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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及顶板定向压裂
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：利用超前预混合磨料水射流切顶导向压裂顶板装置，包括：
[0007]钻杆，其钻进一端一体成型有向内收缩的球状中空铰接头；
[0008]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；
[0009]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/>[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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；
[0015]所述水力驱动组件包括：
[0016]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；
[0017]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
[0018]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。
[0019]进一步，作为优选，所述弹性杆为弹性材料。
[0020]进一步，作为优选，所述活塞缸驱动组件包括：
[0021]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；
[0022]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
[0023]复位弹簧，其连接于塞体与活塞缸封闭状一侧之间。
[0024]进一步，作为优选，所述调节臂的外部还固定有抵靠臂。
[0025]进一步，作为优选，所述水射流射孔组件包括：
[0026]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；
[0027]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
[0028]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。
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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。
[0032]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：
[0033]S1.根据情况预设钻孔路径和射孔路径；
[0034]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；
[0035]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；
[0036]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。
[0037]与现有技术相比，本专利技术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：
[0038]本专利技术实施例中，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；
[0039]本专利技术实施例中，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。
[0040]本专利技术实施例中，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
[0041]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；
[0042]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；
[0043]图3为图2的a处放大结构示意图；
[0044]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；
[0045]图5为利用超前预本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：