CN116696448A - 一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置 - Google Patents
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Abstract
一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，包括环形套筒，第一端外壁设置进气通道，进气通道与第一气体通道的入口端连通，第一气体通道在环形套筒筒壁之内延伸，第一气体通道的出口端位于环形套筒的靠近第二端的内周壁上，与环形套筒的内部空间连通，且其出气方向沿环形套筒内壁的切线方向并朝向环形套筒的第二端倾斜。使用时先将所述装置安装到钻杆上，然后通气，开钻机，通过实时检测煤水和瓦斯的泄露情况来自动调整气体流量以实现密封。通过本发明，能在钻杆和环形套筒之间形成气体涡旋，达到封堵煤水和瓦斯的效果。
Description
技术领域
本发明属于矿井瓦斯灾害防治技术领域，涉及一种新型的运动密封方法及技术。
背景技术
近年来随着煤矿开采深度不断增加，煤矿瓦斯涌出量也随之增大，为解决打钻施工过程中，煤矿瓦斯超限和煤与瓦斯突出的重大问题，迫切需要解决钻杆与钻孔三防装置运动位置的密封，以达到防止煤水与瓦斯从运动间隙之间流出，造成煤水横流或瓦斯超限，影响文明生产，威胁生产安全。
现常规的技术为通过橡胶或者毛刷等技术手段实现密封，如附图1所示，包括收集箱1，收集箱1侧壁分别设置有瓦斯抽放口2和出水口3，收集箱1两端分别设置有煤尘收集口4以及中心孔5，中心孔5供钻杆通过，在中心孔5处设置有密封件6，该密封件6由密封部601和连接在密封部601四周的固定部602组成，密封部601为弹性材料制成的具有连续的波峰和波谷的波纹结构，密封部601中心处设置有供钻杆穿过的密封唇603，密封唇603的密封面与钻杆的外圆周面相匹配。
这种密封手段无法做到在钻孔的过程中完全密封，虽然针对圆钻杆相对效果明显，但是对于非圆形状的钻杆或者刻槽钻杆，由于钻孔过程中钻杆的转动，使得密封面与钻杆的外周面无法紧密贴合，导致密封效果较差。随着矿上对瓦斯超限的安全风险的杜绝以及生产环境要求的提高，就迫切需要解决相对运动之间煤水和瓦斯的密封问题。
发明内容
本发明的目的是解决钻杆与收集箱相对运动的过程中，煤水和瓦斯外溢造成巷道瓦斯超限和煤水横流的生产安全问题。具体用于在进行防突钻孔施工时，避免煤水与瓦斯从运动钻杆和防喷收集箱之间泄露流出，造成煤水横流引起巷道及施工环境变差或造成瓦斯泄露引起巷道瓦斯超限的情况。
根据本发明的一个实施例，一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，包括环形套筒，第一端外壁设置进气通道，进气通道与第一气体通道的入口端连通，第一气体通道在环形套筒筒壁之内延伸，第一气体通道的出口端位于环形套筒的靠近第二端的内周壁上，与环形套筒的内部空间连通，且其出气方向沿环形套筒内壁的切线方向并朝向环形套筒的第二端倾斜。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道包括圆柱通孔，该圆柱通孔的轴线方向与环形套筒的轴线平行。
根据本发明的一个实施例，圆柱通孔具有多个，且沿环形套筒周向均布。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道包括圆柱螺旋气道。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道的导程h与所述环形套筒内径D之间的关系为：
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋的升角范围为30°-60°之间。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道具有多个，周向均布于环形套筒之内。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道还包括一环形通道，环形套筒第一端设置环状突起，环形通道设置于环状突起之内，进气通道的出口与环形通道相连通，每个圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的入口均与环形通道相连通。
根据本发明的一个实施例，环状突起的外径≥环形套筒的外径+环形进气通道的直径。
根据本发明的一个实施例，环状突起的轴向长度大于等于进气喷嘴的直径。
根据本发明的一个实施例，当进气通道多于一个时，于环形通道上周向均布。
根据本发明的一个实施例，当环形进气通道上设置有N个进气通道时，所有圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的横截面的面积之和小于环形进气通道的横截面的面积的2N倍。
根据本发明的一个实施例，圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的出口沿环形套筒的内壁周向均布。
根据本发明的一个实施例，圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的出口沿环形套筒的轴向分为两排，各自轴向均布且错开。
根据本发明的一个实施例，圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的直径范围为2-6mm之间。
根据本发明的一个实施例，环形套筒的内壁与钻杆外壁之间存在间隙。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道的直径是环形套筒的壁厚的1/3-2/3之间。
根据本发明的一个实施例，环形套筒的第二端外周壁上设置有螺纹段。
根据本发明的一个实施例，环形套筒内靠近第一端的位置设置有煤水感测元件和瓦斯感测元件，分别与控制***电信号连接；控制***与进气管的流量阀电信号连接。
根据本发明的一个实施例，包括如下步骤：
S1安装：将本发明的封堵煤水瓦斯压风旋流装置安装到钻机上；
S2通气：打开与所述进气通道相连通的气阀，向所述进气通道输送高压气体；
S3开钻机；
S4实时检测煤水感测元件和瓦斯感测元件的反馈结果，根据反馈结果判断是否发生泄露，如发生泄露，则调高气体流量5％-10％；循环步骤S4至作业结束；
S5作业结束后，先关钻机，再关气阀。
根据本发明的一个实施例，如瓦斯感测元件反馈的数值超过一预设阈值，则停止钻机并发出警报信号。
根据本发明的一个实施例，如气体流量已调节至最大，仍然有泄露，则停止钻机并发出警报信号。
本发明中，通过在环形套筒中设置第一气体通道并使第一气体通道的出口端的出气方向沿着环形套筒内壁的切线方向并朝向环形套筒的第二端倾斜，使得气体在套筒与钻杆之间形成一高压带，可在出气口与钻杆之间形成气封，防止煤水和瓦斯溢出。
并且，通过优选出气口角度，以及调整第一气体通道的设置方式，可使在出气口与钻杆之间形成涡旋，使密封效果达到最佳。
同时，通过设置煤水感测元件和瓦斯感测元件以及自动控制***，可根据需求自动调整气体流量，以确保密封效果，并可在发生意外的时候停机并报警，大大提高了***的安全性能。
本发明与现有技术对比，能够在打钻时完全密封相对运动的钻杆和固定的箱体之间的间隙，完全防止煤水和瓦斯的泄露。同时，还能适用于非圆形状的钻杆或者刻槽钻杆。
附图说明
图1示出了现有技术中封堵煤水瓦斯的技术方案；
图2示出了本发明的封堵煤水瓦斯压风旋流装置的立体透视图；
图3示出了本发明的一种实施例的立体透视图；
图4示出了本发明的一个实施例的立体透视图，其内部结构用虚线示出；
图5示出了本发明的另一个实施例的立体透视图，其内部结构用虚线示出；
图6示出了本发明的另一个实施例的立体透视图，其内部结构用虚线示出；
图7示出了本发明图6种实施例的另一个视角的立体透视图，其内部结构用虚线示出；
图8示出了本发明的一个实施例在使用时的装配示意图；
图9示出了本发明的图8所示的装配图沿D-D向剖开后的立体透视图；
图10示出了图9的另一个视角的示意图。
10 压风旋流装置
11 环形套筒
111第一端
112第二端
113环状突起
114螺纹段
12 进气通道
13 第一气体通道
131入口端
132出口端
133圆柱螺旋气道
134环形通道
20 螺母
30 密封装置
40 钻杆
50 收集箱
具体实施方式
现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
图2-3示出了根据本发明的一个实施例的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置10的立体透视图，包括环形套筒11，第一端111外壁设置进气通道12，进气通道12与第一气体通道13的入口端131连通，第一气体通道13在环形套筒11筒壁之内延伸，第一气体通道13的出口端132位于环形套筒11的靠近第二端112的内周壁上，与环形套筒11的内部空间连通，且其出气方向沿环形套筒11内壁的切线方向并朝向环形套筒11的第二端112倾斜。
参见附图4，示出了本发明的一个实施例，第一气体通道13包括圆柱通孔，该圆柱通孔的入口端131与进气通道12连通，靠近第一端111设置。该圆柱通孔的轴线方向与环形套筒11的中心轴线相互平行。第一气体通道13还具有一弯曲段，该弯曲段朝向环形套筒11的内壁表面延伸，并朝向环形套筒11的第二端112倾斜，具有贯穿环形套筒11的内壁的出口端132。
通过上述设置，可使得从第一气体通道13的出口端132喷出的高压气体沿着环形套筒11的内周面运动，同时还沿着环形套筒11的轴向方向朝向环形套筒的第二端112运动。在狭小空间内，上述气流即可围绕钻杆产生一个朝向环形套筒11的第二端112的压力，实现对煤水和瓦斯的封堵。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道13具有多个，且沿环形套筒11周向均布。通过这种设置，使得第一气体通道13的出口端132于环形套筒11的内周面上周向均布，多个出口端132同时对着环型套筒内部的空间喷射高压气体，将更容易形成气流涡旋，使得密封效果更为均匀。
参见附图4，该实施例中设置了4个进气通道12，并且在第一端111之内设置了一环形通道，4个进气通道12的末端均与环形通道相连通。还设置了6个第一气体通道13，这6个第一气体通道13的入口端均与环形通道相连通，其圆柱通孔部分在环形套筒11的筒壁内沿轴向延伸，且沿周向均布。
可以理解地，也可以设置与第一气体通道13数量相同的进气通道12，使每个进气通道12一一对应地与第一气体通道13直接连通，而不必设置环形通道。
为了保证整体结构的强度以及气体通道的强度，优选使得圆柱通孔部分的中心轴线位于环形套筒11的筒壁的厚度的中心。
参见附图5，示出了本发明的另一个实施例。与附图4中的实施例不同的地方在于，其设置有4个进气通道12以及8个第一气体通道13。
可以理解地，进气通道12的数量和第一气体通道13的数量可以根据需求设置。
参见附图6-7，示出了本发明的另一个实施例，其中，第一气体通道13包括圆柱螺旋气道133。圆柱螺旋气道133被设置在环形套筒11的筒壁之内，沿着环形套筒11的轴向以及周向延伸。圆柱螺旋气道133的入口端可以直接与进气通道12相连通，圆柱螺旋气道133的出口端位于环形套筒11的内壁上，靠近第二端112的位置处。
通过将第一气体通道13设置为圆柱螺旋形，可以进一步改善从出口端喷出的气流的运动方向和速度，从而获得更佳的密封效果。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道133的导程h与所述环形套筒内径D之间的关系为：优选数值范围为30-150mm。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道133的旋向为左旋或者右旋。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋的升角范围为30°-60°之间，优选为45°。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道133具有多个，周向均布于环形套筒11之内。
圆柱螺旋气道133优选为6-8个。
通过上述设置，可使得圆柱螺旋气道133的出口端132于环形套筒11的内周面上周向均布，多个出口端132同时对着环型套筒内部的空间喷射高压气体，将更容易形成气流涡旋，使得密封效果更为均匀。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道13还包括一环形通道134，环形套筒11第一端111设置环状突起113，环形通道134设置于环状突起113之内，进气通道12的出口与环形通道134相连通，每个圆柱螺旋气道133的入口均与环形通道134相连通。
通过上述设置方式，高压气体由进气通道12的出口进入到环形通道134之中，沿环形通道134向两侧前进，通过圆柱螺旋气道133的入口进入到圆柱螺旋气道133之中。如此设置，可减少进气通道12的数量，进而减少进气接头以及气管的数量，从而减轻整个装置的重量以及成本。与此同时，所有的圆柱螺旋气道133均通过环形通道134供气，使得供气同步且均匀，从而保证圆柱螺旋气道的出口处喷出的气体的均匀性，更容易形成气流涡旋。
更进一步地，环状突起113在安装的时候还可起到定位压紧的作用。
根据本发明的一个实施例，环状突起113的外径≥环形套筒11的外径+环形通道134的直径。环形通道134优选设置在环形套筒11和环状突起113厚度上的中心位置。如此设置，可保证环状突起113以及整个环形套筒11的强度，使得在受力的时候不易发生变形或者破碎。
根据本发明的一个实施例，环状突起113的轴向长度大于等于进气喷嘴的直径。进气喷嘴用于连接气管与进气通道，如此设置，则能保证在安装好之后，进气喷嘴不超过环状突起113的边缘，从而不会与其它部件产生干涉。
根据本发明的一个实施例，当进气通道12多于一个时，于环形通道134上或者环形套筒11上周向均布。若仅仅设置一个进气通道12，则离该进气通道12远的圆柱螺旋气道133中的气体压力必然略低于离进气通道12近的圆柱螺旋气道133中的气体压力，从而容易导致出气不均。通过这种设置方式，可使得整个环形通道134之内的气体压力更为均衡，从而提高进入各个圆柱螺旋气道133的气体的均匀性。
进气通道的直径可以为8mm、10mm、12mm、16mm中的一个。
根据本发明的一个实施例，当环形通道134上设置有N个进气通道时，所有圆柱螺旋气道133的横截面的面积之和小于环形通道134的横截面的面积的2N倍。
通过上述设置，可保证进气量足够，气体不在源头衰减，保证出口气量。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道133的出口沿环形套筒11的内壁周向均布。周向均布更有利于形成气流涡旋，并保证其稳定性。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道133的出口沿环形套筒11的轴向分为两排，各自轴向均布且错开。如此设置，可更好地提高密封效果。
根据本发明的一个实施例，圆柱螺旋气道133的直径范围为2-6mm之间。
圆柱螺旋气道133的直径优选为3mm。
圆柱螺旋气道的直径过小，则会大大降低高压气体的流速和压力，直径过大，又会降低整个装置的强度和刚度，本发明通过多次试验，发现上述设置方式可以获得较佳的效果。
参见图8-10，根据本发明的一个实施例，环形套筒11的内壁与钻杆40外壁之间存在间隙。两者之间若不设置间隙，则钻杆40高速旋转的过程中，两者会产生巨大的摩擦力，影响钻孔，也影响密封。
上述间隙范围为1-3mm，优选为1mm。间隙过大不利于密封，间隙过小，则由于公差的存在，很容易在钻杆40高度旋转的过程中两者发生接触或者碰撞。
根据本发明的一个实施例，钻杆40的直径为73mm，则相应的环形套筒11的内径为75mm，外径为89mm，圆柱螺旋气道的直径为3mm。
根据本发明的一个实施例，第一气体通道13的直径是环形套筒11的壁厚的1/3-2/3之间。
根据本发明的一个实施例，环形套筒11的第二端112外周壁上设置有螺纹段114。
第二端112套设一螺母20，用于定位压紧。螺母20通过螺纹段114与环形套筒11相连接。
根据本发明的一个实施例，环形套筒11的材质可以是尼龙，不锈钢，铜中的任意一种，也可以选用其它轻便、阻燃、防静电的材质。
环形套筒11可以通过增材制造的方式一体成型。
根据本发明的一个实施例，环形套筒11内部靠近第一端111的位置设置有煤水感测元件和瓦斯感测元件，分别与控制***电信号连接；控制***与进气管的流量阀电信号连接。通过设置上述感测元件和控制***，可实现对钻孔过程的自动化控制，实时检测煤水和瓦斯泄露，根据实际情况调整高压气体的流量，或者停机报警。
根据本发明的封堵煤水瓦斯压风旋流装置，结构合理，成本低廉，可有效封堵钻孔过程中沿着钻杆泄露的煤水和瓦斯。实际使用中可定期检查更换，避免磨损。
根据本发明的一个实施例，一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置10的使用方法，包括如下步骤：
S1安装：将本发明的封堵煤水瓦斯压风旋流装置10安装到钻机上。
参见附图8-10，安装时，首先将环形套筒11的第二端112从收集箱50的密封装置30的中心孔内伸入收集箱50内，直到环形套筒11的第一端111处的环形突起的台阶面抵接密封装置30的端面，然后从另外一侧将螺母20套上环形套筒他11第二端的螺纹段114，通过螺纹使两者固定连接，从而完成环形套筒11的安装。其次，将高压气源通过管道与环形套筒11的第一端111的进气通道12相连通。
使用时，使钻杆40从环形套筒11中心穿过之后再进行钻孔作业。
S2通气：打开与所述进气通道12相连通的气阀，向所述进气通道12输送高压气体。
其中，高压气体可选择氮气或者其它惰性气体，供气压力可处于0.3MPa-0.8MPa之间。
S3开钻机，开始钻孔作业。
S4实时检测煤水感测元件和瓦斯感测元件的反馈结果，根据反馈结果判断是否发生泄露，如发生泄露，则调高气体流量5％-10％。在钻孔作业的过程中，实时检测煤水感测元件和瓦斯感测元件的反馈结果，可以及时得知是否仍有少量的煤水和/或瓦斯泄露，如果没有，则继续正常工作，如果有，则通过自动控制***自动地调高气体流量，以提高气流涡旋的密封效果。调高之后，继续检测，判断是否发生泄露，如仍然发生泄露，则继续调高气体流量5％-10％。循环上述过程直至作业结束。
S5作业结束后，先关钻机，再关气阀。这一顺序可以确保整个钻孔过程中的密封效果。
根据本发明的一个实施例，如瓦斯感测元件反馈的数值超过一预设阈值，则停止钻机并发出警报信号。超过预设阈值，则表示密封失效，瓦斯泄露严重，此时无论怎么提高供气压力或者流量均无法控制瓦斯泄露，必须停机报警。
根据本发明的一个实施例，如气体流量已调节至最大，仍然有泄露，则停止钻机并发出警报信号。
出于示例和描述的目的，已经给出了本公开实施的前述说明。前述说明并非是穷举性的也并非要将本公开限制到所公开的确切形式，根据上述教导还可能存在各种变形和修改，或者是可能从本公开的实践中得到各种变形和修改。选择和描述这些实施例是为了说明本公开的原理及其实际应用，以使得本领域的技术人员能够以适合于构思的特定用途来以各种实施方式和各种修改而利用本公开。
Claims (15)
1.一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于，包括环形套筒，第一端外壁设置进气通道，进气通道与第一气体通道的入口端连通，第一气体通道在环形套筒筒壁之内延伸，第一气体通道的出口端位于环形套筒的靠近第二端的内周壁上，与环形套筒的内部空间连通，且其出气方向沿环形套筒内壁的切线方向并朝向环形套筒的第二端倾斜。
2.如权利要求1所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：第一气体通道包括圆柱通孔，该圆柱通孔的轴线方向与环形套筒的轴线平行。
3.如权利要求2所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：所述圆柱通孔具有多个，且沿环形套筒周向均布。
4.如权利要求1所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：第一气体通道包括圆柱螺旋气道。
5.如权利要求4所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：圆柱螺旋的升角范围为30°-60°之间。
6.如权利要求4所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：圆柱螺旋气道具有多个，周向均布于环形套筒之内。
7.如权利要求3或6所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：第一气体通道还包括一环形通道，环形套筒第一端设置环状突起，环形通道设置于环状突起之内，进气通道的出口与环形通道相连通，每个圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的入口均与环形通道相连通。
8.如权利要求7所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：环状突起的外径≥环形套筒的外径+环形进气通道的直径。
9.如权利要求7所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：当进气通道多于一个时，于环形通道上周向均布。
10.如权利要求9所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：当环形进气通道上设置有N个进气通道时，所有圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的横截面的面积之和小于环形进气通道的横截面的面积的2N倍。
11.如权利要求7所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的出口沿环形套筒的内壁周向均布。
12.如权利要求7所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：圆柱通孔或者圆柱螺旋气道的出口沿环形套筒的轴向分为两排，各自轴向均布且错开。
13.如权利要求1所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：环形套筒的内壁与钻杆外壁之间存在间隙。
14.如权利要求1所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：环形套筒的第二端外周壁上设置有螺纹段。
15.如权利要求1所述的一种封堵煤水瓦斯压风旋流装置，其特征在于：环形套筒内靠近第一端的位置设置有煤水感测元件和瓦斯感测元件，分别与控制***电信号连接；控制***与进气管的流量阀电信号连接。
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