一种定量配风泡沫除尘装置、空气钻进系统及钻进工艺的制作方法

1.本发明涉及煤矿井下钻探工程领域，具体涉及一种定量配风泡沫除尘装置、空气钻进系统及钻进工艺。


背景技术：

2.随着我国煤矿向深部开采，高瓦斯碎软煤层比例越来越大。在碎软煤层钻进中，空气钻进具有对排渣效率高，有利于孔壁稳定等优势，提高了钻孔深度和成孔率，是目前碎软煤层的主要钻进方法。空气钻进时，最大缺点是煤尘出孔口后速度高、粒度小、扩散快，污染严重，难以控制，因此，孔口集尘和除尘难度大。泡沫具有润滑减阻、捕尘排粉效果好、环境污染小等优点，在潮湿、水敏性强以及不稳定地层中排粉具有独特优越性。空气钻进时，定量配风的泡沫除尘装置，在不同风量及风压下均能稳定高效的生成泡沫，可在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中，与细微颗粒煤尘结合变成较大颗粒煤尘，起到持续捕尘的作用，降低了孔口除尘难度，利于钻探工作的持续进行，并避免了对井下作业人员的生命健康造成威胁。因此，对于空气钻进中的泡沫除尘技术及相应装置的研究有着现实需求。


技术实现要素：

3.本发明解决空气钻进时，煤尘出孔口后速度高、扩散快、粒度小，污染严重，难以控制，孔口集尘和除尘难度大，并容易对井下作业人员的生命健康造成威胁的问题，提供一种定量配风泡沫除尘装置、空气钻进系统及钻进工艺，实现对空气钻进时在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中的持续捕尘，降低孔口除尘难度。
4.为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：
5.一种定量配风泡沫除尘装置，包括：套设的第一管体和第二管体，形成环空间隙，且一端开放；在开放端，第一管体的管壁内嵌设连通的轴向通道和径向通道，且径向通道与所述的环空间隙连通；在开放端，第二管体上设置定量配风结构，限定定量风进入环空间隙；非开放端的第一管体的管壁上设置与环空间隙连通的泡沫出口。
6.可选的，所述的定量配风结构包括：卡设在第一管体开放端内的限面环；套设在第二管体开放端依次设置挡风板和弹簧；所述限面环的内径由开放端渐小，所述的挡风板在限面环的环空空间内来回移动。
7.可选的，在所述的挡风板的前端贴设轴挡圈；在所述的第二管体的管壁上设置轴向导槽，所述的挡风板卡接轴向导槽。
8.可选的，在所述的定量配风结构后端的第二管体外设置螺旋叶片。
9.可选的，在所述的环空间隙的封闭端依次设置一级发泡器和二级发泡器。
10.可选的，在所述的第一管体的开放端轴接设置转接头。
11.一种空气钻进系统，设置依次连接的钻头、定量配风泡沫除尘装置、空气螺杆马达、下无磁钻杆、探管电池筒、上无磁钻杆、螺旋钻杆和水便；所述的定量配风泡沫除尘装置
为本发明任一所述的定量配风泡沫除尘装置；所述的水便分别连接供风组件和供泡沫组件。
12.可选的，所述的供风组件设置高压胶管、第一流量计、压风管路和空压机。
13.可选的，所述的供泡沫组件设置泡沫液管路、第二流量计和泡沫液泵。
14.一种空气钻进工艺，采用本发明任一所述的空气钻进系统实现，包括：第一步：依次连接钻头、定量配风泡沫除尘装置、空气螺杆马达、下无磁钻杆、探管电池筒、上无磁钻杆和螺旋钻杆；
15.第二步：将连接好的螺旋钻杆通过水便的空气接入口与高压胶管和压风管路连接至空压机，水便端设置泄压阀，高压胶管与压风管路间设置第一流量计与截止阀；同时通过水便的泡沫液接入口与泡沫液管路连接至泡沫液泵，第二流量计设置在泡沫液管路与泡沫液泵之间；
16.第三步：打开空压机供风，压缩风经过压风管路、截止阀、第一流量计、高压胶管、水便、螺旋钻杆、上无磁钻杆、探管电池筒、下无磁钻杆和空气螺杆马达后，在定量配风泡沫除尘装置内，将少部分定量风分配到环空间隙用于产生泡沫，其余风经钻头排出用于携渣；
17.第四步：打开泡沫液泵注入泡沫液，泡沫液经过第二流量计、泡沫液管路、水便、螺旋钻杆、上无磁钻杆、探管电池筒、下无磁钻杆和空气螺杆马达后，通过环形槽、轴向通道和径向通道进入环空间隙内，泡沫液与流入的定量风混合后沿螺旋叶片实现气液混合，气液混合体再经过一级发泡器和二级发泡器后，由泡沫出口流出。
18.本发明的有益效果：
19.(1)实现了空气钻进过程中，在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中的持续捕尘、除尘功能。
20.(2)通过定量配风的泡沫除尘装置，实现了在不同风量及风压下均能稳定高效的生成泡沫。
21.(3)随着钻进深度的增加，泡沫对含尘气流的持续捕尘时间越长，捕尘效果越好。
22.(4)降低了孔口除尘难度，利于工作的持续进行，并避免了对井下作业人员的生命健康造成威胁。
附图说明
23.图1是本发明的空气钻进系统组成示意图；
24.图2是定量配风泡沫除尘装置结构示意图；
25.图3是图2中第一管体结构剖视图；
26.图4是图2中的第二管体的结构示意图；
27.图5是图4的剖视图；
28.图6是图2中的转接头结构示意图；
29.图7是图1中的水便结构示意图；
30.图8是定量配风原理公式推导图；
31.1-钻头、2-定量配风泡沫除尘装置、3-空气螺杆马达、4-下无磁钻杆、5-探管电池筒、6-上无磁钻杆、7-螺旋钻杆、8-水便、9-泄压阀、10-高压胶管、11-第一流量计、12-截止阀、13-压风管路、14-空压机、15-泡沫液管路、16-第二流量计、17-泡沫液泵；
32.21-第一管体、211-轴向通道、212-径向通道、213-泡沫出口、214-第一管体公扣、215-环形槽、216-台阶面、217-第一管体母扣；
33.22-第二管体、221-轴挡圈、222-挡风板、223-弹簧、224-螺旋叶片、225-轴向导槽、226-第二管体公扣、227-第二管体母扣、228-挡风板安装槽、229-第二管体进风通道；
34.23-限面环、24-一级发泡器、25-二级发泡器；
35.26-转接头、261-环形槽、262-第一转接头母扣、263-泡沫通道、264-第二转接头母扣、265转接头进风通道；
36.81-泡沫液进口、82-泡沫液接头外壳、83-泡沫液通道、84-泡沫液接头内杆、85-空气接头、86-进风口、87-水便进风通道、88-水便公扣；
37.s1档风板左侧环形截面面积，s2档风板环形截面面积，s3档风板右侧环形截面面积。
具体实施方式
38.以下对本发明的技术方案做具体说明，应该强调的是在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、前、后”通常对应于面对附图方向的上、下、左、右、前、后，其中，“上、下”对应于竖直方向或高度方向，“左、右”对应于横向方向，其中，“轴、径”是指管轴部件的轴向或径向。但上述方位词仅用于解释和说明本公开，并不用于限制。
39.本发明的定量分风泡沫除尘装置，设置：
40.结合图1-6，本发明的定量配风泡沫除尘装置，包括：套设的第一管体21和第二管体22，形成环空间隙，这里的环空间隙指的是两个直径不同的管体在同轴嵌套后产生的环形空间，且一端开放，这里的端部开放，指的是在端部没有明显的封口结构，且环空间隙与外部空间连通；在开放端，第一管体21的管壁内嵌设连通的轴向通道211和径向通道212，且径向通道212与环空间隙连通，轴向通道211与前端连接的其他结构的管体的通道连通；在开放端，第二管体22上设置定量配风结构，这里的定量配风结构主要起到均匀配风的目的，无论来端的风量大小，保证进入环空间隙的风量始终均匀定量，比如可以采用沿轴向运动的结构，从而利用风力控制轴向运动的长短来调节通风口的大小，从而控制进风量，限定定量风进入环空间隙；进入环空间隙的风量稳定，就能与来自轴向通道211和径向通道212的泡沫混合，从而产生持续稳定的泡沫量，保证除尘效果；非开放端的第一管体21的管壁上设置与环空间隙连通的泡沫出口213，使产生的泡沫直接通往底部进行除尘；第二管体22的轴向通道即第二管体进风通道229为来风的主要通道，进入孔底配合碎岩。本发明的方案实现了空气钻进过程中，在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中的持续捕尘、除尘功能。通过定量配风泡沫除尘装置，实现了在不同风量及风压下均能稳定高效的生成泡沫。
41.在本公开中，定量配风结构包括：卡设在第一管体21开放端内的限面环23；套设在第二管体22开放端依次设置挡风板222和弹簧223；限面环23的内径由开放端渐小，挡风板222在限面环23的环空空间内来回移动。限面环23外部丝扣连接置于台阶面216处，内部为带有一定弧度的结构面。在供风量较小时，风压较小，挡风板222压缩弹簧223运动行程小，挡风板222与限面环23内部组成的定量配风装置截面积较大；在供风量较大时，风压较大，挡风板222压缩弹簧223运动行程大，挡风板222与限面环23内部组成的定量配风装置截面积较小；随着供风量变化，始终将定量风输送至气液混合通道，保证发泡装置的稳定性。
42.在本公开中，在挡风板222的前端贴设轴挡圈221，进一步加固挡风板222；在第二管体22的管壁上设置轴向导槽225，挡风板222卡接轴向导槽225。轴向导槽225为沿轴向延伸的缺口槽，这样在一定程上限定了挡风板222沿轴向的运动距离，至少保证最小的通风量，以免将通风口封死。
43.在本公开中，在定量配风结构后端的第二管体22外设置螺旋叶片224。气液混合体进入螺旋叶片224形成的环形通道内，延长气液混合路径，以保证气液充分混合搅拌。
44.在本公开中，在环空间隙的封闭端依次设置一级发泡器24和二级发泡器25。一级发泡器24和二级发泡器25为丝网类的结构体，一般，一级发泡器24的丝网孔径大，二级发泡器25的丝网孔径小。泡沫经一级发泡器24和二级发泡器25后，能够产生更致密的泡沫，进一步提高除尘效果。
45.在本公开中，在第一管体21的开放端轴接设置转接头26。连接方式为：第一转接头母扣262与钻杆公扣连接，第二转接头母扣264与第一管体公扣214连接，第一管体母扣217与第二管体公扣226连接，此时轴挡圈221将挡风板222固定于第二管体22的左侧，一级发泡器24和二级发泡器25位于第一管体21与第二管体22在泡沫出口213端形成的环形通道内；限面环23卡装在第一管体21的台阶面216上，环形槽215的设置为了连通多个轴向通道211，保证与前端结构的泡沫通道导通；第二管体母扣227与后端的钻头连接。
46.结合图1，本发明的空气钻进系统，设置依次连接的钻头1、定量配风泡沫除尘装置2、空气螺杆马达3、下无磁钻杆4、探管电池筒5、上无磁钻杆6、螺旋钻杆7和水便8；定量配风泡沫除尘装置2为本发明任一的定量配风泡沫除尘装置2；水便8分别连接供风组件和供泡沫组件，具体的泡沫液进口81与供泡沫组件连接，通过泡沫液通道83输送泡沫液；进风口86用于连接供风组件，水便进风通道87形成主要通风通道。水便8的连接方式为：水便8由轴向依次对接的泡沫液接头外壳82、泡沫液接头内杆84和空气接头85组成，泡沫液接头外壳82的母扣与泡沫液接头内杆84的左侧公扣通过丝扣连接，泡沫液接头内杆84的右侧公扣与空气接头85左侧的母扣连接，空气接头公扣88用于连接后续的钻杆等结构。
47.在本公开中，供风组件设置高压胶管10、第一流量计11、压风管路13和空压机14，水便8端设置泄压阀9，高压胶管10与压风管路13间设置第一流量计11与截止阀12。
48.在本公开中，供泡沫组件设置泡沫液管路15、第二流量计16和泡沫液泵17。
49.本发明定量配风泡沫除尘装置的工作原理：
50.泡沫液由泡沫液进口81进入水便8，通过泡沫液接头内杆84和空气接头85上埋设的沿轴向贯穿的泡沫液通道83向后传递，经螺旋钻杆7及其他部件上的轴向通道进入定量配风泡沫除尘装置2上的轴向通道211和径向通道212进入第一管体21与第二管体22形成的气液混合通道内，进入混合通道的泡沫液与经挡风板222和限面环23流入的定量风进行混合，气液混合体进入螺旋叶片224形成的环形通道内，延长气液混合路径，以保证气液充分混合搅拌，再经过一级发泡器24和更为致密的二级发泡器25后，由泡沫出口213流出，对空气钻进时在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中的持续捕尘，并且随着孔深的增加，泡沫与煤尘混合的越充分，捕尘效果越好。在此过程中由于钻具拧卸和磨损，不能保证泡沫液通道完全对齐，需加工环形槽215保证泡沫液顺利流动，并且由于加工需要径向通道212为通孔，在加工完成后需对通道外部进行堵塞，保证泡沫液顺利进入混合通道。
51.其中，进入转接头26的转接头进风通道265的风，一部分定量配送进入气液混合通
道(环空间隙)，一部分经第二管体进风通道229进入孔底配合碎岩。定量配风机制的实现依赖于挡风板安装槽228、弹簧223和限面环23配合进行控制，如图2和8所示，分别在档风板222的左侧、档风板222及档风板222的右侧取3个环形截面：a、b和c；列出截面a和截面b之间的伯努力方程：
[0052][0053]
式中：p1、p2分别为截面a、b的静压，pa；
[0054]v1
、v2分别为截面a、b的空气平均速度，m/s；
[0055]
ρ为空气平均密度，kg/m3；
[0056]
ζ为局部阻力系数，可查表获得，对于截面突然缩小情况，
[0057]
设经过环形截面的风量为q，根据流体连续性方程有：
[0058]
q＝v
1 s1＝v
2 s2(1-2)；
[0059]
式中：s1、s2分别为截面a和截面b的面积，m2，
[0060]
由式1-1和1-2可得：
[0061][0062]
选截面a和截面c之间的环空间隙为控制体，则控制体内流体的动量方程为：
[0063]
p1s
1-p3s
3-f＝ρq(v
3-v1)
ꢀꢀꢀꢀ
(1-4)；
[0064]
式中：s3为截面c的面积，m2，
[0065]v3
为截面c的平面速度，m/s；
[0066]
f为挡风板对流体的反作用力，n。
[0067]
当流体从截面b到截面c时，截面突然扩大，由于惯性的存在，流束不可能按照管道的形状突然扩大，而是像射流那样，离开小截面后流束经过一段距离才重新充满整个环空截面，所以:
[0068]v3
＝v2，p3＝p2；
[0069]
由于挡风板属于薄板结构，截面a和c距离很近，所以s1≈s3,为简化计算，我们这里假设s1＝s3。
[0070]
将v3＝v2，p3＝p2，s1＝s3，代入式1-4可得：
[0071]
(p
1-p2)s
1-f＝ρq(v
2-v1)
ꢀꢀꢀꢀ
(1-5)；
[0072]
将式1-2，1-3代入式1-5可得：
[0073][0074][0075]
式中：r1为挡风板内径(常数)，r2为挡风板外半径(常数)，r3为轴心到曲面的半径(变量)。
[0076]
通过上述定量配风装置，在供风量较小时，风压较小，挡风板222压缩弹簧223运动行程小，挡风板222与限面环23内部组成的定量配风装置截面积s2较大；在供风量较大时，风压较大，挡风板222压缩弹簧223运动行程大，挡风板222与限面环23内部组成的定量配风
装置截面积s2较小；随着供风量变化，始终将定量风输送至气液混合通道，保证发泡装置的稳定性。
[0077]
本发明的空气钻进工艺通过空气钻进系统实现，具体包括以下步骤：
[0078]
第一步：依次连接钻头1、定量配风泡沫除尘装置2、空气螺杆马达3、下无磁钻杆4、探管电池筒5、上无磁钻杆6和螺旋钻杆7；
[0079]
第二步：将连接好的螺旋钻杆7通过水便8的空气接入口与高压胶管10和压风管路13连接至空压机14，水便8端设置泄压阀9，高压胶管10与压风管路13间设置第一流量计11与截止阀12；同时通过水便8的泡沫液接入口与泡沫液管路15连接至泡沫液泵17，第二流量计16设置在泡沫液管路15与泡沫液泵17之间；
[0080]
第三步：打开空压机14供风，压缩风经过压风管路13、截止阀12、第一流量计11、高压胶管10、水便8、螺旋钻杆7、上无磁钻杆6、探管电池筒5、下无磁钻杆4和空气螺杆马达3后，在定量配风泡沫除尘装置2内，将少部分定量风分配到环空间隙用于产生泡沫，其余风经钻头1排出用于携渣；
[0081]
第四步：打开泡沫液泵17注入泡沫液，泡沫液经过第二流量计16、泡沫液管路15、水便8、螺旋钻杆7、上无磁钻杆6、探管电池筒5、下无磁钻杆4和空气螺杆马达3后，通过环形槽215、轴向通道211和径向通道212进入环空间隙内，泡沫液与流入的定量风混合后沿螺旋叶片224实现气液混合，气液混合体再经过一级发泡器24和二级发泡器25后，由泡沫出口213流出。
[0082]
第五步：泡沫实现对空气钻进时在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中的持续捕尘作用，降低孔口除尘难度。
[0083]
用于煤矿井下空气钻进定量配风的泡沫除尘装置及钻进工艺方法相比传统孔口除尘的空气钻进工艺方法，泡沫具有润滑减阻、捕尘排粉效果好、环境污染小等优点，在潮湿、水敏性强以及不稳定地层中排粉具有独特优越性。空气钻进时，定量配风的泡沫除尘装置，在不同风量及风压下均能稳定高效的生成泡沫，可在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中，与细微颗粒煤尘结合变成较大颗粒煤尘，起到持续捕尘的作用，降低了孔口除尘难度，并且随着孔深的增加，泡沫与煤尘混合的越充分，捕尘效果越好，适用于目前碎软煤层空气钻进的发展趋势。
[0084]
以上结合附图选择优先详细论述最佳实施例，并不用于限制本发明。在上述描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任意合适的形式进行组合，本发明不在一一赘述。任何本领域技术人员在不脱离技术方案范围内的前提下采取对技术方案进行任意组合或同等替换等简单修改或修饰的手段，并不影响其技术方案的本质仍属于本发明的各实施例代表的技术方案的保护范围之内。