一种后混合磨料气体射流破煤装置及其破煤方法与流程

本发明涉及磨料气体射流技术领域，特别是涉及一种后混合磨料气体射流破煤装置及其破煤方法。

背景技术：

布置钻孔预抽瓦斯是防治瓦斯灾害及实现瓦斯能源综合利用的重要手段，但随着矿井开采深度增加，地应力增加，瓦斯抽采条件趋于复杂，煤层渗透性降低，为提高瓦斯抽采效果需进行煤层卸压。常用的卸压抽采方式主要有高压水射流割缝、水力冲孔等“水力化”措施。该技术在应用中引入到煤层的水分会抑制瓦斯运移，延缓瓦斯释放速度，且在松软煤层中还经常出现塌孔、堵孔等现象，导致瓦斯抽采通道堵塞，瓦斯抽采流量及浓度极低，严重限制了在松软煤层中的推广应用。而采用磨料气体射流进行卸压抽采时，关于供料方式，采用前混合式磨料射流钻孔技术，虽然磨料粒子加速时间长，但对钻杆系统磨损较为严重，且磨料的浓度不易控制，磨料在前混合室中易堆积，造成管道堵塞，严重影响钻杆的使用寿命，同时使用和维护起来较为不便。

另外，煤矿生产中常用的抽采瓦斯的方法是钻孔的方式，在井下设置空气压缩机的供风系统，不仅使用起来不简便，且不符合煤矿安全规程规定，对井下工作人员有安全隐患；同时现有的钻孔方式存在一些问题，当钻头钻进过程中，特别是在松软煤层，会引起塌陷，阻碍煤渣的排出，大量煤泥包裹在钻头与钻杆的周围，并与钻孔形成整体真空状态，导致堵孔、抱钻等现象，而且当在较硬的煤层中钻孔时，即煤层的普氏系数f＞3，会对钻头造成伤害，导致钻杆或钻头钻进过程中引起断裂。

所以本发明提供一种新的方案来解决此问题。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种后混合磨料气体射流破煤装置及其破煤方法。

其解决的技术方案是：一种后混合磨料气体射流破煤装置，包括钻进组件和至少两组并联设置的供风组件；所述供风组件包括罐体，罐体上设置有压力表，罐体的两端分别连通进气管路的出气口和出气管路的进气口，各个供风组件的进气管路的进气口汇通至供风管路，出气管路的出气口汇通至高压管路，进气管路、出气管路上分别设置第一减压阀、第二减压阀，罐体的外壁两端均设置有制冷装置，罐体的外壁中部设置有供热装置；所述钻进组件包括钻机，钻机的钻杆进口连接高压管路，钻机的钻杆出口连接供料钻杆，所述供料钻杆包括磨料管道和套设于磨料管道内部中心的气体管道，供料钻杆的进口且位于磨料管道与气体管道之间固定设置环形挡板，环形挡板上开设有多个进气孔，供料钻杆的出口设置与磨料管道连通的混合腔，混合腔包括一个与供料钻杆出口方向一致的轴向喷口和两个对立设置的径向喷口，混合腔内设置三通喷头，三通喷头包括一个轴向喷头和两个径向喷头，分别对应设置于轴向喷口和径向喷口处，三通喷头的进气口连接气体管道的出口，供料钻杆的出口且位于磨料管道与气体管道之间设置单向阀。

优选的，所述单向阀包括阀片和多个弹簧，所述阀片为顶部设置开口的半球状结构，阀片的底部与磨料管道的内壁固定连接，阀片的顶部与气体管道的外壁接触连接，所述弹簧的两端分别固定于阀片的顶部和底部。

优选的，所述阀片为弹性金属片。

优选的，所述轴向喷头、径向喷头的上分别设置第一背压阀、第二背压阀。

优选的，所述制冷装置为液氮循环制冷系统，所述供热装置为油浴循环供热系统。

优选的，所述轴向喷头、径向喷头均为虹吸喷头。

优选的，所述轴向喷口、径向喷口上均设置有拉法尔喷嘴。

优选的，所述钻机的钻杆与高压管路的连接处设置高压密封旋转转接头。

利用所述后混合磨料气体射流破煤装置的破煤方法，包括如下步骤：

1）在磨料管道与气体管道之间加入磨料，根据辅助钻孔和割缝两种破煤方式的破煤压力需要，分别对第一背压阀、第二背压阀设定开启压力，设定压力值分别为pz、pj；

当选择辅助钻孔破煤方式时，满足：5mpa≤pz＜pj≤10mpa；

当选择割缝破煤方式时，满足：5mpa≤pj≤10mpa＜pz；

当旋转辅助钻孔和割缝两种破煤方式同时工作时，满足：5mpa≤pz＝pj≤10mpa；

2）将所有的第一减压阀设定压力为2mpa时自动开启，并将所有的第二减压阀设定压力为p1时自动开启，再将供风管路连接井上的空气压缩机，使空气压缩机向罐体内通入气体，并观察压力表的示数；

其中，空气压缩机的供风压力值大于2mpa，p1的取值范围为：p1＞10mpa；

3）当压力表的示数到达2mpa时，打开所有的制冷装置，并将制冷装置设定温度值为t1对罐体进行降温，同时观察压力表的示数；

其中，t1的取值范围为：77k≤t1≤124k；

4）根据气体状态方程：pv=nrt，当罐体内温度t降低时，罐体内压力p下降，当压力表的示数小于2mpa时，空气压缩机会再次向罐体内通入气体，此过程中制冷装置持续使罐体内的气体降温，直至压力表示数重新达到2mpa并维持10min-15min内不变，表示罐体内的压力到达平衡点，此时关闭所有的制冷装置；

其中：p为罐体内的压强，v为罐体的体积，n为气体物质的量，t为罐体内的温度，r为理想气体常数；

5）打开所有的供热装置，并将供热装置设定温度值为t2对罐体进行加热，直至压力表示数重新达到某一定值并维持10min-15min内不变，关闭供热装置；

其中，t2的取值范围为：385k≤t2≤620k；

6）根据所选择的破煤方式，将所有的第二减压阀设定压力调节为p2，并开始破煤工作，其中，p2的取值与pz、pj中较小的一个相等；

7）当压力表示数小于p2时，再次打开所有的制冷装置，并将制冷装置设定温度值为t1对罐体进行降温，然后重复步骤4）、5）；

8）破煤作业完成以后，关闭空气压缩机、制冷装置、供热装置，并对各组件拆卸回收。

进一步的，所述t1、t2的取值根据气体状态方程满足：t1/2=t2/p。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用液氮循环制冷系统和油浴循环供热系统对罐体进行制冷或加热，来获得破煤所需压力的高压气体，避免了空气压缩泵在井下应用时的安全隐患。相比于前混合式磨料气体射流供料系统，本发明采用混合腔内混合磨料和气体射流，避免了在井下应用时出现堵塞管道、磨损钻杆问题。本发明通过设计供料钻杆，将原有钻杆分为磨料管道和气体管道，在通入高压气体基础上配合磨料形成高压磨料气体射流，提高了破煤效果；

2.本发明在混合腔内安装三通喷头，以适应不同的破煤方式，三通喷头采用虹吸喷头起到加速气流的作用，能够更好的利用压力差的作用使磨料进入混合腔；

3.在混合腔上设置拉法尔喷嘴有效加速射流，提高辅助钻孔和割缝破煤效果，相当于现有技术中水射流割缝、水力冲孔等水力化破煤方式，能够避免钻孔垮塌，同时提高了射流冲击力，扩大了卸压范围；

4.通过设置单向阀，起到了控制磨料在混合腔里不会回流至磨料管道的作用，更好的保证磨料的作用效果；通过设置背压阀，保证了破煤作业时气体管道内压力的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中供料钻杆的剖视图。

图3为本发明中环形挡板的结构示意图。

图4为本发明中混合腔的剖视图。

图中：11-罐体，12-进气管路，13-出气管路，14-供风管路，15-高压管路，16-第一减压阀，17-第二减压阀，18-制冷装置，19-供热装置，20-钻机，21-钻杆，22-供料钻杆，221-磨料管道，222-气体管道，223-环形挡板，224-进气孔，23-混合腔，231-轴向喷口，232-径向喷口，233-轴向喷头，234-径向喷头，235-第一背压阀，236-第二背压阀，241-阀片，242-弹簧，25-高压密封旋转转接头。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图4对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

如图1所示，一种后混合磨料气体射流破煤装置，包括钻进组件和至少两组并联设置的供风组件。供风组件包括罐体11，罐体11的两端分别连通进气管路12的出气口和出气管路13进气口，各个供风组件的进气管路12的进气口汇通至供风管路14，出气管路13的出气口汇通至高压管路15，进气管路12、出气管路13上分别设置第一减压阀16、第二减压阀17。具体设置时，罐体11的外壁两端均设置有制冷装置18，罐体11的侧壁中部设置供热装置19。制冷装置18、供热装置19分别对罐体11进行降温或升温，从而达到改变罐体11内部气体压力的目的。制冷装置18选用现有成熟的液氮循环制冷系统，可以对罐体11降温，最低达到77k，具有很好的降温效果，供热装置19选用现有成熟的油浴循环供热系统，加热具有很好的稳定性。将液氮循环制冷系统、油浴循环供热系统的降温、升温管道均匀缠绕设置在罐体11的外壁上，以更好地对罐体11进行降温或升温，提高工作效率。罐体11上设置有压力表，方便在罐体11在进行降温或升温时对罐体11内部压力进行观察。

钻进组件包括钻机20，钻机20的钻杆21进口连接高压管路15，为了保证连接的密闭性，钻杆21进口与高压管路15的连接处设置高压密封旋转转接头25。

如图2、3所示，钻机20的钻杆21出口连接供料钻杆22，供料钻杆22包括磨料管道221和套设于磨料管道221内部中心的气体管道222，供料钻杆22的进口且位于磨料管道221与气体管道222之间固定设置环形挡板223，环形挡板223上开设有多个进气孔224。具体使用时，首先通过进气孔224在磨料管道221与气体管道222之间加入磨料，再将钻机20的钻杆21出口直接与磨料管道221螺纹连接，当钻机20的钻杆21内部通入高压气体时，大量的高压气体会通入气体管道222内部，同时少量的高压气体也会通过进气孔224到达磨料管道221与气体管道222之间，从而带动磨料向前运动。

如图4所示，供料钻杆22的出口设置一个与磨料管道221连通的混合腔23，混合腔23包括一个与供料钻杆22出口方向一致的轴向喷口231和两个对立设置的径向喷口232，轴向喷口231、径向喷口232上均设置有拉法尔喷嘴，可有效加速射流，使磨料气体射流在拉法尔喷嘴出口速度加快，从而提高破煤效果。

混合腔23内设置三通喷头，三通喷头包括一个轴向喷头233和两个径向喷头234，分别对应设置于轴向喷口231和径向喷口232处，轴向喷头233、径向喷头234均为虹吸喷头，三通喷头的进气口连接气体管道222的出口，轴向喷头233、径向喷头234的上分别设置第一背压阀235、第二背压阀236，利用背压阀的特性，第一背压阀235、第二背压阀236均可对气体管道222内的压力进行稳定，防止虹吸喷头在工作由于虹吸产生的流量及压力的波动。

供料钻杆22的出口且位于磨料管道221与气体管道222之间设置单向阀，单向阀包括阀片241和多个弹簧242，阀片241为顶部设置开口的半球状结构，阀片241为弹性金属片，阀片241的底部与磨料管道221的内壁固定连接，阀片241的顶部与气体管道222的外壁接触连接，弹簧242的两端分别固定于阀片241的顶部和底部，保证了磨料不会反向回流。在虹吸喷头工作时，由于随着喷嘴截面逐渐变小，压缩气体的压强增大，流速随之增大，这时在混合腔23内产生一个真空度，造成混合腔23与磨料管道221之间形成压力差，在压力差作用下，弹簧242拉伸，单向阀打开，磨料被吸入混合腔23，在混合腔23内磨料与高速气体混合，从而将磨料高速喷出。

利用上述后混合磨料气体射流破煤装置的破煤方法，包括如下步骤：

1）在磨料管道221与气体管道222之间加入磨料，根据辅助钻孔和割缝两种破煤方式的破煤压力需要，分别对第一背压阀235、第二背压阀236设定开启压力，设定压力值分别为pz、pj。

当选择辅助钻孔破煤方式时，满足：5mpa≤pz＜pj≤10mpa；

当选择割缝破煤方式时，满足：5mpa≤pj≤10mpa＜pz；

当旋转辅助钻孔和割缝两种破煤方式同时工作时，满足：5mpa≤pz＝pj≤10mpa。

2）将所有的第一减压阀16设定压力为2mpa时自动开启，并将所有的第二减压阀17设定压力为p1时自动开启，p1的取值范围为：p1＞10mpa。再将供风管路14连接井上的空气压缩机，使空气压缩机向罐体11内通入气体，并观察压力表的示数。其中，空气压缩机的供风压力值大于2mpa，再利用减压阀的特性，空气压缩机在通过第一减压阀16时，向罐体11内的供风压力可以稳定在2mpa。

3）当压力表的示数到达2mpa时，打开所有的制冷装置18，并将制冷装置18设定温度值为t1对罐体11进行降温，同时观察压力表的示数。其中，t1的取值范围为：77k≤t1≤124k。

4）根据气体状态方程：pv=nrt，当罐体11内温度t降低时，罐体11内压力p下降，当压力表的示数小于2mpa时，空气压缩机会再次向罐体11内通入气体，此过程中制冷装置18持续使罐体11内的气体降温，直至压力表示数重新达到2mpa并维持10min-15min内不变，表示罐体11内的压力到达平衡点，此时关闭所有的制冷装置18。

其中：p为罐体11内的压强，v为罐体11的体积，n为气体物质的量，t为罐体11内的温度，r为理想气体常数。

5）打开所有的供热装置19，并将供热装置19设定温度值为t2对罐体11进行加热，其中，t2的取值范围为：385k≤t2≤620k。直至压力表示数重新达到某一定值并维持10min-15min内不变，关闭供热装置19。

6）根据所选择的破煤方式，将所有的第二减压阀17设定压力调节为p2，并开始破煤工作，其中，p2的取值与pz、pj中较小的一个相等。

7）当压力表示数小于p2时，再次打开所有的制冷装置18，并将制冷装置18设定温度值为t1对罐体11进行降温，然后重复步骤4）、5）。

8）破煤作业完成以后，关闭空气压缩机、制冷装置18、供热装置19，并对各组件拆卸回收。

上述步骤中，在罐体11的体积v、气体物质的量n与理想气体常数r均为定值的情况下，罐体11内的温度t与罐体11内的压强p成正比，从而t1、t2的取值满足：t1/2=t2/p，p为罐体11内的压强。

下面以三组并联设置的供风组件为例，对上述三种破煤方式进行详述：

实施例一：第一背压阀235设定开启压力pz为5mpa，第二背压阀236设定开启压力pj为10mpa，将所有的第二减压阀17设定压力调节为5mpa，此时，根据背压阀的开启特性，第一背压阀235打开，第二背压阀236关闭，轴向喷头233开始辅助钻孔工作，此时钻机20的钻头处于旋转状态，随着钻杆21的推进，轴向喷头233喷出的高压磨料气体射流可增大钻孔直径，达到辅助钻孔目的。

实施例二：第一背压阀235设定开启压力pz为15mpa，第二背压阀236设定开启压力pj为8mpa，将所有的第二减压阀17设定压力调节为8mpa，此时，第一背压阀235关闭，第二背压阀236开启，径向喷头234开始割缝工作，此时钻机20的钻头处于静置状态，随着钻杆21的推进，径向喷头234喷出的高压磨料气体射流将煤割出一条缝隙，达到割缝的目的。

实施例三：第一背压阀235、第二背压阀236设定开启压力pz、pj均为8mpa，将所有的第二减压阀17设定压力调节为8mpa，此时，第一背压阀235、第二背压阀236均开启，轴向喷头233、径向喷头234同时开始工作。首先开启辅助钻孔阶段，钻机20的钻头处于旋转状态，在钻杆21推进的过程中利用三通喷头喷出的高压磨料气体射流使得钻孔直径变大，达到辅助钻孔的效果。然后开启割缝阶段，此时将钻机20的设置成静止状态并进行推杆，在退杆过程中，利用径向喷头234喷出的高压磨料气体射流对煤进行割缝，达到割缝的目的。

以上所述实施例中pz、pj的取值均不唯一，需根据实际破煤作业标准进行选择，只要满足上述pz、pj的取值范围即可。

综上所述，本发明采用液氮循环制冷系统和油浴循环供热系统对罐体11进行制冷或加热，来获得破煤所需压力的高压气体，避免了空气压缩泵在井下应用时的安全隐患。相比于前混合式磨料气体射流供料系统，本发明采用混合腔23内混合磨料和气体射流，避免了在井下应用时出现堵塞管道、磨损钻杆问题。本发明通过设计供料钻杆22，将现有的钻杆分为磨料管道221和气体管道222，在通入高压气体基础上配合磨料形成高压磨料气体射流，提高了破煤效果。采用拉法尔喷嘴有效加速射流，提高辅助钻孔和割缝破煤效果，相当于现有技术中水射流割缝、水力冲孔等水力化破煤方式，能够避免钻孔垮塌，同时提高了射流冲击力，扩大了卸压范围。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。