煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统及方法

摘要

本发明涉及一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统及方法，由压风降温装置、压风监控装置和主动润滑装置组成，采用压风降温装置对高温空气进行降温冷却，采用压风监控装置在定向钻进过程中实时监测供气参数，辅助判断孔内钻进工况，反馈控制压风降温装置，并进行应急处理和降噪卸载，确保孔内施工安全；采用主动润滑装置，向压风中自动添加润滑油，降低孔内定向钻具组合异常磨损，并提高孔内定向钻具组合冷却效果；由此，本发明解决了煤矿井下空气定向钻进时高温气体冷却、孔内定向钻具组合润滑和钻进异常工况监测处理等难题，降低了孔内着火、塌孔卡钻、沉渣卡钻等事故的发生几率，提高了钻进安全性，为定向钻孔施工提供了技术与装备保障。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻进技术领域，尤其涉及一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统及方法。

背景技术

我国煤层赋存条件复杂，碎软煤层分布广泛，尤其是随着采煤深度和强度逐渐提高，碎软煤层的比例越来越大。瓦斯是困扰碎软煤层矿井安全高效生产的重要因素，瓦斯抽采钻孔施工是制约碎软煤层矿井瓦斯高效治理的关键技术瓶颈。

近年来，针对碎软煤层成孔难题，我国开发了空气复合定向钻进技术与装备，即利用煤矿井下移动式矿用空压机输出的压缩空气作为定向钻进的动力介质和循环排渣介质，利用随钻测量系统进行钻孔轨迹参数的实时测量，利用压缩空气驱动孔底空气螺杆马达进行钻孔轨迹调控，一定程度上解决了碎软煤层顺层钻孔成孔难题，实现了顺煤层瓦斯抽采定向钻孔的重大突破。

但由于空气钻进的自身特性，现有技术与装备存在以下不足：①采用井下移动式矿用空压机进行供风时，空气由自由状态压缩至一定压力时，体积急剧压缩，并将大幅度升温，输出空气温度可达到80℃以上，高温气体输入孔内后可能导致孔内定向钻具组合异常损耗；②空气的冷却效果差，碎软煤层钻进时煤渣多，钻头和钻杆与岩层或煤渣摩擦生热，尤其是高温空气环境下，可能导致孔内煤炭自燃或钻具烧钻等事故，目前缺乏有效的监测和控制设备；③空气的润滑效果差，孔内定向钻具组合易磨损破坏，尤其是孔底空气螺杆马达，其使用寿命将大幅度降低。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前煤矿井下碎软煤层空气钻进存在的压缩空气温度过高、润滑冷却效果差、缺乏监测监控的不足，研究设计出一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统及方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统及方法，主要针对目前煤矿井下碎软煤层定向钻进时，压缩空气温度高、冷却效果差、存在潜在钻进风险等不足进行改进，并取得较好的技术效果。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统，包含压风降温装置、压风监控装置和主动润滑装置，其中压风降温装置用于对矿用空压机提供的高温空气进行冷却；压风监控装置用于实时监测供气参数、反馈控制压风降温装置，并进行压力空气高温应急处理和降噪卸载；主动润滑装置用于向压力空气中添加润滑介质，其特征在于：

所述压风降温装置至少包含双壁降温管，所述双壁降温管由外管和内管总成组成，所述外管的一端设置有母螺纹，另一端设置有公螺纹；所述内管总成由密封母头A、中心管、密封公头A依次采用螺纹连接组成，由此，双壁降温管通过内管总成形成内部流道，而在内管总成和外管之间形成外部流道，从而实现内外流道的压风降温；

所述主动润滑装置设置于雾化仓和孔内定向钻具组合之间，其至少包含储油罐、主动润滑组件和混合室，从而对孔内定向钻具组合提供主动润滑功能。

其中：所述双壁降温管的一端通过进风转换接头连接进风胶管和进水管，另一端通过出风转换接头连接出风胶管和出水管，所述外部流道的入口端通过进水管连通至矿井供水管路，出口端设置出水管，从而在外部流道中形成冷却水的流通，并能对内部流道的流体进行快速冷却，所述内部流道的入口端通过进风胶管连通至矿用空压机高压输风管，出口端通过出风胶管提供冷却后的高压气体。

其中：所述进风转换接头由进风口、接头体A、密封公头B依次连接组成，所述进风口连接至接头体A内的气体通道一端，所述密封公头B连接至接头体A内的气体通道另一端，所述密封公头B和接头体A之间形成液体通道，且所述接头体A的侧面设置有连通至接头体A的液体通道的进水口。

其中：出风转换接头由密封母头B、接头体B、出风口依次连接组成，所述出风口接至接头体B的气体通道一端，所述密封母头B连接至接头体B内的气体通道另一端，所述密封母头B和接头体B之间形成液体通道，且所述接头体B的侧面设置有连通至接头体B液体通道的出水口。

其中：所述压风监控装置由测压管、雾化仓、供风压力传感器、流量传感器、进风温度传感器、进风压力传感器、返风温度传感器、一氧化碳传感器、监视器主机、雾化喷嘴和降噪消音器组成，其中测压管的一端连接至压风降温装置，另一端连接至雾化仓；且所述测压管上安装有供风压力传感器，用于测量矿用空压机的供风压力；所述雾化仓上安装有流量传感器、进风温度传感器、进风压力传感器和降噪消音器，内部设置有雾化喷嘴，雾化喷嘴与矿井供水管路连接从而在雾化仓进行雾化，返风温度传感器和一氧化碳传感器安装在孔口管上；供风压力传感器、流量传感器、进风温度传感器、进风压力传感器、返风温度传感器、一氧化碳传感器均与监视器主机连接。

其中：所述主动润滑装置还包含气动换向阀、气动压力开关、气动阀门A、气动阀门B、加油仓、加油管和三通，其中储油罐、气动阀门A、加油仓、气动阀门B、加油管和混合室依次连接；气动阀门A与气动换向阀连接；气动换向阀、气动压力开关和气动阀门B依次连接；三通分别与气动换向阀、混合室和压风监控装置连接；所述气动换向阀的换向压力低于气动压力开关的启动压力；所述的混合室由高压仓、滴油管和钢丝网组成，其中滴油管一端与加油管连接，另一端的端面密封，侧面布置有密集滴油孔，高压仓内充填有钢丝网。

还公开了一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑监控方法，其包含以下步骤：

步骤一：预备步骤，将压风降温装置、压风监控装置和主动润滑装置依次连接；将压风降温装置分别与矿用空压机高压输风管、矿井输水管、孔口除尘器连接；将压风监控装置安装到位；主动润滑装置的混合室与孔内定向钻具组合连接；

步骤二：压风降温，打开压风降温装置，使压风降温装置外部流道中的冷却水流动起来，并送往孔口除尘器，进行除尘利用；开启矿用空压机，其提供的高温高压空气流入压风降温装置的内部流道，由冷却水冷却后送入压风监控装置；

步骤三：正常钻进，经冷却后的空气通过压风监控装置和主动润滑装置，添加润滑油后注入钻孔内进行定向钻进，压风监控装置实时监测矿用空压机供风参数、钻孔内进风参数和钻进后孔口返风参数；

步骤四：压风降噪卸载，钻进结束时，关闭压风监控装置，压风监控装置、主动润滑装置、孔内定向钻具组合内的压力空气由降噪消音器排出；

步骤五：钻杆连接后继续钻进，加接完钻杆后，恢复供风，继续钻进。

其中：在步骤三正常钻进中，利用主动润滑装置添加润滑油的过程如下：

分步骤一：加油仓充油，初始状态，气动阀门A和气动阀门B保持关闭；钻进开始，由矿用空压机提供的压力空气经压风降温装置、压风监控装置，进入主动润滑装置，当其压力小于气动换向阀的换向压力时，压力空气由气动换向阀流向气动阀门A并将其打开，气动阀门B保持关闭，储油罐内润滑油在重力作用下进入加油仓；当由矿用空压机提供的空气压力大于气动换向阀的换向压力时，自动换向，压力空气由气动换向阀流向气动压力开关，气动阀门A关闭，完成充油工作；

分步骤二：润滑油添加，当由矿用空压机提供的空气压力大于气动压力开关启动压力时，气动压力开关打开，压力空气进入气动阀门B，气动阀门B打开，加油仓内润滑油由加油管排出，进入混合室后由滴油管滴出，沿钢丝网向下流动，与压力空气充分混合在一起，沿混合室的出气口排出。

通过上述结构可知，本发明的煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统及方法采用压风降温装置对矿用空压机提供的高温空气进行降温冷却，采用压风监控装置在定向钻进过程中实时监测供气参数，可辅助判断孔内钻进工况，反馈控制压风降温装置，并进行应急处理和降噪卸载，确保孔内施工安全；采用主动润滑装置，向压风中自动添加润滑油，降低孔内定向钻具组合异常磨损，并提高孔内定向钻具组合冷却效果。该系统结构设计巧妙新颖，实现了主动润滑功能和压风降温功能，解决了采用中风压空气作为钻进动力介质和循环排渣介质时，高温气体冷却、孔内定向钻具组合润滑和钻进异常工况监测处理等难题，降低了孔内着火、塌孔卡钻、沉渣卡钻等事故的发生几率，提高了钻进效率和安全性，为碎软煤层顺层定向钻孔施工提供了技术与装备保障。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统的结构示意图。

图2显示了本发明双壁降温管的结构示意图。

图3显示了本发明进风转换接头的示意图。

图4显示了本发明出风转换接头的示意图。

附图标记：

进风胶管1、进风转换接头2、双壁降温管3、出风转换接头4、出风胶管5、进水管6、出水管7、调节阀8、矿用空压机高压输风管9、矿井供水管路10、孔口除尘器11、测压管12、截止阀A13、雾化仓14、供风压力传感器15、流量传感器16、进风温度传感器17、进风压力传感器18、返风温度传感器19、一氧化碳传感器20、监视器主机21、截止阀B22、截止阀C23、降噪消音器24、雾化喷嘴25、孔口管26、气动换向阀27、气动压力开关28、气动阀门A29、气动阀门B30、储油罐31、加油仓32、加油管33、混合室34、三通35、高压仓36、滴油管37、钢丝网38、孔内定向钻具组合39、外管40、密封母头A41、中心管42、密封公头A43、密封圈A44、密封圈B45、密封圈C46、挡圈A47、卡簧48、挡圈B49、进风口50、接头体A51、密封公头B52、密封母头B54、接头体B55、出风口56、出水口57

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。其中，参见图1，显示了本发明的煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统。

所述煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑系统可包含压风降温装置、压风监控装置和主动润滑装置，其中压风降温装置用于对矿用空压机提供的高温空气进行冷却；压风监控装置用于实时监测供气参数、反馈控制压风降温装置，并可进行压力空气高温应急处理和降噪卸载；主动润滑装置用于向压力空气中添加润滑介质。

参见图1，所述压风降温装置至少包含双壁降温管3，同时参见图2，所述双壁降温管3由外管40和内管总成组成，所述外管40的一端设置有母螺纹，另一端设置有公螺纹；所述内管总成由密封母头A41、中心管42、密封公头A43依次采用螺纹连接组成，由此，双壁降温管3通过内管总成形成内部流道，而在内管总成和外管40之间形成外部流道，所述外部流道的入口端通过进水管6连通至矿井供水管路10，出口端设置出水管7，从而在外部流道中形成冷却水的流通，并能对内部流道的流体进行快速冷却，其中，所述内部流道的入口端通过进风胶管1连通至矿用空压机高压输风管9，出口端通过出风胶管5提供冷却后的高压气体。

其中，所述密封母头A41和中心管42以及中心管42和密封公头43A的螺纹连接处分别设置有密封圈A44和密封圈B45以加强密封，所述密封公头A43的外周缘还可设置有密封圈C46，所述内管总成的中心管42通过一端的挡圈A47和另一端的卡簧48及挡圈B49来固定在外管40中心位置，且密封母头A41位于外管40母螺纹一侧。

优选的是，所述双壁降温管3的数量可随需要的长度和冷却的要求进行相应的调整，而当两根双壁降温管3进行连接时，相邻双壁降温管3的密封公头A43可插入密封母头A41内并实现密封，而外管40的两端同样通过螺纹进行连接，从而形成连续的内部流道和外部流道两个空间。

其中，所述双壁降温管3的一端通过进风转换接头2连接进风胶管1和进水管6，另一端通过出风转换接头4连接出风胶管5和出水管7，所述出风胶管5的另一端与压风监控装置的测压管12连接；所述出风转换接头4和出水管7之间设有调节阀8，所述出水管7的另一端与孔口除尘器11连接，以为孔口除尘器11提供除尘用水。

参见图3，所述进风转换接头2由进风口50、接头体A51、密封公头B52依次连接组成，所述进风口50通过螺纹连接至接头体A51内的气体通道一端，所述密封公头B52通过螺纹连接至接头体A51内的气体通道另一端，所述密封公头B52和接头体A51之间形成液体通道，且所述接头体A51的侧面设置有连通至接头体A51的液体通道的进水口53，且所述接头体A51的前端外缘设置有公螺纹，密封公头B的外缘设置有密封圈C46。

参见图4，出风转换接头4由密封母头B54、接头体B55、出风口56依次连接组成，所述出风口56通过螺纹连接至接头体B55内的气体通道一端，所述密封母头B54通过螺纹连接至接头体B55内的气体通道另一端，所述密封母头B54和接头体B55之间形成液体通道，且所述接头体B55的侧面设置有连通至接头体B55的液体通道的出水口57，且所述接头体B55的前端设置有母螺纹。

参见图1，所述压风监控装置由测压管12、截止阀A13、雾化仓14、供风压力传感器15、流量传感器16、进风温度传感器17、进风压力传感器18、返风温度传感器19、一氧化碳传感器20、监视器主机21、截止阀B22、截止阀C23、降噪消音器24和雾化喷嘴25等组成，其中测压管12的一端连接至出风胶管5，另一端通过截止阀A13连接至雾化仓14；且所述测压管12上安装有供风压力传感器15，用于测量矿用空压机的供风压力；所述雾化仓14上安装有流量传感器16、进风温度传感器17、进风压力传感器18、截止阀B22、截止阀C23，内部设置有雾化喷嘴25，截止阀C23的一端与雾化喷嘴25连接，另一端与矿井供水管路10连接，从而在雾化仓14内通过雾化喷嘴25实现对冷却后高压气体的雾化操作；截止阀B22与降噪消音器24连接；返风温度传感器19和一氧化碳传感器20安装在孔口管26上；供风压力传感器15、流量传感器16、进风温度传感器17、进风压力传感器18、返风温度传感器19、一氧化碳传感器20均与监视器主机21连接，监视器主机21安装在孔口钻机操纵台旁，可实时显示监测的供风压力、空气流量、进风压力、进风温度、返风温度、返风中二氧化碳浓度等参数；当某一参数超出阈值或出现异常时，进行声光报警。

参见图1，所述主动润滑装置设置于雾化仓14和孔内定向钻具组合39之间，其至少包含储油罐31、主动润滑组件和混合室34，通过向雾化仓14提供的高压空气中添加储油罐31内的润滑油，对孔内定向钻具组合39提供主动润滑功能。

其中，所述主动润滑装置还包含气动换向阀27、气动压力开关28、气动阀门A29、气动阀门B30、加油仓32、加油管33和三通35，其中储油罐31、气动阀门A29、加油仓32、气动阀门B30、加油管33和混合室34依次连接；气动阀门A29与气动换向阀27连接；气动换向阀27、气动压力开关28和气动阀门B30依次连接；三通35分别与气动换向阀27、混合室34和压风监控装置的雾化仓14连接；储油罐31上还可设置有进油口、过滤器、液位观察窗、出油口；所述气动换向阀27的换向压力低于气动压力开关28的启动压力，优选的所述气动换向阀27的换向压力为0.5MPa，气动压力开关28的启动压力为0.8MPa；气动阀门A29、气动阀门B30为常闭式结构；混合室34由高压仓36、滴油管37和钢丝网38组成，其中滴油管37设置在高压仓36的上部，其一端与加油管33连接，另一端的端面密封，侧面布置有密集滴油孔，并高压仓36充填有钢丝网38；混合室34的出气口通过高压胶管与孔内定向钻具组合39连接。

其中，本发明还涉及一种煤矿井下空气定向钻进用孔口降温润滑方法，其包含以下步骤：

步骤一：预备步骤，将各设备进行连接，具体而言，将压风降温装置、压风监控装置和主动润滑装置依次连接；将压风降温装置分别与矿用空压机高压输风管9、矿井输水管10、孔口除尘器11连接；将压风监控装置的传感器安装到位，截止阀C23通过胶管与矿井输水管10连接；主动润滑装置的混合室34通过高压胶管与孔内定向钻具组合39连接。

步骤二：压风降温。打开压风降温装置上的调节阀8，使压风降温装置外部流道内的冷却水流动起来，并送往孔口除尘器11，进行除尘利用；开启矿用空压机，其提供的高温高压空气流入压风降温装置的内部流道，由冷却水冷却后送入压风监控装置。

步骤三：正常钻进。经冷却后的压缩空气通过压风监控装置和主动润滑装置，添加润滑油后注入钻孔内进行定向钻进，压风监控装置实时监测矿用空压机供风参数(供风压力)、钻孔内进风参数(空气流量、进风压力、进风温度)、钻进后孔口返风参数(返风温度、返风中二氧化碳浓度)等参数，根据参数反映的钻进情况，进行相应的应急处理。

步骤四：压风降噪卸载。钻进结束时，关闭压风监控装置的截止阀A13，打开截止阀B22，孔口压风监控装置、自动润滑装置、孔内定向钻具组合内的压力空气由降噪消音器排出。

步骤五：钻杆连接后继续钻进。加接完钻杆后，关闭压风监控装置的截止阀B22，打开截止阀A13，恢复供风，继续钻进。

其中，在步骤三正常钻进中，利用主动润滑装置添加润滑油的过程如下：

分步骤一：加油仓32充油。初始状态，气动阀门A29和气动阀门B30保持关闭；钻进开始，由矿用空压机提供的压力空气经压风降温装置、压风监控装置，进入主动润滑装置，当其压力小于气动换向阀27的换向压力时，压力空气由气动换向阀27流向气动阀门A29并将其打开，气动阀门B30保持关闭，储油罐31内润滑油在重力作用下进入加油仓32；当由矿用空压机提供的空气压力大于气动换向阀27的换向压力时，自动换向，压力空气由气动换向阀27流向气动压力开关28，气动阀门A29关闭，完成充油工作。

分步骤二：润滑油添加。当由矿用空压机提供的空气压力大于气动压力开关28启动压力时，气动压力开关28打开，压力空气进入气动阀门B30，气动阀门B30打开，加油仓32内润滑油由加油管33排出，进入混合室34后由滴油管37滴出，沿钢丝网38向下流动，与压力空气充分混合在一起，沿混合室34的出气口排出，送入钻孔内，润滑和驱动孔内定向钻具组合39，进行定向钻孔施工。

分步骤三，装置复原。钻进结束，停止供风并消音卸载后，气动换向阀27、气动压力开关28复位，气动阀门B30恢复关闭状态，等待下次作业。

在步骤三正常钻进中，利用压风压风监控装置的实时监测进行钻进异常处理的方法为：当监测到供风压力过高或过低时，应立即停钻检查矿用空压机是否正常工作、供风管路是否泄漏。当进风温度过高时，可调整调节阀8，增大压风降温装置内冷却水流动速度，提高冷却效果。当进风压力过大或空气流量很小时，应检查钻孔内是否发生异常事故，停止钻进，加强排渣，恢复正常后再继续钻进。当返风温度过高时，应检查是否钻入岩层或孔内煤渣堆积，若钻遇岩层，应退钻开分支孔；若孔内煤渣堆积，则停止钻进，加强排渣，恢复正常后再继续钻进。当一氧化碳浓度超限时，手动开启截止阀C23，向孔内注入雾化空气进行紧急灭火。

由此，本发明采用压风降温装置对矿用空压机提供的高温空气进行降温冷却，采用压风监控装置在定向钻进过程中实时监测供气参数，辅助判断孔内钻进工况，反馈控制压风降温装置，并进行应急处理和降噪卸载，确保孔内施工安全；采用主动润滑装置，向压风中自动添加润滑油，降低孔内定向钻具组合异常磨损，并提高孔内定向钻具组合冷却效果。该系统解决了采用中风压空气作为钻进动力介质和循环排渣介质时，高温气体冷却、孔内定向钻具组合润滑和钻进异常工况监测处理等难题，降低了孔内着火、塌孔卡钻、沉渣卡钻等事故的发生几率，提高了钻进安全性，为碎软煤层顺层定向钻孔施工提供了技术与装备保障。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。