CN110080776A - 一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，由刀盘密封装置、多层套管式中柱、射流装置、引射装置、动静转换装置组成。本系统安装在竖井掘进机上，利用刀盘密封装置形成井底密闭空间；利用射流装置向井底密封空间注入洗井流体介质，并利用射流冲击井底漫流层，提高井底清洗效果，加速岩屑向排渣口流动；最后利用排渣管及其内部的引射装置，加速携渣流体排出。本发明系统集成到竖井掘进机上，能够有效地解决竖井掘进机钻进时的洗井排渣技术难题，提高排渣速度与效率，降低岩屑重复破碎几率，从而提高竖井掘进机施工效率。本发明可在不影响竖井掘进机刀盘布置的条件下，大幅提高洗井排渣乃至井筒掘进效率。

Description

一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统

技术领域

本发明涉及一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，适用于矿山、水利、交通、市政等领域内的竖井全断面掘进机法施工时的洗井排渣作业。

背景技术

深部固体资源开采是国民经济发展的关键支撑，而井筒建设是深部资源开采的前提。目前，立井建设仍以钻爆法为主，机械化程度低、施工管理复杂、安全风险高；钻井法虽是全断面机械化凿井方法，但随着井深增大，井孔全深护壁难度大、井壁下沉风险高、钻井控制难度大、成井效率低等问题越发突出。为此，急需研制竖井掘进机，实现全断面机械化凿井。

国外矿山建设技术与装备研究机构，如前苏联矿山研究院、美国罗宾斯公司等，上个世纪七、八十年代就曾借鉴TBM技术研发竖井掘进机，并用于少量工程。2000年以来，德国海瑞克集团曾研发多型全断面、非全断面竖井掘进机，部分装备已在欧洲、加拿大应用。中国北京中煤矿山工程公司近年来研发了竖井掘进机样机（先导孔向下排渣），但尚未投入应用。总体而言，竖井掘进机技术尚不成熟，难点之一就是洗井排渣技术难度大，导致掘进效率低。

已有的竖井掘进机普遍采用机械式非连续排渣（如料斗式）或流体抽吸式排渣，排渣效率低。大直径钻井则采用全井筒泥浆反循环洗井排渣技术，但对于竖井掘进机施工，由于不易获得所需排渣动力（没有足够的钻杆内外压差），且泥浆污染严重，难以照搬使用。

现有技术的竖井掘进机原有排渣技术的缺陷：机械（如料斗）式排渣不连续，且不彻底，导致效率低；泵吸式要求工作面岩屑首先汇集到泵吸口处，但对于大断面井筒，边缘处岩渣的径向运动速度低，造成岩屑容易原位沉积，造成反复碾压破碎，排渣与掘进效率低。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统。针对已有洗井排渣技术的缺陷，借鉴水力清洗与引射流理念，结合竖井掘进机的结构特点，首先创新刀盘密封装置，在井底工作面形成能维持一定流体压力的井底密封空间；进而把射流冲洗装置、引射流装置集成到竖井掘进机特定部位，提高洗井流体的径向、竖向流速，以提高携渣、排渣效率，形成了专门适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统。

本发明为实现发明目的所采用的技术方案是，一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，包括刀盘密封装置、多层套管式中柱、射流装置、动静转换装置。其特征是：所述刀盘密封装置设置于竖井掘进机主机体（盾体）与刀盘之间，利用刀盘密封装置形成井底密闭空间。所述多层套管式中柱内层为吸渣管，吸渣管连通的吸渣口设置于刀盘中心。多层套管式中柱设供液管道，供液管道与所述射流装置连通，射流装置设置在刀盘上。

进一步地，本发明适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，还包括一个或多个引射装置。所述引射装置设置在多层套管式中柱上，引射装置的引射喷嘴通入吸渣管。

本发明系统，利用刀盘密封装置将井壁密封，将竖井掘进机主机体（盾体）与刀盘密封，在刀盘所在的井底形成密闭空间。通过射流装置，向井底密闭空间内注满流体介质并维持一定压力，利用射流冲洗井底工作面，并加速岩渣向吸渣口运动。携渣洗井流体通过多层套管式中柱的吸渣管，并在引射装置的诱导加速作用下快速向上排出。

所述刀盘密封装置由密封盘基体、高压橡胶囊与空气压缩机组成。所述密封盘基体安装于掘进机主机体（盾体）前部、刀盘后方。刀盘密封装置安装后，密封盘基体垂直于井筒轴线。密封盘基体圆周面上开有环绕密封盘基体圆周面的凹槽，所述高压橡胶囊为圆环状，嵌入在密封盘基体圆周面上的凹槽内，所述凹槽用耐磨橡胶层封口。所述空气压缩机设置在掘进机主机体内，空气压缩机通过加压管路连接高压橡胶囊。在掘进机主机体（盾体）与围岩之间形成密闭圆盘状的密封结构，使掘进机迎头形成具有一定高度的井底密闭空间。

进一步地，所述密封盘基体圆周面上开有两条或多条环绕密封盘基体圆周面的凹槽，每个凹槽内均设有高压橡胶囊。

所述凹槽内涂有润滑有机脂。

所述多层套管式中柱由外层管和内层管构成，外层管和内层管之间形成的环形孔为所述供液管道，内层管为所述吸渣管。

进一步地，所述多层套管式中柱由外层管、中层管和内层管套装构成，外层管和中层管之间形成的环形孔为所述供液管道，内层管为所述吸渣管。中层管和内层管之间形成的环形孔为引射管，所述引射管与所述的引射装置连接。

多层套管式中柱的主要作用为：传递扭矩、利用内层空间排渣、中层空间通入引射流、外层空间通入射流。多层套管式中柱安装位置，位于竖井掘进机机中轴线处。多层套管式中柱的纵剖面可以为多种形式，如：矩形、梯形及流线型等。

多层套管式中柱中的吸渣管与刀盘的吸渣口连通。进一步地，所述刀盘上设有双吸渣口，包括主吸渣口和辅助吸渣口，辅助吸渣口环装设置在主吸渣口四周。

所述的动静转换装置，由上壳体、下壳体、射流供液管、引射流供液管组成。上下壳体通过螺栓紧固形成一个完整的密封壳体，多层套管式中柱上端穿过下壳体被锁于密封壳体内而不固连从而实现动静转换。射流供液管经所述多层套管式中柱的供液管道连通和至刀盘底部射流供液支管，最终连通射流喷嘴。

所述射流喷嘴的形状可以为圆柱形、圆锥形或异形等多种。射流喷嘴的位置、数量根据刀盘结构与尺寸、刀具类型与布置方式等确定，可以采用单圈、双圈、甚至多圈的布置方式。射流喷嘴方向通常沿半径方向朝向井心，与井底岩石切削面呈较小夹角，方向与夹角可根据需要调整。该射流装置适用的刀盘结构，包括锥形、截锥形、平底等多种型式。

所述引射装置由引射供液管、引射孔、引射喷嘴组成。引射孔沿多层套管式中柱内层管圆周方向均布多个，沿竖向可设置一层或多层，具体层数、每层的孔数，可根据射流压力及流量确定。每个引射孔均与引射供液管连通，引射喷嘴安装于每个引射孔内，形状可采用圆柱形、圆锥形或异形等。引射供液管与动静转换装置上的引射流供液管连接。

所使用的射流流体和引射流体既可以是清水、泥浆等液体，也可以是空气、氮气等气体，还可以是气液两相介质组成的泡沫流体。

竖井掘进机主机体（盾体）与围岩之间，利用刀盘密封装置形成井底密闭空间。以多层套管式中柱内外壁形成的环空为供液管道，通过射流装置，向井底密闭空间内注满流体介质并维持一定压力，利用射流冲洗井底工作面，并加速岩渣向吸渣口运动。携渣洗井流体通过多层套管式中柱内壁包裹的内部空间，并在引射装置的诱导加速作用下快速向上排出。

上述多层套管式中柱同时兼具射流供液管路、引射流供液管路以及岩屑上返通道三个功能。在作为岩屑上返通道时，岩屑首先进入排渣口，随后经排渣口进入多层套管式中柱的内层管壁所包裹形成的环空中，进而将岩屑排出。多层套管式中柱的纵剖面可以为多种形式，如：矩形、梯形及流线型等；中柱底端开口可为单独的吸渣口或双圈吸渣口，吸渣口布置的位置、数量，可考虑刀盘结构与尺寸、刀具类型与数量、射流喷嘴位置等因素综合确定。

本发明一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，集成到竖井掘进机上，能够有效地解决竖井掘进机钻进时的洗井排渣技术难题，提高排渣速度与效率，降低岩屑重复破碎几率，从而提高竖井掘进机施工效率。

附图说明

图1是本发明适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统总体结构（锥形刀盘、单圈射流、单层引射流、单吸渣口、单高压橡胶囊密封）。

图2是本发明适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统总体结构（锥形刀盘、双圈射流、双层引射流、双圈吸渣口、双单高压橡胶囊密封）。

图3是本发明适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统总体结构（平底刀盘、单圈射流、单层引射流、单圈吸渣口、单高压橡胶囊密封）。

图4是本发明适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统总体结构（平底刀盘、双圈射流、双层引射流、双圈吸渣口、双单高压橡胶囊密封）。

图5是刀盘密封装置局部放大示意图（图a是单圈密封，图b是双圈密封）。

图6，a是多层套管式中柱的纵剖面图，b是a图I-I剖面图。

图7是多层套管式中柱的横剖面图（图a是双层管，图b是三层管）。

图8是刀盘吸渣口局部示意图（图a是单吸渣口、图b是双吸渣口）。

图9是射流喷嘴结构（图a是锥形刀盘，图b是平底刀盘）。

图10是射流喷嘴布置示意图（图a是单圈布置，图b是双圈布置，图c是三圈布置）。

图11引射流装置局部放大示意图。

图12是动静转换装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明中，所涉及的一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，如图1~图4所示，是由本发明为解决射流系统供液问题提供了两种洗井排渣系统；本发明主要由刀盘密封装置1、多层套管式中柱2、射流装置3、引射装置4、动静转换装置5组成。

实施例1：

如图1所示，本实施例采用锥形刀盘、单圈射流、单层引射流、单吸渣口、单高压橡胶囊密封。

刀盘密封装置1设置于竖井掘进机主机体（盾体）与刀盘之间，利用刀盘密封装置1形成井底密闭空间。如图5a所示，刀盘密封装置1由密封盘基体50、高压橡胶囊7与空气压缩机10组成。密封盘基体50安装于掘进机主机体（盾体）前部、刀盘后方。刀盘密封装置1安装后，密封盘基体垂直于井筒轴线。密封盘基体1圆周面上开有一条环绕密封盘基体圆周面的凹槽8，所述高压橡胶囊7为圆环状，嵌入在密封盘基体圆周面上的凹槽内，所述凹槽用耐磨橡胶层6封口。所述凹槽8内涂有润滑有机脂。所述空气压缩机10设置在掘进机主机体内，空气压缩机通过加压管路9连接高压橡胶囊7。在掘进机主机体（盾体）与围岩之间形成密闭圆盘状的密封结构，使掘进机迎头形成具有一定高度的井底密闭空间。

如图6和图7b所示，所述多层套管式中柱2由外层管11、中层管和内层管12套装构成，外层管11和中层管之间形成的环形孔为所述供液管道14，内层管为所述吸渣管15。中层管和内层管之间形成的环形孔为引射管16，所述引射管16与所述的引射装置4连接。

如图8a所示，多层套管式中柱中的吸渣管15与刀盘的吸渣口20连通。

如图12所示，所述的动静转换装置5，由上壳体22、下壳体23、射流供液管24、引射流供液管25组成。上下壳体通过螺栓紧固形成一个完整的密封壳体，多层套管式中柱2上端穿过下壳体23被锁于密封壳体内而不固连从而实现动静转换。

射流供液管24经所述多层套管式中柱的供液管道14和刀盘底部射流供液支管，最终连通射流喷嘴19。

所述射流喷嘴19的形状可以为圆柱形、圆锥形或异形等多种。射流喷嘴的位置、数量根据刀盘结构与尺寸、刀具类型与布置方式等确定，可以采用单圈、双圈、甚至多圈的布置方式。射流喷嘴方向通常沿半径方向朝向井心，与井底岩石切削面呈较小夹角，方向与夹角可根据需要调整。该射流装置适用的刀盘结构，包括锥形、截锥形、平底等多种型式。

如图11所示，所述引射装置4由引射供液管16、引射孔17、引射喷嘴18组成。引射孔17沿多层套管式中柱内层管圆周方向均布多个，沿竖向可设置一层。每个引射孔17均与引射供液管16连通，引射喷嘴18安装于每个引射孔内，形状可采用圆柱形、圆锥形或异形等。引射供液管16与动静转换装置上的引射流供液管25连接。

所使用的射流流体和引射流体既可以是清水、泥浆等液体，也可以是空气、氮气等气体，还可以是气液两相介质组成的泡沫流体。

竖井掘进机主机体（盾体）与围岩之间，利用刀盘密封装置形成井底密闭空间。以多层套管式中柱内外壁形成的环空为供液管道，通过射流装置，向井底密闭空间内注满流体介质并维持一定压力，利用射流冲洗井底工作面，并加速岩渣向吸渣口运动。携渣洗井流体通过多层套管式中柱内壁包裹的内部空间，并在引射装置的诱导加速作用下快速向上排出。

上述多层套管式中柱同时兼具射流供液管路、引射流供液管路以及岩屑上返通道三个功能。在作为岩屑上返通道时，岩屑首先进入排渣口，随后经排渣口进入多层套管式中柱的内层管壁所包裹形成的环空中，进而将岩屑排出。多层套管式中柱的纵剖面可以为多种形式，如：矩形、梯形及流线型等。

本实施例的竖井掘进机洗井排渣系统，如图1所示：

（1）竖井掘进机依靠撑靴支撑于井壁或井帮围岩体上给掘进机提供反推力。

（2）由压缩空气机向密封盘的橡胶囊内充气至设计压力，在井底形成密封空间。

（3）由位于掘进机上部工作盘上的泵站，向射流系统内注入洗井流体，经射流供液管进入动静转换装置，再流入多层套管式中柱内外管壁形成的环空，经射流供液支管最后由喷嘴喷出进入井底空间。

（4）洗井流体携带着岩屑通过支管进入中心排渣管，向上排至位于掘进机上部工作盘上的洗井流体收集装置，而后进行岩屑分离（分离出的岩屑由吊桶或其他设备排至地面）。

（5）由位于掘进机上部工作盘上的另一台泵站，向位于中心排渣管上的引射装置注入流体，通过引射环或引射喷口将洗井流体喷出，加速携带岩屑的洗井流体向上排出。

实施例2：

本实施例的竖井掘进机洗井排渣系统如图2所示，与实施例1的区别在于采用双圈射流口、双层引射流、双圈吸渣口以及双圈高压橡胶囊密封的布置，洗井步骤与实施例1相同。

如图8b所示双圈吸渣口，包括主吸渣口20、辅助吸渣口21。

实施例3：

本实施例的竖井掘进机洗井排渣系统如图3所示，与实施例1的区别在于采用平底刀盘口，洗井步骤与实施例1相同。

实施例4：

本实施例的竖井掘进机洗井排渣系统如图4所示，与实施例1的区别在于采用平底刀盘、双圈射流、双层引射流、双圈吸渣口及双圈橡胶囊密封的布置，洗井步骤与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，包括刀盘密封装置（1）、多层套管式中柱（2）、射流装置（3）、动静转换装置（5）；其特征是：所述刀盘密封装置（1）设置于竖井掘进机主机体与刀盘之间；所述多层套管式中柱内层为吸渣管（14），吸渣管连通的吸渣口设置于刀盘中心；多层套管式中柱（2）设供液管道，供液管道与所述射流装置连通，射流装置设置在刀盘上。

2.根据权利要求1所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：还包括一个或多个引射装置（4）；所述引射装置（4）设置在多层套管式中柱（2）上，引射装置（4）的引射喷嘴（18）通入吸渣管（14）。

3.根据权利要求1或2所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述刀盘密封装置（1）由密封盘基体（50）、高压橡胶囊（7）与空气压缩机（10）组成；所述密封盘基体（50）安装于掘进机主机体前部、刀盘后方；密封盘基体（50）垂直于井筒轴线；密封盘基体（50）圆周面上开有环绕密封盘基体圆周面的凹槽（8），所述高压橡胶囊（7）为圆环状，嵌入在密封盘基体圆周面上的凹槽（8）内，所述凹槽用耐磨橡胶层（6）封口；所述空气压缩机设置在掘进机主机体内，空气压缩机通过加压管路（9）连接高压橡胶囊（7）。

4.根据权利要求3所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述密封盘基体（50）圆周面上开有两条或多条环绕密封盘基体圆周面的凹槽（8），每个凹槽（8）内均设有高压橡胶囊（7）。

5.根据权利要求3或4所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述凹槽（8）内涂有润滑有机脂。

6.根据权利要求1所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述多层套管式中柱（2）由外层管（11）和内层管（12）构成，外层管（11）和内层管（12）之间形成的环形孔为所述供液管道（14），内层管为所述吸渣管（15）。

7.根据权利要求2所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述多层套管式中柱（2）由外层管（11）、中层管和内层管（12）套装构成，外层管（11）和中层管之间形成的环形孔为所述供液管道（14），内层管为所述吸渣管（15）；中层管和内层管（12）之间形成的环形孔为引射管（16），所述引射管（16）与所述的引射装置（4）连接。

8.根据权利要求1所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述多层套管式中柱中的吸渣管（15）与刀盘的吸渣口连通；所述刀盘上设双吸渣口，包括主吸渣口（20）和辅助吸渣口（21），辅助吸渣口环装设置在主吸渣口（20）四周。

9.根据权利要求1所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述动静转换装置，由上壳体（22）、下壳体（23）、射流供液管（24）、引射流供液管（25）组成；上下壳体通过螺栓紧固形成一个完整的密封壳体，多层套管式中柱上端穿过下壳体被锁于密封壳体内而不固连从而实现动静转换；射流供液管（24）经所述多层套管式中柱的供液管道（14）和刀盘底部射流供液支管，最终连通射流喷嘴（19）。

10.根据权利要求2所述的适用于竖井掘进机的流体洗井排渣系统，其特征是：所述引射装置（4）由引射供液管（16）、引射孔（17）、引射喷嘴（18）组成；引射孔沿多层套管式中柱内层管圆周方向均布多个，沿竖向设置一层或多层；每个引射孔（17）均与引射供液管（16）连通，引射喷嘴（18）安装于每个引射孔（17）内；引射供液管（16）与动静转换装置上的引射流供液管（25）连接。