高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法.pdf

高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法，属于煤矿井下瓦斯治理技术领域，该设备包括高压空气发生装置、磨料罐和钻机，钻机包括钻杆和钻头，钻头上设有喷嘴，高压空气发生装置的出口与磨料罐的高压空气进口相连，磨料罐的高压磨料空气出口和高压空气发生装置的出口通过三通与钻机的进口管路相连通，钻机的进口管路上设有密封旋转器，磨料罐的高压空气进口和高压磨料空气出口均设有阀门，同时本发明还提供了高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，本发明所提供的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法能够达到破煤，卸压增透，强化抽放的目的，能够更好的在松软煤层中的推广应用，避免水力冲孔时经常出现的塌孔现象和瓦斯抽采率低的问题。

权利要求书
1.  高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，其特征在于，包括高压空气发生装置、磨料罐和钻机，所述钻机包括钻杆和钻头，钻头上设有喷嘴，所述高压空气发生装置的出口与磨料罐的高压空气进口相连，磨料罐的高压磨料空气出口和高压空气发生装置的出口通过三通与钻机的进口管路相连通，所述钻机的进口管路上设有密封旋转器，所述磨料罐的高压空气进口和高压磨料空气出口均设有阀门。

2.  如权利要求1所述的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，其特征在于，所述高压空气发生装置包括空气压缩泵、与空气压缩泵管道连接的储气罐以及设在其管道上的压力表和卸荷阀，所述储气罐的进气口设有阀门，储气罐的出气口依次设有阀门和流量计。

3.  如权利要求2所述的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，其特征在于，还包括除尘装置，所述除尘装置包括可活动套接在钻杆上的集尘罩、设在集尘罩下方的粉尘导管和与粉尘导管相连通的除尘器，所述除尘器一端开设有排污口、另一端设有朝向排污口的高压射水喷头，所述高压射水喷头上连通有高压水管。

4.  如权利要求3所述的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，其特征在于，所述喷嘴轴线与钻杆轴线的夹角20°≤α≤40°。

5.  如权利要求4所述的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，其特征在于，所述喷嘴数量为2个。

6.  利用权利要求1-5任一所述设备进行高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，包括以下步骤：
1）采用钻机进行钻孔，钻至预设深度；
2）开启空气压缩泵和储气罐，将30MPa以上的高压空气输送至钻头的喷嘴，对钻机进行清洗；
3）开启空气压缩泵、储气罐和磨料罐，将30MPa以上的高压空气与磨料进行混合后形成的高压磨料空气射流输送至钻头的喷嘴，对煤体进行冲蚀；
4）按预设深度继续向下推进钻杆，并重复步骤2）和步骤3）；
5）重复步骤4），直至达到卸压要求；
6）停止高压磨料空气射流，采用30MPa以上的高压空气对钻机及钻孔进行清洗后，停止钻机和高压空气，工作结束。

7.  如权利要求6所述高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，其特征在于，对所述步骤2）的清洗过程和步骤3）的冲蚀过程进行除尘。

8.  如权利要求6或7所述高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，其特征在于，所述高压空气的压力为30～35MPa。

9.  如权利要求8所述高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，其特征在于，所述高压空气和高压磨料空气的喷射方向与钻机钻进的轴线方向的夹角20°≤α≤40°。

说明书高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法
技术领域
本发明属于煤矿井下瓦斯治理技术领域，特别适用于松软煤层卸压增透强化瓦斯抽采作业，具体涉及一种高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法。
背景技术
瓦斯作为一种清洁能源受到学者及社会越来越多的重视，现成为我国能源战略的重要组成部分。“十二五”期间，我国规划发展目标为：煤层气产量达到300亿立方米，其中地面开发160亿立方米，基本全部利用，井下瓦斯抽采140亿立方米，利用率60%以上。但随着矿井开采强度增大、延伸速度加快、开采深度急剧增加，导致瓦斯抽采困难、瓦斯事故频发。常规瓦斯抽采方法已不能满足当前形势需要，因此，开展强化瓦斯抽采技术研究是实现瓦斯能源综合利用、避免瓦斯灾害的重要手段。
卸压抽采是强化瓦斯抽采的重要手段，其中水力化卸压技术应用最为广泛，如高压水射流割缝和水力冲孔等，均取得了较好的应用效果。但上述技术在松软煤层中应用时，经常出现塌孔等现象，严重限制了在松软煤层中的推广应用。除此之外，煤体中水的存在对瓦斯解吸及运移产生消极影响。研究表明，煤体的低孔、低渗的特点，使水锁效应尤为突出。煤体在不同水压的影响下，水能够进入到煤体的临界孔隙尺度，降低瓦斯解吸率。而且水的后置侵入会使瓦斯解吸终止时间提前。水的侵入使煤体孔隙含水饱和度升高，有效应力发生改变，煤体渗透率大幅度降低，饱和度越高，渗透率降低幅度越大。对于俯孔，孔底积水容易造成煤体泥化，堵塞瓦斯抽采通道。
发明内容
本发明目的在于提供了一种高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，提供利用该设备进行高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法是本发明的另一个发明目的。
基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，包括高压空气发生装置、磨料罐和钻机，所述钻机包括钻杆和钻头，钻头上设有喷嘴，所述高压空气发生装置的出口与磨料罐的高压空气进口相连，磨料罐的高压磨料空气出口和高压空气发生装置的出口通过三通与钻机的进口管路相连通，所述钻机的进口管路上设有密封旋转器，所述磨料罐的高压空气进口和高压磨料空气出口均设有阀门。
所述高压空气发生装置包括空气压缩泵、与空气压缩泵管道连接的储气罐以及设在其管道上的压力表和卸荷阀，所述储气罐的进气口设有阀门，储气罐的出气口依次设有阀门和流量计。
所述的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，还包括除尘装置，所述除尘装置包括可活动套接在钻杆上的集尘罩、设在集尘罩下方的粉尘导管和与粉尘导管相连通的除尘器，所述除尘器一端开设有排污口、另一端设有朝向排污口的高压射水喷头，所述高压射水喷头上连通有高压水管。
所述喷嘴轴线与钻杆轴线的夹角20°≤α≤40°。
所述喷嘴数量为2个。
利用上述设备进行高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，包括以下步骤：
1）采用钻机进行钻孔，钻至预设深度；
2）开启空气压缩泵和储气罐，将30MPa以上的高压空气输送至钻头的喷嘴，对钻机进行清洗；
3）开启空气压缩泵、储气罐和磨料罐，将30MPa以上的高压空气与磨料进行混合后形成的高压磨料空气射流输送至钻头的喷嘴，对煤体进行冲蚀；
4）按预设深度继续向下推进钻杆，并重复步骤2）和步骤3）；
5）重复步骤4），直至达到卸压要求；
6）停止高压磨料空气射流，采用30MPa以上的高压空气对钻机及钻孔进行清洗后，停止钻机和高压空气，工作结束。
对所述步骤2）的清洗过程和步骤3）的冲蚀过程进行除尘。
所述高压空气的压力为30～35MPa所述高压空气和高压磨料空气的喷射方向与钻机钻进的轴线方向的夹角20°≤α≤40°。
本发明所提供的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法中采用高压磨料气体冲击煤体提高煤层透气性主要体现在卸压、冲击应力波致裂及高压空气驱替三个方面，具体为：
（1）卸压：高压磨料气体射流对煤体的冲蚀过程，其实质是磨料以一定速度冲击靶体表面，破坏煤体原生结构。另外反射磨料的流向与射流冲击靶体后形成的壁面射流流向相互影响，壁面射流中的磨料还具有一定的动能，在一定范围内对靶体仍然具有一定的冲蚀能力，即二次冲蚀，二次冲蚀加速煤体破坏。在磨料冲蚀的作用下，煤体内形成一定深度的冲蚀坑，在地应力的作用下，冲蚀坑的形成为煤体卸压提供空间，增大了瓦斯压力梯度。
（2）冲击应力波致裂：气体射流对冲击靶体作用效果主要是其对煤体产生的高压冲击波效应，若气体射流压力较高，则射流流速呈指数增长，当冲蚀速率大于靶体声速时，冲击波有助于靶体的冲蚀破坏。另外由于煤体原生裂隙的存在，高压气体的对裂隙的压入会使裂隙产生一个侧向扩张的效果，持续的裂隙扩展加速了煤体破坏。煤体内裂隙的形成为瓦斯运移提供通道，在卸压后瓦斯压力梯度的作用下，瓦斯流动速度增加。
（3）高压空气驱替：在应力波的作用下，煤体内原生裂隙相互贯通并形成新裂隙，裂隙的生成为高压空气进入煤体微孔隙结构提供通道。高压空气相对瓦斯的表面张力较大，能够置换孔隙的吸附瓦斯，促进吸附瓦斯解吸，增大瓦斯排放量。
因此，本发明所提供的高压磨料气体射流破煤卸压增透设备及方法能够达到破煤，卸压增透，强化抽放的目的，其有益效果为：
（1）能够更好的在松软煤层中推广应用，避免水力冲孔时经常出现塌孔现象；
（2）避免了煤体水分的存在对瓦斯解吸、运移产生消极影响；
（3）避免了对于俯孔水力冲孔时孔底积水造成煤体泥化，堵塞瓦斯抽采通道的情况；
（4）冲击载体（空气与磨料）经济廉价，并且该方法条件要求不高，井下容易实现；
（5）解决了松软煤体瓦斯抽采（尤其是本煤层）过程中出现的瓦斯抽采率低的问题。
附图说明
图1是本发明中卸压增透设备的结构示意图；
图2是本发明中卸压增透设备中钻头的结构剖面图；
图3是本发明中卸压增透设备中喷嘴的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3 所示，高压磨料气体射流破煤卸压增透设备，该设备包括高压空气发生装置，磨料罐11和钻机15，高压空气发生装置包括空气压缩泵1、与空气压缩泵1管道4连接的储气罐6以及设在其管道4上的压力表2和卸荷阀3，储气罐6的进气口设有球阀阀门5，出气口依次设有球阀阀门7和流量计8。
储气罐6的出气口与磨料罐11的高压空气进口通过管道9相连，磨料罐11的高压磨料空气出口和储气罐6的出气口通过三通13与钻机15的进口管路相连通，钻机15的进口管路上设有密封旋转器14，磨料罐11的高压空气进口和高压磨料空气出口分别设有球阀阀门10、12。
钻机15包括钻杆16和连接在钻杆16前端的钻头17，钻头17上沿钻杆16轴向对称设有两个喷嘴24，喷嘴24与钻杆16轴向沿钻头17方向夹角为25°。
该设备还包括除尘装置，除尘装置包括可活动套接在钻杆16上的集尘罩20、设在集尘罩20下方的粉尘导管25和与粉尘导管25相连通的除尘器26，除尘器26内设有高压射水喷头22和排污口23，高压射水喷头22与高压水管21相连通。
高压磨料气体破煤过程中会产生很多煤尘，对施工环境及施工进程都会产生一定的影响，因此可以在钻孔破煤开始时就在钻孔孔口安装集尘罩20来收集粉尘，并通过粉尘导管25将粉尘送入除尘器26中，采用喷水处理的方法将粉尘污水通过排污口23排放井下水沟。
利用该设备进行高压磨料气体射流破煤卸压增透的方法，包括以下步骤：
1）采用钻机15进行钻孔，钻至预设深度；如预设深度可以为穿层钻孔煤岩交界处18（也可为顺层孔的预定深度）；
2）开启空气压缩泵1和储气罐6，将30～35MPa的高压空气输送至钻头17的喷嘴24，对钻机进行清洗；
3）开启空气压缩泵1、储气罐6和磨料罐11，将30～35MPa的高压空气与磨料进行混合后形成的高压磨料空气射流输送至钻头17的喷嘴24，对煤体进行冲蚀；
4）按预设深度继续向下推进钻杆，如预设深度可以为1～2m，并重复步骤2）和步骤3）；增加煤体19破坏范围，提高卸压增透效果；
5）重复步骤4）；进一步增加煤体破坏范围，提高卸压增透效果，直至达到卸压增透要求；达到卸压增透要求可以根据钻进过程中钻孔冲出的煤量与施工前通过计算得到的冲出煤量相当来确定。
6）停止高压磨料空气射流，采用30～35MPa的高压空气对钻机15及钻孔进行清洗后，停止钻机15和高压空气，工作结束。
该方法中还包括对步骤2）的清洗过程和步骤3）的冲蚀过程进行除尘处理，具体是指在钻孔外安装集尘罩20，将从钻孔中排出的高压空气或者高压磨料空气利用集尘罩20进行收集后采用喷水的方法进行除尘。
该方法中高压空气和高压磨料空气的喷射方向与钻机15钻进的轴线方向的夹角为25°。
卸压增透结束后，通过瓦斯抽采系统进行抽采瓦斯。