一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，包含高壓水泵、高壓軟管、水噴嘴、引射噴頭、輸砂管裝置、敞口磨料斗；敞口磨料斗通過輸砂管裝置與引射噴頭相連，引射噴頭內部設有水噴嘴，水噴嘴通過高壓軟管與高壓水泵相連；輸砂管裝置包括磨料輸送管、控制裝置、數據采集裝置和測壓適配器。本發明提供的裝置改善了磨料粒子與水介的混合機理，使磨料粒子具有更高的動能，通過空氣流量計對進入磨料輸送管中的空氣量進行測量，根據空氣量的變化實現在噴嘴發生異常情況時迅速反應，避免對目標材料的損壞；有效保證了所述空氣流量監控的可靠性；同時，所述檢測系統反應速度快，工作穩定，受切割過程因素影響小，設備簡單，測量有效。
【專利說明】
一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機
技術領域
[0001]本發明屬于煤層鉆掘機設備技術領域，尤其涉及一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機。
【背景技術】
[0002]高壓水射流增透防突技術研究始于上世紀80年代，目前國外高壓水射流增透防突技術已經非常成熟，廣泛應用于路面清洗、工業除銹、彈藥除銹、油井腐蝕防護、金屬及非金屬板材切割、噴射注漿、破碎路面、破碎大豆分離蛋白、煤礦瓦斯抽采等，尤其澳大利亞，在地面和井下鉆孔中應用高壓水輔助鉆進和切縫增透技術已非常成熟，在全世界占領先地位。
[0003]國內高壓水射流增透防突技術研究始于上世紀90年代，分別有研究磨料高壓水射流防突設備及技術；
[0004]磨料射流是近年來迅速發展的一種新技術，其技術原理，就是將一定粒度的磨料粒子加入到高壓純水射流中，形成具有極高速度的磨料粒子流，“磨料射流〃利用磨料射流可以實現對物料的切割，與現有的各種切割方法相比，磨料射流具有以下特點:(I)是唯一的一種冷切割手段，切割時不會產生火花，無熱影響區；(2)能量傳輸方便，可利用軟管將高壓水遠距離輸送至噴頭進行切割；(3)切割時無振動和噪聲；(4)可以對金屬或非金屬等多種材料進行切割。
[0005]磨料射流是在高壓純水射流中加入磨料粒子而形成的，因而，與純水射流相比，磨料射流將純水連續射流對物料的靜壓作用改變為磨料粒子對物料的高頻撞擊與沖蝕作用，作用效果大為改觀。
[0006]但目前高壓磨料射流切縫鉆機設備功能不完善。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，旨在解決目前高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機功能不完善，不具有對物料的高頻撞擊與沖蝕良好效果的問題。
[0008]本發明是這樣實現的，一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機包含高壓水栗、高壓軟管、水噴嘴、引射噴頭、輸砂管裝置、敞口磨料斗；敞口磨料斗通過輸砂管裝置與引射噴頭相連，引射噴頭內部設有水噴嘴，水噴嘴通過高壓軟管與高壓水栗相連；
[0009]輸砂管裝置包括磨料輸送管、控制裝置、數據采集裝置和測壓適配器，所述測壓適配器為與磨料輸送管相接的管道；
[0010]所述測壓適配器設置有分別具有若干隔段測試小孔的空氣流動段和磨料流動段，磨料通過所述磨料流動段進入磨料輸送管；
[0011 ] 所述數據采集裝置:包括設在所述測壓適配器入口端，對進入所述測壓適配器的空氣流量進行測量的空氣流量計；以及，設在所述隔段測試小孔的相應位置的傳感器，傳感器用于采集相應位置的壓力值；
[0012]所述控制裝置與數據采集裝置和測壓適配器連接，所述控制裝置包括安裝有軟件系統的計算機和控制器，計算機用于對所述數據采集裝置采集的數據進行分析、比較，控制器根據分析、比較結果進行相應控制操作。
[0013]進一步，所述隔段測試小孔數量為多個，包括設置于所述測壓適配器的空氣流動段的第一測試孔和第二測試孔，及設置于所述測壓適配器的磨料流動段的第三測試孔和第四測試孔。
[0014]進一步，所述輸砂管裝置設有磨料開關，所述測壓適配器為一中空管道，與所述磨料輸送管相接；
[0015]所述空氣流動段沿空氣流入所述磨料流動段的方向，依次設有第一測試孔和第二測試孔；
[0016]所述磨料流動段位于沿磨料進入到設置在所述高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機上的引射噴頭內的方向，并依次設有第三測試孔和第四測試孔;所述第二測試孔與所述第三測試孔之間設有一中空的柱狀突起，連接所述磨料開關，作為所述磨料進入到磨料輸送管的輸送通道。
[0017]進一步，所述磨料輸送管為軟管。
[0018]進一步，所述傳感器為壓力傳感器。
[0019]進一步，所述測壓適配器設置有若干隔段測試小孔的空氣流動段和磨料流動段，所述磨料通過所述磨料流動段進入磨料輸送管，
[0020]測壓適配器測試方法為:通過設置在所述切割機上的空氣流量計對進入所述磨料輸送管的空氣流量進行監控，得到相應監控結果；
[0021]通過設置在所述隔段測試小孔的傳感器對所述測壓適配器空氣流動段和磨料流動段的隔段測試小孔壓力的相應數值進行采集；
[0022]分析和比較傳感器采集的數據，判斷磨料輸送管中的磨料流動狀態；
[0023]根據所述空氣流量計的監控結果，判斷所述切割機的噴嘴的工作狀態；
[0024]結合所述磨料流動狀態和所述噴嘴工作狀態進行相應控制操作。
[0025]進一步，所述隔段測試小孔包括:所述空氣流動段沿空氣流入所述磨料流動段的方向，依次設置的第一測試孔和第二測試孔；以及所述磨料流動段沿磨料進入到設置在所述高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機上的引射噴頭內的方向，依次的第三測試孔和第四測試孔;第二測試孔與第三測試孔之間設有一中空的柱狀突起，連接所述磨料開關，作為所述磨料進入到磨料輸送管的輸送通道，
[0026]所述傳感器采集各段壓力數值具體方法為:同時測量所述第一測試孔的壓力和第二測試孔的壓力，記兩個壓力的差值為第一壓力差；
[0027]同時測量所述第三測試孔的壓力和第四測試孔的壓力，記兩個壓力的差值為第二壓力差；
[0028]所述分析和比較傳感器采集的數據為:比較、分析第一壓力差與第二壓力差，根據分析結果，判斷所述磨料流動段中的工作狀態。
[0029]本發明提供的裝置改善了磨料粒子與水介的混合機理，使磨料粒子具有更高的動能，可在低的工作壓力下完成對物料的切割能力高;通過空氣流量計對進入磨料輸送管中的空氣量進行測量，根據空氣量的變化實現在噴嘴發生異常情況時迅速反應，避免對目標材料的損壞;磨料流動狀態的監控排除了磨料在耗盡或堵塞對噴嘴在線監控的干擾，有效保證了所述空氣流量監控的可靠性；同時，所述檢測系統反應速度快，工作穩定，受切割過程因素影響小，設備簡單，測量有效。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發明實施例提供的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機結構示意圖；
[0031 ]圖2是本發明實施例提供的測壓適配器結構示意圖；
[0032]圖中:1、高壓水栗;2、高壓軟管；3、水噴嘴;4、引射噴頭;5、輸砂管裝置;5_1、磨料輸送管;5-2、計算機;5-3、控制器;5-4測壓適配器;5-4-1、空氣流動段;5-4-2、和磨料流動段;5-4-3、空氣流量計、5-4-4第一測試孔;5-4-5、第二測試孔;5-4-6、第三測試孔;5-4-7、第四測試孔;5-4-4-1、第一測試孔傳感器;5-4-5-1、第二測試孔傳感器;5-4-6-1、第三測試孔傳感器;5-4-7-1、第四測試孔傳感器;5-4-8、柱狀突起;5-5、磨料開關;6、敞口磨料斗；
[0033]圖3是本發明實施例提供的測壓適配器測試方法流程圖。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0035]下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。
[0036]如圖1所示:一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機包含高壓水栗1、高壓軟管2、水噴嘴3、引射噴頭4、輸砂管裝置5、敞口磨料斗6;敞口磨料斗通過輸砂管裝置與引射噴頭相連，引射噴頭內部設有水噴嘴，水噴嘴通過高壓軟管與高壓水栗相連；
[0037]輸砂管裝置5包括磨料輸送管5-1、控制裝置、數據采集裝置和測壓適配器5-4，所述測壓適配器為與磨料輸送管相接的管道;所述控制裝置與數據采集裝置和測壓適配器連接，所述控制裝置包括安裝有軟件系統的計算機5-2和控制器5-3，計算機5-2用于對所述數據采集裝置采集的數據進行分析、比較，控制器5-3根據分析、比較結果進行相應控制操作。
[0038]如圖2所示:所述測壓適配器5-4設置有分別具有若干隔段測試小孔的空氣流動段5-4-1和磨料流動段5-4-2，磨料通過所述磨料流動段進入磨料輸送管；
[0039]所述數據采集裝置:包括設在所述測壓適配器入口端，對進入所述測壓適配器的空氣流量進行測量的空氣流量計5-4-3;以及，設在所述隔段測試小孔的相應位置的傳感器，傳感器用于采集相應位置的壓力值；
[0040]所述隔段測試小孔數量為多個，包括設置于所述測壓適配器的空氣流動段的第一測試孔5-4-4和第二測試孔5-4-5，及設置于所述測壓適配器的磨料流動段的第三測試孔5-4-6和第四測試孔5-4-7。
[0041 ]所述輸砂管裝置設有磨料開關5-5，所述測壓適配器為一中空管道，與所述磨料輸送管相接；
[0042]所述空氣流動段沿空氣流入所述磨料流動段的方向，依次設有第一測試孔和第二測試孔；
[0043]所述磨料流動段位于沿磨料進入到設置在所述高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機上的引射噴頭內的方向，并依次設有第三測試孔和第四測試孔;所述第二測試孔與所述第三測試孔之間設有一中空的柱狀突起5-4-8，連接所述磨料開關5-5，作為所述磨料進入到磨料輸送管的輸送通道。
[0044]所述磨料輸送管為軟管。
[0045]所述傳感器為壓力傳感器。
[0046]所述測壓適配器設置有若干隔段測試小孔的空氣流動段和磨料流動段，所述磨料通過所述磨料流動段進入磨料輸送管，
[0047]如圖3所示:測壓適配器測試方法為:
[0048]SlOl:通過設置在所述切割機上的空氣流量計對進入所述磨料輸送管的空氣流量進行監控，得到相應監控結果；
[0049]S102:通過設置在所述隔段測試小孔的傳感器對所述測壓適配器空氣流動段和磨料流動段的隔段測試小孔壓力的相應數值進行采集；
[0050]S103:分析和比較傳感器采集的數據，判斷磨料輸送管中的磨料流動狀態；
[0051]S104:根據所述空氣流量計的監控結果，判斷所述切割機的噴嘴的工作狀態；
[0052]S105:結合所述磨料流動狀態和所述噴嘴工作狀態進行相應控制操作。
[0053]進一步，所述隔段測試小孔包括:所述空氣流動段沿空氣流入所述磨料流動段的方向，依次設置的第一測試孔和第二測試孔；以及所述磨料流動段沿磨料進入到設置在所述高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機上的引射噴頭內的方向，依次的第三測試孔和第四測試孔;第二測試孔與第三測試孔之間設有一中空的柱狀突起，連接所述磨料開關，作為所述磨料進入到磨料輸送管的輸送通道，
[0054]所述傳感器采集各段壓力數值具體方法為:同時測量所述第一測試孔的壓力和第二測試孔的壓力，記兩個壓力的差值為第一壓力差；
[0055]同時測量所述第三測試孔的壓力和第四測試孔的壓力，記兩個壓力的差值為第二壓力差；
[0056]所述分析和比較傳感器采集的數據為:比較、分析第一壓力差與第二壓力差，根據分析結果，判斷所述磨料流動段中的工作狀態。
[0057]本發明監控磨料輸送管中的磨料流動狀態和空氣流量來實現對噴嘴的在線監控，實現在噴嘴發生異常情況時迅速反應，避免對目標材料的損壞。在高壓磨料射流切割過程中，由于壓差的存在，磨料輸送管形成一氣流通道。單位時間內通過此氣流通道的氣流量取決于很多因素，如水噴嘴的大小、工作狀況;磨料輸送管的長度、直徑、表面粗糙度;磨料流量、粒度、種類;高壓水壓力大小等。通常情況下，磨料輸送管的各參數為一定數，水射流噴嘴的大小及水射流噴嘴和磨料射流噴嘴的組合情況也基本確定，磨料的粒度、種類也不會發生改變。同時，在穩定工況下，磨料流量雖然隨時間而變化，但變化較小。因此，正常工作條件下，氣流量的大小主要取決于噴嘴工況的變化。如果任一級噴嘴在切割過程中受到損壞，則噴嘴的聚焦能力大大降低，主要表現為射流散開角度加大。由于射流散開角度變大，引射噴頭中單位時間內射流帶走的空氣量更多。因此，在其它參數不變的情況下，單位時間內通過磨料輸送管的氣流量大大增加。除此之外，磨料輸送管中的磨料變化也會在一定程度上影響所述氣流量。
[0058]使用時打開設置在所述切割機上的高壓水射流開關，高壓水經水噴嘴形成高速水射流;打開磨料開關，使磨料進入到設置于測壓適配器的所述空氣流動段和所述磨料流動段之間的磨料輸送通道;所述空氣流量計對進入所述磨料輸送管的空氣流量進行監控，得到相應監控結果;通過設置在所述隔段測試小孔的傳感器對所述測壓適配器空氣流動段和磨料流動段的隔段測試小孔壓力的相應數值進行采集;分析和比較傳感器采集的數據，判斷磨料輸送管中的磨料流動狀態，得到判斷結果:根據所述空氣流量計的監控結果，判斷噴嘴的工作狀態，根據監控結果，采取相應控制措施。所述檢測系統反應速度快，工作穩定，受切割過程因素影響小，設備簡單，測量有效。
[0059]通過同時比較空氣流動段的第一壓力差和磨料流動段的第二壓力差，可確定所述測壓適配器中的磨料流動情況是否正常:如果所述測壓適配器中只有空氣流動，即磨料輸送管中磨料耗盡，由于所述空氣流動段與所述磨料流動段距離較近，同時兩段又具有相同參數(如長度，孔徑或內孔表面特征等)，故壓力損失相差很小;如果切割過程中因磨料輸送管發生堵塞，則所述兩段的壓差同時為零;如果壓力損失相差較大，則磨料流動情況正常。在磨料正常流動條件下，如果空氣流量計所測流量較高，則可判定噴嘴受到損壞。在實際應用中，由于許多復雜因素的影響，磨料輸送管中的氣壓有時會發生大幅度波動。由于此系統同時分別對空氣流動段和磨料流動段進行測量并作比較，當磨料輸送管中的氣壓出現波動時，兩段同時出現波動，對它們進行結果比較時，出現的波動影響相互抵消，從而有效排除了切割過程中各種因素造成的壓力波動對測量結果帶來的影響，因此測量結果非常穩定。結合上述磨料流動狀態，如果空氣流量計所測流量增加，而壓力傳感器所測壓力顯示磨料流動正常，則可以判定噴嘴已經損壞。由于所述空氣流量計置于所述磨料輸送管空氣流動段的上游，所述磨料入口處于所述空氣流動段下方，因而磨料的流動不會損壞所述氣體流量計。
[0060]本發明提供的裝置改善了磨料粒子與水介的混合機理，使磨料粒子具有更高的動能，可在低的工作壓力下完成對物料的切割能力高;通過空氣流量計對進入磨料輸送管中的空氣量進行測量，根據空氣量的變化實現在噴嘴發生異常情況時迅速反應，避免對目標材料的損壞;磨料流動狀態的監控排除了磨料在耗盡或堵塞對噴嘴在線監控的干擾，有效保證了所述空氣流量監控的可靠性；同時，所述檢測系統反應速度快，工作穩定，受切割過程因素影響小，設備簡單，測量有效。
[0061]射流按照磨料與高壓水混合的情況不同分為前混合和后混合2種；在高壓水流噴射之前就將磨料加入高壓水管路系統中，使高壓水與磨料在管路中進行充分混合后，一起從噴嘴噴出而形成的磨料射流稱為前混合磨料射流;在高壓水從噴嘴噴出后，再利用文丘里效應將磨料摻混到射流中所形成的磨料射流稱為后混合磨料射流。
[0062]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，該高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機包含高壓水栗、高壓軟管、水噴嘴、引射噴頭、輸砂管裝置、敞口磨料斗;敞口磨料斗通過輸砂管裝置與引射噴頭相連，引射噴頭內部設有水噴嘴，水噴嘴通過高壓軟管與高壓水栗相連； 輸砂管裝置包括磨料輸送管、控制裝置、數據采集裝置和測壓適配器，所述測壓適配器為與磨料輸送管相接的管道； 所述測壓適配器設置有分別具有若干隔段測試小孔的空氣流動段和磨料流動段，磨料通過所述磨料流動段進入磨料輸送管； 所述數據采集裝置:包括設在所述測壓適配器入口端，對進入所述測壓適配器的空氣流量進行測量的空氣流量計；以及，設在所述隔段測試小孔的相應位置的傳感器，傳感器用于采集相應位置的壓力值； 所述控制裝置與數據采集裝置和測壓適配器連接，所述控制裝置包括安裝有軟件系統的計算機和控制器，計算機用于對所述數據采集裝置采集的數據進行分析、比較，控制器根據分析、比較結果進行相應控制操作。2.如權利要求1所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述隔段測試小孔數量為多個，包括設置于所述測壓適配器的空氣流動段的第一測試孔和第二測試孔，及設置于所述測壓適配器的磨料流動段的第三測試孔和第四測試孔。3.如權利要求1所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述輸砂管裝置設有磨料開關，所述測壓適配器為一中空管道，與所述磨料輸送管相接； 所述空氣流動段沿空氣流入所述磨料流動段的方向，依次設有第一測試孔和第二測試孔； 所述磨料流動段位于沿磨料進入到設置在所述高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機上的引射噴頭內的方向，并依次設有第三測試孔和第四測試孔;所述第二測試孔與所述第三測試孔之間設有一中空的柱狀突起，連接所述磨料開關，作為所述磨料進入到磨料輸送管的輸送通道。4.如權利要求1所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述磨料輸送管為軟管。5.如權利要求1所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述傳感器為壓力傳感器。6.如權利要求1所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述測壓適配器設置有若干隔段測試小孔的空氣流動段和磨料流動段，所述磨料通過所述磨料流動段進入磨料輸送管； 測壓適配器測試方法為:通過設置在所述切割機上的空氣流量計對進入所述磨料輸送管的空氣流量進行監控，得到相應監控結果； 通過設置在所述隔段測試小孔的傳感器對所述測壓適配器空氣流動段和磨料流動段的隔段測試小孔壓力的相應數值進行采集； 分析和比較傳感器采集的數據，判斷磨料輸送管中的磨料流動狀態； 根據所述空氣流量計的監控結果，判斷所述切割機的噴嘴的工作狀態； 結合所述磨料流動狀態和所述噴嘴工作狀態進行相應控制操作。7.如權利要求6所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述隔段測試小孔包括:所述空氣流動段沿空氣流入所述磨料流動段的方向，依次設置的第一測試孔和第二測試孔；以及所述磨料流動段沿磨料進入到設置在所述高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機上的引射噴頭內的方向，依次的第三測試孔和第四測試孔;第二測試孔與第三測試孔之間設有一中空的柱狀突起，連接所述磨料開關，作為所述磨料進入到磨料輸送管的輸送通道。8.如權利要求6所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述傳感器采集各段壓力數值具體為:同時測量所述第一測試孔的壓力和第二測試孔的壓力，記兩個壓力的差值為第一壓力差； 同時測量所述第三測試孔的壓力和第四測試孔的壓力，記兩個壓力的差值為第二壓力差。9.如權利要求6所述的高壓磨料射流切縫鉆進一體化煤層鉆掘機，其特征在于，所述分析和比較傳感器采集的數據為:比較、分析第一壓力差與第二壓力差，根據分析結果，判斷所述磨料流動段中的工作狀態。
【文檔編號】E21C35/24GK105863630SQ201610270401
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】謝東海
【申請人】湖南科技大學