一種熱冷衝擊三級破煤裝置與實施方法與流程
2023-10-09 06:59:54
本發明涉及一種熱冷衝擊三級破煤裝置與實施方法，屬瓦斯抽採技術領域。
背景技術：
我國礦井瓦斯抽採作業時，均是首先通過傳統的機械式鑽探設備在煤層壁上開始鑽孔，然後通過壓裂增透裝置對鑽孔進行增透壓裂作業，提高鑽孔內壁裂縫數量，增加鑽孔透氣性，然後對鑽孔進行密封並進行瓦斯抽採作業，雖然這種作業方式可以滿足對瓦斯抽採作業的需要，但在實際工作中發現，由於用於瓦斯抽採作業的鑽孔往往均較長，因此傳統的機械式鑽探設備在運行過程中極易發生鑽頭、鑽杆在鑽孔卡鑽現象和鑽杆同軸度受到影響而導致鑽杆斷裂，嚴重時還會出現鑽孔內壁應力分布不均勻而發生鑽孔內壁坍塌等現象，因此導致瓦斯抽採鑽孔鑽探作業的工作效率低下，設備故障率高，同時傳統的機械式鑽探設備在鑽探作業時，易產生大量的粉塵、碎屑及廢水等汙染物，從而導致作業現場環境惡劣，同時也極大增加了瓦斯和煤層突出風險，除此之外，當前在經過機械式鑽探設備完成鑽孔鑽探後，還需要進行壓裂增透裝置對鑽孔進行壓裂增透處理，從而也進一步增加了鑽孔壓裂作業的難度，並降低了鑽孔壓裂作業的工作效率，因此針對這一問題，迫切需要開發一種全新的瓦斯抽採鑽孔鑽探設備及使用方法，以滿足實際使用的需要。
技術實現要素：
針對現有技術上存在的不足，本發明提供一種熱冷衝擊三級破煤裝置與實施方法及其使用方法及其使用方法。
為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：
一種熱冷衝擊三級破煤裝置，包括承載底座、行走機構、液氮儲存鋼瓶、空氣渦流管、存水罐、換熱器、熱風機、射流泵、射流風機、液氮增壓泵、空氣加熱管、水冷管、液氮降溫管及噴射鑽頭，承載底座下表面與行走機構連接，且行走機構環繞承載底座軸線分布，液氮儲存鋼瓶、空氣渦流管、存水罐、換熱器、熱風機、射流泵、射流風機、液氮增壓泵均通過滑軌安裝在承載底座上表面並與承載底座上表面滑動連接，其中空氣渦流管進氣端通過熱風機與外部空氣連通，空氣渦流管高溫出氣口通過熱風機與射流風機連通，空氣渦流管低溫出氣口通過換熱器與存水罐相互連通，換熱器至少一個，嵌於存水罐內表面並環繞存水罐軸線均布，存水罐為密閉腔體結構，存水罐上設至少一個洩壓口、至少一個出水口和一個注水口，其中出水口通過導流管與射流泵相互連通，液氮儲存鋼瓶至少一個，並與液氮增壓泵相互連通，射流泵通過保溫軟管與水冷管相互連通，射流風機通過保溫軟管與空氣加熱管相互連通，液氮增壓泵通過保溫軟管與液氮降溫管相互連通，空氣加熱管、水冷管及液氮降溫管均若干個，且每一條空氣加熱管、一條水冷管和一條液氮降溫管構成一個破煤組，且破煤組內的空氣加熱管、水冷管及液氮降溫管間通過至少兩個卡箍連接，噴射鑽頭安裝在液氮降溫管前端面並液氮降溫管相互連通且同軸分布，空氣加熱管和水冷管以液氮降溫管軸線對稱分布在液氮降溫管兩側
進一步的，所述的滑軌與承載底座上表面通過轉臺機構鉸接。
進一步的，所述的射流泵、射流風機、液氮增壓泵分別通過分流管與各空氣加熱管、水冷管及液氮降溫管相互連通。
進一步的，所述的液氮儲存鋼瓶另通過導流支管分別與換熱器和存水罐相互連通，所述的導流支管與液氮儲存鋼瓶、換熱器和存水罐連接位置處設控制閥。
進一步的，所述的空氣加熱管、水冷管前端均設至少一個射流噴頭，且所述的射流噴頭軸線與空氣加熱管、水冷管軸向呈0°—90°夾角，其中所述的水冷管通過至少一條導流支管與噴射鑽頭相互連通，且所述的水冷管與噴射鑽頭間的導流支管上至少一個單向閥。
進一步的，所述的破煤組中的空氣加熱管、水冷管及液氮降溫管間分布在同一平面內，或空氣加熱管、水冷管及液氮降溫管間以三角形結構分布，且相鄰兩根管體的軸線相互平行分布。進一步的，所述的存水罐內表面上均布若干半導體製冷裝置，且各半導體製冷裝置間均環繞存水罐軸線均布。
一種熱冷衝擊三級破煤裝置的破煤衝擊實施方法，其包括如下步驟：
第一步，預製鑽孔，首先根據設計及開採作業的需要，在煤層上開設若干短程鑽孔，所開設的鑽孔軸線與煤層外表面垂直分布，相鄰兩鑽孔間間距為2—8米，且各鑽孔間呈陣列結構分布，且所開始鑽孔23深度為鑽孔設計深度的1/15—1/10；
第二步，衝擊破煤組預製，在完成第一步的操作後，將各破煤組分別與射流泵、射流風機、液氮增壓泵相互連接，然後將破煤組深入到鑽孔內，由彈性密封堵頭對破煤組前端定位並對鑽孔進行密封，使破煤組與鑽孔同軸分布，並使鑽孔內部構成密閉空間結構；
第三步，衝擊破煤作業，在完成第二步作業後，首先啟動空氣渦流管、熱風機、射流風機運行，首先由熱風機對周圍空氣預熱乾燥和增壓，並將經過預熱乾燥後的空氣通過空氣渦流管進行處理，同時獲得90℃—110℃高溫氣體和0℃—-40℃的低溫氣體兩部分氣流，然後將其中的高溫氣體再次通過熱風機加熱至400℃—600℃，然後由射流風機增壓到30mpa—50mpa並噴射到鑽孔中，對煤體進行第一次高溫高壓氣體射流破煤，在鑽孔內壁溫度達到350℃—450℃，鑽孔內氣壓為25mpa—35mpa後，保溫保壓3—10分鐘，然後將鑽孔內的高溫空氣排出，並在鑽孔內壓力為0.5—1.5個標準大氣壓時，由射流泵將存水罐內經過冷卻，溫度達到-10℃—10℃的冷卻水噴射到鑽孔內壁上，其中冷卻水的噴射壓力為10—30mpa，噴射時間為1—10分鐘，噴射流量為8—20l/min，利用高壓低溫水對煤體進行第二次射流破煤，然後將鑽孔內的冷卻水排出，通過液氮增壓泵將液氮儲存鋼瓶內的液氮調壓至10mpa—20mpa後，通過液氮降溫管噴淋到鑽孔內壁上，並持續噴淋3—8分鐘，利用水的凍脹作用對煤體進行第三次破煤，然後將鑽孔內的氮氣排出，在鑽孔內壓力為0.5—1.5個標準大氣壓時即可完成一次衝擊破煤作業，在完成一次衝擊破煤作業後若鑽孔深度未達到設定要求，則再次循環重複衝擊破煤作業直至鑽孔達到設計深度要求；
第四步，鑽孔密封，在完成第三步作業後，通過位於鑽孔23內的破煤組從鑽孔中取出，然後由鑽孔密封設備對鑽孔23進行密封以備後續瓦斯抽採作業即可。
進一步的，所述的第一步中，在進行鑽孔開設時，各鑽孔間以矩形整列或環形陣列結構排布。
進一步的，所述的第三步中，存水罐在對冷卻水降溫時，一方面通過空氣渦流管產生的0℃—-40℃的低溫氣體通過換熱器對存水罐內的冷卻水進行降溫，另一方面由液氮儲存鋼瓶內的液氮分別通過換熱器對冷卻水間接降溫，和直接通入到存水罐內，對冷卻水進行直接增壓降溫。
本發明設備結構及實施方法簡單靈活，運行成本低廉，一方面有效克服傳統的機械鑽探設備易導致的鑽探設備故障和鑽孔坍塌風險，並在鑽孔鑽探作業同時完成了對鑽孔壓裂增透作業，另一方面還同時克服了傳統壓裂增透設備作業時易出現增透能力弱、增透作業後期易發生瓦斯突出等弊端，綜合利用射流破煤與機械破煤優點，避免單一機械破煤造成的煤巖應力失穩，造成瓦斯煤巖突出危害，同時有效抑制煤塵的產生擴散，起到改善作業環境作用。除此以外，採用新型的液氮高壓旋轉噴射的方法對煤體進行充分冷凍，有效彌補了單一液氮入注冷凍煤體不夠深入、氣化過程過快的缺點,以上陳述發明特點極大的提高了瓦斯抽採鑽孔鑽探及處理作業的工作效率和可靠性，降低了鑽探成本和瓦斯突出風險。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式來詳細說明本發明；
圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明鑽孔內部結構意圖；
圖3為本發明使用方法流程圖。
具體實施方式
為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。
如圖1和2所述的一種熱冷衝擊三級破煤裝置，包括承載底座1、行走機構2、液氮儲存鋼瓶3、空氣渦流管4、存水罐5、換熱器6、熱風機7、射流泵8、射流風機9、液氮增壓泵10、空氣加熱管11、水冷管12、液氮降溫管13及噴射鑽頭14，承載底座1下表面與行走機構2連接，且行走機構2環繞承載底座1軸線分布，液氮儲存鋼瓶3、空氣渦流管4、存水罐5、換熱器6、熱風機7、射流泵8、射流風機9、液氮增壓泵10均通過滑軌15安裝在承載底座1上表面並與承載底座1上表面滑動連接，其中空氣渦流管4進氣端通過熱風機7與外部空氣連通，空氣渦流管4高溫出氣口通過熱風機7與射流風機9連通，空氣渦流管4低溫出氣口通過換熱器6與存水罐5相互連通，換熱器6至少一個，嵌於存水罐5內表面並環繞存水罐5軸線均布，存水罐5為密閉腔體結構，存水罐5上設至少一個洩壓口51、至少一個出水口52和一個注水口53，其中出水口52通過導流管54與射流泵7相互連通，液氮儲存鋼瓶3至少一個，並與液氮增壓泵10相互連通，射流泵8通過保溫軟管16與水冷管12相互連通，射流風機9通過保溫軟管16與空氣加熱管11相互連通，液氮增壓泵10通過保溫軟管16與液氮降溫管13相互連通，空氣加熱管11、水冷管12及液氮降溫管13均若干個，且每一條空氣加熱管11、一條水冷管12和一條液氮降溫管13構成一個破煤組，且破煤組內的空氣加熱管11、水冷管12及液氮降溫管13間通過至少兩個卡箍17連接，噴射鑽頭14安裝在液氮降溫管13前端面並液氮降溫管13相互連通且同軸分布，空氣加熱管11和水冷管12以液氮降溫管13軸線對稱分布在液氮降溫管13兩側。
本實施例中，所述的滑軌15與承載底座1上表面通過轉臺機構18鉸接。
本實施例中，所述的射流泵8、射流風機9、液氮增壓泵10分別通過分流管19與各空氣加熱管11、水冷管12及液氮降溫管13相互連通。
本實施例中，所述的液氮儲存鋼瓶3另通過導流支管20分別與換熱器6和存水罐5相互連通，所述的導流支管20與液氮儲存鋼瓶3、換熱器6和存水罐5連接位置處設控制閥21。
本實施例中，所述的空氣加熱管11、水冷管12前端均設至少一個射流噴頭26，且所述的射流噴頭26軸線與空氣加熱管11、水冷管12軸向呈0°—90°夾角，其中所述的水冷管12通過至少一條導流支管20與噴射鑽頭14相互連通，且所述的水冷管12與噴射鑽頭14間的導流支管20上至少一個單向閥25。
本實施例中，所述的破煤組中的空氣加熱管11、水冷管12及液氮降溫管13間分布在同一平面內，或空氣加熱管11、水冷管12及液氮降溫管13間以三角形結構分布，且相鄰兩根管體的軸線相互平行分布。
本實施例中，所述的存水罐5內表面上均布若干半導體製冷裝置22，且各半導體製冷裝置22間均環繞存水罐5軸線均布。
如圖3所示，一種熱冷衝擊三級破煤裝置的破煤衝擊實施方法，其包括如下步驟：
第一步，預製鑽孔，首先根據設計及開採作業的需要，在煤層上開始若干抽採用鑽孔23，所開設的鑽孔23軸線與煤層24外表面垂直分布，相鄰兩鑽孔23間間距為2—8米，且各鑽孔23間呈陣列結構分布，且所開始鑽孔23深度為鑽孔設計深度的1/15—1/10；
第二步，破煤組預製，在完成第一步的操作後，將各破煤組分別與射流泵8、射流風機9、液氮增壓泵10相互連接，然後將破煤組深入到鑽孔23內，由彈性密封堵頭27對破煤組前端定位並對鑽孔23進行密封，使破煤組與鑽孔23同軸分布，並使鑽孔23內部構成密閉空間結構；
第三步，衝擊破煤作業，在完成第二步作業後，首先啟動空氣渦流管4、熱風機7、射流風機9運行，首先由熱風機7對周圍空氣預熱乾燥和增壓，並將經過預熱乾燥後的空氣通過空氣渦流管4進行處理，同時獲得90℃—110℃高溫氣體和0℃—-40℃的低溫氣體兩部分氣流，然後將其中的高溫氣體再次通過熱風機7加熱至400℃—600℃，然後由射流風機9增壓到30mpa—500mpa並噴射到鑽孔23中，並在鑽孔23內壁溫度達到350℃—450℃，鑽孔23內氣壓為25mpa—35mpa後，保溫保壓3—10分鐘，然後將鑽孔23內的高溫空氣排出，並在鑽孔23內壓力為0.5—1.5個標準大氣壓時，由射流泵8將存水罐5內經過冷卻，溫度達到-10℃—10℃的冷卻水一部分直接噴射到鑽孔23內壁上，另一部分通過導流支管對噴射鑽頭14進行驅動，驅動噴射鑽頭對鑽孔23內壁進行鑽削破碎作業，其中冷卻水的噴射壓力為10—30mpa，噴射時間為1—10分鐘，噴射流量為8—20l/min，然後將鑽孔23內的冷卻水排出，通過液氮增壓泵10將液氮儲存鋼瓶3內的液氮調壓至10mpa—20mpa後，通過液氮降溫管13首先噴淋到噴射鑽頭14處，驅動噴射鑽頭對鑽孔23內壁進行鑽削破碎作業，然後經過驅動噴射鑽頭14運行後的液氮噴射到鑽孔23內壁上，液氮噴射時間3—8分鐘，然後將鑽孔23內的氮氣排出，在鑽孔23內壓力為0.5—1.5個標準大氣壓時即可完成一次衝擊破煤作業，在完成一次衝擊破煤作業後若鑽孔深度未達到設定要求，則再次循環重複衝擊破煤作業直至鑽孔達到設計深度要求；
第四步，鑽孔密封，在完成第三步作業後，通過位於鑽孔23內的破煤組從鑽孔中取出，然後由鑽孔密封設備對鑽孔23進行密封以備後續瓦斯抽採作業即可。
本實施例中，所述的第一步中，在進行鑽孔23開設時，各鑽孔23間以矩形整列或環形陣列結構排布。
本實施例中，所述的第三步中，存水罐5在對冷卻水降溫時，一方面通過空氣渦流管4產生的0℃—-40℃的低溫氣體通過換熱器6對存水罐5內的冷卻水進行降溫，另一方面由液氮儲存鋼瓶3內的液氮分別通過換熱器6對冷卻水間接降溫，和直接通入到存水罐5內，對冷卻水進行直接增壓降溫。
本發明設備結構及實施方法簡單靈活，運行成本低廉，一方面有效克服傳統的機械鑽探設備易導致的鑽探設備故障和鑽孔坍塌風險，並在鑽孔鑽探作業同時完成了對鑽孔壓裂增透作業，另一方面還同時克服了傳統壓裂增透設備作業時易出現增透能力弱、增透作業後期易發生瓦斯突出等弊端，綜合利用射流破煤與機械破煤優點，避免單一機械破煤造成的煤巖應力失穩，造成瓦斯煤巖突出危害，同時有效抑制煤塵的產生擴散，起到改善作業環境作用。除此以外，採用新型的液氮高壓旋轉噴射的方法對煤體進行充分冷凍，有效彌補了單一液氮入注冷凍煤體不夠深入、氣化過程過快的缺點。以上陳述發明特點極大的提高了瓦斯抽採鑽孔鑽探及處理作業的工作效率和可靠性，降低了鑽探成本和瓦斯突出風險。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。