利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置和方法

1.本发明涉及顶板定向压裂技术领域，具体涉及利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置和方法。


背景技术：

2.煤矿进入深部以后，煤层顶板坚硬，无法正常垮落，容易造成冲击地压和采空区瓦斯涌出等灾害。超前破断坚硬顶板，使顶板有序垮落是避免冲击地压和瓦斯涌出的有效手段。
3.目前，多采用爆破和水力压裂对顶板实施破断。但在采空区爆破容易存在较多安全隐患且工序复杂，影响回采效率。而且《煤矿安全规程》规定，严禁在卸压区实施爆破，限制了该技术的使用范围。
4.水力压裂破断方法避免了爆破技术存在的缺点，其破断效果决定于裂缝扩展范围和方向。但裂缝扩展方向决定于最大主应力方向，实际应用过程中并不能对顶板进行大范围有效破断。
5.因此，有必要提供利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置和方法以解决上述问题。


技术实现要素：

6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，包括：
7.钻杆，其钻进一端一体成型有向内收缩的球状中空铰接头；
8.角度调节头，其可沿所述钻杆在同一平面偏转的铰接至所述铰接头上，且所述角度调节头的内部设置有水力驱动组件；
9.钻头，其可沿所述角度调节头在同一平面偏转的铰接至所述角度调节头上，且所述钻头至少包括调节臂，且通过所述水力驱动组件能够驱动调节臂带动钻头进行偏转；以及
10.水射流射孔组件，其嵌入至所述角度调节头的侧部，且能够自调节射流路径；
11.且利用水射流射孔组件进行射流前，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂带动钻头进行偏转且使得所述调节臂抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头进行偏转，以便扩大水射流射孔组件的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件的射流范围内。
12.进一步，作为优选，所述角度调节头整体为筒状结构，且自左向右依次为支撑头、连接筒以及铰接筒，其中所述铰接筒可沿所述钻杆在同一平面偏转的铰接至所述铰接头上。
13.进一步，作为优选，所述钻头可沿所述支撑头在同一平面偏转的铰接至所述支撑头上，所述支撑头上还贯穿开设有出液孔，以便排出清洗液。
14.进一步，作为优选，所述钻头靠近角度调节头的一端对称固定有两个调节臂；
15.所述水力驱动组件包括：
16.与调节臂对应设置的活塞缸驱动组件，其嵌入至所述支撑头中，且具有一进液控制口；
17.阀盘，其转动设置于所述支撑头中，且所述阀盘具有一进水口，且通过驱动阀盘进行转动能够带动进水口依次与两个进液控制口相连通，从而实现分别供液驱动；以及
18.弹性杆，其一端与阀盘相连，另一端与电机的输出端相连，所述电机固定嵌入至所述钻杆中。
19.进一步，作为优选，所述弹性杆为弹性材料。
20.进一步，作为优选，所述活塞缸驱动组件包括：
21.活塞缸，其嵌入至所述支撑头中，且所述活塞缸的一侧为开口状，另一侧为封闭状，其封闭状一侧具有一与进水口相连通的进液控制口；
22.塞体，其密封滑动设置于所述活塞缸中，且其一端铰接有杆体，杆体另一端与调节臂相铰接；以及
23.复位弹簧，其连接于塞体与活塞缸封闭状一侧之间。
24.进一步，作为优选，所述调节臂的外部还固定有抵靠臂。
25.进一步，作为优选，所述水射流射孔组件包括：
26.基座，其固定嵌入于所述连接筒中，用于转动连接驱动筒，所述驱动筒的顶部开设有通槽；
27.驱动盘，其转动设置于所述驱动筒中，且所述驱动盘为仓体结构，且顶部具有缺口，从而形成导向槽；以及
28.至少一个射流头，其穿过通槽且中部与通槽相铰接，其尾部限位滑动设置于导向槽中，且所述射流头由驱动盘进行供给液体。
29.进一步，作为优选，所述基座的顶部对称设置有能够抱紧驱动筒的第一导向囊；所述驱动筒的底部设置有能够抱紧驱动盘的第二导向囊；
30.所述驱动筒的外表面具有齿牙以便和驱动齿轮相啮合，所述驱动齿轮转动设置于基座中，且具有动力；
31.所述驱动盘一侧同轴固定有从动轮，所述从动轮采用传动带与驱动带轮传动相连，所述驱动带轮转动设置于所述驱动筒，且具有动力。
32.利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板方法，使用水射流切顶导向压裂顶板装置进行导向压裂顶板，其包括如下步骤：
33.s1.根据情况预设钻孔路径和射孔路径；
34.s2.利用后端控制总成驱动钻杆进行钻进以及为钻杆供给清洗液，且利用水射流射孔组件进行射流时，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂带动钻头进行偏转且使得所述调节臂抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头进行偏转，以便扩大水射流射孔组件的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件的射流范围内；
35.s3.利用后端控制总成为水射流射孔组件提供预混合磨料进行射流从而构造射孔且形成导向缝；
36.s4.利用后端控制总成为水射流射孔组件提供压裂液，从而沿射孔方向进行压裂，
从而构造压裂缝，通过相邻钻孔的导向缝对压裂缝进行连接，促使压裂缝始终沿着煤层顶板设定方向扩展。
37.与现有技术相比，本发明提供了利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置和方法，具有以下有益效果：
38.本发明实施例中，采用磨料水射流射孔的方法，在岩层中预先形成导向缝，然后进行水力压裂，裂缝在导向缝尖端起裂后会沿着导向缝方向扩展，在裂缝发生转向之前，通过相邻钻孔的导向缝对压裂裂缝进行连接，促使裂缝始终沿着煤层顶板设定方向扩展，实现顶板的有效破断；
39.本发明实施例中，通过驱动筒驱动射流头进行偏转，在此基础上还可利用驱动盘驱动射流头进行偏转，二者所驱动偏转的基准点不同，因此二者相互配合能够使得射流头的偏转角度更加精确，另外，通过控制射孔角度，将射孔方向平行与顶板走向或倾向，能够使裂缝在射孔方向扩展。
40.本发明实施例中，利用水射流射孔组件进行射流前，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂带动钻头进行偏转且使得所述调节臂抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头进行偏转，以便扩大水射流射孔组件的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件的射流范围内。
附图说明
41.图1为利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置的使用示意图；
42.图2为利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置的整体结构示意图；
43.图3为图2的a处放大结构示意图；
44.图4为利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置中角度调节头的结构示意图；
45.图5为利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置中水射流射孔组件的结构示意图；
46.图6为利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置中水射流射孔组件的偏转示意图；
47.图中：1、钻杆；2、角度调节头；3、钻头；4、水射流射孔组件；5、后端控制总成；6、电机；7、弹性杆；8、阀盘；9、活塞缸；10、塞体；11、铰接头；12、煤层；13、顶板；14、钻孔；15、射孔；16、压裂缝；17、采空区；21、支撑头；22、连接筒；23、出液孔；24、铰接筒；25、抱紧筒；31、调节臂；32、抵靠臂；41、基座；42、第一导向囊；43、驱动筒；44、驱动齿轮；45、第二导向囊；46、驱动盘；47、射流头；48、导向槽；49、驱动带轮。
具体实施方式
48.请参阅图1～5，本发明提供了利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，包括：
49.钻杆1，其钻进一端一体成型有向内收缩的球状中空铰接头11；
50.角度调节头2，其可沿所述钻杆1在同一平面偏转的铰接至所述铰接头11上，且所述角度调节头2的内部设置有水力驱动组件；
51.钻头3，其可沿所述角度调节头2在同一平面偏转的铰接至所述角度调节头2上，且所述钻头3至少包括调节臂31，且通过所述水力驱动组件能够驱动调节臂31带动钻头3进行偏转；以及
52.水射流射孔组件4，其嵌入至所述角度调节头2的侧部，且能够自调节射流路径；
53.且利用水射流射孔组件4进行射流前，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂31带动钻头3进行偏转且使得所述调节臂31抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头2进行偏转，以便扩大水射流射孔组件4的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件4的射流范围内。
54.本实施例中，所述角度调节头2整体为筒状结构，且自左向右依次为支撑头21、连接筒22以及铰接筒24，其中所述铰接筒24可沿所述钻杆1在同一平面偏转的铰接至所述铰接头11上。
55.另外，所述钻头3可沿所述支撑头21在同一平面偏转的铰接至所述支撑头21上，所述支撑头21上还贯穿开设有出液孔23，以便排出清洗液。
56.需要解释的是，在钻进的过程中，钻头不断地破碎孔底岩石，延深钻孔，与此同时孔底会产生大量的岩粉、岩屑，而利用冲洗液自钻头处的流出能够在环空中将钻头破碎的岩粉、岩屑及时地携带到地表，以保持孔底清洁；另外，在钻进过程中利用冲洗液本身的性能，能够在孔壁上形成薄而致密的泥皮，防止孔壁坍塌、掉块。
57.本实施例中，如图3，所述钻头3靠近角度调节头的一端对称固定有两个调节臂31；
58.所述水力驱动组件包括：
59.与调节臂31对应设置的活塞缸驱动组件，其嵌入至所述支撑头21中，且具有一进液控制口；
60.阀盘8，其转动设置于所述支撑头21中，且所述阀盘8具有一进水口，且通过驱动阀盘8进行转动能够带动进水口依次与两个进液控制口相连通，从而实现分别供液驱动；以及
61.弹性杆7，其一端与阀盘8相连，另一端与电机6的输出端相连，所述电机6固定嵌入至所述钻杆1中。
62.且，所述弹性杆7为弹性材料。
63.因此，即使当角度调节头发生偏转时，通过弹性杆7依旧能够有效的传递转动，从而驱动阀盘8进行转动，这样，有利于带动进水口依次与两个进液控制口相连通，从而实现分别供液驱动，当利用进液控制口进行进液时，清洗液能够推动塞体10进行滑动，从而推动抵靠臂32进行偏转。
64.另外，所述活塞缸驱动组件包括：
65.活塞缸9，其嵌入至所述支撑头21中，且所述活塞缸9的一侧为开口状，另一侧为封闭状，其封闭状一侧具有一与进水口相连通的进液控制口；
66.塞体10，其密封滑动设置于所述活塞缸9中，且其一端铰接有杆体，杆体另一端与调节臂31相铰接；以及
67.复位弹簧，其连接于塞体与活塞缸9封闭状一侧之间。
68.作为较佳的实施例，所述调节臂31的外部还固定有抵靠臂32。
69.本实施例中，如图5，所述水射流射孔组件4包括：
70.基座41，其固定嵌入于所述连接筒22中，用于转动连接驱动筒43，所述驱动筒43的
顶部开设有通槽；
71.驱动盘46，其转动设置于所述驱动筒43中，且所述驱动盘46为仓体结构，且顶部具有缺口，从而形成导向槽48；以及
72.至少一个射流头47，其穿过通槽且中部与通槽相铰接，其尾部限位滑动设置于导向槽48中，且所述射流头47由驱动盘46进行供给液体。
73.需要注意的是，驱动盘46可以采用高压水管与射流头相连通，射流头的底部可以垂直固定限位杆，利用限位杆滑动设置于导向槽48中，如此可以通过驱动筒43驱动射流头47进行偏转，在此基础上还可利用驱动盘46驱动射流头47进行偏转，需要注意的是，二者所驱动偏转的基准点不同，因此二者相互配合能够使得射流头的偏转角度更加精确，如图6，当需要利用射流头47偏转至a方向上时，利用驱动筒和驱动盘的相互配合能使得射流头更加精确的偏转至a方向上，从而通过控制射孔角度，将射孔方向平行与顶板走向或倾向(决定于采煤方法)，使裂缝在射孔方向扩展。
74.作为较佳的实施例，所述基座41的顶部对称设置有能够抱紧驱动筒43的第一导向囊42；所述驱动筒43的底部设置有能够抱紧驱动盘46的第二导向囊45；需要注意的是，第一导向囊和第二导向囊可由外部液压控制器进行控制涨缩。
75.所述驱动筒43的外表面具有齿牙以便和驱动齿轮44相啮合，所述驱动齿轮44转动设置于基座41中，且具有动力；
76.所述驱动盘46一侧同轴固定有从动轮，所述从动轮采用传动带与驱动带轮49传动相连，所述驱动带轮49转动设置于所述驱动筒43，且具有动力。
77.利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板方法，使用水射流切顶导向压裂顶板装置进行导向压裂顶板，如图1，其包括如下步骤：
78.s1.根据情况预设钻孔14路径和射孔15路径；
79.s2.利用后端控制总成5驱动钻杆1进行钻进以及为钻杆1供给清洗液，且利用水射流射孔组件4进行射流时，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂31带动钻头3进行偏转且使得所述调节臂31抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头2进行偏转，以便扩大水射流射孔组件4的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件4的射流范围内；
80.s3.利用后端控制总成5为水射流射孔组件4提供预混合磨料进行射流从而构造射孔15且形成导向缝；
81.s4.利用后端控制总成5为水射流射孔组件4提供压裂液，从而沿射孔方向进行压裂，从而构造压裂缝16，通过相邻钻孔的导向缝对压裂缝进行连接，促使压裂缝始终沿着煤层顶板设定方向扩展。
82.因此，本发明实施例中，采用磨料水射流射孔的方法，在岩层中预先形成导向缝，然后进行水力压裂，裂缝在导向缝尖端起裂后会沿着导向缝方向扩展。在裂缝发生转向之前，通过相邻钻孔的导向缝对压裂裂缝进行连接，促使裂缝始终沿着煤层顶板设定方向扩展，实现顶板的有效破断；
83.以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：包括：钻杆(1)，其钻进一端一体成型有向内收缩的球状中空铰接头(11)；角度调节头(2)，其可沿所述钻杆(1)在同一平面偏转的铰接至所述铰接头(11)上，且所述角度调节头(2)的内部设置有水力驱动组件；钻头(3)，其可沿所述角度调节头(2)在同一平面偏转的铰接至所述角度调节头(2)上，且所述钻头(3)至少包括调节臂(31)，且通过所述水力驱动组件能够驱动调节臂(31)带动钻头(3)进行偏转；以及水射流射孔组件(4)，其嵌入至所述角度调节头(2)的侧部，且能够自调节射流路径；且利用水射流射孔组件(4)进行射流前，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂(31)带动钻头(3)进行偏转且使得所述调节臂(31)抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头(2)进行偏转，以便扩大水射流射孔组件(4)的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件(4)的射流范围内。2.根据权利要求1所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述角度调节头(2)整体为筒状结构，且自左向右依次为支撑头(21)、连接筒(22)以及铰接筒(24)，其中所述铰接筒(24)可沿所述钻杆(1)在同一平面偏转的铰接至所述铰接头(11)上。3.根据权利要求2所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述钻头(3)可沿所述支撑头(21)在同一平面偏转的铰接至所述支撑头(21)上，所述支撑头(21)上还贯穿开设有出液孔(23)，以便排出清洗液。4.根据权利要求2所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述钻头(3)靠近角度调节头的一端对称固定有两个调节臂(31)；所述水力驱动组件包括：与调节臂(31)对应设置的活塞缸驱动组件，其嵌入至所述支撑头(21)中，且具有一进液控制口；阀盘(8)，其转动设置于所述支撑头(21)中，且所述阀盘(8)具有一进水口，且通过驱动阀盘(8)进行转动能够带动进水口依次与两个进液控制口相连通，从而实现分别供液驱动；以及弹性杆(7)，其一端与阀盘(8)相连，另一端与电机(6)的输出端相连，所述电机(6)固定嵌入至所述钻杆(1)中。5.根据权利要求4所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述弹性杆(7)为弹性材料。6.根据权利要求4所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述活塞缸驱动组件包括：活塞缸(9)，其嵌入至所述支撑头(21)中，且所述活塞缸(9)的一侧为开口状，另一侧为封闭状，其封闭状一侧具有一与进水口相连通的进液控制口；塞体(10)，其密封滑动设置于所述活塞缸(9)中，且其一端铰接有杆体，杆体另一端与调节臂(31)相铰接；以及复位弹簧，其连接于塞体与活塞缸(9)封闭状一侧之间。7.根据权利要求4所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征
在于：所述调节臂(31)的外部还固定有抵靠臂(32)。8.根据权利要求2所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述水射流射孔组件(4)包括：基座(41)，其固定嵌入于所述连接筒(22)中，用于转动连接驱动筒(43)，所述驱动筒(43)的顶部开设有通槽；驱动盘(46)，其转动设置于所述驱动筒(43)中，且所述驱动盘(46)为仓体结构，且顶部具有缺口，从而形成导向槽(48)；以及至少一个射流头(47)，其穿过通槽且中部与通槽相铰接，其尾部限位滑动设置于导向槽(48)中，且所述射流头(47)由驱动盘(46)进行供给液体。9.根据权利要求8所述的利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，其特征在于：所述基座(41)的顶部对称设置有能够抱紧驱动筒(43)的第一导向囊(42)；所述驱动筒(43)的底部设置有能够抱紧驱动盘(46)的第二导向囊(45)；所述驱动筒(43)的外表面具有齿牙以便和驱动齿轮(44)相啮合，所述驱动齿轮(44)转动设置于基座(41)中，且具有动力；所述驱动盘(46)一侧同轴固定有从动轮，所述从动轮采用传动带与驱动带轮(49)传动相连，所述驱动带轮(49)转动设置于所述驱动筒(43)，且具有动力。10.利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板方法，使用如权利要求1至9任一项所述的水射流切顶导向压裂顶板装置进行导向压裂顶板，其特征在于：其包括如下步骤：s1.根据情况预设钻孔(14)路径和射孔(15)路径；s2.利用后端控制总成(5)驱动钻杆(1)进行钻进以及为钻杆(1)供给清洗液，且利用水射流射孔组件(4)进行射流时，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂(31)带动钻头(3)进行偏转且使得所述调节臂(31)抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头(2)进行偏转，以便扩大水射流射孔组件(4)的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件(4)的射流范围内；s3.利用后端控制总成(5)为水射流射孔组件(4)提供预混合磨料进行射流从而构造射孔(15)且形成导向缝；s4.利用后端控制总成(5)为水射流射孔组件(4)提供压裂液，从而沿射孔方向进行压裂，从而构造压裂缝(16)，通过相邻钻孔的导向缝对压裂缝进行连接，促使压裂缝始终沿着煤层顶板设定方向扩展。

技术总结
本发明公开了利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置和方法，其中，在岩层中预先形成导向缝，然后进行水力压裂，裂缝在导向缝尖端起裂后会沿着导向缝方向扩展，在裂缝发生转向之前，通过相邻钻孔的导向缝对压裂裂缝进行连接，促使裂缝始终沿着煤层顶板设定方向扩展，实现顶板的有效破断；且利用水射流射孔组件进行射流前，选择性的使用水力驱动组件，从而驱动调节臂带动钻头进行偏转且使得所述调节臂抵靠在钻孔内壁上，从而反向驱动角度调节头进行偏转，以便扩大水射流射孔组件的射流范围，使得预设射流路径包含于水射流射孔组件的射流范围内。件的射流范围内。件的射流范围内。


技术研发人员：刘勇 魏建平 司磊磊 张健 张宏图 温志辉 徐向宇 李波 王登科 李登
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8