CN104018784B - 煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置及其使用方法，包括冰颗粒储存箱、冰颗粒喷射器、气固耦合箱、钻杆、旋流钻头，冰颗粒喷射器安装在冰颗粒储存箱与气固耦合箱之间，气固耦合箱通过钻尾供风器与钻杆连接，旋流钻头安装在钻杆的前端。其使用方法：启动钻进系统和冰颗粒喷射器，风流沿风管进入气固耦合箱，与冰颗粒喷射器喷射出的冰颗粒混合，空气与冰颗粒形成的气固二相流通过钻尾供风器进入钻杆到达钻孔底部，经旋流钻头沿钻杆与钻孔之间的排渣通道返出。本发明设计新颖，冰颗粒在运动过程中，因接触表面温度上升的钻杆、与钻屑颗粒相互摩擦作用，冰颗粒持续熔化，实现对钻杆降温，同时，捕捉细小煤尘。

Description

煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿突出煤层瓦斯抽采钻孔安全施工、除尘环保技术领域，具体涉及煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置及其使用方法。

背景技术

瓦斯抽采是突出煤层安全开采的前提，瓦斯抽采一般包括钻孔、封孔和联孔等技术环节，其中以钻孔施工最为关键，钻孔深度决定了瓦斯抽采的范围和效率，突出煤层钻孔施工量巨大，每生产1吨煤需施工0.1m～0.4m钻孔。对于突出煤层钻进，通常采取气力输送方式输渣，相对于水力排渣方式，排渣效率高，压风对孔壁的冲击力小，不易破坏孔壁。对于气力输送方式钻进工艺，施工现场粉尘严重，且当钻孔内出现堵塞时，钻头、钻杆易发热，摩擦热量聚集，容易出现钻孔瓦斯燃烧，当煤不完全燃烧时，产生CO，易出现CO事故。钻头、钻杆降温和除尘是突出煤层钻孔施工的两大技术难题，目前，工程技术人员通常在供风管与钻机之间设置雾化装置，风流携带雾化液滴沿钻孔腔体进入钻孔底部，实现降温捕尘，受液滴大小及传输距离限制，雾化液滴降温捕尘效果并不理想。因此，对于软煤层钻进降温、除尘问题，急需一种新的工艺方法克服常规雾化液滴湿式钻进工艺存在的缺陷。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置及其使用方法，该工艺系统将捕尘媒介由常规的液态输送转换为固体冰颗粒输送方式，增大了传输距离，解决了常规雾化液滴湿式钻进工艺中因液滴输送距离短且难以控制的技术问题，同时，冰颗粒的熔化为吸热过程，对处于高温状态的孔内钻具起到降温作用，减少了孔内钻具持续高温引起强度降低而破坏的概率，有利于突出煤层钻孔施工的安全高效钻进。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种软煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置，包括冰颗粒储存箱、冰颗粒喷射器、气固耦合箱、钻杆、旋流钻头，其特征在于：所述冰颗粒喷射器设置在冰颗粒储存箱与气固耦合箱之间，气固耦合箱通过钻尾供风器与钻杆连接，旋流钻头安装在钻杆的前端；冰颗粒喷射器由风动马达、搅拌箱、冰颗粒储存箱接口、螺旋输送装置、中间管、锥形喷射器和调节阀门组成，冰颗粒喷射器经冰颗粒储存箱接口与冰颗粒储存箱连接；气固耦合箱由风管接头、颗粒喷射器接头、混合箱、钻尾接头组成，风管接头通过胶管与供风管连接，冰颗粒喷射器接头与冰颗粒喷射器连接，钻尾接头通过刚性连接管与钻尾供风器连接。

所述旋流钻头由接头、弧形旋流腔、刀架、硬质合金刀片组成，旋流钻头通过接头与钻杆连接并安装在钻杆的前端。

一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置的使用方法，包括以下步骤：

①.完成供风管、冰颗粒储存箱、冰颗粒喷射器、气固耦合箱、钻机、钻杆及钻头安装与连接，钻孔施工初期，仅启动供风系统，风流沿气固耦合箱、刚性连接管、钻尾供风器及钻杆腔体送入钻孔底部，实现回转钻进；

②.钻孔施工超过5m后，启动风动马达，冰颗粒喷射器的螺旋输送装置将冰颗粒经中间管输送至锥形喷射器，进入气固耦合箱，气体与冰颗粒在气固耦合箱进行初次混合，沿刚性连接管经钻尾供风器进入钻杆内腔，气固耦合体在风力作用下沿钻杆内腔运动，其传输距离不受影响，气固耦合体到达旋流钻头处，在弧形旋流腔内进行二次混合，由旋流钻头排出到达孔底；

③.气体、冰颗粒与钻屑混合体沿钻孔壁与钻杆之间的排渣通道向外排出，受旋流钻头、钻杆温度影响，冰颗粒吸热融化、蒸发，在排渣通道内形成气态、液态、固态三相状态，在高速风流作用下，由冰颗粒液化形成的水滴进一步破碎，在输送过程中，实现钻杆的降温和捕捉钻屑微尘。

附图说明

图1是本发明工作状态的结构示意图；

图2是本发明冰颗粒喷射器结构图；

图3是本发明气固耦合箱的结构图；

图4是本发明漩流钻头的结构图；

图5是本发明实施时降温捕尘原理示意图。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置及其使用方法，冰颗粒储存箱3、冰颗粒喷射器4、气固耦合箱5、钻杆8、旋流钻头11，所述冰颗粒喷射器4设置在冰颗粒储存箱3与气固耦合箱5之间，气固耦合箱5通过钻尾供风器7与钻杆8连接，旋流钻头11安装在钻杆8的前端。冰颗粒喷射器4由风动马达401、搅拌箱402、冰颗粒储存箱接口403、旋输送装置404、中间管405、锥形喷射器406和调节阀门407组成，冰颗粒喷射器4经冰颗粒储存箱接口403与冰颗粒储存箱3连接。气固耦合箱5由风管接头501、冰颗粒喷射器接头502、混合箱503、钻尾接头504组成，风管接头501通过胶管2与供风管1连接，冰颗粒喷射器接头502与冰颗粒喷射器4连接，钻尾接头504通过刚性连接管6与钻尾供风器7连接。旋流钻头11由接头1101、弧形旋流腔1102、刀架1103、硬质合金刀1104片组成，旋流钻头11通过接头1101与钻杆8连接并安装在钻杆8的前端。

一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置的使用方法，使用方法包括以下步骤：

完成供风管1、冰颗粒储存箱3、冰颗粒喷射器4、气固耦合箱5、钻机9、钻杆8及钻头11安装与连接，钻孔施工初期，仅启动供风系统，风流沿气固耦合箱5、刚性连接管6、钻尾供风器7及钻杆8腔体13送入钻孔底部，实现回转钻进；

钻孔施工超过5m后，启动风动马达401，冰颗粒喷射器4的螺旋输送装置404将冰颗粒经中间管405输送至锥形喷射器406，进入气固耦合箱5，气体与冰颗粒在气固耦合箱5进行初次混合，沿刚性连接管6经钻尾供风器7进入钻杆8内腔，气固耦合体在风力作用下沿钻杆8内腔运动，其传输距离不受影响，气固耦合体到达旋流钻头11处，在弧形旋流腔1102内进行二次混合，由旋流钻头11排出到达孔底；

气体、冰颗粒与钻屑混合体沿钻孔壁12与钻杆8之间的排渣通道14向外排出，受旋流钻头11、钻杆8温度影响，冰颗粒吸热融化、蒸发，在排渣通道14内形成气态、液态、固态三相状态，在高速风流作用下，由冰颗粒液化形成的水滴进一步破碎，在输送过程中，实现钻杆的降温和捕捉钻屑微尘。

下面介绍一下本发明远距离输送降温捕尘原理：

参照图5，气体与冰颗粒在气固耦合箱5进行初次混合，形成的气固耦合体由钻杆8腔体13进入，到达旋流钻头处时，在弧形旋流腔1102内进行二次混合，在弧形旋流腔内，气体与冰颗粒形成涡流现象，冰颗粒涡动现象明显，从而降低冰颗粒在钻头处堆积，有利于气体、冰颗粒与钻屑在孔底更均匀的混合。气体、冰颗粒与钻屑混合体沿钻孔壁12与钻杆8之间的排渣通道14向外排出，从孔底到孔外可分为三个阶段：

阶段Ⅰ:在钻孔底部，钻头破煤、钻杆旋转与钻孔的摩擦，致使钻头处的温度最高，当冰颗粒到达孔底时，在旋流钻头及钻杆高温条件下，一部分冰颗粒吸热融化、蒸发，钻孔底部空间媒介为气态、液态、固态三相状态，其中固态包括钻屑和未融化的冰颗粒，冰颗粒融化起到降低钻头及钻杆温度作用，同时，蒸发状态的水滴能够捕捉钻屑微尘作用，在孔底完成了煤尘源头处的第一阶段降尘作用；

阶段Ⅱ:沿钻头向外，钻杆温度有降低趋势，气流携带未融化的冰颗粒、钻屑及液滴向孔外输送，冰颗粒在运移过程中，部分冰颗粒继续融化，同时，在高速风流作用下，由冰颗粒液化形成的液滴进一步破碎，在该阶段，钻屑微尘进一步被液滴颗粒捕捉；

阶段Ⅲ:进入阶段Ⅲ，钻杆表面温度处于稳定状态，同时，冰颗粒、钻屑及液滴混合体在气流作用下以稳定的状态向外输送，单位长钻孔冰颗粒融化的比例稳定，钻屑微尘在运移过程中逐渐被捕捉。

Claims (3)

1.一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置，包括冰颗粒储存箱、冰颗粒喷射器、气固耦合箱、钻杆、旋流钻头，其特征在于：所述冰颗粒喷射器设置在冰颗粒储存箱与气固耦合箱之间，气固耦合箱通过钻尾供风器与钻杆连接，旋流钻头安装在钻杆的前端；冰颗粒喷射器由风动马达、搅拌箱、冰颗粒储存箱接口、螺旋输送装置、中间管、锥形喷射器和调节阀门组成，冰颗粒喷射器经冰颗粒储存箱接口与冰颗粒储存箱连接；气固耦合箱由风管接头、冰颗粒喷射器接头、混合箱、钻尾接头组成，风管接头通过胶管与供风管连接，冰颗粒喷射器接头与冰颗粒喷射器连接，钻尾接头通过刚性连接管与钻尾供风器连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置，其特征在于：所述旋流钻头由接头、弧形旋流腔、刀架、硬质合金刀片组成，旋流钻头通过接头与钻杆连接并安装在钻杆的前端。

3.一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置的使用方法，采用如权利要求1所述的一种煤层钻进冰颗粒远距离输送降温捕尘装置，其特征在于：包括以下步骤：

①.供风管、冰颗粒储存箱、冰颗粒喷射器、气固耦合箱、钻机、钻杆及钻头安装与连接，钻孔施工初期，仅启动供风系统，风流沿气固耦合箱、刚性连接管、钻尾供风器及钻杆腔体送入钻孔底部，实现回转钻进；

②.钻孔施工超过5m后，启动风动马达，冰颗粒喷射器的螺旋输送装置将冰颗粒经中间管输送至锥形喷射器，进入气固耦合箱，气体与冰颗粒在气固耦合箱进行初次混合，沿刚性连接管经钻尾供风器进入钻杆内腔，气固耦合体在风力作用下沿钻杆内腔运动，其传输距离不受影响，气固耦合体到达旋流钻头处，在弧形旋流腔内进行二次混合，由旋流钻头排出到达孔底；

③.气体、冰颗粒与钻屑混合体沿钻孔壁与钻杆之间的排渣通道向外排出，受旋流钻头、钻杆温度影响，冰颗粒吸热融化、蒸发，在排渣通道内形成气态、液态、固态三相状态，在高速风流作用下，由冰颗粒液化形成的水滴进一步破碎，在输送过程中，实现钻杆的降温和捕捉钻屑微尘。