5）水便轴的水便壳采用的光面45号钢材，钻杆送水器的钻杆送水套表面采用的是辊花纹的45号钢材，在取钻杆送水器或加钻杆送水器的时候起到防滑作用。

 

　　2.2主要功能

 

　　该钻杆送水器主要的功能是给孔底钻头送风或送水，正常施工钻孔时送风，在扩孔的时候用高压乳化泵送水。当需要送风时钻杆送水器连接螺杆式压风机的风管，当需要送水时钻杆送水器连接普通水管或高压乳化泵的泵管，通过连接主管的更换实现送风或送水，钻杆送水器通过钻杆送水套堵头的高压接首与高压缠绕管（直径Φ25mm）相连接，用U型卡予以固定，高压缠绕管采用“O”型圈密封防露水、防露风，以此钻杆送水器实现送风、送水的功能。钻杆送水器是联接在钻机设备的动力头钻杆上，通过右旋螺纹联接。

 

　　ZDY-4000S型钻机安装到位，把钻杆从动力头主轴通孔穿过，然后慢旋转通过夹持器，待通过夹持器后把钻头（Φ115mm）旋转到钻杆上，逐节加钻杆（长度为800mm），调整好钻孔的方位和倾角后，将Φ25mm的高压缠绕管连接到钻杆送水套堵头上，最后将钻杆送水器通过钻杆接首连接到最后一节钻杆上，通过钻机操作台控制钻机旋转和推进，钻杆送水器进入正常工作状态。

 

　　2.3工作原理

 

　　钻杆送水器正常工作时，其构成的配件主要有钻杆送水套堵头、盘根凸槽、盘根、垫板、盘根凹槽、轴承连接杆（30306型滚柱轴承、衬筒）、钻杆送水套、钻杆送水器短接、钻杆接首、钻杆等。钻杆送水器连接好正常工作时，钻杆送水套堵头、盘根凸凹槽、滚柱轴承衬筒、钻杆送水套不转动，钻机动力头带动钻杆旋转，30306型滚柱轴承、钻杆送水器短接、钻杆接首与钻杆一起转动，实现钻机钻杆的旋转与推进，盘根凹凸槽外、钻杆送水套堵头采用“O”型密封圈（80mm×3.1mm），盘根凹凸槽内采用盘根（10mm或15mm）密封，盘根凸槽和盘根凹槽中间采用盘根封水。

 

　　所发挥作用：（1）实现钻机孔底钻头送风或送水功能；（2）能够承受高压水或压风；（3）使用寿命较长，维修量小；（4）煤与瓦斯突出矿井煤层实现水力割缝的关键部件；（5）基本上能够杜绝杂物的侵入和漏风、漏水现象；（6）缩短直径Φ115mm瓦斯抽放钻孔瓦斯抽放时间，抽采效率提升40%～60%，有利于钻孔瓦斯自然充分排放。

 

　　钻杆送水器通过改进高压缠绕管与钻杆送水套堵头连接方式（由垂直改进为水平的连接方式）、钻杆送水套堵头增加“O”型密封圈、将原水便轴中的软皮碗改进为盘根、盘根凹凸槽结构、盘根凹凸槽外增加“O”型密封圈达到防止漏风、漏水的问题；钻杆送水器通过改进原水便轴的滚珠轴承（采用30306型滚柱轴承，配套使用衬筒，轴承不容易损坏）、改进原水便轴的水便壳（采用辊花纹钻杆送水套）来增大压力承受能力。

 

　　3钻杆送水器应用

 

　　钻杆送水器主要包括可与钻杆固定连接且呈中空结构的芯轴，芯轴圆周外部通过轴承转动连接有外壳，芯轴前段伸出外壳外部，芯轴位于外壳内部的一端设有用于轴承定位的定位环，定位环与外壳之间形成静密封连接结构，定位环与芯轴之间形成动密封连接结构，定位环的外端设有与外壳形成固定连接的冷却介质接入口，动密封连接结构设置有密封填料的填料密封结构，轴承为圆锥滚子轴承，两圆锥滚子轴承的圆锥方向相向或相背设置。根据现场实际情况，使用ZDY-4000S型钻机施工瓦斯抽采钻孔，采用自行设计的高压钻杆送水器，在切割上行钻孔时，切割点由内向外切割，沿钻孔走向每间隔3m切割一个点，切割时水压由小到大，最大切割水压力保持在20MPa，每个点切割时间控制在2min以内，最外面保留20m保安煤柱；在切割水平钻孔和下行钻孔时，切割点由内向外切割，沿钻孔走向每间隔2m切割一个点，切割时水压由小到大，最大切割水压力保持在20～25MPa，每个点切割时间控制在3min以内，最外面保留15m保安煤柱。每个切割点切割时，必须轻微地来回移动，并注意观察钻孔排渣情况，防止钻渣堵塞钻孔形成孔内高压，引起喷孔。从2012年1月至2012年12月，通过在矿井东翼3111、3112机巷采用钻杆送水器进行水力割缝增透技术，3111机巷、3112机巷两巷均已安全掘进到位，未切割前钻孔单孔流量平均为0.019671m3/min，切割后钻孔单孔流量平均为0.083286m3/min，切割后的钻孔瓦斯流量较未切割的钻孔平均提高4.234倍。实践证明，该套钻杆送水器比较适用于水力割缝时采用，具有耐高压、密封效果好、使用寿命长，且结构简单、装拆和维修方便、操作安全等特点。

 

　　4主要结论

 

　　4.1采用自主研究制造的高压钻杆送水器成功应用在单一低透气性急倾斜煤与瓦斯突出矿井水力割缝技术中，为增加煤层透气性，有效释放煤层压力，提高瓦斯抽采利用等做出重要贡献。

 

　　4.2水力割缝技术采用的高压钻杆送水器已获国家知识产权局实用新型和外观设计专利授权，实用新型专利号为ZL201220283795.8，外观设计专利号为ZL201230317300.4，标志着该装置取得自主知识产权，对于后期形成产业化产品提供坚实技术保障和保护壁垒机制。

 

　　4.3高压钻杆送水器作为水力割缝技术实施的关键性元件，能够承受较高压力，在对煤层切割的过程中未出现漏风、漏水现象，对现场文明生产和质量标准化创造良好条件。

 

　　4.4对瓦斯抽放钻孔实施水力割缝技术后能够有效缩短瓦斯抽放时间，增加瓦斯自然排放速度，提高抽采效率，为后续采掘工作赢取更多时间，通过实践检验，由科技成果转化出的钻杆送水器具有广泛的推广应用价值。