一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法与流程

本发明涉及一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法，属瓦斯抽采技术领域。

背景技术：

我国矿井瓦斯抽采作业时，均是首先通过传统的机械式钻探设备在煤层壁上开始钻孔，然后通过压裂增透装置对钻孔进行增透压裂作业，提高钻孔内壁裂缝数量，增加钻孔透气性，然后对钻孔进行密封并进行瓦斯抽采作业，虽然这种作业方式可以满足对瓦斯抽采作业的需要，但在实际工作中发现，由于用于瓦斯抽采作业的钻孔往往均较长，因此传统的机械式钻探设备在运行过程中极易发生钻头、钻杆在钻孔卡钻现象和钻杆同轴度受到影响而导致钻杆断裂，严重时还会出现钻孔内壁应力分布不均匀而发生钻孔内壁坍塌等现象，因此导致瓦斯抽采钻孔钻探作业的工作效率低下，设备故障率高，同时传统的机械式钻探设备在钻探作业时，易产生大量的粉尘、碎屑及废水等污染物，从而导致作业现场环境恶劣，同时也极大增加了瓦斯和煤层突出风险，除此之外，当前在经过机械式钻探设备完成钻孔钻探后，还需要进行压裂增透装置对钻孔进行压裂增透处理，从而也进一步增加了钻孔压裂作业的难度，并降低了钻孔压裂作业的工作效率，因此针对这一问题，迫切需要开发一种全新的瓦斯抽采钻孔钻探设备及使用方法，以满足实际使用的需要。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法及其使用方法及其使用方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种热冷冲击三级破煤装置，包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵、空气加热管、水冷管、液氮降温管及喷射钻头，承载底座下表面与行走机构连接，且行走机构环绕承载底座轴线分布，液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵均通过滑轨安装在承载底座上表面并与承载底座上表面滑动连接，其中空气涡流管进气端通过热风机与外部空气连通，空气涡流管高温出气口通过热风机与射流风机连通，空气涡流管低温出气口通过换热器与存水罐相互连通，换热器至少一个，嵌于存水罐内表面并环绕存水罐轴线均布，存水罐为密闭腔体结构，存水罐上设至少一个泄压口、至少一个出水口和一个注水口，其中出水口通过导流管与射流泵相互连通，液氮储存钢瓶至少一个，并与液氮增压泵相互连通，射流泵通过保温软管与水冷管相互连通，射流风机通过保温软管与空气加热管相互连通，液氮增压泵通过保温软管与液氮降温管相互连通，空气加热管、水冷管及液氮降温管均若干个，且每一条空气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个破煤组，且破煤组内的空气加热管、水冷管及液氮降温管间通过至少两个卡箍连接，喷射钻头安装在液氮降温管前端面并液氮降温管相互连通且同轴分布，空气加热管和水冷管以液氮降温管轴线对称分布在液氮降温管两侧

进一步的，所述的滑轨与承载底座上表面通过转台机构铰接。

进一步的，所述的射流泵、射流风机、液氮增压泵分别通过分流管与各空气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通。

进一步的，所述的液氮储存钢瓶另通过导流支管分别与换热器和存水罐相互连通，所述的导流支管与液氮储存钢瓶、换热器和存水罐连接位置处设控制阀。

进一步的，所述的空气加热管、水冷管前端均设至少一个射流喷头，且所述的射流喷头轴线与空气加热管、水冷管轴向呈0°—90°夹角，其中所述的水冷管通过至少一条导流支管与喷射钻头相互连通，且所述的水冷管与喷射钻头间的导流支管上至少一个单向阀。

进一步的，所述的破煤组中的空气加热管、水冷管及液氮降温管间分布在同一平面内，或空气加热管、水冷管及液氮降温管间以三角形结构分布，且相邻两根管体的轴线相互平行分布。进一步的，所述的存水罐内表面上均布若干半导体制冷装置，且各半导体制冷装置间均环绕存水罐轴线均布。

一种热冷冲击三级破煤装置的破煤冲击实施方法，其包括如下步骤：

第一步，预制钻孔，首先根据设计及开采作业的需要，在煤层上开设若干短程钻孔，所开设的钻孔轴线与煤层外表面垂直分布，相邻两钻孔间间距为2—8米，且各钻孔间呈阵列结构分布，且所开始钻孔23深度为钻孔设计深度的1/15—1/10；

第二步，冲击破煤组预制，在完成第一步的操作后，将各破煤组分别与射流泵、射流风机、液氮增压泵相互连接，然后将破煤组深入到钻孔内，由弹性密封堵头对破煤组前端定位并对钻孔进行密封，使破煤组与钻孔同轴分布，并使钻孔内部构成密闭空间结构；

第三步，冲击破煤作业，在完成第二步作业后，首先启动空气涡流管、热风机、射流风机运行，首先由热风机对周围空气预热干燥和增压，并将经过预热干燥后的空气通过空气涡流管进行处理，同时获得90℃—110℃高温气体和0℃—-40℃的低温气体两部分气流，然后将其中的高温气体再次通过热风机加热至400℃—600℃，然后由射流风机增压到30mpa—50mpa并喷射到钻孔中，对煤体进行第一次高温高压气体射流破煤，在钻孔内壁温度达到350℃—450℃，钻孔内气压为25mpa—35mpa后，保温保压3—10分钟，然后将钻孔内的高温空气排出，并在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时，由射流泵将存水罐内经过冷却，温度达到-10℃—10℃的冷却水喷射到钻孔内壁上，其中冷却水的喷射压力为10—30mpa，喷射时间为1—10分钟，喷射流量为8—20l/min，利用高压低温水对煤体进行第二次射流破煤，然后将钻孔内的冷却水排出，通过液氮增压泵将液氮储存钢瓶内的液氮调压至10mpa—20mpa后，通过液氮降温管喷淋到钻孔内壁上，并持续喷淋3—8分钟，利用水的冻胀作用对煤体进行第三次破煤，然后将钻孔内的氮气排出，在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时即可完成一次冲击破煤作业，在完成一次冲击破煤作业后若钻孔深度未达到设定要求，则再次循环重复冲击破煤作业直至钻孔达到设计深度要求；

第四步，钻孔密封，在完成第三步作业后，通过位于钻孔23内的破煤组从钻孔中取出，然后由钻孔密封设备对钻孔23进行密封以备后续瓦斯抽采作业即可。

进一步的，所述的第一步中，在进行钻孔开设时，各钻孔间以矩形整列或环形阵列结构排布。

进一步的，所述的第三步中，存水罐在对冷却水降温时，一方面通过空气涡流管产生的0℃—-40℃的低温气体通过换热器对存水罐内的冷却水进行降温，另一方面由液氮储存钢瓶内的液氮分别通过换热器对冷却水间接降温，和直接通入到存水罐内，对冷却水进行直接增压降温。

本发明设备结构及实施方法简单灵活，运行成本低廉，一方面有效克服传统的机械钻探设备易导致的钻探设备故障和钻孔坍塌风险，并在钻孔钻探作业同时完成了对钻孔压裂增透作业，另一方面还同时克服了传统压裂增透设备作业时易出现增透能力弱、增透作业后期易发生瓦斯突出等弊端，综合利用射流破煤与机械破煤优点，避免单一机械破煤造成的煤岩应力失稳，造成瓦斯煤岩突出危害，同时有效抑制煤尘的产生扩散，起到改善作业环境作用。除此以外，采用新型的液氮高压旋转喷射的方法对煤体进行充分冷冻，有效弥补了单一液氮入注冷冻煤体不够深入、气化过程过快的缺点,以上陈述发明特点极大的提高了瓦斯抽采钻孔钻探及处理作业的工作效率和可靠性，降低了钻探成本和瓦斯突出风险。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明钻孔内部结构意图；

图3为本发明使用方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1和2所述的一种热冷冲击三级破煤装置，包括承载底座1、行走机构2、液氮储存钢瓶3、空气涡流管4、存水罐5、换热器6、热风机7、射流泵8、射流风机9、液氮增压泵10、空气加热管11、水冷管12、液氮降温管13及喷射钻头14，承载底座1下表面与行走机构2连接，且行走机构2环绕承载底座1轴线分布，液氮储存钢瓶3、空气涡流管4、存水罐5、换热器6、热风机7、射流泵8、射流风机9、液氮增压泵10均通过滑轨15安装在承载底座1上表面并与承载底座1上表面滑动连接，其中空气涡流管4进气端通过热风机7与外部空气连通，空气涡流管4高温出气口通过热风机7与射流风机9连通，空气涡流管4低温出气口通过换热器6与存水罐5相互连通，换热器6至少一个，嵌于存水罐5内表面并环绕存水罐5轴线均布，存水罐5为密闭腔体结构，存水罐5上设至少一个泄压口51、至少一个出水口52和一个注水口53，其中出水口52通过导流管54与射流泵7相互连通，液氮储存钢瓶3至少一个，并与液氮增压泵10相互连通，射流泵8通过保温软管16与水冷管12相互连通，射流风机9通过保温软管16与空气加热管11相互连通，液氮增压泵10通过保温软管16与液氮降温管13相互连通，空气加热管11、水冷管12及液氮降温管13均若干个，且每一条空气加热管11、一条水冷管12和一条液氮降温管13构成一个破煤组，且破煤组内的空气加热管11、水冷管12及液氮降温管13间通过至少两个卡箍17连接，喷射钻头14安装在液氮降温管13前端面并液氮降温管13相互连通且同轴分布，空气加热管11和水冷管12以液氮降温管13轴线对称分布在液氮降温管13两侧。

本实施例中，所述的滑轨15与承载底座1上表面通过转台机构18铰接。

本实施例中，所述的射流泵8、射流风机9、液氮增压泵10分别通过分流管19与各空气加热管11、水冷管12及液氮降温管13相互连通。

本实施例中，所述的液氮储存钢瓶3另通过导流支管20分别与换热器6和存水罐5相互连通，所述的导流支管20与液氮储存钢瓶3、换热器6和存水罐5连接位置处设控制阀21。

本实施例中，所述的空气加热管11、水冷管12前端均设至少一个射流喷头26，且所述的射流喷头26轴线与空气加热管11、水冷管12轴向呈0°—90°夹角，其中所述的水冷管12通过至少一条导流支管20与喷射钻头14相互连通，且所述的水冷管12与喷射钻头14间的导流支管20上至少一个单向阀25。

本实施例中，所述的破煤组中的空气加热管11、水冷管12及液氮降温管13间分布在同一平面内，或空气加热管11、水冷管12及液氮降温管13间以三角形结构分布，且相邻两根管体的轴线相互平行分布。

本实施例中，所述的存水罐5内表面上均布若干半导体制冷装置22，且各半导体制冷装置22间均环绕存水罐5轴线均布。

如图3所示，一种热冷冲击三级破煤装置的破煤冲击实施方法，其包括如下步骤：

第一步，预制钻孔，首先根据设计及开采作业的需要，在煤层上开始若干抽采用钻孔23，所开设的钻孔23轴线与煤层24外表面垂直分布，相邻两钻孔23间间距为2—8米，且各钻孔23间呈阵列结构分布，且所开始钻孔23深度为钻孔设计深度的1/15—1/10；

第二步，破煤组预制，在完成第一步的操作后，将各破煤组分别与射流泵8、射流风机9、液氮增压泵10相互连接，然后将破煤组深入到钻孔23内，由弹性密封堵头27对破煤组前端定位并对钻孔23进行密封，使破煤组与钻孔23同轴分布，并使钻孔23内部构成密闭空间结构；

第三步，冲击破煤作业，在完成第二步作业后，首先启动空气涡流管4、热风机7、射流风机9运行，首先由热风机7对周围空气预热干燥和增压，并将经过预热干燥后的空气通过空气涡流管4进行处理，同时获得90℃—110℃高温气体和0℃—-40℃的低温气体两部分气流，然后将其中的高温气体再次通过热风机7加热至400℃—600℃，然后由射流风机9增压到30mpa—500mpa并喷射到钻孔23中，并在钻孔23内壁温度达到350℃—450℃，钻孔23内气压为25mpa—35mpa后，保温保压3—10分钟，然后将钻孔23内的高温空气排出，并在钻孔23内压力为0.5—1.5个标准大气压时，由射流泵8将存水罐5内经过冷却，温度达到-10℃—10℃的冷却水一部分直接喷射到钻孔23内壁上，另一部分通过导流支管对喷射钻头14进行驱动，驱动喷射钻头对钻孔23内壁进行钻削破碎作业，其中冷却水的喷射压力为10—30mpa，喷射时间为1—10分钟，喷射流量为8—20l/min，然后将钻孔23内的冷却水排出，通过液氮增压泵10将液氮储存钢瓶3内的液氮调压至10mpa—20mpa后，通过液氮降温管13首先喷淋到喷射钻头14处，驱动喷射钻头对钻孔23内壁进行钻削破碎作业，然后经过驱动喷射钻头14运行后的液氮喷射到钻孔23内壁上，液氮喷射时间3—8分钟，然后将钻孔23内的氮气排出，在钻孔23内压力为0.5—1.5个标准大气压时即可完成一次冲击破煤作业，在完成一次冲击破煤作业后若钻孔深度未达到设定要求，则再次循环重复冲击破煤作业直至钻孔达到设计深度要求；

第四步，钻孔密封，在完成第三步作业后，通过位于钻孔23内的破煤组从钻孔中取出，然后由钻孔密封设备对钻孔23进行密封以备后续瓦斯抽采作业即可。

本实施例中，所述的第一步中，在进行钻孔23开设时，各钻孔23间以矩形整列或环形阵列结构排布。

本实施例中，所述的第三步中，存水罐5在对冷却水降温时，一方面通过空气涡流管4产生的0℃—-40℃的低温气体通过换热器6对存水罐5内的冷却水进行降温，另一方面由液氮储存钢瓶3内的液氮分别通过换热器6对冷却水间接降温，和直接通入到存水罐5内，对冷却水进行直接增压降温。

本发明设备结构及实施方法简单灵活，运行成本低廉，一方面有效克服传统的机械钻探设备易导致的钻探设备故障和钻孔坍塌风险，并在钻孔钻探作业同时完成了对钻孔压裂增透作业，另一方面还同时克服了传统压裂增透设备作业时易出现增透能力弱、增透作业后期易发生瓦斯突出等弊端，综合利用射流破煤与机械破煤优点，避免单一机械破煤造成的煤岩应力失稳，造成瓦斯煤岩突出危害，同时有效抑制煤尘的产生扩散，起到改善作业环境作用。除此以外，采用新型的液氮高压旋转喷射的方法对煤体进行充分冷冻，有效弥补了单一液氮入注冷冻煤体不够深入、气化过程过快的缺点。以上陈述发明特点极大的提高了瓦斯抽采钻孔钻探及处理作业的工作效率和可靠性，降低了钻探成本和瓦斯突出风险。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。