CN114607336B - 一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置，包括：气液两相集成系统以及钻机集成系统；气液两相集成系统，包括高压水生成系统、高压气生成系统以及掺混器，且气液两相集成系统集成设置于第一平台；钻机集成系统，包括与掺混器相连接的气液两相耐高压水辫，气液两相高压水辫连接有气液两相耐高压密封钻杆，气液两相耐高压密封钻杆的自由端连接有气液两相射流组件，钻机集成系统组件均集成设置于第二平台。该发明通过在第一平台和第二平台上设置高度集成化高度自动化的气液两相集成系统以及钻机集成系统，优化了低渗煤层造穴冲孔作业的操作设备，达到用水量小且冲击破煤效率高、排水排渣能力强的优化效果。

Description

一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法

技术领域

本发明涉及低渗煤层卸压增透技术领域，尤其涉及一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法及装置。

背景技术

水射流增透技术经过多年发展，在煤层卸压增透和强化瓦斯抽采中取得了显著效果，被各大矿区广泛应用。但传统高压水力增透技术现场应用过程中存在着水锁效应严重、抑制瓦斯解吸运移，工作压力高、存在一定的安全隐患，用水量大、施工现场排水困难等显著缺点。为此，国内外学者逐渐开发出了磨料射流、空化射流和脉冲射流割缝造穴等技术，但磨料射流容易导致喷嘴堵塞，设备可靠性差；空化射流受喷嘴结构影响较大，受温度条件和冲击靶距的限制，且在淹没状态下存在冲击靶距范围小的缺陷；脉冲射流及自激震荡射流也存在对液压损耗大、设备能耗大，射流频率调节不便，射流器结构参数需要针对不同硬度煤体进行调整等问题。针对以上问题，有学者提出了高压气体破煤技术，其采用高压气体直接冲击煤体，不消耗水资源、设备可靠性高且不抑制瓦斯解吸，但高压气体射流同样存在冲蚀能力差、有效打击靶距近、扬尘效应难以避免等显著缺点；还有些学者提出以定量气相掺混形成高压气液两相射流的方式，形成了一种气液两相射流增透系统及方法(CN103075180B)，但系统存在集成性差、掺混效率低、造穴腔体内积水积渣严重等问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为达到上述目的，本发明提出了一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置，包括：气液两相集成系统以及钻机集成系统；

所述气液两相集成系统，包括用于生成高压水流的高压水生成系统、用于生成高压气体的高压气生成系统以及用于混合高压水流和高压气体的掺混器，且所述气液两相集成系统集成设置于第一平台；

所述钻机集成系统，包括与掺混器相连接的气液两相耐高压水辫，所述气液两相高压水辫连接有气液两相耐高压密封钻杆，所述气液两相耐高压密封钻杆的自由端连接有气液两相射流组件，所述钻机集成系统组件均集成设置于第二平台。

本发明通过在第一平台和第二平台上设置高度集成化高度自动化的气液两相集成系统以及钻机集成系统，优化了低渗煤层造穴冲孔作业的操作设备，达到用水量小且冲击破煤效率高、排水排渣能力强的优化效果，从而解决低渗煤层造穴冲孔条件下产生工作压力高、用水量过大、孔内积水和煤泥堆积严重等一系列技术问题。

可选地，所述高压水生成系统包括水箱，所述水箱管道连接有高压水泵，所述高压水泵由水泵电机驱动控制，且所述高压水泵的出水口连接有调节溢流阀，所述调节溢流阀与所述掺混器管道连接。

进一步地，所述高压气生成系统包括空气压缩机，所述空气压缩机管道连接有高压气瓶，所述高压气瓶出口处连接有减压阀，所述减压阀与所述掺混器管道连接，所述空气压缩机上设置有水冷循环口，所述水冷循环口与所述水箱管道连通设置。

进一步地，所述第一平台以及所述第二平台均设置为可移动平台。

进一步地，所述掺混器包括掺混室，所述掺混室包括第一端口以及第二端口，所述第一端口包括与所述高压水生成系统管道连通的高压水通道以及与所述高压气生成系统管道连通的高压气通道，所述第二端口连通设置有气液两相通道。

进一步地，所述掺混室的横截面积沿第一端口至第二端口方向渐次缩小设置。

进一步地，所述高压气通道与高压气生成系统之间连通管道上设置有单向阀。

进一步地，所述气液两相射流组件中设置有射流出口相互独立的钻孔射流通道和冲孔射流通道，以使气液两相射流进行钻孔作业或冲孔作业时可进行单一作业。

本发明还提供一种使用上述任意一项所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置的煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，包括如下步骤：

S1、确定打孔位置，将集成设置有气液两相集成系统的第一平台和集成设置有钻机集成系统的第二平台移动至指定打孔位置处，并进行钻孔前准备作业；

S2、根据钻孔设计选择冲孔方式，并对气液两相钻杆中通入低压水，控制钻机集成系统对待钻孔位置进行常规钻孔；

S3、完成钻孔施工后，控制气液两相集成系统产生符合冲孔压力等级且稳定的气液两相射流，由气液两相射流组件喷出该气液两相射流，进行前期冲孔作业；

S4、前期冲孔作业完成后，控制气液两相集成系统对高压水和高压气进行压力调节，提高掺混压力等级，进行中期扩孔作业；

S5、中期扩孔作业结束后，控制高压水生成系统停止高压水供给，仅使高压气生成系统向钻机集成系统内供给高压气体以对孔洞内进行后期洗孔作业；

S6、根据所选择的冲孔方式循环进行前期冲孔、中期扩孔、后期洗孔的作业。

可选地，所述S1中，所述钻孔前准备作业包括使用高压胶管连接气液两相集成系统与钻机集成系统，并开启高压气生成系统进行工作，待高压气瓶到达额定压力时，高压气生成系统进入待机。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中气液两相集成系统的俯视图；

图3是本发明中气液两相集成系统的左视图，旨在展示高压水生成系统的具体结构；

图4是本发明中气液两相集成系统的右视图，旨在展示高压气生成系统的具体结构；

图5是本发明中钻机集成系统的结构侧视图；

图6是本发明中掺混器的内部结构示意图；

图7是本发明一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法的步骤流程图；

图8是本发明所选择不同冲孔工序的工序流程图；

图9是本发明中选择前进式冲孔的步骤示意图；

图10是本发明中选择后退式冲孔的步骤示意图。

附图标记说明：

1、气液两相集成系统；11、高压水生成系统；111、水箱；112、高压水泵；113、水泵电机；114、调节溢流阀；12、高压气生成系统；121、空气压缩机；122、高压气瓶；123、减压阀；124、空压机电机；13、掺混器；131、掺混室；132、高压水通道；133、高压气通道；134、气液两相通道；135、单向阀；2、钻机集成系统；21、气液两相耐高压水辫；22、气液两相耐高压密封钻杆；23、气液两相射流组件；24、钻机驱动控制件；3、第一平台；4、第二平台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置，以下结合图1至图6进行详细阐述。

一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置，包括：气液两相集成系统1以及钻机集成系统2，且气液两相集成系统1与钻机集成系统2之间通过耐高压管道连通设置；

气液两相集成系统1，包括用于生成高压水流的高压水生成系统11、用于生成高压气体的高压气生成系统12以及用于混合高压水流和高压气体的掺混器13，且气液两相集成系统1集成设置于第一平台3；

钻机集成系统2，包括与掺混器13通过耐高压管道相连接的气液两相耐高压水辫21，气液两相高压水辫连接有气液两相耐高压密封钻杆22，气液两相耐高压密封钻杆22的自由端连接有气液两相射流组件23，钻机集成系统2组件均集成设置于第二平台4，同时在第二平台4上设置有钻机驱动控制件24，用于驱动并控制气液两相耐高压水辫21、气液两相耐高压密封钻杆22以及气液两相射流组件23进行钻孔、冲孔等作业；

第一平台3以及第二平台4均设置为可移动平台，且在本实施例中，可移动平台具体设置为移动方式采用履带的履带车，在另一些实施例中，移动平台可以设置为移动方式采用多个车轮的移动车辆。

将气液两相集成系统1集成至第一平台3上，从而将高压水生成系统11和高压气生成系统12高度集成，方便了工作人员的整体移动，并且将第一平台3设置成可移动平台，可以进一步方便工作人员对第一平台3移动的控制，同时将钻机集成系统2集成设置于第二平台4并将第二平台4设置为可移动平台，方便了对钻机集成系统2中各个组件的移动和控制，当工作人员在进行钻孔、冲孔作业时，工作人员可以控制第一平台3和第二平台4移动至需要钻孔的位置，然后通过控制第二平台4或钻机集成系统2来控制气液两相射流组件23的移动进给进行钻孔作业，由于根据钻孔设计的需求，钻孔方式会出现不同，之后工作人员根据钻孔方式选择前进式冲孔或者后退式冲孔，根据冲孔方式的不同通过控制第二平台4或钻机集成系统2来控制气液两相射流组件23的移动进给进行冲孔、扩孔作业。

气液两相集成系统1中主要为了提供高压水流和高压气体，具体包括内容如下：

高压水生成系统11包括水箱111，水箱111管道连接有高压水泵112，高压水泵112由水泵电机113驱动控制，且高压水泵112的出水口连接有调节溢流阀114，调节溢流阀114与掺混器13管道连接；

高压气生成系统12包括空气压缩机121，空气压缩机121通过空压机电机124驱动控制，空气压缩机121管道连接有高压气瓶122，高压气瓶122出口处连接有减压阀123，减压阀123与掺混器13管道连接，空气压缩机121上设置有水冷循环口，水冷循环口与水箱111管道连通设置；

掺混器13包括掺混室131，掺混室131包括第一端口以及第二端口，第一端口包括与高压水生成系统11管道连通的高压水通道132以及与高压气生成系统12管道连通的高压气通道133，第二端口连通设置有气液两相通道134，且掺混室131的横截面积沿第一端口至第二端口方向渐次缩小设置，高压气通道133与高压气生成系统12之间连通管道上设置有单向阀135。

当需要进行钻孔或冲孔时，工作人员根据施工需求，对企业两相集成系统进行控制，通过高压水生成系统11产生高压水流或通过高压气生成系统12产生高压气体，并在掺混器13的掺混室131中充分混合之后沿耐高压管道进入钻机集成系统2。

且在钻机集成系统2中，本实施例中气液两相射流组件23设置为具有钻孔、冲孔作用的钻头，钻头轴向的端头设置有钻孔射流出口，钻头的周侧上设置有冲孔射流出口，钻头内设置有与钻孔射流出口连通的钻孔射流通道以及与冲孔射流出口连通的冲孔射流通道，钻孔射流通道与冲孔射流通道之间设置有压力开关，当需要钻孔时，钻孔时采用低压水流，压力开关处于打开状态，此时钻孔射流通道打开，冲孔射流通道关闭；当需要进行冲孔、扩孔作业时，采用高压水流，此时在高压水流的作用下压力开关受压关闭，此时钻孔射流通道关闭，冲孔射流通道打开；从而保证了气液两相射流进行钻孔作业和冲孔作业时可进行单一作业。

本发明还提供一种使用上述煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置的煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，参照图7至图10，包括如下步骤：

S1、确定打孔位置，将集成设置有气液两相集成系统1的第一平台3和集成设置有钻机集成系统2的第二平台4移动至指定打孔位置处，并进行钻孔前准备作业；

S2、根据钻孔设计选择冲孔方式，并对气液两相钻杆中通入低压水，控制钻机集成系统2对待钻孔位置进行常规钻孔；

S3、完成钻孔施工后，控制气液两相集成系统1产生符合冲孔压力等级且稳定的气液两相射流，由气液两相射流组件23喷出该气液两相射流，进行前期冲孔作业；

S4、前期冲孔作业完成后，控制气液两相集成系统1对高压水和高压气进行压力调节，提高掺混压力等级，进行中期扩孔作业；

S5、中期扩孔作业结束后，控制高压水生成系统11停止高压水供给，仅使高压气生成系统12向钻机集成系统2内供给高压气体以对孔洞内进行后期洗孔作业；

S6、根据所选择的冲孔方式循环进行前期冲孔、中期扩孔、后期洗孔的作业。

其中，在S1中，钻孔前准备作业包括使用高压胶管连接气液两相集成系统1与钻机集成系统2，并开启高压气生成系统12进行工作，待高压气瓶122到达额定压力时，高压气生成系统12进入待机。

在S3前期冲孔作业以及S4中期扩孔作业过程中控制高压水生成系统11输出的水压比高压气生成系统12输出的气压高出3-4兆帕。

在S2中，按照实际钻孔作业设计需求，钻孔方式可分为上行孔、下行孔、穿层孔或顺层孔，按照钻孔与冲孔工序可以将冲孔方式分为前进式冲孔或后退式冲孔，以下将对采用前进式冲孔工序步骤以及采用后退式冲孔这两种冲孔工序步骤分别阐述。

参照图8和图9，当采用前进式冲孔时，实施钻孔、冲孔时的具体步骤为：

将集成设置有气液两相集成系统1的第一平台3和集成设置有钻机集成系统2的第二平台4移动至指定打孔位置处，并对第一平台3和第二平台4之间通过耐高压管道进行连接；

钻孔时，由气液两相集成系统1供给低压水至钻机集成系统2，由气液两相射流组件23进行钻孔作业，当钻孔施工一段距离后，准备实施气液两相冲孔工艺；

冲孔时，开启高压水泵112，通过溢流调节阀来调节高压水生成系统11生成水流的压力达到冲孔压力等级，通过减压阀123调节高压气生成系统12生成气体的压力达到冲孔压力等级，保证水流压力高于气体压力3-4兆帕，本实施例中调节水流压力调节至15兆帕，调节气体压力至12兆帕，，之后进行冲孔作业；

扩孔时，为了扩大孔洞直径、增加泄压范围，再次提高由气液两相集成系统1产生的水流压力和气体压力，保证水流压力高于气体压力3-4兆帕，本实施例中调高水流压力至20兆帕，调高气体压力至15兆帕，使水流压力和气体压力达到扩孔压力等级，之后进行扩孔作业；

完成扩孔后开始洗孔作业，关闭高压水泵112，也即停止高压水生成系统11的高压水供给，大量高压气体从气液两相射流组件23中射出，对冲孔内的积水进行清理洗孔，并对孔洞周围起到吹干打扫的作用，解决“水锁效应”与孔内积水过多的问题；

完成洗孔后，加装气液两相耐高压密封钻杆22，关闭高压气生成系统12，开启高压水生成系统11供给低压水，再次进行钻孔作业，气液射流组件再次进行钻孔推进与上次钻孔相同的距离后，重复钻孔-冲孔-扩孔-洗孔的作业，

待施工完至指定深度之后祖儿也结束，关闭高压水生成系统11以及高压气生成系统12，退出钻杆，封控抽采，第一平台3和第二平台4带动气液两相集成系统1和钻机集成系统2至下一处需要钻孔位置，继续重复执行上述钻孔-冲孔-扩孔-洗孔作业。

参照图8和图10，当采用前进式冲孔时，实施钻孔、冲孔时的具体步骤为：

将集成设置有气液两相集成系统1的第一平台3和集成设置有钻机集成系统2的第二平台4移动至指定打孔位置处，并对第一平台3和第二平台4之间通过耐高压管道进行连接；

钻孔时，调整气液两相射流组件23的角度，由气液两相集成系统1供给低压水至钻机集成系统2，由气液两相射流组件23进行钻孔作业，根据钻孔要求深度，完成钻孔作业，钻孔作业完成后再进入冲孔作业；

冲孔时，开启高压水泵112，通过溢流调节阀来调节高压水生成系统11生成水流的压力达到冲孔压力等级，通过减压阀123调节高压气生成系统12生成气体的压力达到冲孔压力等级，本实施例中调节水流压力调节至15兆帕，调节气体压力至12兆帕，保证水流压力高于气体压力3-4兆帕，之后进行冲孔作业；

扩孔时，为了扩大孔洞直径、增加泄压范围，再次提高由气液两相集成系统1产生的水流压力和气体压力，调高水流压力至20兆帕，调高气体压力至15兆帕，使水流压力和气体压力达到扩孔压力等级，之后进行扩孔作业；

扩孔结束后，进行洗孔作业，关闭高压水泵112，也即停止高压水生成系统11的高压水供给，大量高压气体从气液两相射流组件23中射出，对冲孔内的积水进行清理洗孔，并对孔洞周围起到吹干打扫的作用，解决“水锁效应”与孔内积水过多的问题；

完成洗孔作业之后，工作人员控制气液两相耐高压密封钻杆22后退一端距离之后，再次进行冲孔-扩孔-洗孔作业，完成之后工作人员再次控制钻机集成系统2以及气液两相集成系统1循环进行气液两相耐高压密封钻杆22后退-冲孔-扩孔-洗孔作业；

整个钻孔完成冲孔后，通过第一平台3和第二平台4带动气液两相集成系统1和钻机集成系统2移动至下一位置完成钻孔后，循环进行气液两相耐高压密封钻杆22后退-冲孔-扩孔-洗孔作业。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，包括煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置，所述煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透装置包括：气液两相集成系统以及钻机集成系统；

所述气液两相集成系统，包括用于生成高压水流的高压水生成系统、用于生成高压气体的高压气生成系统以及用于混合高压水流和高压气体的掺混器，且所述气液两相集成系统集成设置于第一平台；

所述钻机集成系统，包括与掺混器相连接的气液两相耐高压水辫，所述气液两相耐高压水辫连接有气液两相耐高压密封钻杆，所述气液两相耐高压密封钻杆的自由端连接有气液两相射流组件，所述钻机集成系统组件均集成设置于第二平台；

所述煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，包括如下步骤：

S1、确定打孔位置，将集成设置有气液两相集成系统的第一平台和集成设置有钻机集成系统的第二平台移动至指定打孔位置处，并进行钻孔前准备作业；

S2、根据钻孔设计选择冲孔方式，并对气液两相钻杆中通入低压水，控制钻机集成系统对待钻孔位置进行常规钻孔；

S3、完成钻孔施工后，控制气液两相集成系统产生符合冲孔压力等级且稳定的气液两相射流，由气液两相射流组件喷出该气液两相射流，进行前期冲孔作业；

S4、前期冲孔作业完成后，控制气液两相集成系统对高压水和高压气进行压力调节，提高掺混压力等级，进行中期扩孔作业；

S5、中期扩孔作业结束后，控制高压水生成系统停止高压水供给，仅使高压气生成系统向钻机集成系统内供给高压气体以对孔洞内进行后期洗孔作业；

S6、根据所选择的冲孔方式循环进行前期冲孔、中期扩孔、后期洗孔的作业。

2.如权利要求1所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述高压水生成系统包括水箱，所述水箱管道连接有高压水泵，所述高压水泵由水泵电机驱动控制，且所述高压水泵的出水口连接有调节溢流阀，所述调节溢流阀与所述掺混器管道连接。

3.如权利要求2所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述高压气生成系统包括空气压缩机，所述空气压缩机管道连接有高压气瓶，所述高压气瓶出口处连接有减压阀，所述减压阀与所述掺混器管道连接，所述空气压缩机上设置有水冷循环口，所述水冷循环口与所述水箱管道连通设置。

4.如权利要求1所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述第一平台以及所述第二平台均设置为可移动平台。

5.如权利要求1所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述掺混器包括掺混室，所述掺混室包括第一端口以及第二端口，所述第一端口包括与所述高压水生成系统管道连通的高压水通道以及与所述高压气生成系统管道连通的高压气通道，所述第二端口连通设置有气液两相通道。

6.如权利要求5所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述掺混室的横截面积沿第一端口至第二端口方向渐次缩小设置。

7.如权利要求5所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述高压气通道与高压气生成系统之间连通管道上设置有单向阀。

8.如权利要求1所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，所述气液两相射流组件中设置有射流出口相互独立的钻孔射流通道和冲孔射流通道，以使气液两相射流件进行钻孔作业或冲孔作业时可进行单一作业。

9.如权利要求1所述的一种煤矿井下高压气液两相射流冲击卸压增透方法，其特征在于，在S1中，所述钻孔前准备作业包括使用高压胶管连接气液两相集成系统与钻机集成系统，并开启高压气生成系统进行工作，待高压气瓶到达额定压力时，高压气生成系统进入待机。