[发明专利]一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿井下泡沫钻进技术领域，尤其涉及一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法。

背景技术

煤矿井下泡沫钻进工艺是在中风压空气钻进技术基础上开发的一种主要用于施工松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔（孔深＞120m）的施工方法。

松软煤层在我国可采煤层中占有相当大的比例，而在开采松软煤层过程中瓦斯灾害治理尤为重要，是制约高产高效采煤技术推广应用的一个重要瓶颈因素，也是困扰产量提高的难题之一。瓦斯预抽采是降低松软煤层瓦斯含量、防治瓦斯灾害最有效的技术手段，同时也是综合利用瓦斯的基础。实施井下瓦斯预抽采的关键是顺层抽采钻孔的施工。松软煤层顺层长钻孔（孔深＞120m）是实现工作面瓦斯高效预抽的有效手段，但是，在松软煤层中施工瓦斯抽采长钻孔非常困难，钻进过程中容易出现喷孔、塌孔、堵孔和卡钻等异常现象，致使钻孔成孔深度浅、成孔率低，不能满足瓦斯抽采的需要。针对松软煤层中打钻难题，经过多年的努力，我国在钻进技术与装备方面取得了一定发展，先后尝试了水力排渣钻进、螺旋钻杆机械排渣钻进等多种钻进工艺方法。近年来，中风压空气钻进技术的推广应用使松软煤层顺层钻孔的平均成孔深度和成孔率得到了大幅提高，但仍然不能满足高效抽采瓦斯的需要，且中风压空气钻进技术本身存在一定的局限性。

在中风压空气钻进技术基础上开发的煤矿井下泡沫钻进工艺以稳定泡沫代替纯压缩空气作为循环介质，其冷却、润滑效果好，携渣能力强，耗风量小，对孔壁具有一定的支撑作用，克服了中风压空气钻进技术的不足，利于施工松软煤层顺层瓦斯抽采长钻孔。然而，在煤矿井下实施泡沫钻进工艺涉及消泡问题，即泡沫携渣返出钻孔后需要采取强制、迅速、简便的消泡处理措施，否则，废泡沫在钻场内大量堆积、长时间不能消泡而影响正常钻进施工作业。在地面钻探领域中对消泡技术进行了深入研究和应用，开发了包括物理消泡法、化学消泡法和机械消泡法等多种类型的消泡工艺技术方法。

煤矿井下钻孔施工作业环境具有特殊性：①煤矿井下属于爆炸性气体环境，②煤矿井下钻孔施工作业场地空间条件受限，因此，煤矿井下泡沫钻进用消泡技术及配套装备需具备防爆性能和结构简单、操作方便、消泡快速可靠的特点，目前尚未有煤矿井下泡沫钻进工艺配套专用的消泡方法及装置，而现有地面应用的消泡方法对煤矿井下施工作业环境的适应性差，难以满足快速可靠消泡的要求。

发明内容

本发明的目的在于基于上述问题，提供一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法。该消泡装置及方法以压缩空气作为动力介质、以贴壁射流作为单一动力源将化学消泡、气体射流消泡和离心消泡三种技术手段融为一体来实现快速可靠消泡，满足煤矿井下泡沫钻进工艺对消泡的要求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置，该装置由消泡剂溶液注入器9、旋转射流消泡器3和离心消泡器5三部分组成，核心部件为旋转射流消泡器3，所述旋转射流消泡器3包括旋转射流管13，其上具有3～6个沿周向均匀分布的贴壁射流孔14，射流孔轴线所在平面18与对应的射流管轴线所在平面17之间夹角为29°；旋转射流消泡器3前端通过柔性管4与离心消泡器5相连；旋转射流消泡器3后端通过螺纹与消泡剂溶液注入器9相连，注入器9上的进液接头19带有径向进液孔20，进液量通过阀门2控制；旋转射流消泡器3管壁与进气高压胶管8相连，进气高压胶管8上的压缩空气控制阀6和气体流量计7用来控制压缩空气的进气量。

其中，所述消泡剂溶液注入器9的进液接头19上具有3个线性排列的径向吸液孔20，所述径向吸液孔20的直径为8mm，开口方向与泡沫流动方向相同。

本发明同时公开了一种应用上述消泡装置的煤矿井下泡沫钻进用消泡方法，包括以下步骤：

（1）压缩空气进入旋转射流消泡器3的高压气室16，经过旋转射流管13上的贴壁射流孔14形成气体射流，多股射流形成一个旋转流场，在高速气体射流的卷吸效应作用下将消泡剂溶液注入器9吸入的化学消泡剂溶液和旋转射流管13中心通孔内返出的携渣废泡沫吸入消泡系统中；

（2）携渣废泡沫、化学消泡剂溶液与压缩气体在多股贴壁旋转射流的驱动下充分混合并消泡；

（3）残余废泡沫与气体射流充分动量交换获得一定速度后沿切向进入离心消泡器5内，在离心力场内残余泡沫被进一步破坏而消泡，同时实现气、液、固三相分离。

其中，所述化学消泡剂溶液为氯化钙CaCl₂的水溶液，质量浓度为4‰～6‰。