技术领域
[0001] 本
发明属于
煤矿瓦斯抽采用钻孔修复技术领域，具体涉及一种井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复装置及方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着矿井开采深度的增加，瓦斯抽采条件趋于复杂，如在高地应
力、围岩裂隙发育地带及松软
煤层中进行瓦斯抽采时，受地
应力及外力扰动，钻孔中经常出现塌孔、堵孔等现象，导致瓦斯抽采通道堵塞，极大降低了瓦斯抽采流量及浓度。针对这一问题，常用的方法是用钻机按照原钻孔参数进行重新钻孔。这种方法不仅耗时、成本高，而且受施工条件及设备能力限制，二次钻孔实际参数与原钻孔参数相差较大，容易造成串孔，增大瓦斯抽采难度。除此之外，采用
负压吸出钻孔中煤渣、岩屑，该方法仅适用于颗粒较小的散落煤渣，无法排出塌孔造成的大
块煤渣、岩块及煤泥。如何清除钻孔中岩屑、煤渣，恢复钻孔抽采能力，是保证钻孔高效使用、瓦斯高效抽采的前提。
[0003] 钻孔修复技术可以延长钻孔使用寿命，提高钻孔有效抽采的
质量，具有广泛的应用前景。但失效钻孔的修复一直都是世界性的技术难题,相关学者针对这一问题开展了较多研究。
专利号为CN201420843765.7的专利公开了“一种井下煤层瓦斯抽采钻孔修复装置”以及专利号为CN201210489910.1的专利公开了一种“煤矿井下钻孔的钻进、增透、修复与气驱置换综合方法”上述两种专利都是基于
水力化措施修复失效钻孔。研究表明，尤其在顺层钻孔中采用水力化措施，不利于钻孔的
稳定性，钻孔在蠕变应力的作用下会继续出现垮孔等现象。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。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
[0004] 本发明旨在提供一种使用效果好的井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复装置及方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复装置，包括高压气体部、
钻头以及软管；钻头包括壳体以及自壳体首端至末端依次设置的相连通的进
风口、引射
喷嘴、混合腔、旋转体以及前置喷嘴，旋转体内设置有旋转腔，高压气体部与进风口通过软管连通；壳体首端还设置有与进风口连通的后置喷嘴，后置喷嘴中喷出的气流的方向与前置喷嘴中喷出的气流的方向相反；壳体
侧壁贯穿设置有与混合腔连通的吸入通道；旋转腔中设置有
叶轮，旋转体外壁上分布有至少3个切齿。
[0006] 壳体外套设有前端封闭、末端开口的
煤粉导流套筒，煤粉导流套筒下部设置有煤渣、煤粉出口，煤渣、煤粉出口上设置有朝向煤粉导流套筒外侧的
雾化喷嘴。
[0007] 叶轮后部设置有沿壳体长度方向设置的气流平衡腔。
[0008] 后置喷嘴和前置喷嘴进口的内径均逐渐变小，出口的内径均逐渐变大；引射喷嘴的内径自进口至出口逐渐变小。
[0009] 高压气体部包括空压机和与空压机的出口连接的气瓶，气瓶的出口通过软管连接钻头上的进风口。
[0010] 高压气体部还包括
绞盘和带动绞盘转动的动力装置，软管包括静软管和与静软管通过旋转密封器连接的动软管；动软管绕设于绞盘上；静软管连接气瓶的出口，动软管的末端连接钻头的进风口。
[0011] 钻头前方固设有软管
定位圈，动软管穿设于软管定位圈中。
[0012] 一种上述装置进行的井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复方法，依次包括如下步骤：
[0013] 1)制备高压气体，制备出的高压气体的压力为5 25Mpa；~
[0014] 2)高压气体进入钻头的进风口，一部分高压气体通过后置喷嘴从钻头中喷出；另外一部分高压气体进入引射喷嘴；
[0015] 3)高压气体从引射喷嘴喷出，吸入通道在高压气体引流下将煤粉吸入到混合腔中，吸入通道中吸入的煤粉的流量为0.01～0.02kg/s；
[0016] 4)叶轮在高压气体和煤粉作用下转动，叶轮带动旋转体和切齿旋转；
[0017] 5)高压气体带动煤粉穿过叶轮后从前置喷嘴喷出；
[0018] 6)作业完成，停止高压气体的制备，钻头复位。
[0019] 步骤2）中高压气体在后置喷嘴中的路径先逐渐变小，后逐渐变大；步骤2）中高压气体在引射喷嘴中的路径逐渐变小；步骤5）中高压气体和煤粉在前置喷嘴中的路径先逐渐变小，后逐渐变大。
[0020] 步骤5）中高压气体和煤粉的混合气流经过叶轮后通过直线型的气流平衡腔进入前置喷嘴。
[0021] 通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、所述的装置结构简单，设置合理，可以高效完成失效钻孔的修复；其可以连续吸入煤粉，保证了磨料的连续添加，实现磨料气体射流，使得破煤能力更强，可以完成塌落煤块的
破碎；设置的后置喷嘴可以实现钻头的自行进；而切齿可以实现煤块的
粉碎，进而提高钻孔的修复效果。2、壳体外套设有煤粉导流套筒，通过煤粉导流套筒实现了煤粉煤渣的排出；设置的雾化喷嘴可以通过雾化水避免煤粉随意飘散，提高工作环境。3、叶轮后部设置有沿壳体长度方向设置的气流平衡腔，从而使得流经叶轮的气流趋于稳定。4、后置喷嘴和前置喷嘴进口的内径均逐渐变小，出口的内径均逐渐变大；引射喷嘴的内径自进口至出口逐渐变小；进而提高后置喷嘴喷出的气流的速度；前置喷嘴和引射喷嘴相互作用，提高从前置喷嘴喷出的气流的速度，进而高压气体和煤粉混合物的作用效果。5、高压气体部还包括绞盘和带动绞盘转动的动力装置，软管包括静软管和与静软管通过旋转密封器连接的动软管，从而避免了钻头的行进对软管的影响。6、钻头前方固设有软管定位圈，动软管穿设于软管定位圈中，保证软管的出口和钻孔在同一水平线。7、本发明所述的方法实现了煤粉的连续吸入，保证了磨料的连续添加，实现磨料气体射流，高效完成钻孔的修复工作，提高钻孔修复工作效果。8、步骤5）中高压气体和煤粉的混合气流经过叶轮后通过直线型的气流平衡腔进入前置喷嘴，使经过叶轮的磨料气体趋于稳定，从而提高前置喷嘴喷出的气流的作用效果。9、步骤3）中吸入通道中吸入的煤粉的流量为0.01～0.02kg/s，在实施的时候，当煤粉流量过高时，影响喷嘴对煤粉的
加速，使冲蚀效果较差；煤粉流量较低时，煤粉可以充分加速，但整体
能量较低，影响破煤效果；软管中高压气体压力为5～20Mpa，从而在保证压力的同时，保证修复效果。
附图说明
[0022] 图1为本发明所述装置结构示意图；
[0023] 图2为钻头结构示意图；
具体实施方式
[0025] 一种井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复装置，如图1所示，包括高压气体部，高压气体部用于产生高压气体。
[0026] 其中，高压气体部包括高压气体部包括空压机1和至少1个气瓶3，本
实施例中气瓶3的数量为3个。空压机1的出口连接各个气瓶3的入口，从而使得空压机中的气体进入到气瓶中。为了便于气体的控制，在气瓶3的入口和出口上均设置有
阀门2，通过阀门2的开启或关闭方便气体传输的控制过程。同时，在气瓶3的出口上连接有软管，软管上设置有压力表
4，通过压力表4可以得知软管中的气体的压力，通过对气体参数的监测，可以及时对整个工作过程做出调整，保证其高效的工作状态。
[0027] 软管包括静软管31，静软管31与气瓶3的出气口连接。静软管31的末端连接有动软管32，在静软管31和动软管32之间连接有旋转密封器6，旋转密封器6实现了动软管和静软管的连接，为成熟的
现有技术。
[0028] 动软管32绕设在绞盘5上，在绞盘5上传动连接有动力装置7，动力装置7实现了绞盘的转动，从而实现动软管32的收放。在实施的时候，动力装置可以选用
液压马达。
[0029] 在绞盘5后方设置有
支架12，支架12顶部固设有软管定位圈8，动软管32穿设于软管定位圈8中，从而通过软管定位圈8实现对动软管的定位，保证钻头的行进方向。
[0030] 在软管定位圈8的后方设置有钻头11，钻头11如图2所示，包括壳体14，在壳体14的前端设置有进风口15，进风口15的中心线与壳体长度方向上的中心线重合进风口15与动软管32的末端连接，从而动软管32出来的高压气体可以通过进风口15进入到壳体14中。
[0031] 在进风口15后部设置有进风腔20，从进风口15进入的高压气体可以进入到进风腔20中。在进风腔20的末端上有3条路径可以使得高压气体通过。进风腔20末端的3条路径，其中两条连接出风腔19，出风腔19中的气流方向与进风腔20中的气流方向相反。两个出风腔
19相对于进风腔20对称设置，从而保证气流平衡。
[0032] 进风腔20和出风腔19之间通过弧形过渡面21连接，从而保证气流的稳定性。在两个出风腔19的末端分别连接有后置喷嘴16，两个后置喷嘴16相对于进风口15对称设置，后置喷嘴中喷出的气流的方向与前置喷嘴中喷出的气流的方向相反，从而通过气体从后置喷嘴中喷出，给壳体14的行进带来动力。另外，后置喷嘴16通过端盖17固定在壳体14上，同时在壳体14与后置喷嘴16之间设置有
密封圈18，从而通过密封圈18保证后置喷嘴和壳体14之间的密封。
[0033] 其中，后置喷嘴和前置喷嘴进口的内径均逐渐变小，出口的内径均逐渐变大，从而对气流进行加速，提高气流的作用效果。
[0034] 进风腔20末端的3条路径中，剩下的一条连接引射喷嘴22，引射喷嘴22也通过密封圈18与壳体14实现密封连接。其中，引射喷嘴22的内径自进口至出口逐渐变小，保证气体流经此引射喷嘴可以获得较高速度，产生负压，使煤粉由吸入通道进入混合腔从而增大气流压力，提高气流速度。同时，该引射喷嘴可以与前置喷嘴相配合，保证煤粉和高压气体的混合气流经前置喷嘴可以获得超音速，使磨料加速至更高速度，获得较大的破煤冲击力，进而对孔内的煤块进行破碎。
[0035] 在引射喷嘴22的后部设置有混合腔26，混合腔26的侧壁上贯穿设置有吸入通道24，吸入通道24沿壳体14的径向设置。在吸入通道24的末端设置有筛网25，通过筛网可以对吸入到混合腔26中的煤粉进行过滤，防止大的煤块也被吸入到混合腔26中。
[0036] 在混合腔26的末端设置有旋转体27，旋转体27通过
轴承31与壳体1连接，从而保证旋转体27转动过程中的稳定性。其中旋转体27内设置有旋转腔28，旋转腔28中设置有叶轮29，旋转体27外壁上设置有切齿30，切齿30可以破碎钻孔内的煤块，保证清孔效果。其中，切齿30的数量至少为3个，本实施例中切齿的数量选择为3个，切齿形状为顶端呈刃状的长方体。
[0037] 在叶轮29的后部连接有沿壳体长度方向设置的气流平衡腔23，设置的气流平衡腔23可以使经过叶轮的混合气流趋于稳定，提高混合气流的作用效果。
[0038] 在气流平衡腔23的末端设置有前置喷嘴32，前置喷嘴32同后置喷嘴一样，也通过端盖与壳体连接，同时在前置喷嘴和壳体之间设置密封圈实现两者连接处的密封。
[0039] 另外，为了提高作用效果，在钻头11的壳体外套设有煤粉导流套筒10，煤粉导流套筒用于实现煤渣、煤粉的排出。在煤粉导流套筒的下部设置有煤渣、煤粉出口13，钻孔中的煤渣、煤粉通过煤渣、煤粉出口13排出。在煤渣、煤粉出口13上设置有朝向煤粉导流套筒10外侧的雾化喷嘴9，在使用的时候雾化喷嘴9连接水源，从而在煤粉出口13处形成雾化水，进而使得煤粉、煤渣的喷雾除尘，提高工作环境。
[0040] 在本实施例中，因为前置喷嘴和后置喷嘴均通过端盖与壳体连接，故前置喷嘴及后置喷嘴都可更换，使用者可以根据不同工作条件选用不同型号的喷嘴，以获得不同的推力和破煤冲击力。
[0041] 工作的时候，高压气体通过软管进入到进风口，一部分高压气体通过后置喷嘴喷出，给壳体的行进提供动力；另外一部分高压气体通过引射喷嘴喷出，从而将煤粉从吸入通道吸入到混合腔中，同时吸入通道连续吸入煤粉，保证了磨料的连续添加，实现磨料气体射流，使得破煤能力更强，可以完成塌落煤块的破碎；；高压气体和煤粉的混合气流经过叶轮后从前置喷嘴喷出；混合气流经过叶轮后会带动旋转体旋转，从而使得切齿可以破碎钻孔内的煤块，完成钻孔修复工作。
[0042] 本装置结构简单，实现了塌孔、堵孔的修复工作，简单高效，通过更换后置或者前置喷嘴，可以实现不同的推力及破煤冲击力，使其适用于不同条件下的失效钻孔的修复；避免二次钻孔与水力化措施修复钻孔的缺点，而且可以获得较高的破煤冲击力，有利于钻孔的修复，提高钻孔的使用效率。
[0043] 一种利用上述装置进行的井下自进式高压磨料气体射流钻孔修复方法，如图3所示，依次包括如下步骤：
[0044] 1)制备高压气体；制备出的高压气体要保证进入到软管中的压力为5 25Mpa，从而~提高高压气体的作用效果。
[0045] 方法为：从空压机出来的高压气体进入到气瓶中，空压机实现了高压气体的供应，而气瓶实现了高压气体的连续性和稳定性，提高了高压气体的作用效果。
[0046] 2)高压气体进入钻头的进风口，一部分高压气体通过后置喷嘴从钻头中喷出；另外一部分高压气体进入引射喷嘴；
[0047] 高压气体从气瓶出来后通过软管进入到钻头的进风口，在钻头的进风口中进入到进风腔；一部分高压气体通过进风腔进入到出风腔，通过后置喷嘴喷出，高压气体在后置喷嘴中的路径为：先逐渐变小，后逐渐变大，从而提高气流速度。从后置喷嘴喷出的气流给钻头的行进带来动力；另外一部分高压气体进入到引射喷嘴中，高压气体在引射喷嘴中的路径逐渐变小，从而提高高压气体的速度，在引射喷嘴后形成负压，保证了煤粉的吸入过程。其中，软管中高压气体压力为5～20Mpa，对于俯孔或者钻孔阻力较小以及松软煤层时，可以选取较小压力，范围为5 15Mpa，其能耗低，也可以修复瓦斯失效钻孔；对于水平孔或者上向~
钻孔以及煤层较硬，可以选用较高压力，范围为15 20Mpa，能够有效破碎钻孔内的煤块，达~
到钻孔修复效果。
[0048] 3)高压气体从引射喷嘴喷出，吸入通道在高压气体引流下将煤粉吸入到混合腔中；高压气体从引射喷嘴喷出的过程中，会在引射喷嘴后形成负压，而混合腔位于引射喷嘴后部，故，煤粉会进入到与混合腔连通的吸入通道中，最终从吸入通道进入到混合腔中，煤粉在混合腔中与高压气体混合形成混合气流。其中，吸入通道中吸入的煤粉的流量为0.01～0.02kg/s，优选为0.015 kg/s。当煤粉质量流量过高时，影响喷嘴对煤粉的加速，使冲蚀效果较差；煤粉质量流量较低时，煤粉可以充分加速，但整体能量较低，影响破煤效果。
[0049] 4)叶轮在高压气体和煤粉形成的混合气流的作用下转动，叶轮带动旋转体和切齿旋转；
[0050] 在高压气体和煤粉形成的混合气流的作用下，叶轮旋转，旋转体与叶轮同步旋转，旋转体外壁上的切齿对煤块进行破碎，从而提高修复效果。
[0051] 5)高压气体带动煤粉从叶轮出来后从前置喷嘴喷出；
[0052] 首先，叶轮带动旋转体转动，切齿对钻孔内的煤块进行破碎；
[0053] 然后，高压气体和煤粉形成的混合气流经过气流平衡腔，气流平衡腔使得气流趋于稳定；
[0054] 最后，经过气流平衡腔的高压气体和煤粉的混合气流经过前置喷嘴喷出，中高压气体和煤粉在前置喷嘴中的路径先逐渐变小，后逐渐变大，从而前置喷嘴与引射喷嘴相配合，提高气流的速度。
[0055] 在高压气体和煤粉的混合气流从前置喷嘴喷出后会对钻孔进行修复；随后，被冲击回的混合气流会进入到煤粉导流套筒，从煤粉导流套筒的煤渣、煤粉出口出来；出来后雾化喷嘴将煤粉、煤渣进行雾化即可。
[0056] 6)作业完成，停止高压气体的制备，钻头复位。
[0057] 首先，关闭空压机，动力装置反转，取出钻头，拆卸回收装置即可。
[0058] 本发明所述的方法实现了塌孔、堵孔的修复工作，简单高效，可以避免二次钻孔与水力化措施修复钻孔的缺点，而且可以获得较高的破煤冲击力，有利于钻孔的修复，提高钻孔的使用效率。
