本实用新型专利涉及煤矿瓦斯治理和煤层气开发技术,特别是一种即时制备冰粒及利用冰粒空气射流割缝增透的装置。该装置在传统打钻设备上,于双层钻杆和钻头间增设冰粒自生及钻割一体化组件。利用高压空气通过拉瓦尔喷嘴降温加速,快速制备冰粒,形成连续稳定的冰粒空气射流,有效破碎煤体。
背景技术
瓦斯治理是瓦斯矿井安全生产中的首要任务。作为煤炭伴生气体,瓦斯(煤层气)会威胁煤矿安全生产,但其也是一种清洁能源。坚硬或松软煤层瓦斯抽采效果差已严重制约了瓦斯治理及开发利用效率。尤其随着煤矿开采深度的增加,煤层高应力、高瓦斯含量、低渗透率的特征凸显,致使瓦斯抽采难度日益增大,为充分释放煤炭及煤层气资源的先进产能,需强化坚硬或深部煤层瓦斯抽采效率。
卸压增透是强化瓦斯抽采效率的常用方法。水力化措施是实现煤层卸压增透的重要手段之一。传统的水力化措施包括水力冲孔、水力割缝等,该技术是利用高压泵将流体加压至一定压力,经过喷嘴将其静压能转化为射流冲击动能,从而实现割缝增透,但对于坚硬煤层或深部煤层其破碎效果差,难以达到较好的增透效果。提高射流压力可以解决该问题,却又对井下的安全防护以及系统装备提出了更高的要求。为提高卸压增透效果,部分学者提出了磨料射流割缝卸压技术。磨料射流综合了射流冲击与磨料磨蚀的优势,在低射流压力下能有效破碎坚硬煤层。相同射流压力下磨料射流割缝速度能提高40%,割缝深度能提高约60%。常用的磨料射流技术分为磨料水射流和磨料空气射流。采用空气加速磨料粒子,既能节能降耗,又能避免“水锁”效应抑制瓦斯解吸。磨料空气射流在坚硬煤层或深部煤层的卸压增透中具有广阔的应用前景。然而,采用磨料空气射流割缝增透时,存在磨料用量多,废弃磨料处理困难、粉尘大等问题。冰粒空气射流正是在这一背景下产生。水在低温下结成冰粒,具有一定强度和硬度,可以作为磨料。冰粒空气射流作用煤岩后,冰粒融化还会起到抑尘、降温作用。
为了实现冰粒快速制备及射流一体化,专利号为CN201910260239.5的专利公开了“一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机”、专利号为CN202210090921.6的专利公开了“一种冰粒即时制备利用装置和射流方法”,但在进行破煤增透时,由于钻杆过长,冰粒射流在钻杆中运输时会导致冰粒融化,进而导致粘结堵塞钻杆出口;另外冰粒是通过水或空气带动加速运输至钻孔顶部,这会导致射流能量损失,不利于实现煤体破碎。
实现思路