CN108757010A - 干式可控冲击波煤层增透器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干式可控冲击波煤层增透器，包括脉冲功率驱动源、大电流同轴线式钻杆、大电流无感接触器和能量转换器；脉冲功率驱动源置于钻孔外巷道中，用于产生高压脉冲电流，并通过能量转换器以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波，脉冲功率驱动源通过高压防爆电缆与大电流同轴线式钻杆连接；能量转换器依次通过大电流同轴线式钻杆、高压防爆电缆与脉冲功率驱动源相连接，大电流无感接触器是各个大电流同轴线式钻杆的内导体之间的接触器，大电流同轴线式钻杆之间通过无感接触器连接。本发明可以在不宜注水的煤层钻孔中，以能量转换器产生冲击波直接耦合到煤层，起到增透作用。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开发技术领域，具体涉及一种干式可控冲击波煤层增透器。
背景技术
瓦斯是煤炭生产安全罩门，煤层增透是解决瓦斯安全的位移途径。目前，煤层增透的主要技术由：深孔预裂松动爆破、水力压裂、二氧化碳爆破压裂、高压空气压裂等，都未彻底解决煤层增透问题。我国大量的构造煤层、松软煤层中钻孔增透问题更大，对于不宜钻水的煤层而言，钻孔时很容易会遇水塌陷，从而无法增透，因此急需一款能够在无水钻孔的情况下实现煤层增透的煤层增透器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干式可控冲击波煤层增透器，旨在解决目前煤层增透技术在钻孔时存在的易遇水塌陷的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
干式可控冲击波煤层增透器，包括脉冲功率驱动源、大电流同轴线式钻杆、大电流无感接触器和能量转换器；
所述脉冲功率驱动源置于钻孔外巷道中，用于产生高压脉冲电流，并通过能量转换器以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波，所述脉冲功率驱动源通过高压防爆电缆与大电流同轴线式钻杆连接；所述能量转换器依次通过大电流同轴线式钻杆、高压防爆电缆与脉冲功率驱动源相连接，所述大电流无感接触器是各个大电流同轴线式钻杆的内导体之间的接触器，所述大电流同轴线式钻杆之间通过无感接触器连接。
进一步，所述脉冲功率驱动源包括高压直流电源、储能电容器、切换开关和触发器，所述高压直流电源、储能电容器、切换开关和触发器设置于一个隔爆容器中构成脉冲功率驱动源，所述高压直流电源与储能电容器相接，切换开关的一端与储能电容器的高压端连接，另一端连接高压防爆电缆输出。
进一步，所述大电流同轴线式钻杆是由带绝缘层的内导体与钻杆外壳体复合而成，内导体与钻杆外壳体之间留有可以过水的环空，所述钻杆外壳体的两端为内外螺纹可连接结构，所述钻杆外壳体内设置有带绝缘层的内导体，所述内导体与钻杆外壳体构成同轴式结构，所述绝缘层位于内导体外侧一周，所述绝缘层、钻杆外壳体之间为环空结构，所述钻杆外壳体的内部前端、后端分别设置有置于内导体与钻杆外壳体之间的绝缘支撑体，所述绝缘支撑体套设于内导体之上，所述绝缘支撑体为圆环状且其表面上开设有通孔，所述内导体的一端外部设有公护套，所述内导体的另一端外部设有母护套，所述公护套、母护套分别位于钻杆外壳体内绝缘支撑体的外侧一边，所述大电流无感接触器设置于公护套的内部；所述大电流同轴线式钻杆用于与脉冲功率驱动源连接，所述能量转换器与大电流同轴线式钻杆连接并由大电流同轴线式钻杆进行推送。
进一步，所述大电流同轴线式钻杆的长度规格为每根3m，多根大电流同轴线式钻杆相互连接后作为连接脉冲功率驱动源和推送能量转换器的工具。
进一步，所述大电流无感接触器是各个大电流同轴线式钻杆内导体之间的接触器，并允许通过10kA以上的脉冲电流，大电流同轴线式钻杆的外壳体之间采用螺纹连接，内导体之间采用大电流无感接触器连接。
进一步，所述大电流无感接触器包括弹簧、两端的圆盘型电极板和中间的金属软线构成，两端的两个所述圆盘型电极板由金属软线穿过弹簧连接，所述弹簧的两端分别与两端的圆盘型电极板相连接。
进一步，所述能量转换器为外部自带水囊的干式能量转换器，所述能量转换器为圆柱形结构，所述能量转换器的外部为套有可膨胀的水囊，所述水囊在工作时由大电流同轴线式钻杆的内导体与钻杆外壳体之间的环空充入水介质。所述能量转换器包括一对高压、低压电极、外壳体、高压绝缘子和外壳体底板，高压、低压电极分别设置在外壳体的上下两侧，高压电极由高压绝缘子支撑在外壳体上，并与大电流同轴线式钻杆的内导体连接，低压电极装配在与外壳体连接的底板上。高压电极、低压电极与外壳体同轴并隔开一段距离形成间隙，所述能量转换器由大电流同轴线式钻杆推送到作业位置，再通过大电流同轴线式钻杆的环空向水囊充水，水囊膨胀并与煤层紧贴后开始工作。
产生冲击波的流程是：高压直流电源给储能电容器充电，充电达到切换开关的工作电压后，由触发器指令切换开关导通，储能电容器通过大电流同轴线式钻杆将骑上的高电压加载到能量转换器的高、低压电极间隙上。在高电压的作用下，间隙的水被击穿形成放电等离子体通道，放电电流加热等离子体通道和周围的水介质，使其迅速膨胀向外辐射出冲击波。储能电容器被反复充电、反复通过能量转换器放电产生冲击波，多次冲击波的作用增强了对煤层的增透效果。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
采用本发明提供的干式可控冲击波煤层增透器可以在不宜注水的煤层钻孔中，以能量转换器产生冲击波直接耦合到煤层，起到增透作用，从而解决目前煤层增透技术在钻孔中增透作业时必须要注水、注水会引起钻孔塌陷的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的干式可控冲击波煤层增透器的结构示意图；
图2为大电流同轴线式钻杆的结构示意图；
图3为大电流无感接触器的结构示意图；
图4为能量转换器的结构示意图。
图中，1、脉冲功率驱动源，1-1、高压直流电源，1-2、储能电容器，1-3、切换开关，1-4、触发器，2、大电流同轴线式钻杆，2-1、内导体，2-2、钻杆外壳体，2-3、绝缘层，2-4、绝缘支撑体，2-5、公护套，2-6、母护套，3、大电流无感接触器，3-1、圆盘型电极板，3-2、弹簧，3-3、金属软线，4、能量转换器，4-1、外壳体地电极，4-2、水介质，4-3、高压绝缘子，4-4、电极，5、高压防爆电缆，6、水囊。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
如图1-图4所示，本发明实施例提供的干式可控冲击波煤层增透器，包括脉冲功率驱动源1、大电流同轴线式钻杆2、大电流无感接触器3和能量转换器4。
其中，脉冲功率驱动源1置于钻孔外巷道中，用于产生高压脉冲电流，并通过能量转换器4以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波，如1所示，脉冲功率驱动源1通过高压防爆电缆5与大电流同轴线式钻杆2连接；能量转换器4依次通过大电流同轴线式钻杆2、高压防爆电缆5与脉冲功率驱动源1相连接，大电流无感接触器3是各个大电流同轴线式钻杆2的内导体之间的接触器，大电流同轴线式钻杆2之间通过大电流无感接触器3连接。
如图1所示，脉冲功率驱动源1包括高压直流电源1-1、储能电容器1-2、切换开关1-3和触发器1-4，高压直流电源1-1、储能电容器1-2、切换开关1-3和触发器1-4设置于一个隔爆容器中构成脉冲功率驱动源1，高压直流电源1-1与储能电容器1-2相接，切换开关1-3的一端与储能电容器1-2的高压端连接，另一端连接高压防爆电缆5输出。在本实施例中，高压直流电源1-1输出高压50kV，储能电容器1-2储能量10kJ以上，切换开关1-3一端连接储能电容器1-2的高压端，一端连接高压电缆输出，触发器的输出连接到切换开关的触发电极上。
如图2所示，大电流同轴线式钻杆2是由带绝缘层2-3的内导体2-1与钻杆外壳体2-2复合而成，内导体2-1与钻杆外壳体2-2之间留有可以过水的环空，钻杆外壳体2-2的两端为内外螺纹可连接结构，钻杆外壳体2-2内设置有带绝缘层2-3的内导体2-1，内导体2-1与钻杆外壳体2-2构成同轴式结构，绝缘层2-3位于内导体2-1外侧一周，绝缘层2-3、钻杆外壳体2-2之间为环空结构，钻杆外壳体2-2的内部前端、后端分别设置有置于内导体2-1与钻杆外壳体2-2之间的绝缘支撑体2-4，绝缘支撑体2-4套设于内导体2-1之上，绝缘支撑体2-4为圆环状且其表面上开设有通孔，其中，开设的通孔均匀开设在绝缘支撑体2-4表面上，具体可以为腰型孔，每个上的绝缘支撑体2-4的数量为3-5个，内导体2-1的一端外部设有公护套2-5，内导体2-1的另一端外部设有母护套2-6，公护套2-5、母护套2-6分别位于钻杆外壳体2-2内绝缘支撑体2-4的外侧一边，大电流无感接触器3设置于公护套的内部；大电流同轴线式钻杆2用于与脉冲功率驱动源1的储能电容器1-2连接，能量转换器4与大电流同轴线式钻杆2连接并由大电流同轴线式钻杆2进行推送。
其中，大电流同轴线式钻杆2的长度规格为每根3米，大电流传输同轴线式钻杆的钻杆体的半径为73mm，特征阻抗小于20欧姆，通流能力大于10kA，能够在煤层钻孔中实现脉冲大电流的传输。多根大电流同轴线式钻杆2相互连接后作为连接脉冲功率驱动源和推送能量转换器的工具。大电流传输同轴线式钻杆在相互连接时，通过钻杆外壳体2-2两端的内外螺纹结构进行连接；两个钻杆的钻杆外壳体2-2之间在连接后，其中一个钻杆的钻杆外壳体的公护套嵌套于另一相连的钻杆的钻杆外壳体的母护套之中，并且相互连接的大电流传输同轴线式钻杆的内导体2-1之间通过大电流无感接触器3相接触连接。
在本发明实施例中，大电流无感接触器3是各个大电流同轴线式钻杆2内导体2-1之间的接触器，并允许通过10kA以上的脉冲电流，大电流同轴线式钻杆2的外壳体2-2之间采用螺纹连接，内导体2-1之间采用大电流无感接触器3连接。
在本发明实施例中，能量转换器4为外部自带水囊6的干式能量转换器，能量转换器为圆柱形结构，能量转换器4的外部为套有可膨胀的水囊6，水囊6在工作时由大电流同轴线式钻杆2的内导体与钻杆外壳体之间的环空充入水介质4-2。能量转换器包括一对高、低压电极4-4、外壳体、高压绝缘子4-3和外壳体底板4-1。高压、低压电极分别设置在外壳体的上下两侧，高压电极由高压绝缘子4-3支撑在外壳体上，并与大电流同轴线式钻杆2的内导体2-1连接；低压电极装配在与外壳体连接的底板4-1上，高、低压电极与外壳体同轴并隔开一段距离形成间隙。能量转换器由大电流同轴线式钻杆2推送到作业位置，再通过大电流同轴线式钻杆2的环空向水囊充水，水囊膨胀并与煤层紧贴后开始工作。
其中，所用大电流无感接触器3用于连接各大电流同轴线式钻杆2，在本实施例中，图3示出了所用大电流无感接触器3的结构，如图3所示，所用大电流无感接触器3由弹簧3-2、两端的圆盘型电极板3-1和中间的金属软线3-3构成，两端的圆盘型电极板3-1由金属软线3-3穿过弹簧3-2连接，弹簧3-2的两端分别与两端的圆盘型电极板3-1相连接。弹簧3-2起顶紧作用，中间的金属软线3-3起导电作用，在本实施例中，金属软线3-3的线径不大于3mm。弹簧3-2将两端的圆盘型电极板3-1与两侧大电流同轴线式钻杆2的内导体2-1顶紧实现电连接，弹簧3-2的弹力顶紧圆盘型电极板3-1与大电流同轴线式钻杆2的内导体2-1以减小接触电阻，电流从中间金属软线3-3流过，实现无感。
在本实施例中，带有绝缘层2-3的内导体2-1穿入半径为73mm的钻杆外壳体2-2中，形成特性阻抗20Ω的大电流同轴线式钻杆2，带绝缘层的内导体2-1在两端由绝缘支撑体2-4与钻杆外壳体构成同轴状，内导体2-1的一端为公护套2-5，大电流无感接触器3置于公护套2-5内，内导体另一端为母护套2-6，两根大电流同轴线式钻杆2的外壳体由螺纹连接后，内导体压缩大电流无感接触器3实现电连接，通过弹簧的弹力减小大电流无感接触器3与大电流同轴线式钻杆2内导体的接触电阻，可以提高通流能力。水从内导体的绝缘层与钻杆外壳体之间的环空流过。其中，水囊由大电流同轴线式钻杆2充水膨胀并与钻孔壁紧贴，工作时水囊中充满水介质，高压电极在高压绝缘子的支撑下与外壳体底板绝缘，高电压脉冲加载到高、低电极间隙后，加热、击穿水介质形成等离子体通道，转换电能为冲击波能量。
本发明实施例干式可控冲击波煤层增透器的工作流程如下：
启动高压恒流电源向储能电容器充电，充电电压由切换开关设定。当储能电容器充电到切换开关的设定值后，触发器控制切换开关接通。储能电容器通过切换开关和本发明的大电流同轴线式钻杆2将电能馈送到钻孔深部的能量转换器。当脉冲高电压加载到能量转换器的高压电极与低压电极的间隙上，导致水间隙击穿形成短路放电，强大的放电电流加热、并电离间隙中的水介质产生冲击波穿透水囊作用于储层。储能电容器能够被反复充电、反复通过能量转换器放电产生冲击波，多次冲击波的作用增强了对煤层的增透效果。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，包括脉冲功率驱动源、大电流同轴线式钻杆、大电流无感接触器和能量转换器；
所述脉冲功率驱动源置于钻孔外巷道中，用于产生高压脉冲电流，并通过能量转换器以液电效应将脉冲电磁能量转换为冲击波，所述脉冲功率驱动源通过高压防爆电缆与大电流同轴线式钻杆连接；所述能量转换器依次通过大电流的同轴线式钻杆、高压防爆电缆与脉冲功率驱动源相连接，所述大电流无感接触器是两根大电流同轴线式钻杆的内导体之间的接触器。
2.根据权利要求书1所述的干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，所述脉冲功率驱动源包括高压直流电源、储能电容器、切换开关和触发器，所述高压直流电源、储能电容器、切换开关和触发器设置于一个隔爆容器中构成脉冲功率驱动源，所述高压直流电源与储能电容器相接，切换开关的一端与储能电容器的高压端连接，另一端连接高压防爆电缆输出。
3.根据权利要求书2所述的干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，所述大电流同轴线式钻杆是由带绝缘层的内导体与钻杆外壳体复合而成，内导体与钻杆外壳体之间留有可以过水的环空，所述钻杆外壳体的两端为内外螺纹可连接结构，所述钻杆外壳体内设置有带绝缘层的内导体，所述内导体与钻杆外壳体构成同轴式结构，所述绝缘层位于内导体外侧一周，所述绝缘层、钻杆外壳体之间为环空结构，所述钻杆外壳体的内部前端、后端分别设置有置于内导体与钻杆外壳体之间的绝缘支撑体，所述绝缘支撑体套设于内导体之上，所述绝缘支撑体为圆环状且其表面上开设有通孔，所述内导体的一端外部设有公护套，所述内导体的另一端外部设有母护套，所述公护套、母护套分别位于钻杆外壳体内绝缘支撑体的外侧一边，所述大电流无感接触器设置于公护套的内部；所述大电流同轴线式钻杆用于与脉冲功率驱动源连接，所述能量转换器与大电流同轴线式钻杆连接并由大电流同轴线式钻杆推送到钻孔中作业位置。
4.根据权利要求书1或3所述的干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，所述大电流同轴线式钻杆的长度规格为每根3m，多根大电流同轴线式钻杆相互连接后作为连接脉冲功率驱动源和推送能量转换器的工具。
5.根据权利要求书3所述的干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，所述大电流无感接触器是各个大电流同轴线式钻杆内导体之间的接触器，并允许通过10kA以上的脉冲电流，大电流同轴线式钻杆的外壳体之间采用螺纹连接，内导体之间采用大电流无感接触器连接。
6.根据权利要求书3所述的干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，所述大电流无感接触器包括弹簧、两端的圆盘型电极板和中间的金属软线构成，两端的两个所述圆盘型电极板由金属软线穿过弹簧连接，所述弹簧的两端分别与两端的圆盘型电极板相连接。
7.根据权利要求书3所述的干式可控冲击波煤层增透器，其特征在于，所述能量转换器为外部自带水囊的干式能量转换器，所述能量转换器为圆柱形结构，所述能量转换器的外部为套有可膨胀的水囊，所述水囊在工作时由大电流同轴线式钻杆的内导体与钻杆外壳体之间的环空充入水介质；所述能量转换器包括一对高压、低压电极、外壳体、高压绝缘子和外壳体底板，一对高压、低压电极分别设置在外壳体的上下两侧，高压电极由高压绝缘子支撑在外壳体上，并与大电流同轴线式钻杆的内导体连接，其中低压电极装配在与外壳体连接的底板上，高压电极、低压电极与外壳体同轴并隔开一段距离形成间隙；所述能量转换器由大电流同轴线式钻杆推送到作业位置，再通过大电流同轴线式钻杆的环空向水囊充水，水囊膨胀并与煤层紧贴后开始工作。
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