CN112228068B - 一种惰性气体打钻排渣装备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿钻孔施工安全技术领域，一种惰性气体打钻排渣装备，其中钻杆内部具有惰性气体通道，钻杆的前端具有与惰性气体通道连通的排气孔，钻机的动力端连接钻杆，移动制惰性气体装置的气体输出端通过注惰性气体软管与钻杆内的惰性气体通道连通，钻杆中部具有套管，该套管设置在钻孔外并封闭钻孔孔口，套管通过气渣输送管与气渣分离器连通；移动制惰性气体装置在钻杆钻进时向钻孔孔底输入惰性气体，并使孔内气体和钻进产生的渣料进入气渣分离器，本惰性气体打钻排渣装备可减少钻进施工过程中的塌孔、堵孔事故，避免空气压风排渣引起的钻孔内瓦斯燃烧问题。本发明还提出一种惰性气体打钻排渣方法。
Description
技术领域
本发明属于煤矿钻孔施工安全技术领域，特别是一种惰性气体打钻排渣装备及方法。
背景技术
目前，国内外煤矿在软煤、破碎煤层瓦斯抽采钻孔施工时主要采用水力排渣、风力排渣和螺旋钻杆排渣三种施工工艺。水力排渣对孔壁的冲击作用太大，垮孔、喷孔严重；由于水对煤体的沾湿作用，降低了煤粉的胶结作用，而且水的表面张力加速煤的解体，更容易出现塌孔，同时钻孔内处于气、液、固三相流动状态，流态极不稳定，时常造成堵孔、卡钻等孔内事故，直接影响成孔率；用水力排渣时，水与钻屑的混合物易封堵钻孔壁上的裂隙，阻碍瓦斯的泄出。风力排渣缺点是存在孔内可燃气体易燃烧、粉尘较难根治等问题。螺旋钻杆排渣缺点是随着钻孔深度的增大，施工难度也越来越大，钻进速度也越来越慢，垮孔严重时无法钻进；钻杆低速旋转时排渣慢，钻杆易折断；高速旋转时钻机扭距降低，钻屑增多易卡钻；钻进阻力大，退钻时钻杆易发生反转等现象，不能满足长钻孔的要求；自重大，给进速度慢，钻进过程中完全靠螺旋叶片的挤压作用将钻屑排出孔外，孔内钻屑不能完全排尽，遇到塌孔时，需要多排渣，钻进效率降低，处理不好，容易压钻。
如何在低透气性软煤层中施工长钻孔成为一大难题，通过采用氮气排渣方式在低透气性软煤层中施工钻孔解决钻孔易燃烧和提高成孔率成为发展趋势。氮气排渣方式既有风力排渣方式的优点，又能解决钻孔易燃烧的问题，保证施工期间的安全；通过氮气做为动力运输介质，既能对钻屑起到运输作用，又能除去孔内氧气，进而从源头上控制燃烧问题；同时，氮气对钻孔的抽放起到促进作用，氮气的压力可以破坏煤对甲烷的吸附平衡，起到加快瓦斯解吸的目的，使钻孔成孔率大大提高。
我国分布着大量的低透气性软煤层及碎裂煤层，随着开采深度的加大，软煤层的比例还将会进一步加大，研发针对低透气性软煤层的高效、安全钻进排渣技术，能够大幅提高钻孔成孔率、增加瓦斯抽采效率，优化施工环境。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的惰性气体打钻排渣装备，以氮气为介质的压风排渣及除尘工艺与装备，减少钻进施工过程中的塌孔、堵孔事故，避免空气压风排渣引起的钻孔内瓦斯燃烧问题。本发明还提出一种惰性气体打钻排渣方法。
在第一个技术方案中，一种惰性气体打钻排渣装备，包括移动制惰性气体装置、注惰性气体软管、钻机、钻杆、气渣输送管、套管和气渣分离器，其中钻杆内部具有惰性气体通道，钻杆的前端具有与惰性气体通道连通的排气孔，所述钻机的动力端连接钻杆，所述移动制惰性气体装置的气体输出端通过注惰性气体软管与钻杆内的惰性气体通道连通，所述钻杆中部具有套管，该套管设置在钻孔外并封闭钻孔孔口，所述套管通过气渣输送管与气渣分离器连通；
所述移动制惰性气体装置在钻杆钻进时向钻孔孔底输入惰性气体，并使孔内气体和钻进产生的渣料进入气渣分离器。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述气渣分离器内的顶部具有除尘喷水头，该除尘喷水头向下喷淋液态水以消除气渣分离器内的粉尘。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述惰性气体打钻排渣装备还包括高压输水管和第一输水软管，所述注惰性气体软管上还具有气源加湿装置，所述高压输水管通过第一输水软管与气源加湿装置连接，气源加湿装置通过水雾化喷淋的方式对经过气源加湿装置的惰性气体加湿。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述惰性气体打钻排渣装备还包括第二输水软管，所述套管内设有孔口加湿除尘装置，所述高压输水管通过第二输水软管与孔口加湿除尘装置连接，所述孔口加湿除尘装置通过水雾化喷淋的方式对经过孔口加湿除尘装置的气体除尘。
在第二个技术方案中，一种惰性气体打钻排渣方法，使用如第一个技术方案中所述的惰性气体打钻排渣装备，将惰性气体打钻排渣装备安装完毕后，通过钻机驱动钻杆钻进，在钻进的过程中，通过移动制惰性气体装置和钻杆将惰性气体输入到钻孔孔底，利用高压惰性气体可排除渣料至孔口，气渣混合体经过孔口加湿除尘装置和气渣分离器，其中固化粉尘和渣料通过气渣分离器排出，而气体通过抽采管路进入抽采系统，当钻进达到设定孔深时停止钻进和输入惰性气体。
本发明的有益效果：
本发明实现了钻进施工时氮气排渣，避免钻孔瓦斯燃烧，有效防止冲洗介质压力过大对孔壁煤块的劈裂作用，大大降低卡钻、塌孔事故发生，降低施工环境的粉尘量和瓦斯浓度、优化施工环境，这提高了低透气性软煤层钻进施工效率。
附图说明
图1为本发明惰性气体打钻排渣装备的结构示意图。
附图标记包括：
1-煤层；2-巷道；3-移动制惰性气体装置；4-第一阀门；5-气源加湿装置；6-第二阀门；7-压力表；8-流量表；9-注惰性气体软管；10-钻机；11-气渣输送管；12-孔口加湿除尘装置；13-套管；14-气渣排出方向；15-钻孔；16-钻杆；17-钻头；18-氮气进入方向；19-气渣分离器；20-除尘喷水头；21-抽采管路；22-高压输水管；23-第一输水软管；24-第二输水软管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提出一种惰性气体打钻排渣装备，包括移动制惰性气体装置3、注惰性气体软管9、钻机10、钻杆16、气渣输送管11、套管13和气渣分离器19，其中钻杆16内部具有惰性气体通道，钻杆16的前端具有与惰性气体通道连通的排气孔，钻机10的动力端连接钻杆16，移动制惰性气体装置3的气体输出端通过注惰性气体软管9与钻杆16内的惰性气体通道连通，钻杆16中部具有套管13，该套管13设置在钻孔15外并封闭钻孔15孔口，套管13通过气渣输送管11与气渣分离器19连通；
移动制惰性气体装置3在钻杆16钻进时向钻孔15孔底输入惰性气体，并使孔内气体和钻进产生的渣料进入气渣分离器19。
气渣分离器19内的顶部具有除尘喷水头20，该除尘喷水头20向下喷淋液态水以消除气渣分离器19内的粉尘。
惰性气体打钻排渣装备还包括高压输水管22和第一输水软管23，注惰性气体软管9上还具有气源加湿装置5，高压输水管22通过第一输水软管23与气源加湿装置5连接，气源加湿装置5通过水雾化喷淋的方式对经过气源加湿装置5的惰性气体加湿。
惰性气体打钻排渣装备还包括第二输水软管24，套管13内设有孔口加湿除尘装置12，高压输水管22通过第二输水软管24与孔口加湿除尘装置12连接，孔口加湿除尘装置12通过水雾化喷淋的方式对经过孔口加湿除尘装置12的气体除尘。
例如，本惰性气体打钻排渣装备设置在巷道2内，对煤层1钻进，移惰性气体采用氮气，在气源加湿装置5如期口和出气口两侧分别加装第一阀门4，注惰性气体软管9上设置压力表7和流量表8。
具体的，移动制惰性气体装置3安置在巷道2中，通过管路与气源加湿装置5相连后通过注惰性气体软管9与钻机10相连，压力表7和流量表8监测高压氮气状态，可通过调节阀门进行控制；气源加湿装置5、孔口加湿除尘装置12和气渣分离器19都安装有除尘喷水头20，并通过第一输水软管23和第二输水软管24与高压输水管22相连，孔口加湿除尘装置12一端与套管13相连，一端通过气渣输送管11与气渣分离器19相连，气渣分离器19另一端与抽采管路21相连，第一输水软管23和第二输水软管24上加装第二阀门6；
移动制惰性气体装置3产生高压氮气经过气源加湿装置5后通过注惰性气体软管9进入钻机10并由钻杆16内孔输送至孔底，可对孔内粉尘进行第一级除尘，并排出钻进过程产生的瓦斯和煤渣至孔口加湿除尘装置12进行第二级除尘，随后气渣混合物利用气渣输送管11进入气渣分离器19，进行第三级除尘，固化的粉尘和煤渣由于重力作用排出至设备，而瓦斯、氮气等气体混合物通过抽采管路21进入抽采系统，从而完成惰性气体打钻排渣防尘工作。
移动制惰性气体装置3制出的高压氮气作为排渣动力，通过钻机10驱动钻杆16和钻头17进行钻进工作，惰性气体通过钻杆16内孔输送到钻孔15孔底，进而排出瓦斯以及煤渣至孔口，这样可避免钻孔15内瓦斯燃烧，提高成孔率，实现安全高效钻进。气源加湿装置5是对高压氮气一定程度湿化，一方面可以降低钻头17温度，另一方面可有效降低孔内粉尘浓度；孔口加湿除尘装置12是对排出孔口的气渣进行加湿除尘，有效降低施工环境内的粉尘浓度；气渣分离器19是最后一道防尘线，通过气渣分离器19装置进一步降低和固化残余孔口排出的粉尘，同时气渣分离器19与抽采管路21相连，对于高瓦斯矿井煤层1可有效降低钻孔15内瓦斯排放量，保证施工环境瓦斯不超限。
实施例2
一种惰性气体打钻排渣方法，使用实施例1中的惰性气体打钻排渣装备，将惰性气体打钻排渣装备安装完毕后，通过钻机10驱动钻杆16钻进，在钻进的过程中，通过移动制惰性气体装置3和钻杆16将惰性气体输入到钻孔15孔底，利用高压惰性气体可排除渣料至孔口，气渣混合体经过孔口加湿除尘装置12和气渣分离器19，其中固化粉尘和渣料通过气渣分离器19排出，而气体通过抽采管路21进入抽采系统，当钻进达到设定孔深时停止钻进和输入惰性气体。
具体的，将移动制惰性气体装置3与气源加湿装置5相连后，通过注惰性气体软管9将高压惰性气体供给系统接入至钻机10，利用压力表7和流量表8监控氮气供给情况，当满足规定要求时可进行钻进施工，达到设定距离时停止钻进；
在孔口安装套管13、孔口加湿除尘装置12和气渣分离器19，并利用输水软管一将三级除尘系统与高压输水管22相连，气渣分离器19与抽采管路21相连后可进行钻进施工。
高压氮气通过钻孔15内孔可达孔底，利用其高压力可排除煤渣至孔口，气渣混合体经过孔口加湿除尘装置12和气渣分离器19，其中固化粉尘和煤渣通过气渣分离器19排出，气渣排出方向14和氮气进入方向18如图1所示，瓦斯及惰性气体通过抽采管路21进入抽采系统，当钻进达到设定孔深时停止，这样完成了一次惰性气体打钻排渣防尘工作。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种惰性气体打钻排渣装备，其特征在于：包括移动制惰性气体装置、注惰性气体软管、钻机、钻杆、气渣输送管、套管和气渣分离器，其中钻杆内部具有惰性气体通道，钻杆的前端具有与惰性气体通道连通的排气孔，所述钻机的动力端连接钻杆，所述移动制惰性气体装置的气体输出端通过注惰性气体软管与钻杆内的惰性气体通道连通，所述钻杆中部具有套管，该套管设置在钻孔外并封闭钻孔孔口，所述套管通过气渣输送管与气渣分离器连通；
所述移动制惰性气体装置在钻杆钻进时向钻孔孔底输入惰性气体，并使孔内气体和钻进产生的渣料进入气渣分离器；
所述惰性气体打钻排渣装备还包括高压输水管和第一输水软管，所述注惰性气体软管上还具有气源加湿装置，所述高压输水管通过第一输水软管与气源加湿装置连接，气源加湿装置通过水雾化喷淋的方式对经过气源加湿装置的惰性气体加湿；
所述惰性气体打钻排渣装备还包括第二输水软管，所述套管内设有孔口加湿除尘装置，所述高压输水管通过第二输水软管与孔口加湿除尘装置连接，所述孔口加湿除尘装置通过水雾化喷淋的方式对经过孔口加湿除尘装置的气体除尘。
2.根据权利要1所述的惰性气体打钻排渣装备，其特征在于：所述气渣分离器内的顶部具有除尘喷水头，该除尘喷水头向下喷淋液态水以消除气渣分离器内的粉尘。
3.一种惰性气体打钻排渣方法，使用如权利要求1所述的惰性气体打钻排渣装备，其特征在于：将惰性气体打钻排渣装备安装完毕后，通过钻机驱动钻杆钻进，在钻进的过程中，通过移动制惰性气体装置和钻杆将惰性气体输入到钻孔孔底，利用高压惰性气体可排除渣料至孔口，气渣混合体经过孔口加湿除尘装置和气渣分离器，其中固化粉尘和渣料通过气渣分离器排出，而气体通过抽采管路进入抽采系统，当钻进达到设定孔深时停止钻进和输入惰性气体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 113122 No.11 Binhe Road, Shenfu demonstration area, Fushun City, Liaoning Province Applicant after: Shenyang Research Institute Co.,Ltd. Address before: 113122 No. 11 Binhe Road, Fushun Economic Development Zone, Fushun City, Liaoning Province Applicant before: CCTEG SHENYANG Research Institute |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |