一种煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置及方法

摘要

一种煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置，包括前端割缝器和自吸装置，自吸装置由腔体、位于腔体内的喉管、位于腔体后端的进口喷嘴及端盖组成，喉管装在腔体内的前部，前端为加速腔，后端为吸入腔；进口喷嘴装在腔体内的后部，其前端出口正对喉管的后端中心，且其前端直径小于喉管后端的喇叭口的口径。腔体的壁上径向设吸入孔，通过进口喷嘴的前端出口的外周空间与喉管后端的喇叭口相同；吸入孔内安装有过滤装置。自吸装置的前端外壁上设有割缝器连接结构，与前端割缝器连接，后端连接端盖，后端设有钻杆连接端。本发明可使割缝产生的煤粒经过滤网筛选，进入自吸装置内部，充分混合后从径向喷嘴喷出，形成后混合式磨料射流，增加水力切槽的深度和宽度，并可切割坚硬煤体及矸石，割缝效果显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下水力割缝技术，具体涉及自吸式磨料射流发生技术。

背景技术

瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯灾害最有效的方法之一，“先抽后采”是我国瓦斯治理方针。但是目前我国大多数矿井属于低透气性煤层，瓦斯抽采率低，不能满足日益增长的开采要求，严重制约了矿井采掘生产工作。煤矿井下水力割缝通过高压水射流在抽采钻孔煤层范围内定点径向切割或煤层范围内上、下来回切割，通过切割后在钻孔周围形成一条具有深度扁平缝槽，利用水流将切割下来的煤渣带出孔外，从而增加煤体的暴露面积，且扁平的缝槽相当于局部范围内开采了保护层，使抽采钻孔附近煤体局部卸压，增大煤层透气性，从而增加瓦斯抽采率。

为了进一步增加割缝能力，提高割缝效果，需在原有纯水射流中加入磨料，形成磨料射流。相比于纯水射流，磨料射流对煤体切割能力强，卸压面积大，增透效果明显，导致抽采率高于纯水射流。特别是遇到硬煤层时，纯水射流无法实施有效切割，致使水力割缝失效。目前，煤矿井下采用的前混合磨料射流技术无法实现磨料的连续添加，导致施工工艺复杂，影响施工进度。后混合磨料射流是依靠引射原理，将磨料直接吸入喷嘴后端的混合腔，并经磨料喷嘴喷出形成磨料射流。现有的后混合磨料射流装置所用磨料为磨料进给系统提供，并要求磨料进给系统位于磨料喷嘴处，但由于割缝器需通过钻孔到达煤层，其尺寸大小相对固定，无法增加磨料进给系统，因此现有后混合磨料射流装置无法在煤矿井下水力割缝中得到应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点，提供一种煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置，解决现有纯水射流割缝能力不足，割缝效果较差的问题。同时改进磨料加入工艺，实现磨料的连续添加，且操作简便。

本发明通过以下技术方案实现其发明目的：

一种煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置，包括前端割缝器和自吸装置。所述自吸装置为前后贯通结构，由腔体、喉管、进口喷嘴及端盖组成。

所述喉管装在腔体内的前部，前端管径小，为加速腔，后端管径呈喇叭形放大，为吸入腔；所述进口喷嘴装在腔体内的后部，其前端出口正对喉管的后端中心，且其前端直径小于喉管后端的喇叭口的口径。

所述腔体的壁上径向设有至少两个吸入孔，所述吸入孔的位置与进口喷嘴的前端外周相对，即它的位置在喉管与进口喷嘴的临界区域并偏向于进口喷嘴，吸入孔通过进口喷嘴的前端出口的外周空间与喉管后端的喇叭口相同；所述吸入孔内安装有过滤装置。

所述自吸装置的前端外壁上设有割缝器连接结构，与前端割缝器连接，后端连接端盖，所述端盖也为前后贯通结构，后端设有钻杆连接端。

采用以上自吸式磨料射流发生装置进行煤矿井下水力割缝的方法如下：

1、增加泵压，当水压达到换向阀芯阈值时，换向阀芯上的径向通水孔开启，将径向喷嘴与割缝器连通，割缝器进入工作状态。

2、水力割缝时产生的煤块经破碎刀片的破碎，变为煤粒及煤粉，并随水流向外流动，成为本发明使用磨料的来源。

3、进行水力割缝时，高压水经过进口喷嘴形成射流，利用射流的卷吸作用在吸入腔的中心两侧区域形成低压区，在该低压区的作用下，粒径较小的煤粒通过滤网的筛选被吸入工具内部，通过加速腔的加速，煤粒与主射流充分混合。混合后的流体进入割缝器，经径向喷嘴形成磨料射流。

本发明涉及在高瓦斯突出矿井中，钻进瓦斯抽采孔时利用高压水射流割缝增加煤体暴露面积，提高煤层透气性，增加瓦斯抽采率的技术。其与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1.由于增加了自吸装置，进行水力割缝时，直接使用割缝产生的煤粒作为磨料，实现了磨料的连续添加，自吸装置结构简单，设计合理，阻力损失小。

2.在原有纯水射流的基础上，引入磨料射流，使割缝器破煤能力更强，进而使水力割缝卸压范围增大，瓦斯抽采率显著提高。

3.可根据不同煤质，选用不同直径的喉管及进口喷嘴，达到自吸装置的最适工况，使割缝效果最佳。

可见，相比现有技术装备，可见优势明显，其解决了现有煤矿井下水力割缝技术连续加磨料困难，只能采用纯水切割，导致切割深度浅，卸压影响范围小，增加钻孔施工量，瓦斯抽采量和浓度低等问题，可使水力割缝技术在煤层瓦斯抽采领域得到更广泛的推广。

附图说明

图1是用于煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置轴向剖面图；

图2是前端割缝器轴向剖面图；

图3是自吸装置轴向剖面图；

在图1至图3中：1—前端割缝器；2—自吸装置；3—钻杆；1-1—合金喷嘴；1-2—破碎刀片；1-3—换向阀芯；2-1—割缝器连接端；2-2—喉管；2-3—腔体；2-4—密封圈；2-5—吸入孔；2-6—进口喷嘴；2-7—密封圈；2-8—端盖；2-9—钻杆连接端；2-10—加速腔；2-11—吸入腔；2-12—滤网；2-13—垫圈；2-14—紧固螺栓。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

结合图1至图3，现对本用于煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置的实施方式进行说明：

本煤矿井下水力割缝自吸式磨料射流发生装置包括有前端割缝器1和自吸装置2。

结合图2可见，前端割缝器1为前后贯通的中空结构，径向装有径向喷嘴1-1，为射流发生装置，割缝器的尾部外周有破碎刀片1-2，用以破碎煤块，割缝器中部装有换向阀芯1-3，当水压达到换向阀芯阈值时，换向阀芯上的径向通水孔开启，将径向喷嘴与割缝器连通，割缝器进入工作状态。

结合图3可见，自吸装置2为前后贯通结构，由腔体2-3、位于腔体内的喉管2-2、位于腔体后端的进口喷嘴2-6及端盖2-8组成。腔体中部的壁上径向设有两个吸入孔2-5，腔体前端设有割缝器连接端2-1，后端连接端盖。喉管2-2及进口喷嘴2-6均位于腔体2-3内部，并与腔体活动连接，可跟换以调节煤粒吸入量，喉管分为吸入腔2-11和加速腔2-10，前端管径小，为加速腔2-10，后端管径呈喇叭形放大，为吸入腔2-11。进口喷嘴2-6装在腔体2-3内的后部，其前端出口正对喉管2-2的后端中心，且前端直径小于喉管2-2后端的喇叭口的口径。腔体上的吸入孔2-5的位置与进口喷嘴2-6的前端外周相对，吸入孔2-5通过进口喷嘴2-6的前端出口的外周空间与喉管2-2后端的喇叭口相通。滤网2-12安装在吸入孔2-5的台阶上，通过紧固螺栓2-14和垫圈2-13固定。端盖2-8后端设有钻杆连接端2-9。腔体2-3与喉管2-2之间安装有密封圈2-4。端盖2-8与进口喷嘴2-6之间也安装有密封圈2-7。

本装置采用的喉管、进口喷嘴一般可以配备不同直径的多个，可更换，以根据使用需要调节磨料吸入量。

本发明实施例的安装过程：

根据带割缝煤层煤质，选择适当直径配比的喉管2-2及进口喷嘴2-6，使自吸装置2达到最适工况。

自吸装置2在组装的时候，首先要对工具的各个配合表面进行清洗并涂擦适量黄油，确定润滑后组装。整个安装过程要在一个相对清洁的环境中进行，以防止有杂物在装配过程中黏附于工具上。参见图3，依次将喉管2-2及进口喷嘴2-6推入腔体2-3中，上紧端盖2-8。吸入孔2-5内安装滤网2-12，并通过垫圈2-13及紧固螺栓2-14固定。

参见图1，依次将前端割缝器1、自吸装置2及钻杆3连接起来，连接段安装密封圈，防止漏水。

本发明工作过程：

用钻机在煤层中施工好钻孔，要求孔径大于割缝时钻杆直径。参见图1，实施水力割缝施工时，依次将前端割缝器1、自吸装置2及钻杆3连接起来，连接处安装密封圈，防止漏水。不开水泵，通过钻机将割缝器1送入指定割缝地点。

开启高压水泵，调节溢流阀，控制泵压缓慢上升，当水压达到换向阀芯1-3阈值时，换向阀芯上的径向通水孔开启，将径向喷嘴1-1与割缝器1连通，割缝器进入工作状态。

水力割缝时产生的煤块经破碎刀片1-2的破碎，变为煤粒及煤粉，并随水流向外流动，成为本装置使用磨料的来源。

进行水力割缝时，高压水经过进口喷嘴2-6形成射流，利用射流的卷吸作用在吸入腔2-11的中心两侧区域形成低压区，在该低压区的作用下，粒径较小的煤粒通过滤网2-12的筛选被吸入工具内部，通过加速腔2-10的加速，煤粒与主射流充分混合。混合后的流体进入割缝器1，经径向喷嘴1-1形成磨料射流，有效提高射流切割性能，割缝效果显著提高。