CN108789173B - 煤矿井下磨料持续供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下磨料持续供给系统，以流体的流动方向为下游方向，包括并联加设置的第一加料机构和第二加料机构、用于为第一加料机构和第二加料机构添加磨料的射流添加机构、用于为第一加料机构和第二加料机构提供高压水的高压水机构和用于喷出高压水进行水射流作业的喷水机构；喷水机构与第一加料机构和第二加料机构相连接；第一加料机构和第二加料机构均为加料机构。本发明的煤矿井下磨料持续供给系统具有多种运行模式提供了基础，大大增强了煤矿井下磨料持续供给系统的适应性，能够实现不间断作业，并避免水办输料的缺陷。

Description

煤矿井下磨料持续供给系统

技术领域

本发明涉及水射流作业如水力压裂技术领域，尤其是一种磨料供给系统及其供给方法。

背景技术

近年来，水力冲孔、水力割缝、水力压裂等工艺在瓦斯治理领域得到了广泛应用，取得了显著成果。为使这些工艺适用范围更广、瓦斯治理效果更好，需在传统纯水射流中加入磨料，以增加射流切割能力或支持人造缝隙。

磨料加入方式分为前混合、后混合两种模式，但受到后混合磨料射流装置结构的影响，较难用于瓦斯治理领域。有学者尝试将前混合磨料射流运用于瓦斯治理领域，但传统前混合磨料射流难以连续供给磨料，导致瓦斯治理效果不明显。为此，本发明旨在解决井下前混合磨料射流不间断供给磨料的问题。

发明人研究了采用水射流的方式运送磨料的方式，发现水射流运送磨料对管道的磨损较大。同时，多数磨料遇水容易板结，实验过程中残留水分极易通过文丘里管湿润料仓底部的磨料，导致磨料在料仓底部板结发生堵塞，影响正常的输料功能。如果采用气体运送磨料，则存在现实的技术困难：采用气作为载体，需要将作为载体的气体和磨料有效分离开来，避免载体随同磨料一起喷射出去、给水射流作业带来负面影响甚至导致水射流作业失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续输料的煤矿井下磨料持续供给系统，能够将气体和物料有效分离开来，实现不间断作业。

为实现上述目的，本发明的煤矿井下磨料持续供给系统以流体的流动方向为下游方向，包括并联加设置的第一加料机构和第二加料机构、用于为第一加料机构和第二加料机构添加磨料的射流添加机构、用于为第一加料机构和第二加料机构提供高压水的高压水机构和用于喷出高压水进行水射流作业的喷水机构；喷水机构与第一加料机构和第二加料机构相连接；第一加料机构和第二加料机构均为加料机构。

喷水机构包括喷头和与喷头相连接的高压喷水管路。

高压水机构包括高压水泵和与高压水泵的出水口相连接的高压供水管路；高压水泵的进水口通过管路连接外置水源。

射流添加机构包括总风管、文丘里管、磨料仓和压力调节阀，文丘里管通过其进风口和出风口串联在总风管上，文丘里管的负压口通过负压管连接磨料仓的底部；文丘里管上游侧的总风管用于连接煤矿井下的送风管，文丘里管下游侧的总风管连接第一加料机构和第二加料机构。

各加料机构的结构相同，均包括竖向设置的加料罐，加料罐顶部连接有进料管，加料罐上部设有水平设置的筛网，进料管的上游端通过进料阀连接总风管的下游端；进料管的下游端由上至下伸入加料罐并延伸至筛网下方；加料罐上方的进料管连接有补水管；筛网的网孔小于磨料的粒径；

筛网上方的加料罐连接有排气管，排气管的下游端开口在环境中，排气管上设有排气阀；

加料罐底部连接有出水阀，出水阀连接有混合出水管，混合出水管的下游端连接所述高压喷水管路；混合出水管的中部连接有高压水进水管，高压水进水管上设有流量调节阀，高压水进水管的上游端通过高压水进水阀连接所述高压供水管路；所述补水管的上游端连接在流量调节阀上游侧的高压水进水管上。

所述混合出水管的下游端设有截止阀。

本发明具有如下的优点：

本发明的煤矿井下磨料持续供给系统为多种运行模式提供了基础，大大增强了煤矿井下磨料持续供给系统的适应性。由于设置了至少两套加料机构，因此可以一套（组）加料机构进行正常的水射流作业，另一套（组）加料机构补充磨料，两套（组）加料机构交替进行水射流作业和补充磨料，从而实现连续水射流作业。

本发明采用了煤矿井下的送风管中的气流作为输送磨料的介质和动力，非常适于井下使用，应用在井下时，不需要另外设置气源和气泵，节省了设备成本，简化了系统结构以及系统安装过程，并能够通过现有的煤矿井下送风管得到稳定可靠、源源不断的清洁气流，提高了水射流作业的稳定性和安全性。

采用气流输送磨料，避免了磨料在磨料仓7底部板结发生堵塞的现象，保证了水射流作业的稳定性，水射流作业不再因意外而被打断，提高了作业质量和效率，也避免了水射流运送磨料带来的管道磨损快等问题。采用气流输送磨料相比水流输送磨料，另外还具有节约水资源、降低煤矿排水成本的优势。

截止阀24能够防止高压水倒流，起到安全防护、保证工作稳定性的作用。

高压水通过高压水进水阀后分为两路水，既解决了射流时在负压的作用下补充水的问题、解决了将磨料混合入高压水中的问题，也为配合流量调节阀22一起调节高压水中磨料的含量提供了基础。

由于筛网15的网孔小于磨料的粒径，因此磨料进入筛网15下方的加料罐13后，就不会向上通过筛网15进入排气管17。同时随磨料一同进入加料罐13的气体则可以向上通过筛网15后进入排气管17排出。这样既完成了加料，又防止了排走输送介质（气体）时磨料一同被排走。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

本发明中以流体的流动方向为下游方向。如图1所示，本发明的煤矿井下磨料持续供给系统包括并联加设置的第一加料机构9和第二加料机构10、用于为第一加料机构9和第二加料机构10添加磨料的射流添加机构、用于为第一加料机构9和第二加料机构10提供高压水的高压水机构和用于喷出高压水进行水射流作业的喷水机构；喷水机构与第一加料机构9和第二加料机构10相连接；第一加料机构9和第二加料机构10均为加料机构。

喷水机构包括喷头1和与喷头1相连接的高压喷水管路2。

高压水机构包括高压水泵3和与高压水泵3的出水口相连接的高压供水管路4；高压水泵3的进水口通过管路连接外置水源。

射流添加机构包括总风管5、文丘里管6、磨料仓7和压力调节阀8，文丘里管6通过其进风口和出风口串联在总风管5上，文丘里管6的负压口通过负压管11连接磨料仓7的底部；文丘里管6上游侧的总风管5用于连接煤矿井下的送风管，文丘里管6下游侧的总风管5连接第一加料机构9和第二加料机构10。

各加料机构的结构相同，均包括竖向设置的加料罐13，加料罐13顶部连接有进料管12，加料罐13上部设有水平设置的筛网15，进料管12的上游端通过进料阀14连接总风管5的下游端；进料管12的下游端由上至下伸入加料罐13并延伸至筛网15下方；加料罐13上方的进料管12连接有补水管16；筛网15的网孔小于磨料的粒径；

筛网15上方的加料罐13连接有排气管17，排气管17的下游端开口在环境中，排气管17上设有排气阀18；

加料罐13底部连接有出水阀19，出水阀19连接有混合出水管20，混合出水管20的下游端连接所述高压喷水管路2；混合出水管20的中部连接有高压水进水管21，高压水进水管21上设有流量调节阀22，高压水进水管21的上游端通过高压水进水阀23连接所述高压供水管路4；所述补水管16的上游端连接在流量调节阀22上游侧的高压水进水管21上。

所述混合出水管20的下游端设有截止阀24。

本发明还公开了上述煤矿井下磨料持续供给系统的供给方法，该包括单罐运行模式和双罐持续运行模式；

加料机构包括工作状态和补料状态；

工作状态下，加料机构的进料阀14、排气阀18关闭，出水阀19、流量调节阀22和高压水进水阀23打开；打开高压水泵3，外置水源中的水经过高压水泵3增压后，沿高压供水管路4进入高压水进水管21，通过高压水进水阀23后分为两路水，第一路水经补水管16和进料管12进入加料罐13的顶部，然后第一路水在通过加料罐13时携带磨料，携带有磨料的水经出水阀19进入混合出水管20并与第二路水混合；第二路水经流量调节阀22进入混合出水管20并与第一路水混合；混合后的水携带磨料经截止阀24后进入高压喷水管路2，最终通过喷头1喷射至工作位置，进行水射流作业； 加料罐13内的磨料用尽时或者水射流作业完成时，关闭高压水泵3、出水阀19、流量调节阀22和高压水进水阀23，停止工作状态；

补料状态下，加料机构的出水阀19、流量调节阀22和高压水进水阀23关闭，进料阀14和排气阀18打开；射流添加机构的压力调节阀8打开；煤矿井下的送风管中的气流通过压力调节阀8流经文丘里管6时产生负压，将磨料仓7中的磨料抽出送往下游；带有磨料的气流经总风管5进入进料管12，通过进料阀14后进入筛网15下方的加料罐13内储存起来；磨料加满加料罐13后（此时筛网15下方的加料罐13装满磨料），关闭进料阀14、排气阀18和压力调节阀8，完成补料操作。

单罐运行模式是：

在水射流作业时间较短、所需的磨料量（体积）少于或等于筛网15下方加料罐13的容量时，以单罐模式运行；

对于一个加料机构，先在补料状态下向加料罐13内加满磨料，再切换至工作模式下进行水射流作业；水射流作业完毕后关闭高压水泵3；

双罐运行模式是：在水射流作业时间较长、所需的磨料量多于筛网15下方加料罐13的容量时，以双罐模式运行；

先使第一加料机构9和第二加料机构10均按补料状态运行，第一加料机构9和第二加料机构10中的加料罐13均装满料后，使第一加料机构9按工作状态运行，直到第一加料罐13内的磨料用尽时，使第二加料机构10按工作状态运行，同时使第一加料机构9按补料状态运行；

使第一加料机构9和第二加料机构10交替按工作状态运行，并使结束工作状态的加料机构按补料状态运行、在磨料加满加料罐13并关闭压力调节阀8后等待下一次按工作状态运行；

第一加料机构9和第二加料机构10交替按工作状态运行，进行不间断水射流作业；

还包括纯水射流模式；在不需要使用磨料增加水射流切割能力的场合，按纯水射流模式进行水射流作业；

纯水射流模式是关闭所有加料机构的出水阀19，开启至少一个加料机构的高压水进水阀23和流量调节阀22，开启高压水泵3，高压水沿高压供水管路4和高压水进水管21，依次经过高压水进水阀23、流量调节阀22和截止阀24后进入高压喷水管路2，最终通过喷头1喷射至工作位置，进行纯水射流作业。

在工作状态下，当需要增大水射流中的磨料含量时，调小流量调节阀22的开启度，从而增大补水管16中的水流量并同时减小高压水进水管21中的水流量；当需要减小水射流中的磨料含量时，调大流量调节阀22的开启度，从而减小补水管16中的水流量并同时增大高压水进水管21中的水流量；

在补料状态下，当磨料加满加料罐13后，先关闭进料阀14和压力调节阀8，同时打开高压水进水阀23，使高压水经补水管16和排气管17进入筛网15下方的加料罐13内，然后水向上通过筛网15后最终通过排气管17排出，在此过程中将加料罐13内原有的气体排放出去，避免水射流中携带空气；气体排放完毕、加料罐13顶部充满水后，关闭高压水进水阀23和排气阀18，完成补料操作；

磨料仓7的容积为一次水射流作业所需要的磨料体积；在最后一次补料状态下，当磨料仓7中的磨料用尽时，延时3－5秒后关闭压力调节阀8，再关闭进料阀14和排气阀18，结束补料状态。

还包括多罐运行模式；煤矿井下磨料持续供给系统还包括有第三加料机构至第N加料机构，N≥4且N为偶数；当井下水射流作业需要的水流量大于第一加料机构9或第二加料机构10的（即大于单个加料机构的流量）流量时，将一半加料机构作为第一组加料机构，将另一半加料机构作为第二组加料机构；所述高压水泵3并联设有两个以上；

各加料机构的结构均相同，图未示第三加料机构至第N加料机构。

当水射流作业需要的流量大于一个加料机构的流量时，按多罐运行模式运行；

先使第一组加料机构和第二组加料机构均按补料状态运行，第一组加料机构和第二组加料机构中的加料罐13均装满料后，使第一组加料机构按工作状态运行，直到第一组加料罐13内的磨料用尽时，使第二组加料机构按工作状态运行，同时使第一组加料机构按补料状态运行；

使第一组加料机构和第二组加料机构交替按工作状态运行，并使结束工作状态的一组加料机构按补料状态运行、在磨料加满加料罐13并关闭压力调节阀8后等待下一次按工作状态运行；

第一组加料机构和第二组加料机构交替按工作状态运行，进行不间断水射流作业。

本发明的供给方法安排合理，针对不同的情况可以按不同的模式运行，极大增强了煤矿井下磨料持续供给系统的灵活性和适应性。

通过控制流量调节阀22的开启度，能够灵活控制水射流作业的水流中磨料的含量，实现最佳的作业效益。补料状态下，通过延时关闭排气阀18并同时开启高压水进水阀23，能够排出加料罐13中的气体，防止水射流中携带气体给水射流作业带来不利影响。

延时3－5秒后关闭压力调节阀8，可以使气流清洁磨料供给管道内残留磨料，做到物尽其用，并防止残留在管道内的磨料板结后增加管道阻力，甚至堵塞管道。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.煤矿井下磨料持续供给系统，以流体的流动方向为下游方向，其特征在于：包括并联设置的第一加料机构和第二加料机构、用于为第一加料机构和第二加料机构添加磨料的射流添加机构、用于为第一加料机构和第二加料机构提供高压水的高压水机构和用于喷出高压水进行水射流作业的喷水机构；喷水机构与第一加料机构和第二加料机构相连接；第一加料机构和第二加料机构均为加料机构；

喷水机构包括喷头和与喷头相连接的高压喷水管路；

高压水机构包括高压水泵和与高压水泵的出水口相连接的高压供水管路；高压水泵的进水口通过管路连接外置水源；

射流添加机构包括总风管、文丘里管、磨料仓和压力调节阀，文丘里管通过其进风口和出风口串联在总风管上，文丘里管的负压口通过负压管连接磨料仓的底部；文丘里管上游侧的总风管用于连接煤矿井下的送风管，文丘里管下游侧的总风管连接第一加料机构和第二加料机构；

各加料机构的结构相同，均包括竖向设置的加料罐，加料罐顶部连接有进料管，加料罐上部设有水平设置的筛网，进料管的上游端通过进料阀连接总风管的下游端；进料管的下游端由上至下伸入加料罐并延伸至筛网下方；加料罐上方的进料管连接有补水管；筛网的网孔小于磨料的粒径；

筛网上方的加料罐连接有排气管，排气管的下游端开口在环境中，排气管上设有排气阀；

加料罐底部连接有出水阀，出水阀连接有混合出水管，混合出水管的下游端连接所述高压喷水管路；混合出水管的中部连接有高压水进水管，高压水进水管上设有流量调节阀，高压水进水管的上游端通过高压水进水阀连接所述高压供水管路；所述补水管的上游端连接在流量调节阀上游侧的高压水进水管上。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下磨料持续供给系统，其特征在于：所述混合出水管的下游端设有截止阀。