CN103046949B

CN103046949B - 一种偏置气液两相射流割缝增透装置及方法

Info

Publication number: CN103046949B
Application number: CN201310013977.2A
Authority: CN
Inventors: 林柏泉; 杨威; 邹全乐; 段永生
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103046949A

Abstract

一种偏置气液两相射流割缝增透装置及方法，装置包括由高压水泵、耐高压胶管、调压阀、单向阀、气液混合器、调压阀、高压气泵、钻机、钻杆、压控钻头、侧喷嘴构成的气液两相流体发生系统和钻进割缝一体化系统。利用侧喷嘴喷射高压偏置气液两相射流对钻孔壁不同断面进行割缝。双束气液两相射流通过冲蚀和空蚀的交互作用以一定角度脉冲作用于煤体，有效避免割缝过程中“水打架”现象的发生，有效降低了破煤门限压力，提高了单次割缝缝槽的有效长度，显著增加了煤体扰动范围，煤体透气性可提高250~400倍左右，大幅度改善瓦斯抽采效果。回流气体能够稀释涌出瓦斯浓度，提高作业的安全性。其方法简单，操作容易，实用性强，省时省力。

Description

一种偏置气液两相射流割缝增透装置及方法

技术领域

本发明涉及一种偏置气液两相射流割缝增透装置及方法，尤其适用于高瓦斯松软煤层卸压增透和消除煤层煤与瓦斯突出危险性。

技术背景

煤矿狭义的矿井瓦斯是指甲烷，在渗透空间内主要呈游离状态存在，在微孔内主要呈吸附状态存在微孔表面上和在煤的粒子内部占据着煤分子结构的空穴或煤分子之间的空间。当空气中氧气浓度达到10%，瓦斯浓度在5%~16%之间时，就会发生爆炸，直接威胁矿工的生命安全。每年来自煤炭开采而释放至大气层中的甲烷数目惊人，它是一种温室气体，在大气中的温室效应强度是等量二氧化碳的21倍，且严重消耗大气平流层中的臭氧，从而引起气候异常以及对臭氧层的破坏作用，这已成为全世界共同面临的重大问题。

我国煤层瓦斯赋存具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特征。煤层渗透率平均只有1.1974 ×10^-18~ 1.1596 ×10^-14m², 其中渗透率大于0.1987 ×10^-15m²的仅占28%, 而渗透率大于0.9187×10^-15m²的极少。煤层透气性低是造成我国高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采效果普遍较差的主要原因之一。钻孔瓦斯抽采是我国矿井瓦斯治理的根本手段，水力化措施是提高煤层瓦斯抽采效率的有效措施并得到了较为广泛的现场应用。钻孔内高压射流割缝卸压增透技术采用人工方法通过高压水射流冲蚀煤体形成卸压缝槽，扩大了钻孔有效抽采影响范围，能够较好地解决高瓦斯低透气性煤层开采过程中瓦斯涌出、瓦斯突出问题。

在高瓦斯松软煤层条件下，瓦斯喷涌严重，割缝过程中易发生喷孔、煤体垮塌及瓦斯超限等现象，造成钻孔内抱钻和射流器堵塞，导致割缝作业被迫中止，影响设备的可靠性；同时单一射流发生器产生的射流切割范围及排粉能力有限，射流垂直冲击煤体，存在“水打架”现象，割缝卸压效率较低。为了有效解决割缝作业中遇到的难题，同时为了提高孔内割缝卸压增透技术在高瓦斯松软煤层瓦斯抽采中的应用，开发新型高压射流侧喷嘴是十分必要的，这对提高矿井瓦斯抽采效率及改善矿井安全生产状况具有重要意义。

水射流技术是20世纪70年代迅速发展起来的一项新技术，已在设备清洗、除垢、覆盖物清除中得到广泛应用。高压水射流切割技术因其冷态切割的特点逐渐应用于瓦斯治理中。随着水射流技术的发展，射流介质发生了巨大改变，已由连续纯水射流发展到磨料射流、脉冲射流、空化射流等。连续纯水射流所需水压较大、能耗大、用水量大容易造成积水，在煤矿应用中受到一定限制。国内外学者在改变射流结构增强卸压增透效果方面做了大量有益的尝试，而由于设备及操作工序复杂、射流形成条件苛刻等原因，未在煤矿生产中得到推广应用。研究和改善水射流结构并开发相应设备对提高水射流破煤岩效果及矿井瓦斯抽采效率、改善矿井安全生产状况具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、使用效果好的偏置气液两相射流割缝增透装置及方法。

技术方案：本发明的偏置气液两相射流割缝增透装置，包括高压水泵、高压水调压阀、单向阀、钻机、钻杆、侧喷嘴和压控钻头，还包括气液混合器，所述气液混合器一侧入口依次经耐高压胶管连接单向阀、高压水调压阀和高压水泵，另一侧入口依次经耐高压胶管连接单向阀、高压气调压阀和高压气泵；所述气液混合器的出口经管路与钻机上的水辨入口相连；所述的气液混合器包括气液混合室，气液混合室的两端入口对称设有雾化管，雾化管呈先缩后扩的喇叭筒状，喇叭筒的收缩角为12～16°，扩散角为28～32°，所述的气液混合室出口处设有锥直型聚能管，锥直型聚能管的收缩角为12～16°；所述的侧喷嘴包括与压控钻头螺纹连接的侧喷嘴体，侧喷嘴体的入口渐缩呈喇叭状，出口呈V字形双通道，中部设有侧喷嘴单向阀。

所述的V字形双通道的收缩角为28～32°；所述的高压水调压阀和高压气调压阀上分别设有压力表。

本发明的偏置气液两相射流割缝增透方法，包括如下步骤：

a、启动高压水泵，调节高压水调压阀的压力为2～5MPa低压水，启动钻机，钻机带动压控钻头向煤岩体钻进至设定位置，钻进过程中，低压水从侧喷嘴和压控钻头前部出口流出，以防止侧喷嘴堵塞和降低压控钻头的温度；

b、调节高压水调压阀的压力为10～15MPa高压水，同时，启动高压气泵，调节高压气调压阀的压力为13～18MPa高压气，此时，高压水和高压气体进入气液混合器内充分混合，所形成的高压气液两相流体经钻杆流向压控钻头，从压控钻头的侧喷嘴的喷孔喷出冲击煤体，转动压控钻头，对压控钻头所在位置进行割缝；

c、转动压控钻头25～5min，将高压水调节为低压水，同时，关闭高压气泵；

d、将压控钻头向孔口方向后退1～1.5m，重复步骤b和c，完成压控钻头下一位置的割缝，周而复始，完成多个位置的割缝。

有益效果：本发明利用侧喷嘴喷射高压偏置气液两相射流对钻孔壁不同断面进行割缝，双束气液两相射流通过冲蚀和空蚀的交互作用以一定角度脉冲作用于煤体，有效避免割缝过程中“水打架”现象的发生，降低了破煤门限压力，提高了单次割缝缝槽的有效长度，显著增加了煤体扰动范围，煤体透气性可提高250~400倍左右，大幅度改善瓦斯抽采效果。气液混合器喇叭筒状的设计保证了高压气体与高压水的充分混合。回流气体能够稀释涌出瓦斯浓度，提高作业的安全性。其方法和结构简单，操作容易，实用性强，省时省力，在煤层瓦斯抽采及煤与瓦斯消突领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的气液混合器结构示意图；

图3是本发明的中侧喷嘴结构图。

图中：1-高压水泵，2-耐高压胶管，3-调压阀，4-单向阀，5-气液混合器，5-1-气液混合室，5-2-雾化管，5-3-锥直型聚能管，6-调压阀，7-高压气泵，8-钻机，9-钻杆，10-压控钻头，11-侧喷嘴，，11-1-侧喷嘴体。11-2-弹簧，11-3-树脂小球。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的偏置气液两相射流割缝增透装置，主要由高压水泵1、耐高压胶管2、调压阀3、单向阀4、气液混合器5、调压阀6、高压气泵7、钻机8、钻杆9、压控钻头10、侧喷嘴11构成，所述气液混合器5的一侧入口依次经耐高压胶管2连接单向阀4、高压水调压阀3和高压水泵1，气液混合器5的另一侧入口依次经耐高压胶管2连接单向阀4、高压气调压阀6和高压气泵7；所述气液混合器5的出口经管路与钻机8上的水辨入口相连；钻机8上安装钻杆9，钻杆9右端安装压控钻头10，压控钻头10上安装侧喷嘴11；所述的高压水调压阀3和高压气调压阀6上分别设有流量计；所述的气液混合器5包括气液混合室5-1，气液混合室5-1的两端入口对称设有雾化管5-2，雾化管5-2呈先缩后扩的喇叭筒状，喇叭筒的收缩角为12～16°，扩散角为28～32°，所述的气液混合室5-1出口处设有锥直型聚能管5-3，锥直型聚能管5-3的收缩角为12～16°；所述的侧喷嘴11包括与压控钻头10螺纹连接的侧喷嘴体11-1，侧喷嘴体11-1的入口渐缩呈喇叭状，侧喷嘴体11-1的出口呈V字形双通道，V字形双通道出水口与侧喷嘴11的轴线对称，两出水口收缩角为28～32°。侧喷嘴体11-1的中部设有侧喷嘴单向阀，侧喷嘴单向阀包括树脂小球11-3和顶住树脂小球11-3的弹簧11-2，树脂小球11-3堵在侧喷嘴体11-1入口渐缩呈喇叭口处。

本发明的偏置气液两相射流割缝增透方法：

a、启动高压水泵1，调节高压水调压阀3的压力为2～5MPa低压水，启动钻机8，钻机8带动压控钻头10向煤岩体钻进至设定位置，钻进过程中，低压水从侧喷嘴11和压控钻头10前部出口流出，以防止侧喷嘴11堵塞和降低压控钻头10的温度；

b、调节高压水调压阀3，调节高压水调压阀3的压力为10～15MPa高压水，同时，启动高压气泵7，调节高压气调压阀6的压力为13～18MPa高压气，此时，高压水和高压气体进入气液混合器5内充分混合，所形成的高压气液两相流体经钻杆9流向压控钻头10，从压控钻头10上的侧喷嘴11的V字形双通道喷孔喷出冲击煤体，转动压控钻头10，对压控钻头10所在位置进行割缝；

c、转动压控钻头10围绕轴心线旋转25～35min，将高压水调节为低压水，同时，关闭高压气泵7；

d、将压控钻头10向孔口方向后退1～1.5m。重复步骤b和c，完成压控钻头10下一位置的割缝，周而复始，完成多个位置的割缝；

当穿层作业时，对整个煤层段进行割缝；

当顺层作业时，在距钻孔孔口15m时停止割缝。

当钻孔内压力超过低压水2-5MPa的压力时，侧喷嘴体11-1内的树脂小球11-3堵塞侧喷嘴体11-1入口渐缩呈喇叭口，实现防堵塞功能。

Claims

1. 一种偏置气液两相射流割缝增透装置，包括高压水泵（1）、高压水调压阀（3）、单向阀（4）、钻机（8）、钻杆（9）、侧喷嘴（11）和压控钻头（10），其特征在于：还包括气液混合器（5），所述气液混合器（5）一侧入口依次经耐高压胶管（2）连接单向阀（4）、高压水调压阀（3）和高压水泵（1），另一侧入口依次经耐高压胶管（2）连接单向阀（4）、高压气调压阀（6）和高压气泵（7）；所述气液混合器（5）的出口经管路与钻机（8）上的水辨入口相连；所述的气液混合器（5）包括气液混合室（5-1），气液混合室（5-1）的两端入口对称设有雾化管（5-2），雾化管（5-2）呈先缩后扩的喇叭筒状，喇叭筒的收缩角为12～16°，扩散角为28～32°，所述的气液混合室（5-1）出口处设有锥直型聚能管（5-3），锥直型聚能管（5-3）的收缩角为12～16°；所述的侧喷嘴（11）包括与压控钻头（10）螺纹连接的侧喷嘴体（11-1），侧喷嘴体（11-1）的入口渐缩呈喇叭状，出口呈V字形双通道，中部设有侧喷嘴单向阀。

2.根据权利要求1所述的偏置气液两相射流割缝增透装置，其特征在于：所述的V字形双通道的收缩角为28～32°。

3.根据权利要求1所述的偏置气液两相射流割缝增透装置，其特征在于：所述的高压水调压阀（3）和高压气调压阀（6）上分别设有压力表。

4.根据权利要求1所述装置的偏置气液两相射流割缝增透方法，其特征在于包括如下步骤：

a、启动高压水泵（1），调节高压水调压阀（3）的压力为2～5MPa低压水，启动钻机（8），钻机（8）带动压控钻头（10）向煤岩体钻进至设定位置，钻进过程中，低压水从侧喷嘴（11）和压控钻头（10）前部出口流出，以防止侧喷嘴（11）堵塞和降低压控钻头（10）的温度；

b、调节高压水调压阀（3）的压力为10～15MPa高压水，同时，启动高压气泵（7），调节高压气调压阀（6）的压力为13～18MPa高压气，此时，高压水和高压气体进入气液混合器（5）内充分混合，所形成的高压气液两相流体经钻杆（9）流向压控钻头(10)，从压控钻头(10)的侧喷嘴（11）的喷孔喷出冲击煤体，转动压控钻头（10），对压控钻头（10）所在位置进行割缝；

c、转动压控钻头（10）25～35min，将高压水调节为低压水，同时，关闭高压气泵（7）；

d、将压控钻头（10）向孔口方向后退1～1.5m，重复步骤b和c，完成压控钻头（10）下一位置的割缝，周而复始，完成多个位置的割缝。