投球式高压水力钻割一体化增渗装置以及增渗方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及煤层卸压增渗装备技术领域，投球式高压水力钻割一体化增渗装置，钻杆安装于液压钻机并由液压钻机驱动轴向转动，所述钻头固定于钻杆前端；高压管汇通过旋转接头连接于钻杆后端，高压管汇连接高压水力泵站和通过高压旋转接头连接钻杆尾端，用于通过高压密封钻杆向钻头输送高压水，钻头柄部沿径向对称安装多个水射流喷嘴，通过是否投放密封球来控制水射流喷嘴的出口压力，进而实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能。本装置实现钻孔钻进与水射流割缝的一体化作业，有效减少作业程序。另外，本发明专利技术还提出了一种投球式高压水力钻割一体化增渗方法。

The integrated infiltration increasing device and method of high pressure hydraulic drilling and cutting

【技术实现步骤摘要】
投球式高压水力钻割一体化增渗装置以及增渗方法
本专利技术涉及煤层卸压增渗装备
，特别涉及高压水力钻割一体化技术。
技术介绍
目前，高瓦斯矿井和突出矿井的矿井瓦斯治理主要是通过施工钻孔预抽煤层中的瓦斯，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力，减少工作面瓦斯涌出量来避免煤矿开采过程中的瓦斯事故。在不采取强化抽采措施的前提下，钻孔直径是影响单一钻孔预抽瓦斯抽采效果的关键因素：孔径小，所形成的塑性圈直径小，钻孔的表面积小，影响瓦斯的排放速度，抽采时间增长，影响矿井的高效开采；钻孔的孔径过大，增加打钻施工和封孔的时间成本和财物成本，钻孔在地应力等综合作用下成孔和稳定性差，容易塌孔，影响钻孔的正常抽采。针对上述情况，需要一种技术及装备能够实现煤层钻孔的局部扩大直径，增大塑性区，提高瓦斯抽采效果而又不影响钻孔的成形。目前常规采用的方法是高压水力割缝、水力扩孔、水力冲孔等措施。其主要流程是钻孔施工结束后退出钻具，利用钻机将高压水力作业系统的喷头、喷嘴等送至钻孔内预定位置，利用高压水对煤体进行切割或者扩孔等措施，但该技术应用时增加了施工工序，加大了煤矿工人的劳动强度。目前，有关科研院所也研制了基于高压水节流密闭增压原理的高压钻割一体化钻头，各喷嘴的打开和关闭由在直径为94mm的钻头内装设包括活塞、弹簧和滑套组成的切换结构调整水泵压力来实现，在有限空间内安装大量机械装置，影响了装备的适用性和稳定性，限制了该技术的发展。因此，就需要一种经过改进的投球式高压水力钻割一体化增渗装置，在钻孔施工完成后，不需要退出钻杆，通过钻杆内径投入憋压密封球与密封球座合作，密闭钻头低压钻进出水口实现憋压产生超高压水射流对煤体进行扩孔及割缝，实现煤层快速卸压增透的目的。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出的投球式高压水力钻割一体化增渗装置，该装置不仅可以正常钻进施工，而且在退钻过程中可以利用超高压水射流对煤层进行扩孔及割缝，实现钻孔钻进与水射流割缝的一体化作业，有效减少作业程序。另外，本专利技术还提出了一种投球式高压水力钻割一体化增渗方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：在第一个技术方案中，投球式高压水力钻割一体化增渗装置，包括钻头、高压密封钻杆、液压钻机、高压旋转接头、超高压管汇和高压水力泵站，所述钻杆安装于液压钻机并由液压钻机驱动轴向转动，所述钻头固定于钻杆前端；所述高压管汇通过旋转接头连接于钻杆后端，所述高压管汇连接高压水力泵站和通过高压旋转接头连接钻杆尾端，用于通过高压密封钻杆向钻头输送高压水，所述钻头柄部沿径向对称安装多个水射流喷嘴，通过是否投放密封球来控制水射流喷嘴的出口压力，进而实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能。在第一个技术方案中，作为优选的，所述钻头包括包括密封球、钻头冠部和钻头柄部，所述钻头冠部连接在钻头柄部的前端，所述钻头冠部和钻头柄部具有由钻头冠部内部到钻头柄部内部连续贯通的通道，该通道的前端开口位置位于钻头冠部内并形成出水口，所述通道的内部设有密封座，所述密封座和钻头柄部后端之间段设有若干个水射流喷嘴；在第一状态时，所述出水口和所述水射流喷嘴均与通道后端连通；所述密封球投放到通道内后抵接在密封座上并封闭通道的中部并形成第二状态，在第二状态时，所述出水口与所述通道后端相对封闭，仅使水射流喷嘴与通道后端连通，并使水射流喷嘴增压。在第一个技术方案中，作为优选的，所述密封座朝向通道尾端的端面为球形凹槽，该球形凹槽与所述密封球表面曲率相匹配。在第一个技术方案中，作为优选的，密封座为软质密封材料制成的座。在第一个技术方案中，作为优选的，所述密封球采用聚苯并咪唑和聚醚醚酮为主体材料制成的球体，密封球的密度为1.5～2.0g/cm3，耐压70MPa。在第一个技术方案中，作为优选的，所述水射流喷嘴采用丝扣方式内嵌在钻头柄部。在第一个技术方案中，作为优选的，所述水射流喷嘴为旋转射流喷嘴、圆射流喷嘴、直旋混合射流喷嘴的一种或者几种的组合，水射流喷嘴数量不少于2个；所述水射流喷嘴的径向对称安装是错位对称或同位对称。在第一个技术方案中，作为优选的，所述钻头冠部装有多个沿主轴方向排列的刀头，且若干刀头成爪状结构，所述出水口开设在爪状结构的中心位置。在第一个技术方案中，作为优选的，所述钻头尾部与高压密封钻杆之间采用双重密封连接，耐压70MPa；所述出水口能够伸入专用工具将密封球与密封球座分开；所述高压密封钻杆的内部通径固定不变，通径比密封球直径大2-10mm；所述高压旋转接头的出水口与高压密封钻杆的母接头采用双重密封连接，进水口与超高压管汇连接，耐压70MPa；所述超高压管汇连接处装有防护装置；所述高压水力泵站额定流量125L/min，额定压力70MPa。在第二个技术方案中，投球式高压水力钻割一体化增渗方法，使用第一个技术方案中的投球式高压水力钻割一体化增渗装置，包括如下步骤：步骤1、接入低压水，施工穿层钻孔或者顺层钻孔至设计位置后，从高压密封钻杆上卸掉高压旋转接头，投入密封球至高压密封钻杆内后装好高压旋转接头；步骤2、开启高压水力泵站，密封球在高压水带动下经高压密封钻杆进入钻头后与密封球座紧密接触封堵钻头出水口，此时高压水射流直接由水射流喷嘴径向喷出，开始割缝或扩孔工作；步骤3、当割缝及扩孔完成一定长度后，通过减少高压密封钻杆以后退方式完成整个钻孔的割缝或扩孔作业；步骤4、卸下钻头，利用专用工具经出水口将密封球与密封球座分开，然后开展下一钻孔的钻割一体化作业。使用本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的的投球式高压水力钻割一体化增渗装置，将低压水打钻、高压水扩孔及割缝功能结合在一起，实现了钻进、扩孔及割缝一体化的功能。通过钻头内部中空位置安装密封球座，钻头柄部对称安装水射流喷嘴，结合密封球实现钻头的一头两用，结合密封球耐压强度和高压水射流钻杆耐压强度可以实现压力可调(压力最高为70MPa)的钻割一体化作业，形成的高压水射流对煤体进行扩孔、切割、冲刷，在煤体内部形成径向扁平缝槽，增大煤体暴露体积，煤体内部裂隙增加，煤体得到充分增加卸压、增透，将煤层瓦斯抽采难易程度由较难抽放提升至容易抽放，扩大钻孔有限影响半径，提高钻孔间距，减少抽采钻孔数量。同时由于密封球采用聚苯并咪唑、聚醚醚酮为主体材料，耐磨性好，可以实现一个密封球多次重复利用。本专利技术具有适应性强、结构简单、钻割一体化、加工容易、操作简便等优点，具有广泛运用价值。本专利技术的投球式高压水力钻割一体化增渗装置的增渗方法，通过钻头内部中空位置安装密封球座，钻头柄部对称安装水射流喷嘴，结合密封球实现钻头的一头两用，将低压水打钻、高压水扩孔及割缝功能结合在一起，实现了钻进、扩孔及割缝一体化的功能。附图说明图1为本专利技术投球式高压水力钻割一体化增渗装置的钻进时的示意图。图2为本专利技术投球式高压水力钻割一体化增渗装置的割缝时的示意图。图3为本专利技术投球式高压水力钻割一体化增渗装置中钻头结构示意图。图4为本专利技术投球式高压水力钻割一体化增渗装置中钻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在于：包括钻头、高压密封钻杆、液压钻机、高压旋转接头、超高压管汇和高压水力泵站，所述钻杆安装于液压钻机并由液压钻机驱动轴向转动，所述钻头固定于钻杆前端；所述高压管汇通过旋转接头连接于钻杆后端，所述高压管汇连接高压水力泵站和通过高压旋转接头连接钻杆尾端，用于通过高压密封钻杆向钻头输送高压水，所述钻头柄部沿径向对称安装多个水射流喷嘴，通过是否投放密封球来控制水射流喷嘴的出口压力，进而实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能。/n

【技术特征摘要】
1.投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在于：包括钻头、高压密封钻杆、液压钻机、高压旋转接头、超高压管汇和高压水力泵站，所述钻杆安装于液压钻机并由液压钻机驱动轴向转动，所述钻头固定于钻杆前端；所述高压管汇通过旋转接头连接于钻杆后端，所述高压管汇连接高压水力泵站和通过高压旋转接头连接钻杆尾端，用于通过高压密封钻杆向钻头输送高压水，所述钻头柄部沿径向对称安装多个水射流喷嘴，通过是否投放密封球来控制水射流喷嘴的出口压力，进而实现低压钻进、中压扩孔和高压割缝的功能。


2.根据权利要求1投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在于：所述钻头包括包括密封球、钻头冠部和钻头柄部，所述钻头冠部连接在钻头柄部的前端，所述钻头冠部和钻头柄部具有由钻头冠部内部到钻头柄部内部连续贯通的通道，该通道的前端开口位置位于钻头冠部内并形成出水口，所述通道的内部设有密封座，所述密封座和钻头柄部后端之间段设有若干个水射流喷嘴；在第一状态时，所述出水口和所述水射流喷嘴均与通道后端连通；所述密封球投放到通道内后抵接在密封座上并封闭通道的中部并形成第二状态，在第二状态时，所述出水口与所述通道后端相对封闭，仅使水射流喷嘴与通道后端连通，并使水射流喷嘴增压。


3.根据权利要求2投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在于：所述密封座朝向通道尾端的端面为球形凹槽，该球形凹槽与所述密封球表面曲率相匹配。


4.根据权利要求2投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在于：密封座为软质密封材料制成的座。


5.根据权利要求2投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在于：所述密封球采用聚苯并咪唑和聚醚醚酮为主体材料制成的球体，密封球的密度为1.5～2.0g/cm3，耐压70MPa。


6.根据权利要求2投球式高压水力钻割一体化增渗装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳增，许幸福，张天明，王耀锋，张利军，薛伟超，张超，王春光，黄鹤，石永生，
申请(专利权)人：煤科集团沈阳研究院有限公司，山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿，
类型：发明
国别省市：辽宁;21