一种煤矿井下移动式制氮装置及其工艺的制作方法

1.本发明涉及矿下制氮技术领域，具体为一种煤矿井下移动式制氮装置及其工艺。


背景技术：

2.煤矿井下的钻孔施工是煤矿采掘的重要步骤之一，在钻孔施工的时候需要及时的将钻进过程中产生的渣屑由孔内排出，目前常用的排渣方式是水力排渣，以水为媒介对渣屑进行冲洗并将其排出孔外，但对于松软破碎煤层，采用水力排渣会导致本身就不牢固的孔壁发生坍塌增加废孔率，因此，在松软破碎煤层钻孔施工的过程中通常采用风力排渣，而风力排渣虽然有效的降低了废孔率，但其在排渣的过程中会促成煤层发生自燃的三个必要条件，即钻头高速旋转产生的高温、可燃物以及连续的通风供氧，从而严重降低了矿井生产的安全性，对此，现有部分钻孔施工开始尝试使用氮气作为排渣介质，通过煤矿井下制氮装置产出氮气供给钻杆，利用氮气形成的气流将钻头切削产生的渣屑由孔内排出，可有效降低煤层发生自然的概率，提高矿井生产的安全性。
3.但现有的制氮装置产出的氮气压力值相对较低，无法充分的满足中长钻孔的需求，而且在输送的过程中还会产生压力损失，进一步降低了氮气的压力值，相应的降低钻进过程中氮气排渣的效果，其次，因矿井下空气含尘量较高，为了确保氮气的纯度以及流量，矿井下的制氮装置通常都带有空气除杂过滤机构，同时为了确保氮气装置进气量的充分性以及稳定性，相应的会提高过滤组件的更换频率，但现有过滤组件更换过程一般是在停机的状态下进行，更换的灵活度较低，无法充分及时的满足氮气制作过程对空气过滤质量的需求，而且在更换的间隙，未经过滤的空气会直接进入制氮装置内，相应的会降低氮气的纯度和流量。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种煤矿井下移动式制氮装置及其工艺，所述矿井下移动式制氮装置由以下具体技术手段所达成：包括空气压缩机构和膜分离制氮机构，所述空气压缩机构包括移动底盘一，移动底盘一上安装有依次连接在一起的电磁启动器、防爆电动机、螺杆式空气压缩机、油气分离器、压力阀、后冷却器、油冷却器以及气水分离器，电磁启动器安装在移动底盘一的后部用于控制防爆电动机的运行，螺杆式空气压缩机的进气口处安装有空滤总成，空滤总成与螺杆式空气压缩机之间连接有进气阀总成；
5.膜分离制氮机构包括移动底盘二，移动底盘二上安装有依次连接在一起的储气罐、水冷却器、气液分离器、一级过滤器、二级过滤器、三级过滤器、活性碳过滤器、热换器和膜组件，储气罐和气水分离器之间连接有胶管；
6.移动底盘一和移动底盘二之间连接有与胶管配合使用的缩放约束组件。
7.优选技术方案一：所述空滤总成包括过滤通道，过滤通道上对称设置有更换轨道组件，更换轨道组件上滑动连接有轨道变更件，轨道变更件之间连接有双拼过滤座，双拼过滤座上设置有配合使用的更换通道和挡板，更换轨道组件上连接有与轨道变更件配合使用
的送进件和取出件，轨道变更件和更换轨道组件之间设置有自动转换组件，提高过滤板更换的灵活度。
8.优选技术方案二：所述双拼过滤座包括上下两个安装座，上下两个安装座通过轨道变更件对称连接在一起，更换通道位于安装座中间。
9.优选技术方案三：所述更换轨道组件包括送进轨道、取出轨道和中间活动连接组件，送进轨道通过活动连接组件连接在取出轨道上，且送进轨道与取出轨道远离过滤通道进气口的一端相连通，送进件滑动连接在送进轨道上，取出件滑动连接在取出轨道上。
10.优选技术方案四：所述活动连接组件上下对称连接在送进轨道和取出轨道之间，活动连接组件为若干个转动连接块，且上下转动连接块呈错开状分布。
11.优选技术方案五：所述轨道变更件包括连接板和磁性滑动块，磁性滑动块滑动连接在更换轨道组件上，连接板转动连接在磁性滑动块上，且连接板滑动插接在双拼过滤座上，取出件为带有磁吸件的滑杆，磁吸件与磁性滑动块配合使用。
12.优选技术方案六：所述挡板有两个，两个挡板对称转动连接在双拼过滤座上，且两个挡板之间连接有按压扣合件，通过按压扣合件控制挡板的连接与断开。
13.优选技术方案七：所述自动转换组件包括相互配合使用的齿牙板和齿轮件，齿轮件转动连接在磁性滑动块内，且齿轮件固定连接在连接板上，齿牙板固定设置在更换轨道组件内，可自动的带动双拼过滤座由水平状态转变为竖直状态。
14.优选技术方案八：所述缩放约束组件包括弯折度限制轮、滑动轨道、驱动杆和转动座，弯折度限制轮通过滑动轨道分别连接在移动底盘一和移动底盘二上，驱动杆通过转动座定点转动连接在移动底盘一和移动底盘二，转动座和移动底盘一以及移动底盘二均连接有自动伸缩杆，可相应的提高胶管的使用寿命以及保证胶管使用状态的稳定性。
15.优选技术方案九：所述矿井下移动式制氮装置内还安装有循环冷却机构，由于所述矿井下移动式制氮装置在作业过程中会产生大量的热量，此时通过循环冷却机构带走产生的热量，从而达到降低所述矿井下移动式制氮装置内温度的目的。
16.一种煤矿井下制氮工艺，采用一种煤矿井下移动式制氮装置配合完成，且需要结合煤矿井下用的坑道钻机同步配合使用，包括以下步骤：
17.s1:压缩空气，通过空气压缩机构将外部的空气吸入并进行过滤并压缩，且在此过程中，利用过滤总成可确保压缩输出空气的质量以及流量；
18.s2:制作氮气，将s1中压缩的空气右胶管输送至膜分离制氮机构，通过膜分离制氮机构对压缩的空气进行处理产出压力不低于2mpa的高压的氮气；
19.s3:将s2中产出的高压的氮气通过供风管路送至钻杆处，高压氮气通过钻杆压入到钻孔的底部，在钻孔底部形成高速风流将钻孔过程中的渣屑有孔内排出。
20.本发明具备以下有益效果：1、本发明通过空气压缩机构先对空气进行过滤压缩得到高压的气体，之后再通过膜分离制氮机构制得高压的氮气，可充分满足煤矿井下中长钻孔的需求，同时可弥补氮气输送过程中的压力损失，提高钻进过程中氮气排渣的效果。
21.2、本发明通过空滤总成可在不停机的状态下，进行过滤板的更换，更换的灵活度高，可及时充分的满足氮气制作中对空气过滤质量以及空气进气量需求，同时可有效避免未经过滤的空气直接进入制氮装置影响氮气纯度以及流量的问题，提高了产生出氮气压力值的稳定性以及氮气的纯度和流量，同时由于保证了空气进气量需求使得在煤矿井下作业
区不会有较大的压差，从而可以避免煤矿井下中长钻孔中发生自然发火的状况，提供了安全保障。
22.3、本发明通过缩放约束组件可对胶管变化移动的轨迹进行一定程度的限制，同时可对胶管的弯曲度进行控制，可有效避免移动底盘一和移动底盘二相对移动速度过快，胶管发生快速弯折或拉伸而影响其正常使用以及使用寿命的问题，相应的提高了氮气输出压力的稳定性，本发明可以满足制备压力大于2.0mpa的氮气需求。
附图说明
23.图1为本发明与坑道钻机配合使用的整体结构示意图。
24.图2为本发明整体俯视结构示意图。
25.图3为本发明过滤通道结构示意图。
26.图4为本发明更换过滤板时，双拼过滤座的状态示意图。
27.图5为本发明过滤通道与双拼过滤座的连接关系结构示意图。
28.图6为本发明图5中a处的放大图。
29.图7为本发明缩放约束组件结构示意图。
30.图8为本发明挡板和双拼过滤座的连接关系结构示意图。
31.图9为本发明活动连接组件分布状态图。
32.图中：1、移动底盘一；2、电磁启动器；3、防爆电动机；4、螺杆式空气压缩机；5、油气分离器；6、压力阀；7、后冷却器；8、油冷却器；9、气水分离器；10、空滤总成；101、过滤通道；102、更换轨道组件；1021、送进轨道；1022、取出轨道；1023、活动连接组件；103、轨道变更件；1031、连接板；1032、磁性滑动块；104、双拼过滤座；11、进气阀总成；12、移动底盘二；13、储气罐；14、水冷却器；15、气液分离器；16、一级过滤器；17、二级过滤器；18、三级过滤器；19、活性碳过滤器；20、热换器；21、膜组件；22、胶管；23、缩放约束组件；231、弯折度限制轮；232、滑动轨道；233、驱动杆；234、转动座；24、更换通道；25、挡板；26、送进件；27、取出件；28、自动转换组件；281、齿牙板；282、齿轮件；29、按压扣合件；30、自动伸缩杆。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.请参阅图1
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9，一种煤矿井下移动式制氮装置包括空气压缩机构和膜分离制氮机构，空气压缩机构包括移动底盘一1，移动底盘一1上安装有依次连接在一起的电磁启动器2、防爆电动机3、螺杆式空气压缩机4、油气分离器5、压力阀6、后冷却器7、油冷却器8以及气水分离器9，电磁启动器2安装在移动底盘一1的后部，用于控制防爆电动机3的直接启动、停止和正反向运转，并能对防爆电动机3的过载以及断相起保护作用，防爆电动机3通过高强度螺栓安装在移动底盘一1上，用于带动螺杆式空气压缩机4运转，螺杆式空气压缩机4通过弹性联轴器与防爆电动机3连接，螺杆式空气压缩机4的进气口处安装有空滤总成10，进气口位于螺杆式空气压缩机4机壳的上端，排气口在尾部侧面或者端面，螺杆式空气压缩机4
内部有一对高精度加工的阴、阳转子，阴阳转子直径相同，齿呈螺旋状环绕于转子外缘，两个齿形相互啮合并由轴承支撑固定在机壳内，空滤总成10与螺杆式空气压缩机4之间连接有进气阀总成11，膜分离制氮机构包括移动底盘二12，移动底盘二12上安装有依次连接在一起的储气罐13、水冷却器14、气液分离器15、一级过滤器16、二级过滤器17、三级过滤器18、活性碳过滤器19、热换器20和膜组件21，储气罐13和气水分离器9之间连接有胶管22，胶管22为耐高温高压材质，移动底盘一1和移动底盘二12之间连接有与胶管22配合使用的缩放约束组件23。
35.参阅图3、图4和图5，空滤总成10包括过滤通道101，过滤通道101上对称设置有更换轨道组件102，更换轨道组件102上滑动连接有轨道变更件103，轨道变更件103之间连接有双拼过滤座104，轨道变更件103和双拼过滤座104组成了可拆卸的过滤板安装座，且该过滤板安装座至少为两个，当其中一个在使用的时候，另一个则用来更换，过滤板可拆卸的安装在双拼过滤座104上，双拼过滤座104上设置有配合使用的更换通道24和挡板25，双拼过滤座104包括上下两个安装座，上下两个安装座通过轨道变更件103对称连接在一起，更换通道24位于安装座中间，更换轨道组件102上滑动连接有与双拼过滤座104配合使用的送进件26以及与轨道变更件103配合使用的取出件27，轨道变更件103和更换轨道组件102之间设置有自动转换组件28。
36.参阅图3、图6和图9，更换轨道组件102包括送进轨道1021、取出轨道1022和中间活动连接组件1023，送进轨道1021通过活动连接组件1023连接在取出轨道1022上，且送进轨道1021与取出轨道1022远离过滤通道101进气口的一端相连通，活动连接组件1023上下对称连接在送进轨道1021和取出轨道1022之间，活动连接组件1023为若干个转动连接块，如图9所示，上下转动转动连接块呈错开状分布，转动连接块的上端转动连接在取出轨道1022上，转动连接块的下端活动连接在送进轨道1021上的活动槽内，且转动连接块与取出轨道1022之间连接有复位弹性件，非更换状态下，送进轨道1021在上下转动连接块的作用下与取出轨道1022稳定的连接在一起，在更换的状态下，当轨道变更件103在送进轨道1021上滑动取出的时候，轨道变更件103经过相应转动连接块的时候，相应转动连接块在力的作用下会与送进轨道1021断开，而此时其他转动连接块依旧保持与送进轨道1021连接的状态，而当轨道变更件103通过之后，在弹性复位件的作用下，相应的转动连接块恢复到初始连接的状态，且因转动连接块呈上下错开状分布，所以在轨道变更件103向外滑动取出的过程中，单次只会有一个转动连接块与送进轨道1021断开，基本不会影响送进轨道1021与取出轨道1022之间的连接状态，送进件26分别滑动连接在对称的送进轨道1021上，且送进件26远离送进轨道1021的一端通过连接杆连接在一起，为了节省空间，可将连接杆连接在一起的送进件26与送进轨道1021设置为可拆卸滑动连接，如图3所示，常态下，送进件26与送进轨道1021分开，当需要使用的时候，将送进件26插入到送进轨道1021上即可，取出件27滑动连接在取出轨道1022上。
37.参阅图6，轨道变更件103包括连接板1031和磁性滑动块1032，连接板1031包括中间板和连接杆，连接杆分别滑动插接在安装座上，中间板连接在连接杆之间，且中间板转动连接在磁性滑动块1032上，磁性滑动块1032滑动连接在更换轨道组件102上，取出件27为带有磁吸件的滑杆，磁吸件与磁性滑动块1032配合使用，磁吸件可以是磁性块，其磁性与磁性滑动块1032的磁性相反，自动转换组件28包括相互配合使用的齿牙板281和齿轮件282，齿
轮件282转动连接在磁性滑动块1032内，且齿轮件282固定连接在连接板1031上，齿牙板281固定设置在更换轨道组件102内，磁性滑动块1032上开设有供齿轮件282和齿牙板281啮合连接的通槽。
38.参阅图8，挡板25有两个且对称转动连接在双拼过滤座104上，对称的挡板25之间连接有按压扣合件29，按压扣合件29可以是按压式开关，通过按压式开关控制挡板25的连接与断开，例如，常态下，对称的挡板25通过按压式开关连接在一起，而在更换过滤板的过程中，过滤安装座需要穿过更换通道24的时候，会触发按压式开关使挡板25断开连接。
39.参阅图2和图7，缩放约束组件23包括弯折度限制轮231、滑动轨道232、驱动杆233和转动座234，弯折度限制轮231通过滑动轨道232分别连接在移动底盘一1和移动底盘二12上，驱动杆233通过转动座234定点转动连接在移动底盘一1和移动底盘二12，且驱动杆233的两端分别转动连接在弯折度限制轮231上，转动座234和移动底盘一1以及移动底盘二12均连接有自动伸缩杆30，胶管22的一端连接在储气罐13上，另一端依次通过转动连接在气水分离器9上，这里可以在胶管22两个端部位置附近固定设置二分之一转轮来对胶管22连接处的最小弯折度进行限制，通过转轮直径的设置可以限定胶管22的最小弯折度，当移动底盘一1和移动底盘二12发生相对移动的时候，驱动杆233随着相对移动距离的变化而在转动座234上发生一定程度的转动，如图7所示，当移动底盘一1和移动底盘二12之间的相对位移增大的时候，驱动杆233向转动座234垂直于移动底盘一1的中心线做靠近转动，此时，对应的弯折度限制轮231在相应的滑动轨道232上向中心线的方向滑动，此时胶管22由相对弯曲收卷的状态逐渐向直线放开的状态转变，在满足胶管22长度所需同时，可对胶管22的弯曲度进行限制，反之，当移动底盘一1和移动底盘二12之间的相对位移减小的时候，与前述同理，综上，当移动底盘一1和移动底盘二12发生相对应位移的时候，可对胶管22的最小弯曲度进行限制，避免胶管22因弯曲过度影响气体的传输，同时可对胶管22变化移动轨迹进行一定程度的限制，可有效避免移动底盘一1和移动底盘二12相对移动速度过快，胶管22发生快速弯折或拉伸而影响其正常使用以及使用寿命的问题。
40.同时，本发明所述矿井下移动式制氮装置内还安装有循环冷却机构，由于所述矿井下移动式制氮装置在作业过程中会产生大量的热量，此时通过循环冷却机构带走产生的热量，从而达到降低所述矿井下移动式制氮装置内温度的目的。
41.工作原理：该煤矿井下移动式制氮装置煤矿井下用的坑道钻机配合使用，坑道钻机包括钻机主体、稳定座以及钻杆，如图1所示，钻机主体安装在稳定座上，钻杆安装在钻机主体上，钻杆与制氮装置之间连接有供风管路，在氮气制作的过程中，首先通过电磁启动器2启动防爆电动机3，防爆电动机3带动螺杆式空气压缩机4运转，外部空气经过过空滤总成10由进气口进入螺杆式空气压缩机4内，经螺杆式空气压缩机4压缩后的油气混合物进入油气分离器5，油气分离器5将油气混合物中的润滑油分离出来储存在底部，同时分离后干净的气体通过压力阀6进入后冷却器7，后冷却器7为管壳式冷却器，用于冷却压缩气体，压缩气体走壳层，冷却水走管层，在工作的过程中需要持续供应冷却水，而在长时间停车时，需要排空后冷却器7中的冷却水，冷却后的高压气体依次经过油冷却器8和气水分离器9过滤掉高压气体中的水分后通过耐高温高压的胶管22输入到储气罐13内，之后经过水冷却器14进入气液分离器15中，此时，空气中的水、油、气被冷凝器分离，除去部分的机械杂质和油含量，然后压缩的空气再依次经过一级过滤器16、二级过滤器17、三级过滤器18以及活性碳过
滤器19进行进一步净化过滤后达到膜组件21对压缩空气工况指标的要求，再经过热换器20使气体达到规定的温度左右进入膜组件21，膜组件21将压缩空气中的氮、养分离，并通过供风管路将氮气通过钻杆压入到钻孔的底部，在钻孔底部形成高速风流将钻孔过程中的渣屑有孔内排出，综上，通过空气压缩机构先对空气进行过滤压缩得到高压的气体，之后再通过膜分离制氮机构制得高压的氮气，可充分满足煤矿井下中长钻孔的需求，同时可弥补氮气输送过程中的压力损失，提高钻进过程中氮气排渣的效果。
42.其次，在更换过滤板的过程中，将新的过滤板安装在当前未使用的过滤板安装座上，之后将过滤板安装座以及其上的过滤板以水平的状态连接在送进轨道1021上，利用送进件26推动过滤板安装座沿着送进轨道1021向过滤通道101内滑动，与此同时，取出件27同步的带动当前使用的过滤板安装座以及其上的过滤板以竖直的状态向外移动，送进件26和取出件27均通过外部驱动装置带动，在移动的过程中，水平状态的过滤板由当前使用过滤板安装座上的更换通道24穿过，之后磁性滑动块1032滑动到齿牙板281的位置，齿牙板281的作用下，齿轮件282发生转动同步的带动连接板1031转动，连接板1031同步的带动双拼过滤座104以及其上的过滤板由水平状态转变为竖直状态，同时，取出件27刚好将其上连接的过滤安装座以及其上的过滤板由过滤通道101内移出，此时，已经顺利的完成了过滤板的更换，之后对送进件26以及取出件27进行复位，当取出件27复位后，，滑动至送进轨道1021和取出轨道1022的连通处，磁性滑动块1032在取出件27上的磁吸件的作用下，由送进轨道1021进入取出轨道1022内，为下次更换取出做准备，同时可进一步提高双拼过滤座104当前状态的稳定性，有效避免因气流过发生双拼过滤座104带动连接板1031转动的情况，当送进件26复位后，可将更换出来的过滤安装座以及其上的过滤板取下，并换上新的过滤板为下次更换做准备，综上，可在不停机的状态下，对过滤板进行更换，更换的灵活性较高，在氮气制作的过程中，可根据实时的情况需求及时的更换过滤板，确保进气量的充分性以及稳定性，相应的提高了产出氮气压力值的稳定性。
43.此外，在水平状态的过滤安装座以及其上的过滤板由更换通道24穿过竖直状态的过滤安装座的过程中，水平状态的过滤安装座会触发按压式开关使挡板25断开连接，水平状态的过滤安装座以及其上的过滤板通过更换通道24穿过竖直状态的过滤安装座，完成更换，整个更换过程都在相对密封的环境下进行，可有效避免未经过滤的空气直接进入制氮装置中，相应的提高了氮气的纯度和流量，由于保证了空气进气量需求使得在煤矿井下作业区不会有较大的压差，从而可以避免煤矿井下中长钻孔中发生自然发火的状况，提供了安全保障。
44.一种煤矿井下制氮工艺，采用一种煤矿井下移动式制氮装置配合完成，且需要结合煤矿井下用的坑道钻机同步配合使用，包括以下步骤：
45.s1:压缩空气，通过空气压缩机构对空气进行过滤并压缩，在此过程中，利用过滤总成可确保压缩输出空气的质量以及流量；
46.s2:制作氮气，将s1中压缩的空气右胶管输送至膜分离制氮机构，过膜分离制氮机构对压缩的空气进行处理产出压力不低于2mpa的高压的氮气；
47.s3:将s2中产出的高压的氮气通过供风管路送至钻杆处，高压氮气通过钻杆压入到钻孔的底部，在钻孔底部形成高速风流将钻孔过程中的渣屑有孔内排出。
48.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。