一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法。在煤矿井下松软煤层中利用泡沫钻进工艺施工顺层瓦斯抽采长钻孔时，存在废泡沫在钻场内大量堆积、长时间不能消泡而影响正常钻进施工作业的问题。本发明涉及的消泡方法利用压缩空气作为动力介质，以贴壁射流作为单一动力源将化学消泡、气体射流消泡和离心消泡三种技术手段融为一体，具有消泡迅速可靠的特点，其配套装置无运动零部件和电气元件，满足煤矿井下施工作业环境对设备防爆性能的要求，且具有体积小、重量轻，对场地条件要求低等优点。
【专利说明】一种煤矿井下泡沬钻进用消泡装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿井下泡沫钻进【技术领域】，尤其涉及一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法。
【背景技术】
[0002]煤矿井下泡沫钻进工艺是在中风压空气钻进技术基础上开发的一种主要用于施工松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔(孔深> 120m)的施工方法。
[0003]松软煤层在我国可采煤层中占有相当大的比例，而在开采松软煤层过程中瓦斯灾害治理尤为重要，是制约高产高效采煤技术推广应用的一个重要瓶颈因素，也是困扰产量提高的难题之一。瓦斯预抽采是降低松软煤层瓦斯含量、防治瓦斯灾害最有效的技术手段，同时也是综合利用瓦斯的基础。实施井下瓦斯预抽采的关键是顺层抽采钻孔的施工。松软煤层顺层长钻孔(孔深> 120m)是实现工作面瓦斯高效预抽的有效手段，但是，在松软煤层中施工瓦斯抽采长钻孔非常困难，钻进过程中容易出现喷孔、塌孔、堵孔和卡钻等异常现象，致使钻孔成孔深度浅、成孔率低，不能满足瓦斯抽采的需要。针对松软煤层中打钻难题，经过多年的努力，我国在钻进技术与装备方面取得了一定发展，先后尝试了水力排渣钻进、螺旋钻杆机械排渣钻进等多种钻进工艺方法。近年来，中风压空气钻进技术的推广应用使松软煤层顺层钻孔的平均成孔深度和成孔率得到了大幅提高，但仍然不能满足高效抽采瓦斯的需要，且中风压空气钻进技术本身存在一定的局限性。
[0004]在中风压空气钻进技术基础上开发的煤矿井下泡沫钻进工艺以稳定泡沫代替纯压缩空气作为循环介质，其冷却、润滑效果好，携渣能力强，耗风量小，对孔壁具有一定的支撑作用，克服了中风压空气钻进技术的不足，利于施工松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔。然而，在煤矿井下实施泡沫钻进工艺涉及消泡问题，即泡沫携渣返出钻孔后需要采取强制、迅速、简便的消泡处理措施，否则，废泡沫在钻场内大量堆积、长时间不能消泡而影响正常钻进施工作业。在地面钻探领域中对消泡技术进行了深入研究和应用，开发了包括物理消泡法、化学消泡法和机械消泡法等多种类型的消泡工艺技术方法。
[0005]煤矿井下钻孔施工作业环境具有特殊性:①煤矿井下属于爆炸性气体环境，②煤矿井下钻孔施工作业场地空间条件受限，因此，煤矿井下泡沫钻进用消泡技术及配套装备需具备防爆性能和结构简单、操作方便、消泡快速可靠的特点，目前尚未有煤矿井下泡沫钻进工艺配套专用的消泡方法及装置，而现有地面应用的消泡方法对煤矿井下施工作业环境的适应性差，难以满足快速可靠消泡的要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于基于上述问题，提供一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法。该消泡装置及方法以压缩空气作为动力介质、以贴壁射流作为单一动力源将化学消泡、气体射流消泡和离心消泡三种技术手段融为一体来实现快速可靠消泡，满足煤矿井下泡沫钻进工艺对消泡的要求。[0007]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0008]一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置，该装置由消泡剂溶液注入器9、旋转射流消泡器3和离心消泡器5三部分组成，核心部件为旋转射流消泡器3，所述旋转射流消泡器3包括旋转射流管13，其上具有3?6个沿周向均匀分布的贴壁射流孔14，射流孔轴线所在平面18与对应的射流管轴线所在平面17之间夹角为29° ;旋转射流消泡器3前端通过柔性管4与离心消泡器5相连；旋转射流消泡器3后端通过螺纹与消泡剂溶液注入器9相连，注入器9上的进液接头19带有径向进液孔20，进液量通过阀门2控制；旋转射流消泡器3管壁与进气高压胶管8相连，进气高压胶管8上的压缩空气控制阀6和气体流量计7用来控制压缩空气的进气量。
[0009]其中，所述消泡剂溶液注入器9的进液接头19上具有3个线性排列的径向吸液孔20，所述径向吸液孔20的直径为8mm，开口方向与泡沫流动方向相同。
[0010]本发明同时公开了一种应用上述消泡装置的煤矿井下泡沫钻进用消泡方法，包括以下步骤:
[0011](I)压缩空气进入旋转射流消泡器3的高压气室16，经过旋转射流管13上的贴壁射流孔14形成气体射流，多股射流形成一个旋转流场，在高速气体射流的卷吸效应作用下将消泡剂溶液注入器9吸入的化学消泡剂溶液和旋转射流管13中心通孔内返出的携渣废泡沫吸入消泡系统中；
[0012](2)携渣废泡沫、化学消泡剂溶液与压缩气体在多股贴壁旋转射流的驱动下充分混合并消泡；
[0013](3)残余废泡沫与气体射流充分动量交换获得一定速度后沿切向进入离心消泡器5内，在离心力场内残余泡沫被进一步破坏而消泡，同时实现气、液、固三相分离。
[0014]其中，所述化学消泡剂溶液为氯化钙CaCl2的水溶液，质量浓度为4%。?6%。。
[0015]技术原理:本发明的消泡方法以压缩空气作为动力介质，利用高速贴壁气体射流作为单一动力源将化学消泡、气体射流消泡和离心消泡三种技术手段融为一体，实现快速可靠消泡。基于以下三种作用消泡:①化学消泡剂液滴进入泡沫液膜中，通过改变泡沫膜的性质而使泡沫破裂消泡；②压缩气体的混入使原泡沫体系中泡沫的相对稳定状态和均匀程度发生改变，气液比的增大使部分泡沫液膜变薄、进而破裂消泡多股贴壁沿内圆柱面流动形成一个压力、速度急剧变化的旋转射流流场，泡沫进入该流场后，在剪切力、冲击力的作用下液膜破裂而消泡。在整个消泡过程中，以贴壁气体射流消泡和离心消泡为主，化学消泡为辅，少量化学消泡剂的使用有效解决了贴壁气体射流和离心消泡引起的重复发泡问题，保证迅速、可靠消泡。
[0016]有益效果
[0017]本发明的煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法的有益效果体现在:
[0018](I)本发明利用压缩空气作为单一动力介质，在井下容易获取、使用方便，其配套的消泡装置无运动零部件和电气元件，满足煤矿井下施工作业环境对设备防爆性能的要求，且体积小、重量轻，无噪声。
[0019](2)与单纯的气动力方式消泡法相比，本发明利用贴壁气体射流作为动力源将化学消泡、气体射流消泡和离心消泡三种消泡手段融为一体，消泡迅速、可靠，克服了重复发泡的影响；多股贴壁射流沿内圆柱面形成的旋转射流流场的抽吸能力强、泡沫通过性好，消除相同体积的泡沫所需的气量减少30%?40%，对气源的气压要求低。
[0020](3)与纯化学方式消泡相比，本发明借助高速气体射流形成的抽吸负压将化学消泡剂溶液注入消泡系统，并在旋转流场中与泡沫混合，混合均匀、消泡效率高，同时作为辅助消泡手段，化学消泡剂用量少，对井下作业环境污染小。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的煤矿井下消泡装置的结构示意图；
[0022]图2是本发明的贴壁气体射流消泡器的剖面结构示意图；
[0023]图3a是本发明的旋转射流管的俯视图；
[0024]图3b是本发明的旋转射流管的在射流孔处的立体剖视图；
[0025]图4是本发明的消泡剂溶液注入器的结构示意图。
[0026]图中，I为消泡剂溶液吸入管；2为流量调节阀；3为旋转射流消泡器；4为柔性抗静电阻燃胶管；5为离心消泡器；6为压缩空气控制阀；7为气体流量计；8为进气高压胶管；9为消泡剂溶液注入器；10为耐负压胶管；11为连接接头；12为进风接头；13为旋转射流管；14为贴壁射流孔；15为导流管；16为高压气室；17为射流管轴线平面；18为射流孔轴线平面；19为进液接头；20为吸液孔。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0028]参见图1，一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置包含旋转射流消泡器3、消泡剂溶液注入器9和离心消泡器5三个关键部件，其中核心部件旋转射流消泡器3与消泡剂溶液注入器9通过螺纹直接相连，与离心消泡装置5之间通过胶管连接。
[0029]本发明的消泡方法通过以下步骤实现:
[0030]a.将进气高压胶管8与气源接通，缓慢打开压缩空气控制阀门6，通过气体流量计7指示气量大小，基于对室内试验结果的分析，本发明的消泡装置系统理想耗气量为5m3/min ?7m3/min ；
[0031]b.参见图2，压缩空气经进气接头12进入旋转射流消泡器3的高压气室16之后，经过旋转射流管13上的贴壁射流孔14形成多股射流，参见图3，贴壁射流孔轴线所在平面18与对应的旋转射流管轴线平面17之间夹角为29°，有效避免了多股射流在通孔内交汇碰撞，消除了局部滞止高压对抽吸消泡产生的不利影响；
[0032]c.多股射流流经导流管15后得以充分发展，在旋转射流消泡器3的中心通孔内形成局部负压区，抽吸负压一方面为化学消泡剂溶液的注入提供动力，另一方面引导孔口返出的泡沫进入消泡装置，对孔口密封性要求低；
[0033]d.将消泡剂溶液吸入管I放入消泡剂液罐内(罐内为消泡剂氯化钙CaCl2的水溶液，浓度为4%。?6%。)，打开流量调节阀2，参见图3，消泡剂溶液注入器9的进液接头19上布置有三个直径为8mm、线性排列的径向吸液孔20，在射流负压的作用下，消泡剂溶液经吸液孔20进入旋转射流消泡器3的内通孔，用量通过流量调节阀2控制，用量控制在3L/min?5L/min之间，消泡剂溶液在射流流场内与待消泡沫充分混合初步消泡；[0034]e.待消泡沫流经旋转射流消泡装置过程中，在急剧变化的压力、速度场作用下发生破裂消泡，同时，与压缩气体混合使其气液比值增大，稳定性变差，未破裂的泡沫随射流气体一起经柔性抗静电阻燃胶管4进入离心消泡器5中，在离心力场作业下，残余泡沫彻底破裂消泡。
[0035]最后应说明的是:显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置，其特征在于:该装置由消泡剂溶液注入器(9)、旋转射流消泡器(3)和离心消泡器(5)三部分组成，核心部件为旋转射流消泡器(3)，所述旋转射流消泡器(3)包括旋转射流管(13)，其上具有3?6个沿周向均匀分布的贴壁射流孔(14)，射流孔轴线所在平面(18)与对应的射流管轴线所在平面(17)之间夹角为29° ;旋转射流消泡器(3)前端通过柔性管(4)与离心消泡器(5)相连；旋转射流消泡器(3)后端通过螺纹与消泡剂溶液注入器(9)相连，注入器(9)上的进液接头(19)带有径向进液孔(20)，进液量通过阀门(2)控制；旋转射流消泡器(3)管壁与进气高压胶管(8)相连，进气高压胶管(8)上的压缩空气控制阀(6)和气体流量计(7)用来控制压缩空气的进气量。
2.如权利要求1所述的消泡装置，其特征在于:所述消泡剂溶液注入器(9)的进液接头(19)上具有3个线性排列的径向吸液孔(20)，所述径向吸液孔(20)的直径为8mm，开口方向与泡沫流动方向相同。
3.一种应用权利要求1所述消泡装置的消泡方法，其特征在于:包括以下步骤， (1)压缩空气进入旋转射流消泡器(3)的高压气室(16)，经过旋转射流管(13)上的贴壁射流孔(14)形成气体射流，多股射流形成一个旋转流场，在高速气体射流的卷吸效应作用下将消泡剂溶液注入器(9)吸入的化学消泡剂溶液和旋转射流管(13)中心通孔内返出的携渣废泡沫吸入消泡系统中； (2)携渣废泡沫、化学消泡剂溶液与压缩气体在多股贴壁旋转射流的驱动下充分混合并消泡； (3)残余废泡沫与气体射流充分动量交换获得一定速度后沿切向进入离心消泡器(5)内，在离心力场内残余泡沫被进一步破坏而消泡，同时实现气、液、固三相分离。
4.如权利要求3所述的消泡方法，其特征在于:所述化学消泡剂溶液为氯化钙的水溶液，质量浓度为4%。?6%。。
【文档编号】E21B21/06GK103452506SQ201310425857
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】殷新胜, 刘建林, 史海岐, 王毅, 刘勇, 冀前辉, 曹明 申请人:中煤科工集团西安研究院有限公司