一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种热冷冲击三级破煤装置，包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵、空气加热管、水冷管、液氮降温管及喷射钻头，承载底座下表面与行走机构连接，液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵均通过滑轨安装在承载底座上表面并与承载底座上表面滑动连接；其实施方法包括预制钻孔，破煤组预制，冲击破煤作业及钻孔密封等四步。本发明专利技术一方面提高了钻孔钻探作业的工作效率和钻孔增透质量，降低瓦斯抽采成本，另一方面提高了瓦斯抽采作业安全性和可靠性的目的。

Thermal cold impact three stage coal breaking device and implementing method thereof

The invention relates to a hot and cold shock three level coal breaking device, which comprises a bearing base, walking mechanism, liquid nitrogen storing cylinders, vortex tube, air storage tank, heat exchanger, hot air blower, jet pump, jet fan, booster pump, liquid nitrogen air heating pipe, water pipe, liquid nitrogen cooling pipe and jet bit. Bearing and walking mechanism is connected with the surface of the base, liquid nitrogen storage cylinders, vortex tube, air storage tank, heat exchanger, hot air blower, jet pump, jet fan, liquid nitrogen booster pump through rail on the top surface of the base and the bearing and bearing base surface sliding connection; implementation methods including pre drilling, broken coal group prefabricated impact coal breaking operation and borehole sealing four steps. On the one hand, the invention improves the work efficiency of drilling and drilling operations, improves the quality of drilling and the penetration, reduces the cost of gas extraction, on the other hand, improves the safety and reliability of gas extraction operation.

【技术实现步骤摘要】
一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法
本专利技术涉及一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法，属瓦斯抽采

技术介绍
我国矿井瓦斯抽采作业时，均是首先通过传统的机械式钻探设备在煤层壁上开始钻孔，然后通过压裂增透装置对钻孔进行增透压裂作业，提高钻孔内壁裂缝数量，增加钻孔透气性，然后对钻孔进行密封并进行瓦斯抽采作业，虽然这种作业方式可以满足对瓦斯抽采作业的需要，但在实际工作中发现，由于用于瓦斯抽采作业的钻孔往往均较长，因此传统的机械式钻探设备在运行过程中极易发生钻头、钻杆在钻孔卡钻现象和钻杆同轴度受到影响而导致钻杆断裂，严重时还会出现钻孔内壁应力分布不均匀而发生钻孔内壁坍塌等现象，因此导致瓦斯抽采钻孔钻探作业的工作效率低下，设备故障率高，同时传统的机械式钻探设备在钻探作业时，易产生大量的粉尘、碎屑及废水等污染物，从而导致作业现场环境恶劣，同时也极大增加了瓦斯和煤层突出风险，除此之外，当前在经过机械式钻探设备完成钻孔钻探后，还需要进行压裂增透装置对钻孔进行压裂增透处理，从而也进一步增加了钻孔压裂作业的难度，并降低了钻孔压裂作业的工作效率，因此针对这一问题，迫切需要开发一种全新的瓦斯抽采钻孔钻探设备及使用方法，以满足实际使用的需要。
技术实现思路
针对现有技术上存在的不足，本专利技术提供一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法及其使用方法及其使用方法。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种热冷冲击三级破煤装置，包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵、空气加热管、水冷管、液氮降温管及喷射钻头，承载底座下表面与行走机构连接，且行走机构环绕承载底座轴线分布，液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵均通过滑轨安装在承载底座上表面并与承载底座上表面滑动连接，其中空气涡流管进气端通过热风机与外部空气连通，空气涡流管高温出气口通过热风机与射流风机连通，空气涡流管低温出气口通过换热器与存水罐相互连通，换热器至少一个，嵌于存水罐内表面并环绕存水罐轴线均布，存水罐为密闭腔体结构，存水罐上设至少一个泄压口、至少一个出水口和一个注水口，其中出水口通过导流管与射流泵相互连通，液氮储存钢瓶至少一个，并与液氮增压泵相互连通，射流泵通过保温软管与水冷管相互连通，射流风机通过保温软管与空气加热管相互连通，液氮增压泵通过保温软管与液氮降温管相互连通，空气加热管、水冷管及液氮降温管均若干个，且每一条空气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个破煤组，且破煤组内的空气加热管、水冷管及液氮降温管间通过至少两个卡箍连接，喷射钻头安装在液氮降温管前端面并液氮降温管相互连通且同轴分布，空气加热管和水冷管以液氮降温管轴线对称分布在液氮降温管两侧进一步的，所述的滑轨与承载底座上表面通过转台机构铰接。进一步的，所述的射流泵、射流风机、液氮增压泵分别通过分流管与各空气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通。进一步的，所述的液氮储存钢瓶另通过导流支管分别与换热器和存水罐相互连通，所述的导流支管与液氮储存钢瓶、换热器和存水罐连接位置处设控制阀。进一步的，所述的空气加热管、水冷管前端均设至少一个射流喷头，且所述的射流喷头轴线与空气加热管、水冷管轴向呈0°—90°夹角，其中所述的水冷管通过至少一条导流支管与喷射钻头相互连通，且所述的水冷管与喷射钻头间的导流支管上至少一个单向阀。进一步的，所述的破煤组中的空气加热管、水冷管及液氮降温管间分布在同一平面内，或空气加热管、水冷管及液氮降温管间以三角形结构分布，且相邻两根管体的轴线相互平行分布。进一步的，所述的存水罐内表面上均布若干半导体制冷装置，且各半导体制冷装置间均环绕存水罐轴线均布。一种热冷冲击三级破煤装置的破煤冲击实施方法，其包括如下步骤：第一步，预制钻孔，首先根据设计及开采作业的需要，在煤层上开设若干短程钻孔，所开设的钻孔轴线与煤层外表面垂直分布，相邻两钻孔间间距为2—8米，且各钻孔间呈阵列结构分布，且所开始钻孔23深度为钻孔设计深度的1/15—1/10；第二步，冲击破煤组预制，在完成第一步的操作后，将各破煤组分别与射流泵、射流风机、液氮增压泵相互连接，然后将破煤组深入到钻孔内，由弹性密封堵头对破煤组前端定位并对钻孔进行密封，使破煤组与钻孔同轴分布，并使钻孔内部构成密闭空间结构；第三步，冲击破煤作业，在完成第二步作业后，首先启动空气涡流管、热风机、射流风机运行，首先由热风机对周围空气预热干燥和增压，并将经过预热干燥后的空气通过空气涡流管进行处理，同时获得90℃—110℃高温气体和0℃—-40℃的低温气体两部分气流，然后将其中的高温气体再次通过热风机加热至400℃—600℃，然后由射流风机增压到30MPa—50MPa并喷射到钻孔中，对煤体进行第一次高温高压气体射流破煤，在钻孔内壁温度达到350℃—450℃，钻孔内气压为25MPa—35MPa后，保温保压3—10分钟，然后将钻孔内的高温空气排出，并在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时，由射流泵将存水罐内经过冷却，温度达到-10℃—10℃的冷却水喷射到钻孔内壁上，其中冷却水的喷射压力为10—30MPa，喷射时间为1—10分钟，喷射流量为8—20L/min，利用高压低温水对煤体进行第二次射流破煤，然后将钻孔内的冷却水排出，通过液氮增压泵将液氮储存钢瓶内的液氮调压至10MPa—20MPa后，通过液氮降温管喷淋到钻孔内壁上，并持续喷淋3—8分钟，利用水的冻胀作用对煤体进行第三次破煤，然后将钻孔内的氮气排出，在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时即可完成一次冲击破煤作业，在完成一次冲击破煤作业后若钻孔深度未达到设定要求，则再次循环重复冲击破煤作业直至钻孔达到设计深度要求；第四步，钻孔密封，在完成第三步作业后，通过位于钻孔23内的破煤组从钻孔中取出，然后由钻孔密封设备对钻孔23进行密封以备后续瓦斯抽采作业即可。进一步的，所述的第一步中，在进行钻孔开设时，各钻孔间以矩形整列或环形阵列结构排布。进一步的，所述的第三步中，存水罐在对冷却水降温时，一方面通过空气涡流管产生的0℃—-40℃的低温气体通过换热器对存水罐内的冷却水进行降温，另一方面由液氮储存钢瓶内的液氮分别通过换热器对冷却水间接降温，和直接通入到存水罐内，对冷却水进行直接增压降温。本专利技术设备结构及实施方法简单灵活，运行成本低廉，一方面有效克服传统的机械钻探设备易导致的钻探设备故障和钻孔坍塌风险，并在钻孔钻探作业同时完成了对钻孔压裂增透作业，另一方面还同时克服了传统压裂增透设备作业时易出现增透能力弱、增透作业后期易发生瓦斯突出等弊端，综合利用射流破煤与机械破煤优点，避免单一机械破煤造成的煤岩应力失稳，造成瓦斯煤岩突出危害，同时有效抑制煤尘的产生扩散，起到改善作业环境作用。除此以外，采用新型的液氮高压旋转喷射的方法对煤体进行充分冷冻，有效弥补了单一液氮入注冷冻煤体不够深入、气化过程过快的缺点,以上陈述专利技术特点极大的提高了瓦斯抽采钻孔钻探及处理作业的工作效率和可靠性，降低了钻探成本和瓦斯突出风险。附图说明下面结合附图和具体实施方式来详细说明本专利技术；图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术钻孔内部结构意图；图3为本专利技术使用方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的热冷冲击三级破煤装置包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵、空气加热管、水冷管、液氮降温管及喷射钻头，所述的承载底座下表面与行走机构连接，且所述的行走机构环绕承载底座轴线分布，所述的液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵均通过滑轨安装在承载底座上表面并与承载底座上表面滑动连接，其中所述的空气涡流管进气端通过热风机与外部空气连通，空气涡流管高温出气口通过热风机与射流风机连通，所述的空气涡流管低温出气口通过换热器与存水罐相互连通，所述的换热器至少一个，嵌于存水罐内表面并环绕存水罐轴线均布，所述的存水罐为密闭腔体结构，存水罐上设至少一个泄压口、至少一个出水口和一个注水口，其中所述的出水口通过导流管与射流泵相互连通，所述的液氮储存钢瓶至少一个，并与液氮增压泵相互连通，所述的射流泵通过保温软管与水冷管相互连通，所述的射流风机通过保温软管与空气加热管相互连通，所述的液氮增压泵通过保温软管与液氮降温管相互连通，所述的空气加热管、水冷管及液氮降温管均若干个，且每一条空气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个破煤组，且破煤组内的空气加热管、水冷管及液氮降温管间通过至少两个卡箍连接，所述的喷射钻头安装在液氮降温管前端面并液氮降温管相互连通且同轴分布，所述的空气加热管和水冷管以液氮降温管轴线对称分布在液氮降温管两侧。...

【技术特征摘要】
1.一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的热冷冲击三级破煤装置包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵、空气加热管、水冷管、液氮降温管及喷射钻头，所述的承载底座下表面与行走机构连接，且所述的行走机构环绕承载底座轴线分布，所述的液氮储存钢瓶、空气涡流管、存水罐、换热器、热风机、射流泵、射流风机、液氮增压泵均通过滑轨安装在承载底座上表面并与承载底座上表面滑动连接，其中所述的空气涡流管进气端通过热风机与外部空气连通，空气涡流管高温出气口通过热风机与射流风机连通，所述的空气涡流管低温出气口通过换热器与存水罐相互连通，所述的换热器至少一个，嵌于存水罐内表面并环绕存水罐轴线均布，所述的存水罐为密闭腔体结构，存水罐上设至少一个泄压口、至少一个出水口和一个注水口，其中所述的出水口通过导流管与射流泵相互连通，所述的液氮储存钢瓶至少一个，并与液氮增压泵相互连通，所述的射流泵通过保温软管与水冷管相互连通，所述的射流风机通过保温软管与空气加热管相互连通，所述的液氮增压泵通过保温软管与液氮降温管相互连通，所述的空气加热管、水冷管及液氮降温管均若干个，且每一条空气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个破煤组，且破煤组内的空气加热管、水冷管及液氮降温管间通过至少两个卡箍连接，所述的喷射钻头安装在液氮降温管前端面并液氮降温管相互连通且同轴分布，所述的空气加热管和水冷管以液氮降温管轴线对称分布在液氮降温管两侧。2.根据权利要求1所述的一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的滑轨与承载底座上表面通过转台机构铰接。3.根据权利要求1所述的一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的射流泵、射流风机、液氮增压泵分别通过分流管与各空气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通。4.根据权利要求1所述的一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的液氮储存钢瓶另通过导流支管分别与换热器和存水罐相互连通，所述的导流支管与液氮储存钢瓶、换热器和存水罐连接位置处设控制阀。5.根据权利要求1所述的一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的空气加热管、水冷管前端均设至少一个射流喷头，且所述的射流喷头轴线与空气加热管、水冷管轴向呈0°—90°夹角，其中所述的水冷管通过至少一条导流支管与喷射钻头相互连通，且所述的水冷管与喷射钻头间的导流支管上至少一个单向阀。6.根据权利要求1所述的一种热冷冲击三级破煤装置，其特征在于：所述的破煤组中的空气加热管、水冷管及液氮降温管间分布在同一平面内，或空气加热管、水冷管及液氮降温管间以三角形结构分布，且相邻两根管体的轴线相互平行分布。7.根据权利要求1所述的一种热冷冲击三级破煤装置与实施方法，其特征在于：所述的存水罐内...

【专利技术属性】
技术研发人员：王登科，魏建平，姚邦华，李波，左伟芹，李文睿，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41