碎软煤层气动定向钻进用防喷及粉尘钻渣处理系统的制作方法

1.本发明涉及属于煤矿钻探技术领域，具体涉及一种井下碎软煤层气动定向钻进防喷及粉尘钻渣处理系统，解决碎软煤层钻孔孔口防喷、除尘和钻渣处理问题。


背景技术：

2.受由于到煤层地质条件限制，目前液动定向钻进技术无法满足碎软煤层钻孔施工，因而井下气动定向钻进技术逐步得到推广应用；该技术主要用于碎软煤层顺层钻孔施工。在气动定向钻进过程中，由于煤层瓦斯含量高压力大，常常出现喷孔现象，导致大量煤粉和瓦斯从孔内喷出，造成孔口瓦斯突然增加和严重粉尘污染；而且由于采用大流量高风压或中风压进行钻进，孔口返出含有大量煤粉颗粒的气体流速高，直接导致孔口周围乃至整个钻场粉尘和瓦斯迅速扩散，施工环境极其恶劣。另外，由于碎软煤层钻进产生钻渣量大，孔口排出煤粉常常无法及时清理，造成大量堆积扬尘，又会进一步加剧钻场环境恶化，影响作业人员安全健康，对于施工产生严重影响，不利于井下瓦斯安全高效治理。
3.目前现有针对压风钻进各种防喷装置和除尘装置，一般通过在孔口装置上简单地使用橡胶密封垫套在钻杆上起到密封作用，对于刻槽钻杆、三棱钻杆等软煤用钻杆在回转时密封垫磨损很快，密封效果差，很容易导致孔口粉尘大量扩散；除尘方式主要有射流除尘、喷雾除尘等形式，对常规低压(一般≤0.6mpa)压风钻进尚有一定效果，但对于高压(≥1.2mpa)高速风流钻进，处理能力不足，调节使用可靠性差，煤粉无法及时处理，无法满足生产需要。此外，井下钻孔施工现场到处是粉尘、煤泥和污水，环境恶劣，人工清理劳动强度大。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的在于，提供碎软煤层气动定向钻进用防喷及粉尘钻渣处理系统，以解决现有技术中存在的井下钻孔施工现场的粉尘、煤泥和污水无法及时处理导致污染严重及清理劳动强度大的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种碎软煤层气动定向钻进用防喷及粉尘钻渣处理系统，包括孔口三级防喷系统、抽吸除尘系统和钻渣转运处理系统；其中，所述孔口三级防喷系统排出的气体输出口连接至抽吸除尘系统，孔口三级防喷系统的出渣口和所述抽吸除尘系统的污水排水口分别连接钻渣转运处理系统，所述钻渣转运处理系统的气体输出口连接抽吸除尘系统。
7.进一步的，所述孔口三级防喷系统包括依次套装在气动定向钻具的钻杆上的孔口管、一级密封装置、二级密封装置和旋转密封装置；其中，所述孔口管与一级密封装置连接；所述一级密封装置为四通结构，其前端与孔口管连接，后端与所述二级密封装置连接；所述一级密封装置上部设有吸尘口，下部设置出渣口；所述二级密封装置为四通结构，二级密封装置上部设有吸尘口，下部设有出渣口；二级密封装置后端连接旋转密封装置；所述旋转密封装置为三通结构，旋转密封装置下端设置出渣口，出渣口后端设有旋转密封结构。
8.进一步的，所述一级密封装置、二级密封装置内部均设置带有中心通孔的密封挡板和环形密封垫。
9.进一步的，所述旋转密封结构包括结构主体，所述结构主体后端设有端盖，结构主体中心处设有球形胶芯，所述结构主体与出渣口的后端之间以及与端盖之间分别设置有推力轴承；结构主体内壁周向设置转动轴承，半球形胶芯的中心通孔与钻杆为过盈配合；球形胶芯与转动轴承以及球形胶芯与后端的推力轴承之间的空腔中设有一环形套；半球形胶芯的前端与推力轴承之间以及环形套与后端的推力轴承之间的空腔中分别设有内衬套；所述端盖后端安装有扶正套。
10.进一步的，所述抽吸除尘系统包括抽吸式除尘风机、连接管路、除尘罐和负压连接管；其中：
11.所述抽吸式除尘风机包括吸气端、防爆电机、除尘部件和排气端；所述抽吸式除尘风机通过防爆电机驱动，吸气端通过两根吸尘管分别连接一级密封装置和二级密封装置的吸尘口；抽吸式除尘风机的出口端下方设置排水口，排水口通过风机排水管连接至钻渣转运装置；
12.排气端通过连接管路连接除尘罐；除尘罐侧面下方设置带有阀门的排水口，排水口通过排水管连接至钻渣转运处理系统，将除尘罐内污水排走；除尘罐罐体上设置带有阀门的连接端口，控制端口通过负压连接路与钻渣转运处理系统。
13.进一步的，所述除尘罐内设置水平的筛网，除尘罐内在筛网的上方空间设置多个喷雾管路；所述喷雾管路上部设置相连接的负压连接管，所述负压连接管连接瓦斯抽采负压管路。
14.进一步的，所述除尘部件包括连通抽吸式除尘风机壳体内部的高压水管、安装在所述高压水管出水端的喷头以及设置在所述抽吸式除尘风机壳体内部的除尘过滤网和振弦过滤板。
15.进一步的，所述钻渣转运处理系统包括集渣箱、搅拌器、渣水转运泵、渣水转运管路、振动筛、二次污水处理箱、渣浆泵、连接管、旋流除泥装置、运输皮带、排水管、污水泵、污水管和水仓；其中：
16.所述集渣箱通过三个出渣管路分别与一级密封装置、二级密封装置和旋转密封装置的出渣口连接；集渣箱上部设置高压喷雾管连接高压水，集渣箱内设置搅拌器；集渣箱上部设置的瓦斯抽放接口通过负压连接管连接除尘罐；集渣箱侧面下方设置两个污水接口，一个污水接口通过风机排水管连接抽吸式除尘风机的排水口；另一个污水接口通过排水管连接除尘罐；
17.集渣箱下部设置排渣口连接渣水转运泵的吸入端，渣水转运泵排出端连接渣水转运管路，渣水转运管路沿井下巷道布置，该管路另一端连接至振动筛，振动筛安装于井下巷道的运输皮带上部，振动筛的固体输出端正对运输皮带。
18.进一步的，所述振动筛的底部出口连接二次污水处理箱，二次污水处理箱内设有电动渣浆泵，电动渣浆泵通过连接管连接旋流除泥装置的输入端，旋流除泥装置排泥口正对运输皮带，排水口通过排水管连接至井下水仓，井下水仓内设置有污水泵，污水泵连接排污管。
19.进一步的，所述集渣箱、二次处理箱和水仓内均设有液位传感器，所述渣水转运
泵、渣浆泵和污水泵均设置液位控制开关，所述液位控制开关连接对应的液位传感器。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.(1)本发明通过设计相连接的孔口三级防喷系统、抽吸除尘系统和钻渣转运处理系统；将孔口排出的气体通过孔口三级防喷系统进行处理后，钻渣和粉尘分别排至钻渣转运处理系统和抽吸除尘系统，抽吸除尘系统的污水也排至钻渣转运处理系统，钻渣转运处理系统的废气通过抽吸除尘系统吸走。整个系统对钻孔施工中产生煤渣和粉尘实现了闭环处理，对产生粉尘起到很好的除尘作用，对大颗粒煤粉钻渣进行转运和处理，保证作业钻场无瓦斯、粉尘、污水等排出，从而大大改善了井下作业环境，减小清理作业强度，保证高压气动定向钻进安全高效施工。
22.(2)通过在气动定向钻具的钻杆上依次由前向后安装两级常规密封和旋转密封，使得其密封效果好，能够有效实现钻孔防喷，避免瓦斯气体和粉尘溢出，保证钻场施工人员的安全和健康。
23.(3)通过抽吸式除尘风机除尘和除尘罐及负压除尘，粉尘处理量大，无需人工调节，除尘效果好，大大降低粉尘危害，同时将孔内溢出瓦斯气体排走，保证施工安全。
24.(4)通过钻渣转运处理系统，将钻孔施工中产生所有钻渣先转运再处理，既避免了钻场扬尘危害，改善钻场环境；通过机械处理，不需要人工铲运和转移，大大降低劳动强度。
25.(5)系统中所使用泵采用液位控制开关，根据液面高低自行开关运行，无需人工监测控制；除尘风机通过液压履带车体装载运输，运输使用方便；除尘风机大风量处理能力，相较于射流处理装置，无需人工调节，运行处理稳定可靠。
26.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
27.图1是本发明碎软煤层钻进防喷和粉尘钻渣处理系统组成图。
28.图2是一级密封装置和二级密封装置的结构示意图。
29.图3是旋转密封结构的原理图。
30.图4是振弦过滤板的示意图。
31.附图标记含义：
32.1-一级密封装置；2-二级密封装置；3-旋转密封装置；4-钻杆；5-孔口管；6-连接卡箍；7-出渣管；8-集渣箱；9-搅拌器；10-高压喷雾管；11-负压连接管；12-吸尘管；13-吸气端；14-防爆电机；15-除尘部件；16-排气端；17-除尘风机履带车体；18-风机排水管；19-连接管路；20-除尘罐；21-筛网；22-喷雾管路；23-负压连接管；24-瓦斯抽采管；25-排水管；26-渣水转运泵；27-渣水转运管路；28-振动筛；29-二次污水处理箱；30-渣浆泵；31-连接管；32-旋流除泥装置；33-运输皮带；34-排水管；35-污水泵；36-污水管；37-水仓；101-密封挡板；102-环形密封垫；151-高压水管；152-振弦过滤板；301-结构主体；302-转动轴承；303-推力轴承；304-端盖；305-扶正套；306-环形套；307-内衬套；308-球形胶芯；309-连接端。
33.以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
34.本发明公开一种碎软煤层气动定向钻进用防喷及粉尘钻渣处理系统。包括孔口三级防喷系统、抽吸除尘系统和钻渣转运处理系统三部分。
35.参照图1，所述孔口三级防喷系统包括依次套装在气动定向钻具的钻杆4上的孔口管5、一级密封装置1、二级密封装置2和旋转密封装置3。
36.孔口管5与一级密封装置1通过连接卡箍6连接。一级密封装置1为四通结构，其前端与孔口管5连接，后端与二级密封装置2连接，采用连接卡箍6连接；一级密封装置1上部设置吸尘口，下部设置出渣口。优选的，孔口管5内部设有衬套(衬套材质为金属，优选铜)，以避免孔口管5和钻杆4之间直接摩擦；
37.参照图2，具体的，一级密封装置1内部设置带有中心通孔的密封挡板101和环形密封垫102，环形密封垫102采用耐磨材料，如耐磨橡胶；环形密封垫102内径略小于气动定向钻具的钻杆4外径，密封垫起到密封作用。一级密封装置1后端盖板为卡扣式结构，环形密封垫102安装好后盖上后端盖，将卡扣沿着周边扣好，能够有效压紧固定密封垫。
38.所述二级密封装置2与一级密封装置1结构形式相同，也是四通结构，二级密封装置2前端与一级密封装置1后端盖间通过卡箍6连接，二级密封装置2上端也是吸尘口，下端为出渣口；二级密封装置2后端连接旋转密封装置3，二级密封装置2内部密封结构与一级密封装置1相同，也设置有挡板和环形耐磨橡胶密封垫，密封垫内径略小于钻杆外径，起到密封作用。
39.参照图1，所述旋转密封装置3为三通结构，位于前端的连接端309与二级密封装置2通过卡箍6连接，旋转密封装置3下端设置出渣口；旋转密封装置3的出渣口后端设有旋转密封结构。
40.参照图3，作为本发明的一种较优的实现方式，旋转密封结构包括结构主体301，结构主体301后端设有端盖304，结构主体301中心处设有球形胶芯308，结构主体301与出渣口的后端之间以及与端盖304之间分别设置有推力轴承303，以承受轴向力；结构主体301内壁周向设置转动轴承302，起到转动作用，结构主体301中部设有半球形胶芯308(材质优选耐磨橡胶材料)，其中心为通孔，该通孔内径略小于气动定向钻具的钻杆4的外径，与钻杆4为过盈配合；球形胶芯308与转动轴承302以及球形胶芯308与后端的推力轴承303之间的空腔中设有一环形套306，环形套306用于包裹球形胶芯308的周向及后端；半球形胶芯308的前端与推力轴承303之间以及环形套306与后端的推力轴承303之间的空腔中分别设有内衬套307，用于将半球形胶芯308周围空间填充。优选的，端盖304后端安装有扶正套305，优选铜质材料，内径略大于钻杆4外径。上述技术方案中，结构主体301后端被端盖304压紧后，半球形胶芯308被挤压变形，紧紧抱紧气动定向钻具的钻杆4，起到密封作用。钻杆4旋转时，由于旋转密封装置3回转轴承302的作用，钻杆4与半球形胶芯308之间摩檫力带动中心半球形胶芯308、内衬套307和环形套306整体随着钻杆4一起在结构主体301内部转动，起到旋转密封效果；当钻杆4向钻孔内前进或从钻孔外退出产生前后移动时，由于推力轴承303承受轴向力，旋转密封装置3承受半球形胶芯308和钻杆4之间轴向摩檫力，二者之间存在轴向相对位移，仅仅钻杆4做前后移动，半球形胶芯308起到密封作用，结构主体301和端盖304并不随钻杆4来回移动。扶正套305对钻杆4起到扶正对中作用。
41.所述抽吸除尘系统包括抽吸式除尘风机、连接管路19、除尘罐20和负压连接管23。
42.参照图1，抽吸式除尘风机包括吸气端13、防爆电机14、除尘部件15和排气端16。
43.优选的，抽吸式除尘风机整体位于井下常用载体——液压履带车体17上，通过液压履带车体17装载和运输，履带车由防爆电机带动液压泵工作，驱动履带车行走；抽吸式除尘风机通过防爆电机14驱动，吸气端13通过两根吸尘管12分别连接一级密封装置1和二级密封装置2的吸尘口；优选的，除尘部件包括连通抽吸式除尘风机壳体内部的高压水管151、安装在高压水管出水端的喷头以及设置在抽吸式除尘风机壳体内部的除尘过滤网和振弦过滤板152，高压水管151连接井下静压水，通过阀门控制高压水水流大小；优选的，过滤网为钢丝筛网，参照附图4，振弦过滤板152周围为边框，边框内安装不锈钢丝。抽吸式除尘风机的出口端下方设置排水口，排水口通过风机排水管18连接至钻渣转运装置。上述结构下，高压水管151进入的高压水通过喷头在风机壳体内部形成喷雾，喷雾与从吸气端13流入壳体内的含有粉尘气流混合；喷雾流向除尘过滤网和振弦过滤板152，水幕使得粉尘湿润增重滞留后随水流下降，排水口将上述污水沿着风机排水管18流到钻渣转运处理系统的集渣箱8中。
44.除尘风机排气端16通过连接管路19连接除尘罐20。优选的，除尘罐20内设置水平的筛网21，除尘罐20内在筛网21的上方空间设置多个喷雾管路22，覆盖整个平面范围；喷雾管路22上部设置相连接的负压连接管23，根据负压和管路粗细情况，可设置2～3路负压连接管23或者更多，负压连接管23连接井下原有的瓦斯抽采负压管路24，通过瓦斯抽采负压管路24将剩余含有瓦斯的气体吸走。
45.除尘罐20侧面下方设置带有阀门的排水口，排水口通过排水管25连接至钻渣转运处理系统，将除尘罐20内污水排走；除尘罐20罐体上设置带有阀门的连接端口，控制端口通过负压连接路11与钻渣转运处理系统，用于将钻渣转运处理系统内解析瓦斯气体吸入除尘罐20后，再经过负压管路24排走。
46.所述钻渣转运处理系统包括集渣箱8、搅拌器9、渣水转运泵26、渣水转运管路27、振动筛28、二次污水处理箱29、渣浆泵30、连接管31、旋流除泥装置32、运输皮带33、排水管34、污水泵35、污水管36和水仓37。其中：
47.集渣箱8通过三个出渣管路7分别与一级密封装置1、二级密封装置2和旋转密封装置3的出渣口连接；集渣箱8上部设置高压喷雾管10连接高压水，通过阀门控制管路开闭，集渣箱8内设置搅拌器9，搅拌器9为气动或电动，用于对从出渣管7进入煤渣和分别从高压喷雾管10、除尘风机排水管18和除尘罐排水管25汇入的液体起到搅拌混合以及粉碎作用。
48.集渣箱8上部设置的瓦斯抽放接口通过负压连接管11连接除尘罐20，集渣箱8内部煤渣解析出瓦斯气体通过该管路经除尘罐20再到瓦斯抽采负压管24排走。集渣箱8侧面下方设置两个污水接口，一个污水接口通过风机排水管18连接抽吸式除尘风机的排水口，除尘风机内用于除尘产生的污水大部分通过风机排水管18汇入集渣箱8中；另一个污水接口通过排水管25连接除尘罐20，使得除尘罐20内的由于喷雾产生的污水也汇入集渣箱8中。
49.集渣箱8下部设置排渣口连接渣水转运泵26的吸入端，渣水转运泵26排出端连接渣水转运管路27，渣水转运管路27沿井下巷道布置，该管路另一端连接至振动筛28，振动筛28安装于井下巷道的运输皮带33上部，振动筛28的固体输出端正对运输皮带33；优选的，振动筛28的底部出口连接二次污水处理箱29，二次污水处理箱29内设有电动渣浆泵30，电动渣浆泵30通过连接管31连接旋流除泥装置32的输入端，旋流除泥装置32排泥口正对运输皮
带33，排水口通过排水管34连接至井下水仓37，井下水仓37内设置有污水泵35，污水泵35连接排污管36。上述方案中，渣水转运泵26通过渣水转运管路27排出煤水混合浆液流到振动筛28，通过振动筛28过滤和筛分，振动筛28将分离出的煤渣输送至运输皮带33上，振动筛28底部过滤分离出的浆液流经二次污水处理箱29，二次污水处理箱29内设的电动渣浆泵30将流入处理箱的煤水混合浆液通过连接管31输送至旋流除泥装置32进行旋流离心处理，旋流除泥装置32排泥口排出的煤泥和振动筛28筛出煤渣一同输送至运输皮带33上，旋流除泥装置32排水口排出污水则通过排水管34流到井下水仓37，通过污水泵35的作用经排污管36排走。
50.参照图1，本发明的系统的具体工作方式为：
51.高压气体经过气动定向钻具进入钻孔内，高速气流携带煤粉沿着钻具与孔壁之间环空间隙返到孔口，经过孔口管5到达一级密封装置1、大部分瓦斯气体和细微粉尘在除尘风机负压作用下，由上部吸尘口连接的吸尘管12经抽吸式除尘风机的吸入端13进入除尘风机内，在除尘部件15的除尘过滤网和振弦过滤板152作用下，吸入粉尘与喷雾产生液滴混合降落，除尘产生污水沿着风机排污口经风机排水管18流到集渣箱8中。风流中包含的大颗粒煤渣经一级密封装置1的出渣口通过出渣管7流到集渣箱8中。经过除尘风机处理的气体通过排气端16进入除尘罐20，经除尘罐20内部的滤网21和喷雾管路22进一步进行除尘处理后，剩余气体通过负压连接管23进入瓦斯抽采管24中。除尘罐20内喷雾和粉尘产生的污水通过排水管25流入集渣箱8中。
52.经过一级密封装置1之后，由于密封性和处理能力影响，少部分粉尘、煤渣和瓦斯气体进入二级密封装置2中，风流中包含的小颗粒煤渣经二级密封装置2的出渣口通过出渣管7流到集渣箱8中，瓦斯气体和粉尘经除尘风机处理，进入除尘罐20，最后到瓦斯抽采管道内。
53.极少部分粉尘和气体进入旋转密封装置3中，经出渣管7落入集渣箱8。旋转密封装置中球形胶芯308受到挤压变形，紧紧抱住钻杆4，在球形胶芯308和钻杆4之间周向摩檫力作用下，钻杆带动球形胶芯308、内衬套306、环形套307整体一起回转，而由于存在回转轴承302，结构主体301不随着钻杆4回转；当钻杆4前后移动时候，由于存在推力轴承303，旋转密封装置3承受球形胶芯308和钻杆4之间轴向摩檫力，二者之间存在轴向相对位移，即钻4做前后移动，结构主体301和端盖304并不来回移动。
54.大颗粒煤渣进入集渣箱8后，与高压喷雾管10、风机排水管18、除尘罐20的排水管25流入的水混合，并在搅拌器9叶片的搅拌作用下，混合均匀，且充分破碎。集渣箱8内解析出的瓦斯气体，通过负压连接管11进入除尘罐20，然后由瓦斯抽采管24通过负压连接管23抽走。
55.集渣箱8内水煤混合浆液经过渣水转运泵26和渣水转运管路27，从钻场转运至巷道皮带运输机33上的振动筛28处，经过振动筛处理后，大颗粒煤渣被输送至运输皮带33上被带走，剩余浆液流入二次处理箱29中，经过渣浆泵30和连接管31输送到旋流除泥装置32处，经过旋流离心处理，煤泥与振动筛处煤渣一同输送到皮带运输机33上被运走，处理后浆液通过排水管路34流到水仓37，再利用排污泵35经排污管36排走。
56.优选的，前述各系统所采用电动水泵，包括渣水转运泵26、渣浆泵30和污水泵35均设置液位控制开关，控制开关连接各泵抽吸容器内部设置的液位传感器，通过液位传感器
分别识别集渣箱8、二次处理箱29和水仓37内液面位置高低，当液面达到预定液位高度时，开关启动，各水泵分别开始工作运行；当液面下降至一定高度时，开关断开停止，水泵停止工作运行。采用该设置实现电机泵根据实际需要自动运行，无需人工监测和操作。