一种无源挤压式脉冲煤屑射流破煤卸压增透装置及使用方法
技术领域
本发明属于煤矿煤层卸压增透及瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种无源挤压式脉冲煤屑射流破煤卸压增透装置及使用方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤炭开采中面临的最严重的动力灾害，其严重影响着煤矿的正常生产，随着我国近年来煤矿采掘深度的逐年提升，瓦斯以高应力、高瓦斯压力和低渗透率的特征赋存于煤层之中，煤矿资源开采的难度不断增大，故而需要强化原有的煤层卸压增透及瓦斯抽采技术，目前采用的煤层卸压增透技术主要包括深孔爆破、水射流割缝、扩孔、造穴等水力化措施等技术通过增加煤层裂隙数量、释放煤层应力、改善煤层渗透性来强化瓦斯抽采效果，采用深孔爆破对煤层进行卸压增透主要利用炸药爆破时产生的应力波增加煤层裂隙数量从而提高煤层渗透性，但炸药的运输及在井下作业时存在较大危险性，不易于操作，目前最广泛利用的技术是水力化措施卸压增透，采用高压水射流对煤层进行割缝、扩孔、造穴从而对煤层卸压增加其渗透性，该技术已经发展相对成熟，但高压水射流存在压力高但冲蚀深度较浅且有较大安全隐患的问题，继而相应的发展出采用高压磨料水射流、高压脉冲水射流卸压增透技术，这些技术都克服了高压水射流冲蚀深度较浅的问题，高压磨料水射流利用磨料粒子的高速冲击提高射流破岩效率，根据磨料混合方式可分为前混合和后混合，前混式磨料水射流因水与磨料混合的更加充分，磨料加速时间更长获得能量更高，其对岩石冲击破碎效果更加明显，因此在同等条件下前混式磨料水射流冲蚀效果较好，但无论采用哪种方式，由于连续供料问题的困扰及设备的复杂程度都使其难以在井下大规模应用，此外产生的废弃磨料水及煤屑会造成水资源浪费、污染井下环境，高压脉冲水射流能有效避免水垫效应，利用水锤压力效应、高频冲击压力和高速侧向流等特点提高破岩效率，根据脉冲射流形成机理可分为挤压式、截断式、激励式，挤压式脉冲水射流由冲击活塞撞击挤压活塞而后挤压水体形成直径大、间断发射的高速射流，但目前其形成装置较为复杂，难以在现场实际应用，截断式脉冲射流由外置带孔圆盘高速旋转周期性截断连续射流而形成，其单脉冲长度及脉冲频率具有可控性但实现装置在煤矿现场也难以应用，这两种脉冲射流的实现都需要复杂的它激装置，激励式脉冲射流与前两种射流相比能形成高频脉冲射流，但压力波动幅度小，不能实现间断发射，冲蚀破碎硬岩的能力较低，故目前还没有能应用于现场的高压脉冲射流技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种无源挤压式脉冲煤屑射流破煤卸压增透装置及使用方法，该装置在煤层正常钻进时，进行煤屑收集，在退钻时不需更换钻头，利用泥浆泵对煤屑和水的混合物进行加压后形成无源挤压式脉冲煤屑射流对煤层进行冲蚀卸压，从而达到强化瓦斯抽采效果的目标。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无源挤压式脉冲煤屑射流破煤卸压增透装置，包括水箱，与水箱连接的泥浆泵与泥浆泵出口相连接的高压管路，与高压管路出口相连接的钻机，所述钻机包括钻杆，位于钻杆端部的一体化钻头，所述一体化钻头下部设有一个煤屑箱，煤屑箱底部出口处设有一个射流泵，射流泵出口与水箱联通。
进一步的，所述钻机与高压管路之间还设有一个旋转水尾。
进一步的，所述钻杆端部与岩层接触处还设有一个倾斜向上的集尘罩，所述集尘罩底部设有一个集尘管路，集尘管路出口与煤屑箱联通，所述煤屑箱底部与射流泵连接处还设有一个滤网。
进一步的，所述泥浆泵出口的高压管路上还设有一个压力表，所述水箱底部还设有一个锚式搅拌器。
进一步的，所述一体化钻头包括壳体，壳体前端设有多个截齿，位于壳体内部的T型阀芯，所述T型阀芯右侧与壳体内部之间通过上下两个弹簧连接，且所述T型阀芯的大端即左端在阀芯向前运动堵住缺口时距离壳体左侧壁的距离小于阀芯被压缩的距离，所述壳体上设有两个喷嘴，阀芯内部设有阀芯内部通道，阀芯前端设有一个锥形顶盖，所述锥形顶盖与壳体前端连接处设有一个与锥形顶盖匹配的缺口，所述缺口与壳体前端之间设有一个截齿排水通道，所述截齿排水通道在壳体前端设有多个出口，每个出口均位于截齿处。
进一步的，所述阀芯大端即左端与壳体内壁之间设有第一垫圈，阀芯小端即右端与壳体内壁之间设有第二垫圈。
一种无源挤压式脉冲煤屑射流破煤卸压增透装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）调节泥浆泵压力，使用钻机钻孔，钻至设计孔深处停钻，退钻至需冲蚀位置处；
（2）采用高压水清洗管路、钻杆及钻头，防止系统堵塞，清洗完毕后打开射流泵、锚式搅拌器使水箱内形成混合均匀的煤屑水溶液；
（3）调节泥浆泵水压大于5MPa使喷嘴通道打开，控制脉冲煤屑水射流压力为30MPa，脉冲频率200Hz，煤屑质量占比13%，供水流量在0.15m3/ min，形成的高压脉冲煤屑水流经喷嘴加速喷出对煤层进行冲蚀，冲蚀深度为1.5m，在钻孔内随着钻头旋转形成高压脉冲煤屑射流对煤体切割，在此过程中可根据需要对煤层进行割缝、扩孔、造穴等卸压措施，观察钻孔孔口出煤情况直至孔口无煤屑涌出后继续下一个位置处进行同样操作，当距离钻孔孔口2 m处时，应停止工作，以免高压水伤人，完成钻孔煤段的冲蚀后关闭泥浆泵及射流泵；
（4）重复步骤（1）-（2）中操作步骤，对下个钻孔进行相同的操作，煤层卸压增透工作结束后，将钻孔连接瓦斯抽采系统进行抽采
进一步的，所述步骤（1）中水压低于5 MPa时喷嘴通道封闭，水流只辅助截齿钻进，在此过程中关闭射流泵、锚式搅拌器，采用集尘罩及煤屑箱收集煤屑。
本发明具有的优点是：
1.本装置是采用钻孔中的煤屑作为磨料，通过泥浆泵加压形成无源挤压式高压脉冲煤屑水流，而后经过一体化钻头对煤层冲蚀从而达到卸压增透强化瓦斯抽采效果的目的；
2.采用钻孔钻进及冲蚀破煤作业产生的煤屑作为磨料对煤层进行冲蚀卸压，一方面变废为宝，使采用射流冲蚀煤层产生的固、液废物得到充分利用，减轻井下环境污染，另一方面使所需磨料可以因地制宜、就地取材、方便快捷，进一步节省瓦斯治理成本，减轻企业经济压力；
3.采用泥浆泵对煤屑水进行加压的方式，不仅能解决目前连续供料难的困扰，还能简单快速的形成不需外加它激装置即可存在的持续自由振荡的流体结构形成脉冲频率可控的无源挤压式脉冲射流，解决了现有脉冲射流产生方式应用煤矿现场困难的问题；
4.采用无源式脉冲煤屑水射流进行割缝作业可以有效的避免连续射流的水垫效应，利用水锤压力效应、高频冲击压力，高速侧向流及高速煤屑粒子的冲击作用提高射流破煤效率；
5.采用煤屑与水前混合的方式相较于后混合，水与煤屑混合更加充分均匀，煤屑粒子获得的加速过程更长，具备的能量更高，其对煤岩体的冲击破碎效果更好，此外采用煤屑作为磨料，由于其硬度低可以有效减缓对管路、钻杆的磨损；
6.采用一体化钻头进行冲蚀破煤作业时，其不用将钻杆全部退出再更换钻头，可通过调节水压启动喷嘴工作冲蚀煤层进行水利化措施对煤层卸压增透，更加节省时间、提高效率，减少钻杆磨损延长钻杆使用寿命。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明涉及的一体化钻头剖面图；
图3为本发明涉及的一体化钻头俯视图；
1：锚式搅拌器，2：水箱，3：泥浆泵，4：压力表，5：高压管路，6：旋转水尾，7：钻机，8：钻杆，9：集尘罩，10：一体化钻头，10.1：壳体，10.2：第一垫圈，10.3：阀芯，10.4：阀芯内部通道，10.5：喷嘴，10.6：弹簧，10.7：截齿，10.8：第二垫圈，10.9：截齿排水通道，11：集尘管路，12：岩层，13：煤层，14：煤屑箱，15：滤网，16射流泵。
具体实施方式
如图所示，一种无源挤压式脉冲煤屑射流破煤卸压增透装置，包括水箱2，与水箱2连接的泥浆泵3，与泥浆3出口相连接的高压管路5，与高压管路5出口相连接的钻机7，所述钻机7包括钻杆8，位于钻杆8端部的一体化钻头10，所述一体化钻头10下部设有一个煤屑箱14，煤屑箱14底部出口处设有一个射流泵16，射流泵16出口与水箱2联通，钻机7与高压管路5之间还设有一个旋转水尾，钻杆8端部与岩层12接触处还设有一个倾斜向上的集尘罩9，所述集尘罩9底部设有一个集尘管路11，集尘管路11出口与煤屑箱14联通，所述煤屑箱14底部与射流泵16连接处还设有一个滤网15；所述泥浆泵3出口的高压管路5上还设有一个压力表4，所述水箱2底部还设有一个锚式搅拌器1，所述一体化钻头10包括壳体10.1，壳体10.1前端设有多个截齿10.7，位于壳体10.1内部的T型阀芯10.3，所述T型阀芯10.3右侧与壳体10.1内部之间通过上下两个弹簧10.6连接，且所述T型阀芯10.3的大端即左端在阀芯10.3向前运动堵住缺口时距离壳体10.1左侧壁的距离小于阀芯10.3被压缩的距离，所述壳体10.1上设有两个喷嘴10.5，阀芯10.3内部设有阀芯内部通道10.4，阀芯10.3前端设有一个锥形顶盖，所述锥形顶盖与壳体10.1前端连接处设有一个与锥形顶盖匹配的缺口，所述缺口与壳体10.1前端之间设有一个截齿排水通道10.9，所述截齿排水通道10.9在壳体10.1前端设有多个出口，每个出口均位于截齿10.7处，所述阀芯10.3大端即左端与壳体10.1内壁之间设有第一垫圈10.2，阀芯10.3小端即右端与壳体10.1内壁之间设有第二垫圈10.8。
具体使用时，钻孔钻进时，关闭射流泵16及锚式搅拌器1，调节泥浆泵3压力使得流经钻杆8中的水流压力较小（低于5MPa），在一体化钻头10中水压小于弹簧压能时，在弹簧10.7的作用下，第一垫圈10.2及阀芯10.3抵紧封闭喷嘴10.5使得水流只能通过阀芯内部通道10.4经过阀芯前部锥形顶盖进入截齿排水通道10.9流向不同截齿，辅助截齿10.7破煤、破岩，在钻孔出口处设置有集尘罩9，用于收集钻孔钻进过程中产生的煤屑，煤屑经集尘管路11进入煤屑箱14，煤屑箱底部设有滤网15用以从煤屑水混合物中过滤出不同粒径大小的煤屑，一方面防止系统堵塞，另一方面可以提升射流冲蚀效果，在冲蚀作业开始时，煤屑经射流泵16加速进入水箱2中，经过锚式搅拌器1的充分搅拌和水混合均匀，由泥浆泵3加压通过其活塞的往复运动使系统中不需外加它激装置即可存在持续自由振荡的流体结构，形成无源挤压式脉冲煤屑水流，而后高压脉冲煤屑水流通过装有压力表4的高压管路5被输送至旋转水尾6，经过钻机7、钻杆8被输送至一体化钻头10中，由于此时水流压力较大，水压克服弹簧10.6的弹力推动阀芯10.3向前移动，阀芯前部梯形头伸入截齿排水通道10.9，且梯形头的锥面和第二垫圈10.8抵紧，使截齿排水通道10.9被密封，同时喷嘴10.5被打开，喷嘴为硬质合金材质的圆锥收敛型喷嘴，两枚喷嘴沿钻头径向侧壁对称设置，其连线与钻杆轴向夹角呈90°，喉部直径为3mm，高压脉冲煤屑水流经喷嘴加速形成射流冲蚀煤层卸压增透。
一种利用该装置对煤层进行冲蚀卸压包括以下步骤：
（1）调节泥浆泵压力（水压低于5 MPa时喷嘴通道封闭，水流只辅助截齿钻进），使用钻机钻孔，钻至设计孔深处停钻（在此过程中关闭射流泵、锚式搅拌器，采用集尘罩及煤屑箱收集煤屑），退钻至需冲蚀位置处；
（2）采用高压水清洗管路、钻杆及钻头，防止系统堵塞。清洗完毕后打开射流泵、锚式搅拌器使水箱内形成混合均匀的煤屑水溶液；
（3）调节泥浆泵（水压大于5MPa时喷嘴通道打开，控制脉冲煤屑水射流压力为30MPa，脉冲频率200Hz，煤屑质量占比13%，供水流量在0.15m3/ min时装置冲蚀效果最佳，冲蚀深度可达1.5m）形成的高压脉冲煤屑水流经喷嘴加速喷出对煤层进行冲蚀，在钻孔内随着钻头旋转形成高压脉冲煤屑射流对煤体切割（在此过程中，要注意轻压慢转），在此过程中可根据需要对煤层进行割缝、扩孔、造穴等卸压措施，观察钻孔孔口出煤情况直至孔口无煤屑涌出后继续下一个位置处进行同样操作，当距离钻孔孔口2 m处时，应停止工作，以免高压水伤人，完成钻孔煤段的冲蚀后关闭泥浆泵及射流泵；
（4）重复1-2中操作步骤，对下个钻孔进行相同的操作，煤层卸压增透工作结束后，将钻孔连接瓦斯抽采系统进行抽采。
