CN105863630A - 一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，包含高压水泵、高压软管、水喷嘴、引射喷头、输砂管装置、敞口磨料斗；敞口磨料斗通过输砂管装置与引射喷头相连，引射喷头内部设有水喷嘴，水喷嘴通过高压软管与高压水泵相连；输砂管装置包括磨料输送管、控制装置、数据采集装置和测压适配器。本发明提供的装置改善了磨料粒子与水介的混合机理，使磨料粒子具有更高的动能，通过空气流量计对进入磨料输送管中的空气量进行测量，根据空气量的变化实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏；有效保证了所述空气流量监控的可靠性；同时，所述检测系统反应速度快，工作稳定，受切割过程因素影响小，设备简单，测量有效。
Description
技术领域
本发明属于煤层钻掘机设备技术领域，尤其涉及一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机。
背景技术
高压水射流增透防突技术研究始于上世纪80年代，目前国外高压水射流增透防突技术已经非常成熟，广泛应用于路面清洗、工业除锈、弹药除锈、油井腐蚀防护、金属及非金属板材切割、喷射注浆、破碎路面、破碎大豆分离蛋白、煤矿瓦斯抽采等，尤其澳大利亚，在地面和井下钻孔中应用高压水辅助钻进和切缝增透技术已非常成熟，在全世界占领先地位。
国内高压水射流增透防突技术研究始于上世纪90年代，分别有研究磨料高压水射流防突设备及技术；
磨料射流是近年来迅速发展的一种新技术，其技术原理，就是将一定粒度的磨料粒子加入到高压纯水射流中，形成具有极高速度的磨料粒子流，“磨料射流″利用磨料射流可以实现对物料的切割，与现有的各种切割方法相比，磨料射流具有以下特点：(1)是唯一的一种冷切割手段，切割时不会产生火花，无热影响区；(2)能量传输方便，可利用软管将高压水远距离输送至喷头进行切割；(3)切割时无振动和噪声；(4)可以对金属或非金属等多种材料进行切割。
磨料射流是在高压纯水射流中加入磨料粒子而形成的，因而，与纯水射流相比，磨料射流将纯水连续射流对物料的静压作用改变为磨料粒子对物料的高频撞击与冲蚀作用，作用效果大为改观。
但目前高压磨料射流切缝钻机设备功能不完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，旨在解决目前高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机功能不完善，不具有对物料的高频撞击与冲蚀良好效果的问题。
本发明是这样实现的，一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机包含高压水泵、高压软管、水喷嘴、引射喷头、输砂管装置、敞口磨料斗；敞口磨料斗通过输砂管装置与引射喷头相连，引射喷头内部设有水喷嘴，水喷嘴通过高压软管与高压水泵相连；
输砂管装置包括磨料输送管、控制装置、数据采集装置和测压适配器，所述测压适配器为与磨料输送管相接的管道；
所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；
所述数据采集装置：包括设在所述测压适配器入口端，对进入所述测压适配器的空气流量进行测量的空气流量计；以及，设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器，传感器用于采集相应位置的压力值；
所述控制装置与数据采集装置和测压适配器连接，所述控制装置包括安装有软件系统的计算机和控制器，计算机用于对所述数据采集装置采集的数据进行分析、比较，控制器根据分析、比较结果进行相应控制操作。
进一步，所述隔段测试小孔数量为多个，包括设置于所述测压适配器的空气流动段的第一测试孔和第二测试孔，及设置于所述测压适配器的磨料流动段的第三测试孔和第四测试孔。
进一步，所述输砂管装置设有磨料开关，所述测压适配器为一中空管道，与所述磨料输送管相接；
所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设有第一测试孔和第二测试孔；
所述磨料流动段位于沿磨料进入到设置在所述高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机上的引射喷头内的方向，并依次设有第三测试孔和第四测试孔；所述第二测试孔与所述第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道。
进一步，所述磨料输送管为软管。
进一步，所述传感器为压力传感器。
进一步，所述测压适配器设置有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管，
测压适配器测试方法为：通过设置在所述切割机上的空气流量计对进入所述磨料输送管的空气流量进行监控，得到相应监控结果；
通过设置在所述隔段测试小孔的传感器对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；
分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管中的磨料流动状态；
根据所述空气流量计的监控结果，判断所述切割机的喷嘴的工作状态；
结合所述磨料流动状态和所述喷嘴工作状态进行相应控制操作。
进一步，所述隔段测试小孔包括：所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设置的第一测试孔和第二测试孔；以及所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机上的引射喷头内的方向，依次的第三测试孔和第四测试孔；第二测试孔与第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道，
所述传感器采集各段压力数值具体方法为：同时测量所述第一测试孔的压力和第二测试孔的压力，记两个压力的差值为第一压力差；
同时测量所述第三测试孔的压力和第四测试孔的压力，记两个压力的差值为第二压力差；
所述分析和比较传感器采集的数据为：比较、分析第一压力差与第二压力差，根据分析结果，判断所述磨料流动段中的工作状态。
本发明提供的装置改善了磨料粒子与水介的混合机理，使磨料粒子具有更高的动能，可在低的工作压力下完成对物料的切割能力高；通过空气流量计对进入磨料输送管中的空气量进行测量，根据空气量的变化实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏；磨料流动状态的监控排除了磨料在耗尽或堵塞对喷嘴在线监控的干扰，有效保证了所述空气流量监控的可靠性；同时，所述检测系统反应速度快，工作稳定，受切割过程因素影响小，设备简单，测量有效。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机结构示意图；
图2是本发明实施例提供的测压适配器结构示意图；
图中：1、高压水泵；2、高压软管；3、水喷嘴；4、引射喷头；5、输砂管装置；5-1、磨料输送管；5-2、计算机；5-3、控制器；5-4测压适配器；5-4-1、空气流动段；5-4-2、和磨料流动段；5-4-3、空气流量计、5-4-4第一测试孔；5-4-5、第二测试孔；5-4-6、第三测试孔；5-4-7、第四测试孔；5-4-4-1、第一测试孔传感器；5-4-5-1、第二测试孔传感器；5-4-6-1、第三测试孔传感器；5-4-7-1、第四测试孔传感器；5-4-8、柱状突起；5-5、磨料开关；6、敞口磨料斗；
图3是本发明实施例提供的测压适配器测试方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示：一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机包含高压水泵1、高压软管2、水喷嘴3、引射喷头4、输砂管装置5、敞口磨料斗6；敞口磨料斗通过输砂管装置与引射喷头相连，引射喷头内部设有水喷嘴，水喷嘴通过高压软管与高压水泵相连；
输砂管装置5包括磨料输送管5-1、控制装置、数据采集装置和测压适配器5-4，所述测压适配器为与磨料输送管相接的管道；所述控制装置与数据采集装置和测压适配器连接，所述控制装置包括安装有软件系统的计算机5-2和控制器5-3，计算机5-2用于对所述数据采集装置采集的数据进行分析、比较，控制器5-3根据分析、比较结果进行相应控制操作。
如图2所示：所述测压适配器5-4设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段5-4-1和磨料流动段5-4-2，磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；
所述数据采集装置：包括设在所述测压适配器入口端，对进入所述测压适配器的空气流量进行测量的空气流量计5-4-3；以及，设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器，传感器用于采集相应位置的压力值；
所述隔段测试小孔数量为多个，包括设置于所述测压适配器的空气流动段的第一测试孔5-4-4和第二测试孔5-4-5，及设置于所述测压适配器的磨料流动段的第三测试孔5-4-6和第四测试孔5-4-7。
所述输砂管装置设有磨料开关5-5，所述测压适配器为一中空管道，与所述磨料输送管相接；
所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设有第一测试孔和第二测试孔；
所述磨料流动段位于沿磨料进入到设置在所述高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机上的引射喷头内的方向，并依次设有第三测试孔和第四测试孔；所述第二测试孔与所述第三测试孔之间设有一中空的柱状突起5-4-8，连接所述磨料开关5-5，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道。
所述磨料输送管为软管。
所述传感器为压力传感器。
所述测压适配器设置有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管，
如图3所示：测压适配器测试方法为：
S101：通过设置在所述切割机上的空气流量计对进入所述磨料输送管的空气流量进行监控，得到相应监控结果；
S102：通过设置在所述隔段测试小孔的传感器对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；
S103：分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管中的磨料流动状态；
S104：根据所述空气流量计的监控结果，判断所述切割机的喷嘴的工作状态；
S105：结合所述磨料流动状态和所述喷嘴工作状态进行相应控制操作。
进一步，所述隔段测试小孔包括：所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设置的第一测试孔和第二测试孔；以及所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机上的引射喷头内的方向，依次的第三测试孔和第四测试孔；第二测试孔与第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道，
所述传感器采集各段压力数值具体方法为：同时测量所述第一测试孔的压力和第二测试孔的压力，记两个压力的差值为第一压力差；
同时测量所述第三测试孔的压力和第四测试孔的压力，记两个压力的差值为第二压力差；
所述分析和比较传感器采集的数据为：比较、分析第一压力差与第二压力差，根据分析结果，判断所述磨料流动段中的工作状态。
本发明监控磨料输送管中的磨料流动状态和空气流量来实现对喷嘴的在线监控，实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏。在高压磨料射流切割过程中，由于压差的存在，磨料输送管形成一气流通道。单位时间内通过此气流通道的气流量取决于很多因素，如水喷嘴的大小、工作状况；磨料输送管的长度、直径、表面粗糙度；磨料流量、粒度、种类；高压水压力大小等。通常情况下，磨料输送管的各参数为一定数，水射流喷嘴的大小及水射流喷嘴和磨料射流喷嘴的组合情况也基本确定，磨料的粒度、种类也不会发生改变。同时，在稳定工况下，磨料流量虽然随时间而变化，但变化较小。因此，正常工作条件下，气流量的大小主要取决于喷嘴工况的变化。如果任一级喷嘴在切割过程中受到损坏，则喷嘴的聚焦能力大大降低，主要表现为射流散开角度加大。由于射流散开角度变大，引射喷头中单位时间内射流带走的空气量更多。因此，在其它参数不变的情况下，单位时间内通过磨料输送管的气流量大大增加。除此之外，磨料输送管中的磨料变化也会在一定程度上影响所述气流量。
使用时打开设置在所述切割机上的高压水射流开关，高压水经水喷嘴形成高速水射流；打开磨料开关，使磨料进入到设置于测压适配器的所述空气流动段和所述磨料流动段之间的磨料输送通道；所述空气流量计对进入所述磨料输送管的空气流量进行监控，得到相应监控结果；通过设置在所述隔段测试小孔的传感器对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管中的磨料流动状态，得到判断结果：根据所述空气流量计的监控结果，判断喷嘴的工作状态，根据监控结果，采取相应控制措施。所述检测系统反应速度快，工作稳定，受切割过程因素影响小，设备简单，测量有效。
通过同时比较空气流动段的第一压力差和磨料流动段的第二压力差，可确定所述测压适配器中的磨料流动情况是否正常：如果所述测压适配器中只有空气流动，即磨料输送管中磨料耗尽，由于所述空气流动段与所述磨料流动段距离较近，同时两段又具有相同参数(如长度，孔径或内孔表面特征等)，故压力损失相差很小；如果切割过程中因磨料输送管发生堵塞，则所述两段的压差同时为零；如果压力损失相差较大，则磨料流动情况正常。在磨料正常流动条件下，如果空气流量计所测流量较高，则可判定喷嘴受到损坏。在实际应用中，由于许多复杂因素的影响，磨料输送管中的气压有时会发生大幅度波动。由于此系统同时分别对空气流动段和磨料流动段进行测量并作比较，当磨料输送管中的气压出现波动时，两段同时出现波动，对它们进行结果比较时，出现的波动影响相互抵消，从而有效排除了切割过程中各种因素造成的压力波动对测量结果带来的影响，因此测量结果非常稳定。结合上述磨料流动状态，如果空气流量计所测流量增加，而压力传感器所测压力显示磨料流动正常，则可以判定喷嘴已经损坏。由于所述空气流量计置于所述磨料输送管空气流动段的上游，所述磨料入口处于所述空气流动段下方，因而磨料的流动不会损坏所述气体流量计。
本发明提供的装置改善了磨料粒子与水介的混合机理，使磨料粒子具有更高的动能，可在低的工作压力下完成对物料的切割能力高；通过空气流量计对进入磨料输送管中的空气量进行测量，根据空气量的变化实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏；磨料流动状态的监控排除了磨料在耗尽或堵塞对喷嘴在线监控的干扰，有效保证了所述空气流量监控的可靠性；同时，所述检测系统反应速度快，工作稳定，受切割过程因素影响小，设备简单，测量有效。
射流按照磨料与高压水混合的情况不同分为前混合和后混合2种；在高压水流喷射之前就将磨料加入高压水管路系统中，使高压水与磨料在管路中进行充分混合后，一起从喷嘴喷出而形成的磨料射流称为前混合磨料射流；在高压水从喷嘴喷出后，再利用文丘里效应将磨料掺混到射流中所形成的磨料射流称为后混合磨料射流。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，该高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机包含高压水泵、高压软管、水喷嘴、引射喷头、输砂管装置、敞口磨料斗；敞口磨料斗通过输砂管装置与引射喷头相连，引射喷头内部设有水喷嘴，水喷嘴通过高压软管与高压水泵相连；
输砂管装置包括磨料输送管、控制装置、数据采集装置和测压适配器，所述测压适配器为与磨料输送管相接的管道；
所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；
所述数据采集装置：包括设在所述测压适配器入口端，对进入所述测压适配器的空气流量进行测量的空气流量计；以及，设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器，传感器用于采集相应位置的压力值；
所述控制装置与数据采集装置和测压适配器连接，所述控制装置包括安装有软件系统的计算机和控制器，计算机用于对所述数据采集装置采集的数据进行分析、比较，控制器根据分析、比较结果进行相应控制操作。
2.如权利要求1所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述隔段测试小孔数量为多个，包括设置于所述测压适配器的空气流动段的第一测试孔和第二测试孔，及设置于所述测压适配器的磨料流动段的第三测试孔和第四测试孔。
3.如权利要求1所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述输砂管装置设有磨料开关，所述测压适配器为一中空管道，与所述磨料输送管相接；
所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设有第一测试孔和第二测试孔；
所述磨料流动段位于沿磨料进入到设置在所述高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机上的引射喷头内的方向，并依次设有第三测试孔和第四测试孔；所述第二测试孔与所述第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料 开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道。
4.如权利要求1所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述磨料输送管为软管。
5.如权利要求1所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述传感器为压力传感器。
6.如权利要求1所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述测压适配器设置有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；
测压适配器测试方法为：通过设置在所述切割机上的空气流量计对进入所述磨料输送管的空气流量进行监控，得到相应监控结果；
通过设置在所述隔段测试小孔的传感器对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；
分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管中的磨料流动状态；
根据所述空气流量计的监控结果，判断所述切割机的喷嘴的工作状态；
结合所述磨料流动状态和所述喷嘴工作状态进行相应控制操作。
7.如权利要求6所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述隔段测试小孔包括：所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设置的第一测试孔和第二测试孔；以及所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机上的引射喷头内的方向，依次的第三测试孔和第四测试孔；第二测试孔与第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道。
8.如权利要求6所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述传感器采集各段压力数值具体为：同时测量所述第一测试孔的压力和第二测试孔的压力，记两个压力的差值为第一压力差；
同时测量所述第三测试孔的压力和第四测试孔的压力，记两个压力的差值 为第二压力差。
9.如权利要求6所述的高压磨料射流切缝钻进一体化煤层钻掘机，其特征在于，所述分析和比较传感器采集的数据为：比较、分析第一压力差与第二压力差，根据分析结果，判断所述磨料流动段中的工作状态。
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