本發(fā)明屬于煤礦瓦斯抽采用鉆孔修復技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種井下自進式高壓磨料氣體射流鉆孔修復裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯抽采條件趨于復雜，如在高地應力、圍巖裂隙發(fā)育地帶及松軟煤層中進行瓦斯抽采時，受地應力及外力擾動，鉆孔中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、堵孔等現(xiàn)象，導致瓦斯抽采通道堵塞，極大降低了瓦斯抽采流量及濃度。針對這一問題，常用的方法是用鉆機按照原鉆孔參數(shù)進行重新鉆孔。這種方法不僅耗時、成本高，而且受施工條件及設(shè)備能力限制，二次鉆孔實際參數(shù)與原鉆孔參數(shù)相差較大，容易造成串孔，增大瓦斯抽采難度。除此之外，采用負壓吸出鉆孔中煤渣、巖屑，該方法僅適用于顆粒較小的散落煤渣，無法排出塌孔造成的大塊煤渣、巖塊及煤泥。如何清除鉆孔中巖屑、煤渣，恢復鉆孔抽采能力，是保證鉆孔高效使用、瓦斯高效抽采的前提。

鉆孔修復技術(shù)可以延長鉆孔使用壽命，提高鉆孔有效抽采的質(zhì)量，具有廣泛的應用前景。但失效鉆孔的修復一直都是世界性的技術(shù)難題,相關(guān)學者針對這一問題開展了較多研究。專利號為CN201420843765.7的專利公開了“一種井下煤層瓦斯抽采鉆孔修復裝置”以及專利號為CN201210489910.1的專利公開了一種“煤礦井下鉆孔的鉆進、增透、修復與氣驅(qū)置換綜合方法”上述兩種專利都是基于水力化措施修復失效鉆孔。研究表明，尤其在順層鉆孔中采用水力化措施，不利于鉆孔的穩(wěn)定性，鉆孔在蠕變應力的作用下會繼續(xù)出現(xiàn)垮孔等現(xiàn)象。除此之外，煤體中水的存在對瓦斯解吸及運移產(chǎn)生消極影響。研究表明，煤體的低孔、低滲的特點，使水鎖效應尤為突出。煤體在不同水壓的影響下，水能夠進入到煤體的臨界孔隙尺度，降低瓦斯解吸率。而且水的后置侵入會使瓦斯解吸終止時間提前。對于俯孔，孔底積水容易造成煤體泥化，堵塞瓦斯抽采通道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種使用效果好的井下自進式高壓磨料氣體射流鉆孔修復裝置及方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：一種井下自進式高壓磨料氣體射流鉆孔修復裝置，包括高壓氣體部、鉆頭以及軟管；鉆頭包括殼體以及自殼體首端至末端依次設(shè)置的相連通的進風口、引射噴嘴、混合腔、旋轉(zhuǎn)體以及前置噴嘴，旋轉(zhuǎn)體內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)腔，高壓氣體部與進風口通過軟管連通；殼體首端還設(shè)置有與進風口連通的后置噴嘴，后置噴嘴中噴出的氣流的方向與前置噴嘴中噴出的氣流的方向相反；殼體側(cè)壁貫穿設(shè)置有與混合腔連通的吸入通道；旋轉(zhuǎn)腔中設(shè)置有葉輪，旋轉(zhuǎn)體外壁上分布有至少3個切齒。

殼體外套設(shè)有前端封閉、末端開口的煤粉導流套筒，煤粉導流套筒下部設(shè)置有煤渣、煤粉出口，煤渣、煤粉出口上設(shè)置有朝向煤粉導流套筒外側(cè)的霧化噴嘴。

葉輪后部設(shè)置有沿殼體長度方向設(shè)置的氣流平衡腔。

后置噴嘴和前置噴嘴進口的內(nèi)徑均逐漸變小，出口的內(nèi)徑均逐漸變大；引射噴嘴的內(nèi)徑自進口至出口逐漸變小。

高壓氣體部包括空壓機和與空壓機的出口連接的氣瓶，氣瓶的出口通過軟管連接鉆頭上的進風口。

高壓氣體部還包括絞盤和帶動絞盤轉(zhuǎn)動的動力裝置，軟管包括靜軟管和與靜軟管通過旋轉(zhuǎn)密封器連接的動軟管；動軟管繞設(shè)于絞盤上；靜軟管連接氣瓶的出口，動軟管的末端連接鉆頭的進風口。

鉆頭前方固設(shè)有軟管定位圈，動軟管穿設(shè)于軟管定位圈中。

一種上述裝置進行的井下自進式高壓磨料氣體射流鉆孔修復方法，依次包括如下步驟：

1)制備高壓氣體，制備出的高壓氣體的壓力為5~25Mpa；

2)高壓氣體進入鉆頭的進風口，一部分高壓氣體通過后置噴嘴從鉆頭中噴出；另外一部分高壓氣體進入引射噴嘴；

3)高壓氣體從引射噴嘴噴出，吸入通道在高壓氣體引流下將煤粉吸入到混合腔中，吸入通道中吸入的煤粉的流量為0.01～0.02kg/s；

4)葉輪在高壓氣體和煤粉作用下轉(zhuǎn)動，葉輪帶動旋轉(zhuǎn)體和切齒旋轉(zhuǎn)；

5)高壓氣體帶動煤粉穿過葉輪后從前置噴嘴噴出；

6)作業(yè)完成，停止高壓氣體的制備，鉆頭復位。

步驟2）中高壓氣體在后置噴嘴中的路徑先逐漸變小，后逐漸變大；步驟2）中高壓氣體在引射噴嘴中的路徑逐漸變??；步驟5）中高壓氣體和煤粉在前置噴嘴中的路徑先逐漸變小，后逐漸變大。

步驟5）中高壓氣體和煤粉的混合氣流經(jīng)過葉輪后通過直線型的氣流平衡腔進入前置噴嘴。

通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為：1、所述的裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置合理，可以高效完成失效鉆孔的修復；其可以連續(xù)吸入煤粉，保證了磨料的連續(xù)添加，實現(xiàn)磨料氣體射流，使得破煤能力更強，可以完成塌落煤塊的破碎；設(shè)置的后置噴嘴可以實現(xiàn)鉆頭的自行進；而切齒可以實現(xiàn)煤塊的粉碎，進而提高鉆孔的修復效果。2、殼體外套設(shè)有煤粉導流套筒，通過煤粉導流套筒實現(xiàn)了煤粉煤渣的排出；設(shè)置的霧化噴嘴可以通過霧化水避免煤粉隨意飄散，提高工作環(huán)境。3、葉輪后部設(shè)置有沿殼體長度方向設(shè)置的氣流平衡腔，從而使得流經(jīng)葉輪的氣流趨于穩(wěn)定。4、后置噴嘴和前置噴嘴進口的內(nèi)徑均逐漸變小，出口的內(nèi)徑均逐漸變大；引射噴嘴的內(nèi)徑自進口至出口逐漸變??；進而提高后置噴嘴噴出的氣流的速度；前置噴嘴和引射噴嘴相互作用，提高從前置噴嘴噴出的氣流的速度，進而高壓氣體和煤粉混合物的作用效果。5、高壓氣體部還包括絞盤和帶動絞盤轉(zhuǎn)動的動力裝置，軟管包括靜軟管和與靜軟管通過旋轉(zhuǎn)密封器連接的動軟管，從而避免了鉆頭的行進對軟管的影響。6、鉆頭前方固設(shè)有軟管定位圈，動軟管穿設(shè)于軟管定位圈中，保證軟管的出口和鉆孔在同一水平線。7、本發(fā)明所述的方法實現(xiàn)了煤粉的連續(xù)吸入，保證了磨料的連續(xù)添加，實現(xiàn)磨料氣體射流，高效完成鉆孔的修復工作，提高鉆孔修復工作效果。8、步驟5）中高壓氣體和煤粉的混合氣流經(jīng)過葉輪后通過直線型的氣流平衡腔進入前置噴嘴，使經(jīng)過葉輪的磨料氣體趨于穩(wěn)定，從而提高前置噴嘴噴出的氣流的作用效果。9、步驟3）中吸入通道中吸入的煤粉的流量為0.01～0.02kg/s，在實施的時候，當煤粉流量過高時，影響噴嘴對煤粉的加速，使沖蝕效果較差；煤粉流量較低時，煤粉可以充分加速，但整體能量較低，影響破煤效果；軟管中高壓氣體壓力為5～20Mpa，從而在保證壓力的同時，保證修復效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述方法流程圖。

具體實施方式

一種井下自進式高壓磨料氣體射流鉆孔修復裝置，如圖1所示，包括高壓氣體部，高壓氣體部用于產(chǎn)生高壓氣體。

其中，高壓氣體部包括高壓氣體部包括空壓機1和至少1個氣瓶3，本實施例中氣瓶3的數(shù)量為3個?？諌簷C1的出口連接各個氣瓶3的入口，從而使得空壓機中的氣體進入到氣瓶中。為了便于氣體的控制，在氣瓶3的入口和出口上均設(shè)置有閥門2，通過閥門2的開啟或關(guān)閉方便氣體傳輸?shù)目刂七^程。同時，在氣瓶3的出口上連接有軟管，軟管上設(shè)置有壓力表4，通過壓力表4可以得知軟管中的氣體的壓力，通過對氣體參數(shù)的監(jiān)測，可以及時對整個工作過程做出調(diào)整，保證其高效的工作狀態(tài)。

軟管包括靜軟管31，靜軟管31與氣瓶3的出氣口連接。靜軟管31的末端連接有動軟管32，在靜軟管31和動軟管32之間連接有旋轉(zhuǎn)密封器6，旋轉(zhuǎn)密封器6實現(xiàn)了動軟管和靜軟管的連接，為成熟的現(xiàn)有技術(shù)。

動軟管32繞設(shè)在絞盤5上，在絞盤5上傳動連接有動力裝置7，動力裝置7實現(xiàn)了絞盤的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)動軟管32的收放。在實施的時候，動力裝置可以選用液壓馬達。

在絞盤5后方設(shè)置有支架12，支架12頂部固設(shè)有軟管定位圈8，動軟管32穿設(shè)于軟管定位圈8中，從而通過軟管定位圈8實現(xiàn)對動軟管的定位，保證鉆頭的行進方向。

在軟管定位圈8的后方設(shè)置有鉆頭11，鉆頭11如圖2所示，包括殼體14，在殼體14的前端設(shè)置有進風口15，進風口15的中心線與殼體長度方向上的中心線重合進風口15與動軟管32的末端連接，從而動軟管32出來的高壓氣體可以通過進風口15進入到殼體14中。

在進風口15后部設(shè)置有進風腔20，從進風口15進入的高壓氣體可以進入到進風腔20中。在進風腔20的末端上有3條路徑可以使得高壓氣體通過。進風腔20末端的3條路徑，其中兩條連接出風腔19，出風腔19中的氣流方向與進風腔20中的氣流方向相反。兩個出風腔19相對于進風腔20對稱設(shè)置，從而保證氣流平衡。

進風腔20和出風腔19之間通過弧形過渡面21連接，從而保證氣流的穩(wěn)定性。在兩個出風腔19的末端分別連接有后置噴嘴16，兩個后置噴嘴16相對于進風口15對稱設(shè)置，后置噴嘴中噴出的氣流的方向與前置噴嘴中噴出的氣流的方向相反，從而通過氣體從后置噴嘴中噴出，給殼體14的行進帶來動力。另外，后置噴嘴16通過端蓋17固定在殼體14上，同時在殼體14與后置噴嘴16之間設(shè)置有密封圈18，從而通過密封圈18保證后置噴嘴和殼體14之間的密封。

其中，后置噴嘴和前置噴嘴進口的內(nèi)徑均逐漸變小，出口的內(nèi)徑均逐漸變大，從而對氣流進行加速，提高氣流的作用效果。

進風腔20末端的3條路徑中，剩下的一條連接引射噴嘴22，引射噴嘴22也通過密封圈18與殼體14實現(xiàn)密封連接。其中，引射噴嘴22的內(nèi)徑自進口至出口逐漸變小，保證氣體流經(jīng)此引射噴嘴可以獲得較高速度，產(chǎn)生負壓，使煤粉由吸入通道進入混合腔從而增大氣流壓力，提高氣流速度。同時，該引射噴嘴可以與前置噴嘴相配合，保證煤粉和高壓氣體的混合氣流經(jīng)前置噴嘴可以獲得超音速，使磨料加速至更高速度，獲得較大的破煤沖擊力，進而對孔內(nèi)的煤塊進行破碎。

在引射噴嘴22的后部設(shè)置有混合腔26，混合腔26的側(cè)壁上貫穿設(shè)置有吸入通道24，吸入通道24沿殼體14的徑向設(shè)置。在吸入通道24的末端設(shè)置有篩網(wǎng)25，通過篩網(wǎng)可以對吸入到混合腔26中的煤粉進行過濾，防止大的煤塊也被吸入到混合腔26中。

在混合腔26的末端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)體27，旋轉(zhuǎn)體27通過軸承31與殼體1連接，從而保證旋轉(zhuǎn)體27轉(zhuǎn)動過程中的穩(wěn)定性。其中旋轉(zhuǎn)體27內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)腔28，旋轉(zhuǎn)腔28中設(shè)置有葉輪29，旋轉(zhuǎn)體27外壁上設(shè)置有切齒30，切齒30可以破碎鉆孔內(nèi)的煤塊，保證清孔效果。其中，切齒30的數(shù)量至少為3個，本實施例中切齒的數(shù)量選擇為3個，切齒形狀為頂端呈刃狀的長方體。

在葉輪29的后部連接有沿殼體長度方向設(shè)置的氣流平衡腔23，設(shè)置的氣流平衡腔23可以使經(jīng)過葉輪的混合氣流趨于穩(wěn)定，提高混合氣流的作用效果。

在氣流平衡腔23的末端設(shè)置有前置噴嘴32，前置噴嘴32同后置噴嘴一樣，也通過端蓋與殼體連接，同時在前置噴嘴和殼體之間設(shè)置密封圈實現(xiàn)兩者連接處的密封。

另外，為了提高作用效果，在鉆頭11的殼體外套設(shè)有煤粉導流套筒10，煤粉導流套筒用于實現(xiàn)煤渣、煤粉的排出。在煤粉導流套筒的下部設(shè)置有煤渣、煤粉出口13，鉆孔中的煤渣、煤粉通過煤渣、煤粉出口13排出。在煤渣、煤粉出口13上設(shè)置有朝向煤粉導流套筒10外側(cè)的霧化噴嘴9，在使用的時候霧化噴嘴9連接水源，從而在煤粉出口13處形成霧化水，進而使得煤粉、煤渣的噴霧除塵，提高工作環(huán)境。

在本實施例中，因為前置噴嘴和后置噴嘴均通過端蓋與殼體連接，故前置噴嘴及后置噴嘴都可更換，使用者可以根據(jù)不同工作條件選用不同型號的噴嘴，以獲得不同的推力和破煤沖擊力。

工作的時候，高壓氣體通過軟管進入到進風口，一部分高壓氣體通過后置噴嘴噴出，給殼體的行進提供動力；另外一部分高壓氣體通過引射噴嘴噴出，從而將煤粉從吸入通道吸入到混合腔中，同時吸入通道連續(xù)吸入煤粉，保證了磨料的連續(xù)添加，實現(xiàn)磨料氣體射流，使得破煤能力更強，可以完成塌落煤塊的破碎；；高壓氣體和煤粉的混合氣流經(jīng)過葉輪后從前置噴嘴噴出；混合氣流經(jīng)過葉輪后會帶動旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，從而使得切齒可以破碎鉆孔內(nèi)的煤塊，完成鉆孔修復工作。

本裝置結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了塌孔、堵孔的修復工作，簡單高效，通過更換后置或者前置噴嘴，可以實現(xiàn)不同的推力及破煤沖擊力，使其適用于不同條件下的失效鉆孔的修復；避免二次鉆孔與水力化措施修復鉆孔的缺點，而且可以獲得較高的破煤沖擊力，有利于鉆孔的修復，提高鉆孔的使用效率。

一種利用上述裝置進行的井下自進式高壓磨料氣體射流鉆孔修復方法，如圖3所示，依次包括如下步驟：

1)制備高壓氣體；制備出的高壓氣體要保證進入到軟管中的壓力為5~25Mpa，從而提高高壓氣體的作用效果。

方法為：從空壓機出來的高壓氣體進入到氣瓶中，空壓機實現(xiàn)了高壓氣體的供應，而氣瓶實現(xiàn)了高壓氣體的連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高了高壓氣體的作用效果。

2)高壓氣體進入鉆頭的進風口，一部分高壓氣體通過后置噴嘴從鉆頭中噴出；另外一部分高壓氣體進入引射噴嘴；

高壓氣體從氣瓶出來后通過軟管進入到鉆頭的進風口，在鉆頭的進風口中進入到進風腔；一部分高壓氣體通過進風腔進入到出風腔，通過后置噴嘴噴出，高壓氣體在后置噴嘴中的路徑為：先逐漸變小，后逐漸變大，從而提高氣流速度。從后置噴嘴噴出的氣流給鉆頭的行進帶來動力；另外一部分高壓氣體進入到引射噴嘴中，高壓氣體在引射噴嘴中的路徑逐漸變小，從而提高高壓氣體的速度，在引射噴嘴后形成負壓，保證了煤粉的吸入過程。其中，軟管中高壓氣體壓力為5～20Mpa，對于俯孔或者鉆孔阻力較小以及松軟煤層時，可以選取較小壓力，范圍為5~15Mpa，其能耗低，也可以修復瓦斯失效鉆孔；對于水平孔或者上向鉆孔以及煤層較硬，可以選用較高壓力，范圍為15~20Mpa，能夠有效破碎鉆孔內(nèi)的煤塊，達到鉆孔修復效果。

3)高壓氣體從引射噴嘴噴出，吸入通道在高壓氣體引流下將煤粉吸入到混合腔中；高壓氣體從引射噴嘴噴出的過程中，會在引射噴嘴后形成負壓，而混合腔位于引射噴嘴后部，故，煤粉會進入到與混合腔連通的吸入通道中，最終從吸入通道進入到混合腔中，煤粉在混合腔中與高壓氣體混合形成混合氣流。其中，吸入通道中吸入的煤粉的流量為0.01～0.02kg/s，優(yōu)選為0.015 kg/s。當煤粉質(zhì)量流量過高時，影響噴嘴對煤粉的加速，使沖蝕效果較差；煤粉質(zhì)量流量較低時，煤粉可以充分加速，但整體能量較低，影響破煤效果。

4)葉輪在高壓氣體和煤粉形成的混合氣流的作用下轉(zhuǎn)動，葉輪帶動旋轉(zhuǎn)體和切齒旋轉(zhuǎn)；

在高壓氣體和煤粉形成的混合氣流的作用下，葉輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)體與葉輪同步旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)體外壁上的切齒對煤塊進行破碎，從而提高修復效果。

5)高壓氣體帶動煤粉從葉輪出來后從前置噴嘴噴出；

首先，葉輪帶動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，切齒對鉆孔內(nèi)的煤塊進行破碎；

然后，高壓氣體和煤粉形成的混合氣流經(jīng)過氣流平衡腔，氣流平衡腔使得氣流趨于穩(wěn)定；

最后，經(jīng)過氣流平衡腔的高壓氣體和煤粉的混合氣流經(jīng)過前置噴嘴噴出，中高壓氣體和煤粉在前置噴嘴中的路徑先逐漸變小，后逐漸變大，從而前置噴嘴與引射噴嘴相配合，提高氣流的速度。

在高壓氣體和煤粉的混合氣流從前置噴嘴噴出后會對鉆孔進行修復；隨后，被沖擊回的混合氣流會進入到煤粉導流套筒，從煤粉導流套筒的煤渣、煤粉出口出來；出來后霧化噴嘴將煤粉、煤渣進行霧化即可。

6)作業(yè)完成，停止高壓氣體的制備，鉆頭復位。

首先，關(guān)閉空壓機，動力裝置反轉(zhuǎn)，取出鉆頭，拆卸回收裝置即可。

本發(fā)明所述的方法實現(xiàn)了塌孔、堵孔的修復工作，簡單高效，可以避免二次鉆孔與水力化措施修復鉆孔的缺點，而且可以獲得較高的破煤沖擊力，有利于鉆孔的修復，提高鉆孔的使用效率。