CN110497320A - 后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置及割缝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿井下打孔后的卸压增透以及瓦斯抽技术领域，具体公开了一种后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置及割缝方法，装置包括气体发生组件，与气体发生组件出气端相连的磨料供给组件，与气体发生组件和磨料供给组件出口同时相连的气固两相旋转输送器，所述气固两相旋转输送器出口设有第一双层钻杆，第一双层钻杆出口设有钻机，所述钻机出口还设有第二双层钻杆，第二双层钻杆端部设有用于煤层割缝的后混合钻头，本装置将空气压缩机提供的压力通过减压阀分成压力差较大的两支气路，并使用气固两相旋转输送器将低压磨料气体和高压气体同时输送至本发明中的双层钻杆中，最后在钻头部采用射流泵技术进行后混合产生良好的割缝效果。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下打孔后的卸压增透以及瓦斯抽技术领域，尤其涉及一种后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置及割缝方法。
背景技术
煤与瓦斯是煤矿中常见的事故之一，严重影响着我国煤炭资源的开采，通过在高瓦斯、低透气性煤层内施工抽采钻孔，进行瓦斯抽采是控制煤矿瓦斯灾害，实现瓦斯能源综合利用的重要手段。但随着开采深度加大，地质条件的进一步复杂使井下瓦斯抽采更加困难，因此需要进一步强化瓦斯抽采技术。目前井下多使用水力化措施通过增加煤层裂隙数量、释放煤层应力、改善煤层渗透性来强化瓦斯抽采效果，但是在松软煤层中水力化卸压技术会导致塌孔、堵孔现象反而减弱了瓦斯抽采效果，并且水对煤层中瓦斯的解析和运移会产生不利影响，研究表明水力压裂等外来流体侵入煤层后, 由于毛细管力滞留作用, 孔隙负压不能将外来流体完全排出煤层, 使煤层含水饱和度增加, 瓦斯渗透率降低, 水的后置侵入不仅会使瓦斯解吸量大大减少, 而且还会使瓦斯解析的终止时间提前，现有的前混式高压磨料气体射流很难应用于井下现场实际生产中，并且前混式供料对管路磨损十分严重。
发明内容
本发明的目的是提供一种后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置及割缝方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，包括气体发生组件，与气体发生组件出气端相连的磨料供给组件，与气体发生组件和磨料供给组件出口同时相连的气固两相旋转输送器，所述气固两相旋转输送器出口设有第一双层钻杆，第一双层钻杆出口设有钻机，所述钻机出口还设有第二双层钻杆，第二双层钻杆端部设有用于煤层割缝的后混合钻头。
进一步的，所述气体发生组件包括螺杆式空气压缩机，与螺杆式空气压缩机通过管道相连的储气罐，螺杆式空气压缩机与储气罐之间的管路上还设有压力表，储气罐两端的进出口处均设有针阀，储气罐出口通过三通将管路分为低压输气管路和高压输气管路，所述高压输气管路上设有第一减压阀，低压输气管路上设有第二减压阀，所述低压输气管路与磨料供给组件相连，所述高压输气管路与气固两相旋转输送器相连。
进一步的，所述磨料供给组件包括与低压输气管路相连的低压气路一、低压气路二和磨料罐，所述低压气路一和低压气路二是由低压输气管路通过三通分别联通的，所述磨料罐上还设有磨料进口，磨料罐底部设有磨料流量控制阀，所述低压气路一通过三通与磨料流量控制阀下端的磨料出口管道相连，低压气路二与磨料罐进口管路相连，磨料出口管道与气固两相旋转输送器相连，所述低压气路一上设有第三减压阀，低压气路二上设有第四减压阀。
进一步的，所述气固两相旋转输送器包括外壳，以及与外壳相连的供气管路和供砂管路，所述供气管路与高压输气管路相连通，所述供砂管路与磨料出口管路相连通，所述外壳内还设有旋转密封组件，所述旋转密封组件内部设有与供气管路和供砂管路分别连通的通道，旋转密封组件出口设有一个与其内部管道相连通的第一双层钻杆，第一双层钻杆和第二双层钻杆之间通过一个钻机相连通。
进一步的，所述第一双层钻杆和第二双层钻杆均包括外杆和内杆，内杆为高压气路，内杆和外杆之间为低压磨料气路，所述外杆一端设有外杆母接头，外杆另一端设有外杆公接头，所述内杆上靠近外杆母接头一端设有内杆公接头，内杆上靠近外杆公接头一端设有内杆母接头，所述内杆上靠近内杆公接头右侧设有环形凹槽，所述内杆和外杆之间还设有钻杆挡板。
进一步的，所述钻杆挡板为圆形，钻杆挡板中心设有高压气路透气孔，钻杆挡板圆周设有多个低压磨料气路透气孔。
进一步的，所述后混合钻头包括钻头本体，位于钻头本体右侧的切割齿，钻头本体左侧中心轴向设有高压气体管路，所述高压气体管路与第二双层钻杆的高压气路连通设置，高压气体管路端部径向对称设置有射流泵喷嘴，钻头本体高压气体管路外侧设有低压磨料气体管路，所述低压磨料气体管路出口与射流泵喷嘴之间形成一个出口通道，出口通道根部形成一个矩形的吸入室，出口通道侧壁通过设置的喉部形成喇叭状的出口通道，出口通道最窄处为混合管，混合管外侧为扩散管，所述低压磨料气体管路与第二双层钻杆最右端低压磨料气路相连通。
一种利用后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压增透装置的割缝方法，包括以下步骤：
（1）使用钻机钻孔，钻至设计孔深处停钻，退钻至所需割缝位置处；
（2）打开螺杆式空气压缩机和储气瓶，调节第一、第二、第三减压阀，关闭第四减压阀和磨料流量控制阀，利用高压气体清洗管路、双层钻杆及钻头。
（3）提前将磨料罐加入磨料，调节第一及第二减压阀使两个管路形成高、低压气体，调节第三、第四减压阀使低压气路二压力大于低压气路一控制磨料罐内气压使磨料顺利加入气路，进一步调节磨料流量控制阀控制气路内磨料质量流量，低压磨料气体和高压气体经双层钻杆输送至后混合钻头经喷嘴喷出后对煤层进行冲蚀，在钻孔内随着钻头旋转形成高压环形磨料射流对煤体切割，观察钻孔孔口出煤情况直至孔口无煤屑涌出后继续下一个位置处进行割缝操作，完成该钻孔煤段的割缝后关闭所有减压阀以及螺杆式空气压缩机；
（4）使用完成后重复（2）中操作步骤，使用高压气清洗管路、双层钻杆、后混合钻头，退钻重复步骤（3）进行下个孔的割缝操作。
进一步的，所述步骤（2）中高压气路压力为4MPa，低压气路为0.3MPa时磨料质量流量为10g/s，割缝深度为1m，且割缝过程中，要轻压慢转。
本发明具有的优点是：
1.本装置将空气压缩机提供的压力通过减压阀分成压力差较大的两支气路，并使用气固两相旋转输送器将低压磨料气体和高压气体同时输送至本发明中的双层钻杆中，最后在钻头部采用射流泵技术进行后混合产生良好的割缝效果；
2.采用气固两相旋转输送器和双层钻杆分别运输磨料和高压气体在钻头处后混合的方法相较于前混合方法能有效减少对钻杆和管路的磨损，降低了高压气体的压力降、减少其沿程能量损失，提高了磨料气体射流破煤的效果；
3.后混合钻头采用射流泵技术，更加安全高效，可以通过阀体调节高压气路压力和低压磨料气体的质量流量来适应不同破煤方式，改善煤层割缝效果；
4.钻头侧壁径向布置的混合管、扩散管组合作用等效于拉法尔喷嘴，可对混合后的高压磨料气体进一步加速从而改善割缝效果；
5.相较于水力化措施使用高压磨料气体射流进行割缝可以有效减少塌孔、堵孔等现象，避免水锁情况出现，改善煤层卸压增透效果，可以进一步强化瓦斯抽采效率。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2为本发明中气固两相旋转输送器剖面图；
图3为本发明中双层钻杆剖面图；
图4为本发明中双层钻杆挡板示意图；
图5为本发明中后混合钻头剖面图；
1、螺杆式空气压缩机；2、压力表；3、储气罐；4、针阀；5、第一减压阀；6、第二减压阀；7、低压输气管路；8、高压输气管路；9、第三减压阀；10、第四减压阀；11、磨料罐；12、磨料流量控制阀；13、气固两相旋转输送器；13.1、供气管路；13.2、供砂管路；13.3、外壳；13.4、旋转密封组件；14、钻机；15、第二双层钻杆；15.1、外杆母接头；15.2、内杆公接头；15.3、环形凹槽；15.4、钻杆挡板；15.41、低压磨料气路透气孔；15.42、高压气路透气孔；15.5、低压磨料气路；15.6、高压气路；15.7、外杆公接头；15.8、内杆母接头；16、后混合钻头；16.1、低压磨料气体管路；16.2、高压气体管路；16.3、吸入室；16.4、射流泵喷嘴；16.5、混合管；16.6、扩散管；17、第一双层钻杆。
具体实施方式
如图所示，一种后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，包括气体发生组件，与气体发生组件出气端相连的磨料供给组件，与气体发生组件和磨料供给组件出口同时相连的气固两相旋转输送器13，所述气固两相旋转输送器13出口设有第一双层钻杆17，第一双层钻杆17出口设有钻机14，所述钻机14出口还设有第二双层钻杆15，第二双层钻杆15端部设有用于煤层割缝的后混合钻头16。
所述气体发生组件包括螺杆式空气压缩机1，与螺杆式空气压缩机1通过管道相连的储气罐3，螺杆式空气压缩机1与储气罐3之间的管路上还设有压力表2，储气罐3两端的进出口处均设有针阀4，储气罐3出口通过三通将管路分为低压输气管路7和高压输气管路8，所述高压输气管路8上设有第一减压阀5，低压输气管路7上设有第二减压阀6，所述低压输气管路7与磨料供给组件相连，所述高压输气管路8与气固两相旋转输送器13相连，具体使用时通过减压阀调节形成高、低压气路，再经输气管路中的低压输气管路7和高压输气管路8将高、低压气体输送至磨料供给组件和气固两相旋转输送器13。
进一步的，所述磨料供给组件包括与低压输气管路7相连的低压气路一、低压气路二和磨料罐11，所述低压气路一和低压气路二是由低压输气管路7通过三通分别联通的，所述磨料罐11上还设有磨料进口，磨料罐11底部设有磨料流量控制阀12，磨料流量控制阀可以控制气路中磨料质量流量从而改善割缝效果，所述低压气路一通过三通与磨料流量控制阀12下端的磨料出口管道相连，低压气路二与磨料罐11进口管路相连，磨料出口管道与气固两相旋转输送器13相连，所述低压气路一上设有第三减压阀9，低压气路二上设有第四减压阀10，通过调节第四减压阀使低压气路二压力大于第三减压阀控制的低压气路一可控制磨料罐内气压使磨料顺利加入气路。
进一步的，所述气固两相旋转输送器13包括外壳13.3，以及与外壳13.3相连的供气管路13.1和供砂管路13.2，所述供气管路13.1与高压输气管路8相连通，所述供砂管路13.2与磨料出口管路相连通，所述外壳13.3内还设有旋转密封组件13.4，所述旋转密封组件13.4内部设有与供气管路13.1和供砂13.2分别连通的通道，旋转密封组件13.4出口设有一个与其内部管道相连通的第一双层钻杆17，第一双层钻杆17和第二双层钻杆15之间通过一个钻机14相连通。
进一步的，所述第一双层钻杆17和第二双层钻杆15均包括外杆和内杆，内杆为高压气路15.6，内杆和外杆之间为低压磨料气路15.5，所述外杆一端设有外杆母接头15.1，外杆另一端设有外杆公接头15.7，所述内杆上靠近外杆母接头15.1一端设有内杆公接头15.2，内杆上靠近外杆公接头15.7一端设有内杆母接头15.8，所述内杆上靠近内杆公接头15.2右侧设有环形凹槽15.3，所述内杆和外杆之间还设有钻杆挡板15.4; 进一步的，所述钻杆挡板15.4为圆形，钻杆挡板15.4中心设有高压气路透气孔15.42，钻杆挡板15.4圆周设有多个低压磨料气路透气孔15.41。
进一步的，所述后混合钻头包括钻头本体，位于钻头本体右侧的切割齿，钻头本体左侧中心轴向设有高压气体管路16.2，所述高压气体管路16.2与第二双层钻杆15的高压气路15.6连通设置，高压气体管路16.2端部径向对称设置有射流泵喷嘴16.4，钻头本体高压气体管路16.2外侧设有低压磨料气体管路16.1，所述低压磨料气体管路16.1出口与射流泵喷嘴16.4之间形成一个出口通道，出口通道根部形成一个矩形的吸入室16.3，出口通道侧壁通过设置的喉部形成喇叭状的出口通道，出口通道最窄处为混合管16.5，混合管16.5外侧为扩散管16.6，所述低压磨料气体管路16.1与第二双层钻杆15最右端低压磨料气路15.5相连通。
一种利用后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压增透装置的割缝方法，包括以下步骤：
（1）使用钻机钻孔，钻至设计孔深处停钻，退钻至所需割缝位置处；
（2）打开螺杆式空气压缩机和储气瓶，调节第一、第二、第三减压阀，关闭第四减压阀和磨料流量控制阀，利用高压气体清洗管路、双层钻杆及钻头；
（3）提前将磨料罐加入磨料，调节第一及第二减压阀使两个管路形成高、低压气体，调节第三、第四减压阀使低压气路二压力大于低压气路一控制磨料罐内气压使磨料顺利加入气路，进一步调节磨料流量控制阀控制气路内磨料质量流量（在高压气路压力4MPa，低压气路0.3MPa时磨料质量流量为10g/s时装置使用效果最佳割缝深度可达1m），低压磨料气体和高压气体经双层钻杆输送至后混合钻头经喷嘴喷出后对煤层进行冲蚀，在钻孔内随着钻头旋转形成高压环形磨料射流对煤体切割（割缝过程中，要注意轻压慢转），观察钻孔孔口出煤情况直至孔口无煤屑涌出后继续下一个位置处进行割缝操作，完成该钻孔煤段的割缝后关闭所有减压阀以及螺杆式空气压缩机；
（4）使用完成后重复（2）中操作步骤，使用高压气清洗管路、双层钻杆、后混合钻头，退钻重复步骤（3）进行下个孔的割缝操作。
具体使用时，经混合的低压磨料气体通过磨料流量控制阀经管道接入气固两相旋转输送器13中的供砂管路13.2，高压气路通过供气管路13.1进入气固两相旋转输送器，气固两相旋转输送器中的高压气体和低压磨料气体经旋转密封组件13.4及钻机14后分别输送至双层钻杆15的高压气路15.6和低压磨料气路15.5中，第二双层钻杆内通过高压气路15.6和低压磨料气路15.5实现高压气体和低压磨料气体的分层运输减少了对钻杆的磨损消耗并降低了高压气路的压力降，减少了其沿程能量损失，杆内设有钻杆环形挡板15.4其上开有低压磨料气路透气孔15.41保证磨料的正常运输。双层钻杆间的内杆、外杆均采用快速接头连接，内杆公接头15.2上开有环形凹槽15.3内设密封圈保证其与内杆母接头15.8连接的气密性，在第二双层钻杆末端经过低压磨料气体管路16.1，高压气体管路16.2，低压磨料气体和高压气体进入钻头，高压气体经过射流泵喷嘴16.4喷出后形成负压，外层钻杆低压磨料气体和高压气体射流的负压产生较大压差，从而带动磨料进入吸入室16.3，经混合管16.5充分混合后沿扩散管16.6喷出对煤体进行破碎，本装置将空气压缩机提供的压力通过减压阀分成压力差较大的两支气路，并使用气固两相旋转输送器将低压磨料气体和高压气体同时输送至本发明中的双层钻杆中，最后在钻头部采用射流泵技术进行后混合产生良好的割缝效果。
Claims (9)
1.一种后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：包括气体发生组件，与气体发生组件出气端相连的磨料供给组件，与气体发生组件和磨料供给组件出口同时相连的气固两相旋转输送器，所述气固两相旋转输送器出口设有第一双层钻杆，第一双层钻杆出口设有钻机，所述钻机出口还设有第二双层钻杆，第二双层钻杆端部设有用于煤层割缝的后混合钻头。
2.如权利要求1所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：所述气体发生组件包括螺杆式空气压缩机，与螺杆式空气压缩机通过管道相连的储气罐，螺杆式空气压缩机与储气罐之间的管路上还设有压力表，储气罐两端的进出口处均设有针阀，储气罐出口通过三通将管路分为低压输气管路和高压输气管路，所述高压输气管路上设有第一减压阀，低压输气管路上设有第二减压阀，所述低压输气管路与磨料供给组件相连，所述高压输气管路与气固两相旋转输送器相连。
3.如权利要求2所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：所述磨料供给组件包括与低压输气管路相连的低压气路一、低压气路二和磨料罐，所述低压气路一和低压气路二是由低压输气管路通过三通分别联通的，所述磨料罐上还设有磨料进口，磨料罐底部设有磨料流量控制阀，所述低压气路一通过三通与磨料流量控制阀下端的磨料出口管道相连，低压气路二与磨料罐进口管路相连，磨料出口管道与气固两相旋转输送器相连，所述低压气路一上设有第三减压阀，低压气路二上设有第四减压阀。
4.如权利要求3所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：所述气固两相旋转输送器包括外壳，以及与外壳相连的供气管路和供砂管路，所述供气管路与高压输气管路相连通，所述供砂管路与磨料出口管路相连通，所述外壳内还设有旋转密封组件，所述旋转密封组件内部设有与供气管路和供砂管路分别连通的通道，旋转密封组件出口设有一个与其内部管道相连通的第一双层钻杆，第一双层钻杆和第二双层钻杆之间通过一个钻机相连通。
5.如权利要求4所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：所述第一双层钻杆和第二双层钻杆均包括外杆和内杆，内杆为高压气路，内杆和外杆之间为低压磨料气路，所述外杆一端设有外杆母接头，外杆另一端设有外杆公接头，所述内杆上靠近外杆母接头一端设有内杆公接头，内杆上靠近外杆公接头一端设有内杆母接头，所述内杆上靠近内杆公接头右侧设有环形凹槽，所述内杆和外杆之间还设有钻杆挡板。
6.如权利要求5所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：所述钻杆挡板为圆形，钻杆挡板中心设有高压气路透气孔，钻杆挡板圆周设有多个低压磨料气路透气孔。
7.如权利要求6所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压装置，其特征在于：所述后混合钻头包括钻头本体，位于钻头本体右侧的切割齿，钻头本体左侧中心轴向设有高压气体管路，所述高压气体管路与第二双层钻杆的高压气路连通设置，高压气体管路端部径向对称设置有射流泵喷嘴，钻头本体高压气体管路外侧设有低压磨料气体管路，所述低压磨料气体管路出口与射流泵喷嘴之间形成一个出口通道，出口通道根部形成一个矩形的吸入室，出口通道侧壁通过设置的喉部形成喇叭状的出口通道，出口通道最窄处为混合管，混合管外侧为扩散管，所述低压磨料气体管路与第二双层钻杆最右端低压磨料气路相连通。
8.利用权利要求1-7任一所述的后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压增透装置割缝方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）使用钻机钻孔，钻至设计孔深处停钻，退钻至所需割缝位置处；
（2）打开螺杆式空气压缩机和储气瓶，调节第一、第二、第三减压阀，关闭第四减压阀和磨料流量控制阀，利用高压气体清洗管路、双层钻杆及钻头。
（3）提前将磨料罐加入磨料，调节第一及第二减压阀使两个管路形成高、低压气体，调节第三、第四减压阀使低压气路二压力大于低压气路一控制磨料罐内气压使磨料顺利加入气路，进一步调节磨料流量控制阀控制气路内磨料质量流量，低压磨料气体和高压气体经双层钻杆输送至后混合钻头经喷嘴喷出后对煤层进行冲蚀，在钻孔内随着钻头旋转形成高压环形磨料射流对煤体切割，观察钻孔孔口出煤情况直至孔口无煤屑涌出后继续下一个位置处进行割缝操作，完成该钻孔煤段的割缝后关闭所有减压阀以及螺杆式空气压缩机；
（4）使用完成后重复（2）中操作步骤，使用高压气清洗管路、双层钻杆、后混合钻头，退钻重复步骤（3）进行下个孔的割缝操作。
9.如权利要求8所述的利用后混式高压磨料气体射流煤层割缝卸压增透装置割缝方法，其特征在于：所述步骤（2）中高压气路压力为4MPa，低压气路为0.3MPa时磨料质量流量为10g/s，割缝深度为1m，且割缝过程中，要轻压慢转。
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