CN112267911A - 一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置及增透方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置及增透方法，首先利用文丘里混合器Ⅰ将高压水泵产生的高压水与泥浆泵输出的磨料浆液混合形成高压液固两相流；再利用文丘里混合器Ⅱ将高压气源内的可溶性气体与高压液固两相流混合形成气液固三相流；然后通过静态混合器将气液固三相流进一步混合；最后从压控钻头的侧喷嘴喷出，对钻孔周围煤体进行冲孔或割缝作业，以提高煤层透气性。本发明通过加入静态混合器以及引入可溶性气体，改善了射流的流态稳定性，提高射流时的空蚀、冲蚀作用，降低破煤压力；此外，水力化措施结束后，大量磨料将留在煤层裂隙内，防止裂隙闭合，进一步提高煤层渗透率。

Description

一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置及增透方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置及增透方法。

背景技术

我国资源禀赋具有“富煤、贫油、少气”的特点，导致煤炭在我国一次能源消费中一直占据着70％的比例。随着浅部资源的枯竭，我国矿井采深每年以10～20m的速度向深部转移。随着采深的增加，煤层呈现出高瓦斯压力、强吸附、低渗透的特性，导致常规瓦斯治理措施失效，煤层突出危险性增加。

为提高煤层渗透率，强化瓦斯抽采，水射流技术在我国得到大面积推广。该技术是利用高压水流产生的水锤效应，冲击破坏钻孔周围煤体，增大钻孔体积，随后在地应力的作用下，钻孔周围煤体向自由空间产生蠕变，煤体裂隙发育，渗透率增加。因此，有效增加射流技术的破坏范围是煤层增渗的根本。为提高射流技术的破煤、增渗效率，人们通常增加水泵的输出压力。但是过高的输出压力将威胁矿井的安全生产，其次对设备的密封性能也提出更高的要求。为此气液两相射流技术应运而生，该技术是利用文丘里混合器的引射作用，将高压气与高压水均匀混合，利用气泡的空蚀效应，强化射流技术的破煤效率。但实验发现气液混合器加气后，两相射流流态不稳定，呈现不稳定脉冲状态，且加气效果时有时无稳定性差，加气效果有待提高。因此，有效改善气液两相流的混合状态，提高水射流的破煤效率，对于矿井安全生产状况的改善具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，实现气液固三相介质均匀混合，以提高射流破煤效率，降低破煤门限压力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，包括高压水泵、三通、磨料液池、泥浆泵、高压气源、文丘里混合器Ⅰ、文丘里混合器Ⅱ、静态混合器、水辫、钻机、钻杆、压控钻头、三通阀门、溢流阀，钻杆安装在钻机上，水辫安装在钻杆的末端，钻头安装在钻杆的头部，

其中，所述高压水泵的出口经高压胶管与调压阀Ⅰ、三通的入口相连，三通一侧出口经高压胶管与减压阀、三通阀门的第一进口相连，三通的另一侧出口经高压胶管依次与文丘里混合器Ⅰ、文丘里混合器Ⅱ、静态混合器以及三通阀门的第二进口相连；所述磨料液池内装有磨料浆液，磨料液池经高压胶管依次与泥浆泵、调节阀Ⅱ以及文丘里混合器Ⅰ连接；所述高压气源内盛装可溶性高压气体，高压气源经高压胶管依次与调节阀Ⅲ以及文丘里混合器Ⅱ相连；三通阀门的第一出口经高压胶管依次与水辫、钻杆、压控钻头相连，三通阀门的第二出口经高压胶管与溢流阀连接。

优选的，所述静态混合器选用SK型，内部的混合单元为螺旋状，各混合单元翻转角度为180°或者270°。

优选的，所述调节阀Ⅱ与文丘里混合器Ⅰ的连接管路上设有单向阀Ⅰ，所述调节阀Ⅲ与文丘里混合器Ⅱ的连接管路上设有单向阀Ⅱ。

优选的，所述水溶性高压气体为二氧化碳。

优选的，所述磨料浆液是由磨料与水按照一定比例均匀混合而成。

本发明还提供上述可溶性气体的气液固三相射流增透方法，其步骤为：

1)当钻机进行钻进作业时，切换三通阀门与减压阀相连；打开高压水泵，通过调压阀Ⅰ调整输出水压为15～20MPa；随后，高压水经减压阀衰减至5MPa后从压控钻头的顶喷嘴与侧喷嘴喷出，以排出钻孔内的岩渣并降低压控钻头温度；

2)当钻机进行射流作业时，切换三通阀门与靠近静态混合器一端相连；启动泥浆泵，通过调压阀Ⅱ调整磨料浆液输出压力为3～5MPa，通过文丘里混合器Ⅰ将高压水泵输出的高压水与磨料浆液混合，形成高压液固两相流；随后打开高压气源，调整气源输出压力为3～5MPa，通过文丘里混合器Ⅱ将高压液固两相流与可溶性气体混合，形成气液固三相流；气固液三相流经静态混合器进一步混合，并促进可溶性气体溶解到水中，最后高压的气液固三相流从压控钻头的侧喷嘴喷出，冲击钻孔周围煤体，进行射流作业；

3)待钻孔内不排出煤渣后，根据钻孔深度逐步增加钻杆，重复步骤1)和2)，对煤层深部进行射流作业，当钻至煤层顶板时停止钻进，退出钻杆；

4)当需要增加或减少钻杆时，将三通阀门切换至溢流阀处，将钻杆内的高压水排出，随后取下水辫，再进行增加或拆卸钻杆的操作。

与现有技术相比，本发明的可溶性气体的气液固三相射流装置，利用可溶性气体在高压下溶解度高，以及静态混合器对流体的分流、合流以及旋转效应，实现气液固三相均匀混合，改善了传统气液两相流加气效果时有时无稳定性差的问题。当三相流从压控钻头侧面喷嘴喷出时，流体中的固相颗粒将对煤壁进行强化冲击，提高射流的冲蚀作用。此外，三相流中的气泡随着射流进入煤岩弱面后，受液相挤压气泡内的压力急剧升高至溃灭，周围液体在压力局部剧变下，形成微射流冲击煤体裂隙。并且随着与喷嘴距离的增加，流体压力降低，可溶性气体将从流体内解吸产生大量气泡，强化射流的空蚀作用。水力化措施结束后，流体中的固相颗粒将留在煤层裂隙内，防止裂隙闭合。最后，回流的可溶性气体可以有效稀释钻孔内涌出的瓦斯气体，进一步提高射流作业安全性。

附图说明

图1为本发明的可溶性气体的气液固三相射流增透装置的结构示意图；

图2为静态混合器的结构示意图；

图3为压控钻头的结构示意图；

图中，1—高压水泵；2-1—调压阀Ⅰ；2-2—调压阀Ⅱ；2-3—调压阀Ⅲ；3—三通；4-1—文丘里混合器Ⅰ；4-2—文丘里混合器Ⅱ；5-1—单向阀Ⅰ；5-2—单向阀Ⅱ；6—泥浆泵；7—磨料液池；8—高压气源；9—静态混合器；10—减压阀；11—三通阀门；12—水辫；13—钻机；14—钻杆；15—压控钻头；16—溢流阀；17—顶喷嘴；18—侧喷嘴；19—弹簧；20—钢球。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，包括高压水泵1、三通3、磨料液池7、泥浆泵6、高压气源8、文丘里混合器Ⅰ4-1、文丘里混合器Ⅱ4-2、静态混合器9、减压阀10、三通阀门11、水辫12、钻机13、钻杆14、压控钻头15、溢流阀16，钻杆14安装在钻机13上，水辫12安装在钻杆14的末端，压控钻头15安装在钻杆14的头部。

其中，所述高压水泵1的出口经高压胶管与调压阀Ⅰ2-1、三通3的入口相连，三通3一侧出口经高压胶管与减压阀10、三通阀门11的第一进口相连，三通3的另一侧出口经高压胶管依次与文丘里混合器Ⅰ4-1、文丘里混合器Ⅱ4-2、静态混合器9以及三通阀门11的第二进口相连；所述磨料液池7内装有磨料浆液，所述磨料浆液是由磨料与水按照一定比例均匀混合而成，磨料液池7经高压胶管依次与泥浆泵6、调节阀Ⅱ2-2以及文丘里混合器Ⅰ4-1连接；所述高压气源8内盛装可溶性的高压气体，一般为二氧化碳，高压气源8经高压胶管依次与调节阀Ⅲ2-3以及文丘里混合器Ⅱ4-2相连；三通阀门11的第一出口经高压胶管依次与水辫12、钻杆13、压控钻头15相连，三通阀门11的第二出口经高压胶管与溢流阀16连接。

本实施例中，所述静态混合器9选用SK型，其适用于高粘度的物料和物料中有固体颗粒的工艺场所，如图2所示，静态混合器9内部的混合单元为螺旋状，各混合单元翻转角度为180°或者270°。

本实施例中，所述压控钻头15内部设有流道，压控钻头15的上部对称设有倾斜的顶喷嘴17，压控钻头15的下部对称设有侧喷嘴18，顶喷嘴17、侧喷嘴18分别与所述流道连通，所述流道中部设有一钢球20，所述钢球20通过压缩弹簧19与压控钻头15的顶部连接，所述钢球20的直径大于上部流道的直径，如图3所示。当钻杆14内的水压低于5MPa时，压孔钻头15的四个喷嘴均可向外喷射压力水。当钻杆14内的水压高于5MPa时，压力水作用在钢球20上压缩弹簧19，封堵压控钻头15顶部的出水通道，此时仅有侧喷嘴18向外喷水。

作为优选，所述调节阀Ⅱ2-2与文丘里混合器Ⅰ4-1的连接管路上设有单向阀Ⅰ5-1，所述调节阀Ⅲ2-3与文丘里混合器Ⅱ4-2的连接管路上设有单向阀Ⅱ5-2。

基于上述可溶性气体的气液固三相射流增透装置的增透方法，包括以下步骤：

1)当钻机13进行钻进作业时，切换三通阀门11与减压阀10相连；打开高压水泵1，通过调压阀Ⅰ2-1调整输出水压为15～20MPa；随后，高压水经减压阀10衰减至5MPa后从压控钻头15的顶喷嘴17与侧喷嘴18喷出，以排出钻孔内的岩渣并降低压控钻头15温度；

2)当钻机13进行射流作业时，切换三通阀门11与靠近静态混合器9一端相连；启动泥浆泵6，通过调压阀Ⅱ2-2调整磨料浆液输出压力为3～5MPa，通过文丘里混合器Ⅰ4-1将高压水泵1输出的高压水与磨料浆液混合，形成高压液固两相流；随后打开高压气源8，调整气源输出压力为3～5MPa，通过文丘里混合器Ⅱ4-2将高压液固两相流与可溶性气体混合，形成气液固三相流；气固液三相流经静态混合器9进一步混合，并促进可溶性气体溶解到水中，最后高压的气液固三相流从压控钻头15的侧喷嘴18喷出，冲击钻孔周围煤体，进行射流作业；

3)待钻孔内不排出煤渣后，根据钻孔深度逐步增加钻杆14，重复步骤1)和2)，对煤层深部进行射流作业，当钻至煤层顶板时停止钻进，退出钻杆14；

4)当需要增加或减少钻杆14时，将三通阀门11切换至溢流阀16处，将钻杆14内的高压水排出，随后取下水辫12，再进行增加或拆卸钻杆14的操作。

Claims (6)

1.一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，包括高压水泵(1)、三通(3)、减压阀(10)、水辫(12)、钻机(13)、钻杆(14)、钻头，钻杆(14)安装在钻机(13)上，水辫(12)安装在钻杆(14)的末端，钻头安装在钻杆(14)的头部，其特征在于，所述钻头为压控钻头(15)，该增透装置还包括磨料液池(7)、泥浆泵(6)、高压气源(8)、文丘里混合器Ⅰ(4-1)、文丘里混合器Ⅱ(4-2)、静态混合器(9)、三通阀门(11)、溢流阀(16)，

其中，所述高压水泵(1)的出口经高压胶管与调压阀Ⅰ(2-1)、三通(3)的入口相连，三通(3)的一侧出口经高压胶管依次与减压阀(10)、三通阀门(11)的第一进口相连，三通(3)的另一侧出口经高压胶管依次与文丘里混合器Ⅰ(4-1)、文丘里混合器Ⅱ(4-2)、静态混合器(9)以及三通阀门(11)的第二进口相连；所述磨料液池(7)内装有磨料浆液，磨料液池(7)经高压胶管依次与泥浆泵(6)、调节阀Ⅱ(2-2)以及文丘里混合器Ⅰ(4-1)连接；所述高压气源(8)内盛装可溶性高压气体，高压气源(8)经高压胶管依次与调节阀Ⅲ(2-3)以及文丘里混合器Ⅱ(4-2)相连；三通阀门(11)的第一出口经高压胶管依次与水辫(12)、钻杆(13)、压控钻头(15)相连，三通阀门(11)的第二出口经高压胶管与溢流阀(16)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，其特征在于，所述静态混合器(9)选用SK型，内部的混合单元为螺旋状，各混合单元翻转角度为180°或者270°。

3.根据权利要求1所述的一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，其特征在于，所述调节阀Ⅱ(2-2)与文丘里混合器Ⅰ(4-1)的连接管路上设有单向阀Ⅰ(5-1)，所述调节阀Ⅲ(2-3)与文丘里混合器Ⅱ(4-2)的连接管路上设有单向阀Ⅱ(5-2)。

4.根据权利要求1所述的一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，其特征在于，所述水溶性高压气体为二氧化碳。

5.根据权利要求1所述的一种可溶性气体的气液固三相射流增透装置，其特征在于，所述磨料浆液是由磨料与水按照一定比例均匀混合而成。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的可溶性气体的气液固三相射流增透装置的增透方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当钻机(13)进行钻进作业时，切换三通阀门(11)与减压阀(10)相连；打开高压水泵(1)，通过调压阀Ⅰ(2-1)调整输出水压为15～20MPa；随后，高压水经减压阀(10)衰减至5MPa后从压控钻头(15)的顶喷嘴(17)与侧喷嘴(18)喷出，以排出钻孔内的岩渣并降低压控钻头(15)温度；

2)当钻机(13)进行射流作业时，切换三通阀门(11)与靠近静态混合器(9)一端相连；启动泥浆泵(6)，通过调压阀Ⅱ(2-2)调整磨料浆液输出压力为3～5MPa，通过文丘里混合器Ⅰ(4-1)将高压水泵(1)输出的高压水与磨料浆液混合，形成高压液固两相流；随后打开高压气源(8)，调整气源输出压力为3～5MPa，通过文丘里混合器Ⅱ(4-2)将高压液固两相流与可溶性气体混合，形成气液固三相流；气固液三相流经静态混合器(9)进一步混合，并促进可溶性气体溶解到水中，最后高压的气液固三相流从压控钻头(15)的侧喷嘴(18)喷出，冲击钻孔周围煤体，进行射流作业；

3)待钻孔内不排出煤渣后，根据钻孔深度逐步增加钻杆(14)，重复步骤1)和2)，对煤层深部进行射流作业，当钻至煤层顶板时停止钻进，退出钻杆(14)；

4)当需要增加或减少钻杆(14)时，将三通阀门(11)切换至溢流阀(16)处，将钻杆(14)内的高压水排出，随后取下水辫(12)，再进行增加或拆卸钻杆(14)的操作。

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