CN111364946B - 具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置，包括钻孔扩孔段封孔管件、翼形水渣气分流器和钻杆密封导向组件，翼形水渣气分流器的上部设有一个连接口，翼形水渣气分流器的下部具有上、中、下三个连接口，翼形水渣气分流器上部的连接口与钻孔扩孔段封孔管件的下端口通过法兰连接，钻杆密封导向组件设置在翼形水渣气分流器的中部的端口处。本发明原理科学，设计合理，结构简单，不仅可在穿层钻孔施工过程中方便瓦斯、水、煤渣的分离，而且具有导向并密封钻孔飞功能，从而防止在底抽巷钻孔施工过程发生喷孔时瓦斯涌入巷道引起瓦斯超限事故。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置及其使用方法。
背景技术
底抽巷，也被称为底板巷道，位于煤层下方的岩层，是指布置在煤层底板的巷道。从煤层底板巷道向煤层施工穿层钻孔进行瓦斯抽采，已经成为高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井进行区域及局部消突的必要手段。而在穿层钻孔施工过程中，一般要采用水力排渣及水力割煤，钻杆进入煤层之后，大量的瓦斯、伴着煤渣及水瞬间冲出钻孔，极易引起喷孔，造成底板巷道瓦斯超限报警，引起瓦斯事故，轻者影响生产，重者造成人员伤亡。由于钻杆具有轴向移动和转动两个运动方向，而且还需要对钻出的水渣和瓦斯气体进行分离，现有技术中对钻杆在钻孔施工过程中密封不严实、不可靠，在喷孔事故发生时会造成密封装置的损坏。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种密封性能好、可靠性强、并可同时对水渣和瓦斯气体进行分离的具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置，包括钻孔扩孔段封孔管件、翼形水渣气分流器和钻杆密封导向组件，翼形水渣气分流器的上部设有一个连接口，翼形水渣气分流器的下部具有上、中、下三个连接口，翼形水渣气分流器上部的连接口与钻孔扩孔段封孔管件的下端口通过法兰连接，钻杆密封导向组件设置在翼形水渣气分流器的中部的端口处。
钻孔扩孔段封孔管件包括封孔管、第一法兰和第二法兰，第一法兰同轴线设置在封孔管的外圆，第二法兰同轴线设置在封孔管的下端口，第一法兰位于第二法兰上方，第一法兰到第二法兰的距离小于第一法兰到封孔管上端口的距离。
翼形水渣气分流器包括中心管、上翼管、下翼管、第三法兰和第四法兰，第三法兰同轴线设在中心管上端口，第四法兰同轴线设在中心管下端口，上翼管和下翼管的上端口分别连接在中心管的上部和下部，上翼管和下翼管关于中心管的中心对称布置。
钻杆密封导向组件包括第五法兰、第六法兰、定位套、内滑套和若干个滚柱，第五法兰外圆周开设有一圈与第四法兰一一对应的外连接孔，第五法兰和第四法兰通过穿过外连接孔的螺栓组件对应连接，第五法兰下表面在外连接孔的内侧开设有一圈内螺纹盲孔，第六法兰的外圆周开设有一圈与内螺纹盲孔一一对应的内连接孔，内连接孔内自下而上穿入螺栓，螺栓上部与伸入并螺纹连接到内螺纹盲孔内，定位套上端面与第六法兰下端面同轴线固定连接，第六法兰的内径大于定位套的内径，内滑套同轴线设置在第六法兰内部，若干个滚柱滚动设置在内滑套的外圆与第六法兰的内圈之间的环形间隙内，内滑套的中心孔为与钻杆横断面形状匹配的圆形或三角形；
内滑套的中心孔为圆形时，内滑套的内圆沿轴向方向设有导向键，钻杆外圆沿轴向方向设有与导向键配合的导向槽。
具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置的使用方法，包括以下步骤，
（1）选择底抽巷的钻孔地点，先用较大钻头施工钻孔外端口的扩孔段，在扩孔段内安装钻孔扩孔段封孔管件；
（2）将翼形水渣气分流器的上部的一个连接口与钻孔扩孔段封孔管件的下端口连接，翼形水渣气分流器的的上翼管朝上设置，翼形水渣气分流器的的下翼管朝下设置；
（3）翼形水渣气分流器的上翼管下端的连接口连接防突管，防突管上设有常闭阀门，在上翼管上开设有连接口，上翼管上的连接口连接瓦斯排放管，翼形水渣气分流器的下翼管下端的连接口连接水渣排放管；
（4）在钻杆上套设上钻杆密封导向组件，将钻杆密封导向组件的第五法兰固定连接到中心管下端中连接口的第四法兰，钻杆安装到钻机上，固定钻机；
（5）开启钻机进行钻进作业，在岩层或者没有喷孔迹象的煤层钻进过程中，水、渣由中心管、下翼管和水渣排放管排出，瓦斯气体由瓦斯排放管排出，再由煤矿巷道内的瓦斯抽采管负压抽出；当钻进至煤层时，由于瓦斯压力或者水力割煤产生的大量瓦斯气体的突然沿着钻孔向外喷出，此时打开防突管上的常闭阀门，喷出的瓦斯进入到防突管内，再由煤矿巷道内的瓦斯抽采管负压抽出，由于在钻杆外部设置了钻杆密封导向组件，从而避免了钻进过程的喷孔。
步骤（1）中在扩孔段内安装钻孔扩孔段封孔管件的具体过程为：扩孔段完成之后，用密封剂涂于第一法兰到封孔管上端口的封孔管的管壁外，然后将封孔管迅速插入扩孔段，通过第一法兰上的安装孔向底抽巷底部的岩石钻孔，然后用膨胀螺丝穿过安装孔将钻孔扩孔段封孔装置固定于岩石之上。
步骤（4）中钻杆上套设上钻杆密封导向组件的具体操作过程为：先将第六法兰通过螺栓伸入并螺纹连接到第五法兰的内螺纹盲孔内，然后将第六法兰将钻杆伸入到定位套内，使钻杆外圆上的导向槽与内滑套内壁的导向键相配合，再将第五法兰通过穿过外连接孔的螺栓组件与第四法兰对应连接，钻杆向上推进到中心筒和封孔管内。
步骤（5）中开启钻机进行钻进作业时，钻杆外圆与内滑套内圈之间具有的环形间隙为0.1-0.2mm，钻杆外圆上的导向槽与内滑套内壁的导向键配合，钻杆在高速旋转时带动内滑套转动，内滑套的外圈通过滚柱在第六法兰内部转动，钻杆上的导向槽沿着导向键向前推进。
采用上述技术方案，翼形水渣气分流器在安装时上端通过第三法兰、密封圈用螺丝及螺母与第二法兰连接，下端通过第四法兰与钻杆密封导向组件连接。翼形水渣气分流器是分流钻孔施工过程中产生的岩石钻屑、煤层钻屑、瓦斯气体的装置，上翼管、下翼管与封孔管形成的夹角处曲面过渡，便于煤渣、水以及钻孔施工产生的瓦斯进行分离。由于穿层钻孔施工有一定的倾斜角度，用于导流水、渣的下翼管靠下放置（位于钻孔下侧），工作时水、渣由于重力作用通过下翼管及水渣排放管流入水渣收集器。上翼管靠上侧布置（位于钻孔下侧），上翼管通过瓦斯排放管由负压的瓦斯抽采管路抽出。另外，由于瓦斯气体大于空气密度，负压储能器的位置低于上翼管，瓦斯也便于从引流管流入负压储能器。
钻杆密封导向组件是为了密封钻杆与翼形水气渣分流装置的中心管之间的空隙，防止翼形水气渣分流装置内的渣体和气流冲出巷道引起瓦斯超限。其中内滑套是一个和使用钻杆紧密接触的环形套筒，可根据不同直径、不同外形的钻杆选择适合的内滑套，内滑套内径与钻杆外径大致相等。第五法兰与第四法兰连接，内滑套在第六法兰内部并通过滚柱转动连接并添加润滑油润滑。这样钻杆穿过定位套、内滑套并伸入到中心管在钻进时，内滑套与钻杆一起在第六法兰内部转动，并且在第四法兰和定位套的限位下，而不会做沿钻杆方向的轴向移动，保证了钻进乃至钻孔喷孔期间瓦斯气体不会通过钻杆密封导向组件涌入巷道，保障了钻进的安全性。
综上所述，本发明原理科学，设计合理，结构简单，不仅可在穿层钻孔施工过程中方便瓦斯、水、煤渣的分离，而且具有导向并密封钻孔飞功能，从而防止在底抽巷钻孔施工过程发生喷孔时瓦斯涌入巷道引起瓦斯超限事故。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是钻杆密封导向组件的拆分示意图；
图3是图2中内滑套第二个实施例的示意图；
图4是图2中内滑套第三个实施例的示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置，包括钻孔扩孔段封孔管件、翼形水渣气分流器和钻杆密封导向组件1，翼形水渣气分流器的上部设有一个连接口，翼形水渣气分流器的下部具有上、中、下三个连接口，翼形水渣气分流器上部的连接口与钻孔扩孔段封孔管件的下端口通过法兰连接，钻杆密封导向组件1设置在翼形水渣气分流器的中部的端口处。
钻孔扩孔段封孔管件包括封孔管2、第一法兰3和第二法兰4，第一法兰3同轴线设置在封孔管2的外圆，第二法兰4同轴线设置在封孔管2的下端口，第一法兰3位于第二法兰4上方，第一法兰3到第二法兰4的距离小于第一法兰3到封孔管2上端口的距离。
翼形水渣气分流器包括中心管5、上翼管6、下翼管7、第三法兰8和第四法兰9，第三法兰8同轴线设在中心管5上端口，第四法兰9同轴线设在中心管5下端口，上翼管6和下翼管7的上端口分别连接在中心管5的上部和下部，上翼管6和下翼管7关于中心管5的中心对称布置。
钻杆密封导向组件1包括第五法兰10、第六法兰11、定位套12、内滑套13和若干个滚柱14，第五法兰10外圆周开设有一圈与第四法兰9一一对应的外连接孔15，第五法兰10和第四法兰9通过穿过外连接孔15的螺栓组件对应连接，第五法兰10下表面在外连接孔15的内侧开设有一圈内螺纹盲孔（图中未示出），第六法兰11的外圆周开设有一圈与内螺纹盲孔一一对应的内连接孔16，内连接孔16内自下而上穿入螺栓，螺栓上部与伸入并螺纹连接到内螺纹盲孔内，定位套12上端面与第六法兰11下端面同轴线固定连接，第六法兰11的内径大于定位套12的内径，内滑套13同轴线设置在第六法兰11内部，若干个滚柱14滚动设置在内滑套13的外圆与第六法兰11的内圈之间的环形间隙内，内滑套13的中心孔为与钻杆横断面形状匹配的圆形；内滑套13的内圆沿轴向方向设有导向键17，钻杆外圆沿轴向方向设有与导向键17配合的导向槽。
具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置的使用方法，包括以下步骤，
（1）选择底抽巷的钻孔地点，先用较大钻头施工钻孔外端口的扩孔段，在扩孔段内安装钻孔扩孔段封孔管2件；
（2）将翼形水渣气分流器的上部的一个连接口与钻孔扩孔段封孔管2件的下端口连接，翼形水渣气分流器的的上翼管6朝上设置，翼形水渣气分流器的的下翼管7朝下设置；
（3）翼形水渣气分流器的上翼管6下端的连接口连接防突管18，防突管18上设有常闭阀门，在上翼管6上开设有连接口，上翼管6上的连接口连接瓦斯排放管19，翼形水渣气分流器的下翼管7下端的连接口连接水渣排放管20；
（4）在钻杆上套设上钻杆密封导向组件1，将钻杆密封导向组件1的第五法兰10固定连接到中心管5下端中连接口的第四法兰9，钻杆安装到钻机上，固定钻机；
（5）开启钻机进行钻进作业，在岩层或者没有喷孔迹象的煤层钻进过程中，水、渣由中心管5、下翼管7和水渣排放管20排出，瓦斯气体由瓦斯排放管19排出，再由煤矿巷道内的瓦斯抽采管负压抽出；当钻进至煤层时，由于瓦斯压力或者水力割煤产生的大量瓦斯气体的突然沿着钻孔向外喷出，此时打开防突管18上的常闭阀门，喷出的瓦斯进入到防突管18内，再由煤矿巷道内的瓦斯抽采管负压抽出，由于在钻杆外部设置了钻杆密封导向组件1，从而避免了钻进过程的喷孔。
步骤（1）中在扩孔段内安装钻孔扩孔段封孔管2件的具体过程为：扩孔段完成之后，用密封剂涂于第一法兰3到封孔管2上端口的封孔管2的管壁外，然后将封孔管2迅速插入扩孔段，通过第一法兰3上的安装孔向底抽巷底部的岩石钻孔，然后用膨胀螺丝穿过安装孔将钻孔扩孔段封孔装置固定于岩石之上。
步骤（4）中钻杆上套设上钻杆密封导向组件1的具体操作过程为：先将第六法兰11通过螺栓伸入并螺纹连接到第五法兰10的内螺纹盲孔内，然后将第六法兰11将钻杆伸入到定位套12内，使钻杆外圆上的导向槽与内滑套13内壁的导向键17相配合，再将第五法兰10通过穿过外连接孔15的螺栓组件与第四法兰9对应连接，钻杆向上推进到中心筒和封孔管2内。
步骤（5）中开启钻机进行钻进作业时，钻杆外圆与内滑套13内圈之间具有的环形间隙为0.1-0.2mm，钻杆外圆上的导向槽与内滑套13内壁的导向键17配合，钻杆在高速旋转时带动内滑套13转动，内滑套13的外圈通过滚柱14在第六法兰11内部转动，钻杆上的导向槽沿着导向键17向前推进。
图3示意的是内滑套13的内孔径与图2中内滑套13的内孔径不同（小于）的情况。图4示意的是内滑套13的内孔为三棱柱孔的结构21（钻孔时的钻杆也为三棱柱结构），内滑套13的内孔壁不需要设置导向键17。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置的使用方法，其特征在于：具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置包括钻孔扩孔段封孔管件、翼形水渣气分流器和钻杆密封导向组件，翼形水渣气分流器的上部设有一个连接口，翼形水渣气分流器的下部具有上、中、下三个连接口，翼形水渣气分流器上部的连接口与钻孔扩孔段封孔管件的下端口通过法兰连接，钻杆密封导向组件设置在翼形水渣气分流器的中部的端口处；
钻孔扩孔段封孔管件包括封孔管、第一法兰和第二法兰，第一法兰同轴线设置在封孔管的外圆，第二法兰同轴线设置在封孔管的下端口，第一法兰位于第二法兰上方，第一法兰到第二法兰的距离小于第一法兰到封孔管上端口的距离；
翼形水渣气分流器包括中心管、上翼管、下翼管、第三法兰和第四法兰，第三法兰同轴线设在中心管上端口，第四法兰同轴线设在中心管下端口，上翼管和下翼管的上端口分别连接在中心管的上部和下部，上翼管和下翼管关于中心管的中心对称布置；
钻杆密封导向组件包括第五法兰、第六法兰、定位套、内滑套和若干个滚柱，第五法兰外圆周开设有一圈与第四法兰一一对应的外连接孔，第五法兰和第四法兰通过穿过外连接孔的螺栓组件对应连接，第五法兰下表面在外连接孔的内侧开设有一圈内螺纹盲孔，第六法兰的外圆周开设有一圈与内螺纹盲孔一一对应的内连接孔，内连接孔内自下而上穿入螺栓，螺栓上部与伸入并螺纹连接到内螺纹盲孔内，定位套上端面与第六法兰下端面同轴线固定连接，第六法兰的内径大于定位套的内径，内滑套同轴线设置在第六法兰内部，若干个滚柱滚动设置在内滑套的外圆与第六法兰的内圈之间的环形间隙内，内滑套的中心孔为与钻杆横断面形状匹配的圆形或三角形；
内滑套的中心孔为圆形时，内滑套的内圆沿轴向方向设有导向键，钻杆外圆沿轴向方向设有与导向键配合的导向槽；
所述的使用方法包括以下步骤：
（1）选择底抽巷的钻孔地点，先用较大钻头施工钻孔外端口的扩孔段，在扩孔段内安装钻孔扩孔段封孔管件；
（2）将翼形水渣气分流器的上部的一个连接口与钻孔扩孔段封孔管件的下端口连接，翼形水渣气分流器的的上翼管朝上设置，翼形水渣气分流器的下翼管朝下设置；
（3）翼形水渣气分流器的上翼管下端的连接口连接防突管，防突管上设有常闭阀门，在上翼管上开设有连接口，上翼管上的连接口连接瓦斯排放管，翼形水渣气分流器的下翼管下端的连接口连接水渣排放管；
（4）在钻杆上套设上钻杆密封导向组件，将钻杆密封导向组件的第五法兰固定连接到中心管下端中连接口的第四法兰，钻杆安装到钻机上，固定钻机；
（5）开启钻机进行钻进作业，在岩层或者没有喷孔迹象的煤层钻进过程中，水、渣由中心管、下翼管和水渣排放管排出，瓦斯气体由瓦斯排放管排出，再由煤矿巷道内的瓦斯抽采管负压抽出；当钻进至煤层时，由于瓦斯压力或者水力割煤产生的大量瓦斯气体的突然沿着钻孔向外喷出，此时打开防突管上的常闭阀门，喷出的瓦斯进入到防突管内，再由煤矿巷道内的瓦斯抽采管负压抽出，由于在钻杆外部设置了钻杆密封导向组件，从而避免了钻进过程的喷孔。
2.根据如权利要求1所述的具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置的使用方法，其特征在于：步骤（1）中在扩孔段内安装钻孔扩孔段封孔管件的具体过程为：扩孔段完成之后，用密封剂涂于第一法兰到封孔管上端口的封孔管的管壁外，然后将封孔管迅速插入扩孔段，通过第一法兰上的安装孔向底抽巷底部的岩石钻孔，然后用膨胀螺丝穿过安装孔将钻孔扩孔段封孔装置固定于岩石之上。
3.根据如权利要求2所述的具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置的使用方法，其特征在于：步骤（4）中钻杆上套设上钻杆密封导向组件的具体操作过程为：先将第六法兰通过螺栓伸入并螺纹连接到第五法兰的内螺纹盲孔内，然后将第六法兰将钻杆伸入到定位套内，使钻杆外圆上的导向槽与内滑套内壁的导向键相配合，再将第五法兰通过穿过外连接孔的螺栓组件与第四法兰对应连接，钻杆向上推进到中心筒和封孔管内。
4.根据如权利要求3所述的具有钻杆密封功能的翼型气水渣分离装置的使用方法，其特征在于：步骤（5）中开启钻机进行钻进作业时，钻杆外圆与内滑套内圈之间具有的环形间隙为0.1-0.2mm，钻杆外圆上的导向槽与内滑套内壁的导向键配合，钻杆在高速旋转时带动内滑套转动，内滑套的外圈通过滚柱在第六法兰内部转动，钻杆上的导向槽沿着导向键向前推进。
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