CN112459722B - 一种基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置与方法，该装置包括钻杆、可移动式封孔器、液电击穿组件和红外辐射加热组件，首先将本冲孔装置安装在计划的冲孔位置，并用封孔器封孔，然后用注液泵站向注液腔中注入纳米流体，接着高压电脉冲发生器为正负电极板供电触发液电效应进行冲孔，最后开启红外加热器以热应力致裂煤体；本发明采用纳米流体这一高传热性能的能量输运工质将高压液电冲孔技术与红外热辐射加热技术相结合，既能发挥液电击穿便捷易精控的优势，又能利用红外辐射加热迅速升温致裂煤体，高效达到煤层增透和裂隙发育的目的，且方法简单、性能可靠、便于维护,具有广泛的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置与方法，属于矿井水力冲孔技术领域。
背景技术
煤炭在未来几十年仍将会是我国的主要能源，而随着矿井开采深度、强度不断加大，瓦斯对安全生产的威胁也愈发严重，瓦斯抽采是瓦斯灾害治理的根本措施，为提高瓦斯治理的效率，国内行业采用了一系列卸压增透措施，其中应用较广，适用性较强的一种当属水力冲孔技术；但这一技术在实际应用过程中，大多使用纯水或磨料液作为冲孔液体，存在冲孔效果差或易堵塞等问题，注入后冲孔液体也无法进一步用以强化增渗。因此，亟需一种装置及方法能简易且准确地控制冲孔过程，并有效利用冲孔液体提高增透效果。
发明内容
本发明提供一种基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置与方法，融合多种技术优势实现冲孔过程精控，冲孔效果强化，最大程度地利用和发挥冲孔液体的作用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，包括钻孔，在钻孔内布设钻杆，钻杆与钻孔孔口接触位置通过可移动式封孔器进行封闭；
还包括液电击穿组件，其包括注液管、注液腔、注液泵站、正电极板组、负电极板组以及高压电脉冲发生器，其中，钻杆内开设贯穿中心轴的中心孔，以中心孔为对称中心布设正电极板组和负电极板组，钻杆的中心孔与钻杆圆周壁之间形成注液腔，正电极板组、负电极板组分别位于注液腔的两个端部，且正电极板组、负电极板组分别通过绝缘导线与高压电脉冲发生器连通；钻杆的侧壁上开设若干液体喷孔，将注液腔与钻孔之间形成连通；
在中心孔内插设注液管，位于中心孔内的一端与注液腔连通，另一端伸出中心孔通过注液开关与注液泵站连通；
在液体喷孔的四周环设红外辐射加热组件；
作为本发明的进一步优选，前述的红外辐射加热组件包括红外线加热管，其在液体喷孔四周环绕布设，红外线加热管通过引线与绝缘导线形成连通，绝缘导线与红外加热器电源连接，在红外加热器电源上设置红外加热器电源开关；
在高压电脉冲发生器上设置高压电源开关，若干条绝缘导线通过压线鼻子形成延长续接；
作为本发明的进一步优选，若干条注液管通过注液管接线头进行延长续接；
正电极板组包括相对中心孔对称布设的正电极板，每个正电极板周围设置绝缘橡胶垫，负电极板组包括相对中心孔对称布设的负电极板，每个负电极板周围设置绝缘橡胶垫；
作为本发明的进一步优选，前述的红外加热管采用石英玻璃制作，在红外加热管上安装镀金反射器；
安装在红外加热管内的电热丝采用碳纤维制作；
作为本发明的进一步优选，注液管内注入纳米流体，其导电率范围为40μs/cm-90μs/cm，导热率范围为30W·m-1·K-1-100W·m-1·K-1；
作为本发明的进一步优选，中心孔的外壁与钻杆之间嵌设绝缘隔板；
一种如上述任意所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置的方法，具体包括以下步骤：
第一步，安装组合钻杆，连接各条管线，完成冲孔装置安装后，将钻杆推进钻孔直至钻孔底部；
第二步，在钻杆与钻孔孔口位置安装可移动式封孔器，将钻孔进行封孔处理，启动注液泵站，启动注液泵站，通过注液管向注液腔内注入纳米流体；
第三步，启动高压电脉冲发生器对正电极板组、负电极板组进行充电，正电极板组、负电极板组充电至预设电压后关闭高压电源开关，正电极板、负电极板放电击穿，纳米流体受力喷出进行冲孔，重复多次充电放电过程，持续推进冲孔深度，在冲孔过程中改变充电放电的电压，对冲孔的液体压力进行精确控制；
第四步，放电结束后，关闭高压电源开关，启动红外加热器，打开红外加热器电源开关，红外线加热管发射红外线辐射媒体，持续一段时间后关闭红外加热器电源开关，将冲孔装置退出钻孔一段距离，继续冲孔作业；
第五步，重复第二步至第四步，直至冲孔作业完成。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明以纳米流体作为冲孔液体，其自身是均匀、稳定、高导热的换热介质，附着在煤体表面后可显著提高红外辐射能量向煤体的传递速度和效率，缩短作用时间，从而提升增渗效果，节约能量消耗；同时纳米流体也是本装置液电脉冲的被击穿液体，其较高的导电系数使得在对击穿电压要求不高的情况下也能取得较好的击穿效果，进而直接推动冲孔效果的提升；
2、本发明采用高压电脉冲作用下的液电击穿效应，使纳米流体形成高压射流冲击煤体，可实现压力的无级调节，允许设置压力范围广，与传统水力冲孔方式相比亦可节约加压时间；
3、本发明提供的冲孔装置中红外辐射加热速度快，温度可设定，具有穿透性，可使被辐射煤体中的水分子升温并汽化，形成高温高压水蒸气，一方面依据热驱效应促进瓦斯解吸，另一方面在介电常数差异较大的煤体内部，引起不均匀热膨胀形成热应力，可撕裂原生裂隙，催生新生裂隙，充分发挥纳米流体的作用，强化冲孔作用效果；
4、本发明提供的冲孔装置自身结构简单，操作方便，容错率高，符合井下实际作业要求，能够快捷地致裂煤体，达到高效增渗瓦斯的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的工作示意图；
图2是本发明提供的优选实施例中钻杆的结构示意图；
图3是本发明提供的优选实施例中钻杆液体喷孔的正面示意图。
图中：1为引线，2为负电极板，3为红外线加热管，4为绝缘导线，5为液体喷孔，6为绝缘隔板，7为注液管，8为注液腔，9为正电极板，10为绝缘橡胶垫，11为中心孔，12为注液管接线头，13为压线鼻子，14为煤体，15为可移动式封孔器，16为绝缘导线，17为钻杆，18为注液开关，19为注液泵站，20为高压电脉冲发生器，21为高压电源开关，22为红外加热器电源，23为红外加热器电源开关，24为钻孔。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。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。
本申请旨在提供一种冲孔装置，可以简易且准确的控制冲孔过程，并利用冲孔液体提高增透效果；图1所示是本发明提供的实施例的工作示意图，冲孔装置主要分为几个部分，需要推进钻孔24的钻杆17、可移动式封孔器15、液电击穿组件以及红外辐射加热组件，其中液电击穿组件包括注液管7、注液腔8、注液泵站19、正电极板组、负电极板组以及高压电脉冲发生器20，红外辐射加热组件包括红外线加热管3、红外加热器电源22以及红外加热器电源开关23，具体的设置关系如图2所示，钻杆17与钻孔24孔口接触位置通过可移动式封孔器15进行封闭；钻杆17内开设贯穿中心轴的中心孔11，以中心孔11为对称中心布设正电极板组和负电极板组，钻杆17的中心孔11与钻杆17圆周壁之间形成注液腔8，正电极板组、负电极板组分别位于注液腔8的两个端部，且正电极板组、负电极板组分别通过绝缘导线16绝缘导线164与高压电脉冲发生器20连通；钻杆17的侧壁上开设若干液体喷孔5，将注液腔8与钻孔24之间形成连通；在中心孔11内插设注液管7，位于中心孔11内的一端与注液腔8连通，另一端伸出中心孔11通过注液开关18与注液泵站19连通；
图3所示，红外线加热管3在液体喷孔5四周环绕布设，红外辐射加热速度快，温度可设定，具有穿透性，可使被辐射煤体中的水分子升温并汽化，形成高温高压水蒸气，一方面依据热驱效应促进瓦斯解吸，另一方面在介电常数差异较大的煤体内部，引起不均匀热膨胀形成热应力，可撕裂原生裂隙，催生新生裂隙；红外线加热管3通过引线1与绝缘导线16绝缘导线164形成连通，绝缘导线16绝缘导线164与红外加热器电源22连接，在红外加热器电源22上设置红外加热器电源开关23；
在高压电脉冲发生器20上设置高压电源开关21，另外还涉及到一些连接线的连接，如若干条绝缘导线16绝缘导线164通过压线鼻子13形成延长续接，若干条注液管7通过注液管7接线头12进行延长续接；
正电极板组包括相对中心孔11对称布设的正电极板9，每个正电极板9周围设置绝缘橡胶垫10，负电极板组包括相对中心孔11对称布设的负电极板2，每个负电极板2周围设置绝缘橡胶垫10；中心孔11的外壁与钻杆17之间嵌设绝缘隔板6。
在优选实施例中，红外加热管采用石英玻璃制作，因为优质的石英玻璃具有良好的透光性和耐高温性；在红外加热管上安装镀金反射器，用于定向辐射，能源利用效率高；在本申请中加热单元可以根据不同的波长需要进行设计，安装在红外加热管内的电热丝采用碳纤维制作，碳纤维具有升温迅速、热滞后小、热辐射传递距离远、热交换速度快等特点。
本申请是向注液管7内注入纳米流体，其导电率范围为40μs/cm-90μs/cm，导热率范围为30W·m-1·K-1-100W·m-1·K-1，同时可以采用但不仅限于掺铝氧化锌(AZO)，纳米流体作为冲孔液体，有几方面的好处，第一、其自身是均匀、稳定、高导热的换热介质，附着在煤体表面后可显著提高红外辐射能量向煤体的传递速度和效率，缩短作用时间，从而提升增渗效果，节约能量消耗；第二、纳米流体作为液电脉冲的被击穿液体，发生高压电脉冲作用下的液电击穿效应，使纳米流形成高压射流冲击媒体14，实现压力的无级调节，允许设置压力范围较广，而且其较高的导电系数使得在对击穿电压要求不高的情况下也能取得较好的击穿效果，进而直接推动冲孔效果的提升。
在本申请提供的优选实施例中，液体喷孔5呈环形对称布置，其具体数目是根据实际需求进行确定的，且均安装过滤网，防止煤屑杂质等堵塞孔口。
实施例1：
接着，本申请还提供了上述基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置的一种实施方法，具体包括以下步骤：
第一步，安装组合钻杆17，连接各条管线，完成冲孔装置安装后，将钻杆17推进钻孔24直至钻孔24底部；
第二步，在钻杆17与钻孔24孔口位置安装可移动式封孔器15，将钻孔24进行封孔处理，启动注液泵站19，启动注液泵站19，通过注液管7向注液腔8内注入AZO纳米流体；
第三步，启动高压电脉冲发生器20对正电极板组、负电极板组进行充电(这里预设充电值为250V)，正电极板组、负电极板组充电至预设250V电压后关闭高压电源开关21，正电极板9、负电极板2放电击穿，纳米流体受力喷出进行冲孔，重复多次充电放电过程，持续推进冲孔深度，在冲孔过程中改变充电放电的电压，对冲孔的液体压力进行精确控制；
第四步，放电结束后，关闭高压电源开关21，启动红外加热器，打开红外加热器电源开关23，红外线加热管3发射红外线辐射媒体14，持续2h后关闭红外加热器电源开关23，将冲孔装置退出钻孔245m后，继续冲孔作业；
第五步，重复第二步至第四步，直至冲孔作业完成。
在实施例1中，冲孔纳米流体的动力为高压电脉冲发生器20产生高压电通过绝缘导线16绝缘导线164传输到正电极板9和负电极板2，由于外加电场的作用，注液腔8中的纳米流体所含导电粒子被加速电离，形成等离子通道，强大的冲击电流在极短时间内注入到离子通道内，通道内能量密度、压力和温度瞬间上升，与周围纳米流体之间形成巨大的压力梯度和温度梯度，在这种膨胀势能和热辐射压力能的共同作用下，等离子通道以102-103m/s的速度向外膨胀，进而形成纳米流体射流，经液体喷孔5喷出，作用于煤体冲孔，实现了电能到机械能的高速转换，达到致裂增透瓦斯的目的。
实施例2：
本申请还给出了第二种实施方式，具体包括以下步骤：
第一步，安装组合钻杆17，连接各条管线，完成冲孔装置安装后，将钻杆17推进钻孔24直至钻孔24底部；
第二步，在钻杆17与钻孔24孔口位置安装可移动式封孔器15，将钻孔24进行封孔处理，启动注液泵站19，启动注液泵站19，通过注液管7向注液腔8内注入ZnO纳米流体；
第三步，启动高压电脉冲发生器20对正电极板组、负电极板组进行充电(这里预设充电值为500KV)，正电极板组、负电极板组充电至预设500KV电压后关闭高压电源开关21，正电极板9、负电极板2放电击穿，纳米流体受力喷出进行冲孔，重复多次充电放电过程，持续推进冲孔深度，在冲孔过程中改变充电放电的电压，对冲孔的液体压力进行精确控制；
第四步，放电结束后，关闭高压电源开关21，启动红外加热器，打开红外加热器电源开关23，红外线加热管3发射红外线辐射媒体14，持续5h后关闭红外加热器电源开关23，将冲孔装置退出钻孔2410m后，继续冲孔作业；
第五步，重复第二步至第四步，直至冲孔作业完成。
经过上述两个实施例的验证，可以证实本申请提供的冲孔装置可以快速便捷且准确的控制冲孔过程，冲孔效果极佳。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，包括钻孔，其特征在于：在钻孔内布设钻杆，钻杆与钻孔孔口接触位置通过可移动式封孔器进行封闭；
还包括液电击穿组件，其包括注液管、注液腔、注液泵站、正电极板组、负电极板组以及高压电脉冲发生器，其中，钻杆内开设贯穿中心轴的中心孔，以中心孔为对称中心布设正电极板组和负电极板组，钻杆的中心孔与钻杆圆周壁之间形成注液腔，通过注液管向注液腔内注入纳米流体，正电极板组、负电极板组分别位于注液腔的两个端部，且正电极板组、负电极板组分别通过绝缘导线与高压电脉冲发生器连通；钻杆的侧壁上开设若干液体喷孔，将注液腔与钻孔之间形成连通；
在中心孔内插设注液管，位于中心孔内的一端与注液腔连通，另一端伸出中心孔通过注液开关与注液泵站连通；
在液体喷孔的四周环设红外辐射加热组件。
2.根据权利要求1所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，其特征在于：前述的红外辐射加热组件包括红外线加热管，其在液体喷孔四周环绕布设，红外线加热管通过引线与绝缘导线形成连通，绝缘导线与红外加热器电源连接，在红外加热器电源上设置红外加热器电源开关；
在高压电脉冲发生器上设置高压电源开关，若干条绝缘导线通过压线鼻子形成延长续接。
3.根据权利要求1所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，其特征在于：若干条注液管通过注液管接线头进行延长续接；
正电极板组包括相对中心孔对称布设的正电极板，每个正电极板周围设置绝缘橡胶垫，负电极板组包括相对中心孔对称布设的负电极板，每个负电极板周围设置绝缘橡胶垫。
4.根据权利要求2所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，其特征在于：前述的红外线加热管采用石英玻璃制作，在红外线加热管上安装镀金反射器；
安装在红外线加热管内的电热丝采用碳纤维制作。
5.根据权利要求1所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，其特征在于：注液管内注入纳米流体，其导电率范围为40μs/cm-90μs/cm，导热率范围为30W·m-1·K-1-100W·m-1·K-1。
6.根据权利要求1所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置，其特征在于：中心孔的外壁与钻杆之间嵌设绝缘隔板。
7.一种如上述任意权利要求所述的基于纳米流体的液电击穿与红外热辐射相协同的冲孔装置的冲孔方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
第一步，安装组合钻杆，连接各条管线，完成冲孔装置安装后，将钻杆推进钻孔直至钻孔底部；
第二步，在钻杆与钻孔孔口位置安装可移动式封孔器，将钻孔进行封孔处理，启动注液泵站，通过注液管向注液腔内注入纳米流体；
第三步，启动高压电脉冲发生器对正电极板组、负电极板组进行充电，正电极板组、负电极板组充电至预设电压后关闭高压电源开关，正电极板、负电极板放电击穿，纳米流体受力喷出进行冲孔，重复多次充电放电过程，持续推进冲孔深度，在冲孔过程中改变充电放电的电压，对冲孔的液体压力进行精确控制；
第四步，放电结束后，关闭高压电源开关，启动红外辐射加热组件，打开红外加热器电源开关，红外线加热管发射红外线辐射媒体，持续一段时间后关闭红外加热器电源开关，将冲孔装置退出钻孔一段距离，继续冲孔作业；
第五步，重复第二步至第四步，直至冲孔作业完成。
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