一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法技术

本发明专利技术公开了一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，其利用主钻头配合能够向两侧伸展的副钻头，在钻进过程中施工类椭圆孔，本方法能够准确、有效的扶正钻孔施工方向，保证钻孔施工平直，有效遵循卸压设计，且通过施工类椭圆形钻孔，使得应力可以有效沿着类菱角处进行释放转移，达到有效卸压的目的；通过在类椭圆形卸压孔内部进行导向开槽，有效增强传统类椭圆形卸压孔卸压效果，使得应力可以按照导向槽进行释放，此外，为水力压裂和爆破卸压提供了良好的通道，优化了压裂方向和爆破范围，达到增透卸压的目的，充分满足矿井绿色安全高效生产，防治冲击地压的需求。防治冲击地压的需求。防治冲击地压的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法


[0001]本专利技术涉及煤矿安全开采
，具体涉及一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法。

技术介绍

[0002]煤岩体大直径钻孔卸压是最常用的煤岩体应力卸压方法，而其他卸压方法均可以在煤岩体大直径钻孔卸压后进行爆破和水压致裂，达到增强卸压的效果。前期大量的工程实践证明煤岩体大直径钻孔卸压能较为有效的降低煤岩体应力集中，但是，由于井下地质条件的复杂性，煤岩体大直径钻孔卸压仍存在很多棘手的问题：
[0003]①
施工时，由于地层并不是均质的，若遇到穿层时，钻头往往向相对软弱的一层偏转，使得大直径钻孔孔斜，且轨迹无法辨识，无法准确按照卸压设计进行施工，无法达到有效卸压的目的。
[0004]②
由于圆形钻孔的抗变形能力更强，当卸压钻孔施工密集，对周围岩体扰动大，周期来压时钻孔外围岩体会承受更大的压力，而圆形钻孔未变形或变形量小，无法达到有效卸压的目的。
[0005]③
钻孔增强卸压时，由于钻孔分布为圆形，进行爆破和水力压裂影响范围小，卸压效果不明显。譬如：水力压裂需要较大的破裂压力；顶板爆破不能有效连接达到切顶的目的等等。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，其能够准确、有效的扶正钻孔施工方向，保证钻孔施工平直，有效遵循卸压设计，且通过施工类椭圆形钻孔，使得应力可以有效沿着类菱角处(优势破裂处)进行释放转移，达到有效卸压的目的；通过在类椭圆形卸压孔内部进行导向开槽，有效增强传统类椭圆形卸压孔卸压效果，使得应力可以按照导向槽进行释放，此外，为水力压裂和爆破卸压提供了良好的通道，优化了压裂方向和爆破范围，达到增透卸压的目的，充分满足矿井绿色安全高效生产，防治冲击地压的需求。
[0007]根据弹性力学理论可知，受力岩体开孔时，孔边应力远大于无孔时应力分布，也远大于距孔稍远处应力，即受力岩体开孔使得岩体应力重分布达到卸压的效果，此外，小孔边缘应力集中。
[0008]根据弹性力学理论，设某一均质薄板上，有一椭圆形孔口，其长轴与短轴分别为2a和2b，在椭圆坐标系中，为了把薄板的中面在z平面上所占的区域变换为ζ平面上的中心单位元，由复变函数可知变换式为：
[0009][0010]其中R和m都是实数，按下式计算：
[0011][0012][0013]距椭圆孔边某点的应力求解时，该点一定处于以椭圆端点为原点的极坐标系(r，θ)中，则有几何关系为：
[0014]z＝a+rcosθ+irsinθ
[0015]y＝rsinθ
[0016]根据弹性力学理论，可得到极坐标表示的应力表达式，因此简化为：
[0017][0018][0019][0020]F为地质体作用在孔周围的作用力，σ
x
为沿X方向正应力、σ
y
为沿y方向正应力、τ
xy
为xy方向剪应力；
[0021]由上式可知，椭圆孔口孔边应力与孔边曲率有明显关系，应力随着曲率的增加而逐渐增加。即椭圆长轴端点处附近应力集中，应力量值高于短轴端点处应力。
[0022]当长轴与短轴相等时为圆孔，则圆孔孔边的应力集中程度相对较低，抗变形能力更强，
[0023]假设常规煤岩体卸压圆孔孔边最大主应力为σ，则由类椭圆形钻孔施工导致的长轴端部应力集中系数为υ，此时类椭圆形钻孔长轴端部最大主应力为：
[0024]σ
′
＝(1+υ)σ
[0025]由强度理论可知，当岩体内最大主应力达到或超过岩体单轴抗压强度时，岩体将发生破裂。
[0026]因此，与常规圆形卸压钻孔相比，煤岩体卸压时，更易沿类椭圆形长轴端部发生破裂，从而达到更为有效解除煤岩体应力集中，达到卸压的目的。
[0027]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0028]本专利技术提供一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，包括以下步骤：
[0029]S1、设计工作面卸压方案，确定工作面卸压孔的孔径、孔深、间距、开槽位置和封孔长度；
[0030]S2、将钻进装置安装在钻杆的端部并施工钻进类椭圆形卸压孔，钻进装置包括固定在钻杆前端的主钻头，主钻头后方的两侧对称设有两个能够朝钻杆方向收缩和伸展的副钻头；
[0031]S3、在钻杆的尾部安装钻孔扶正装置，钻孔扶正装置放置在卸压孔的孔口位置，保证钻杆始终处于卸压孔的中心位置；
[0032]S4、当钻机钻进至设计深度时，停止推进钻杆，保持原位置转动并降低钻速；
[0033]S5、调整钻杆两侧的副钻头，使其向外侧伸展，利用副钻头边缘上的侧向切削具向孔壁进行切削；
[0034]S6、随着副钻头与主钻头的间距达到最大，副钻头上的侧向切削具不再进尺；
[0035]S7、控制钻杆两侧的副钻头向钻杆方向收缩回收，回复到初始状态；
[0036]S8：重复步骤S4
‑
S7继续进行钻孔卸压工作，直至完成卸压孔施工；
[0037]S9、卸压工作完成后，依次取下钻孔扶正装置和钻进装置，此时，煤层钻孔卸压工作完成。
[0038]优选地，主钻头选用mm孕镶金刚石钻头，主钻头的胎体正面设有切削具和水口，副钻头选用mm孕镶金刚石钻头，副钻头胎体的正面和侧面分别设有正向切削具和侧向切削具。
[0039]优选地，钻进装置包括设在钻杆上的主齿轮，钻杆在主齿轮旁还嵌套有与其转动连接的控制盒；副钻头与副齿轮的转轴固定，主齿轮通过传动系统带动副齿轮转动；
[0040]传动系统包括固定在控制盒上的主杆，主杆远离控制盒的一端铰接副杆并与其连接复位弹簧，副杆远离主杆的一端转动连接副齿轮，主齿轮与副齿轮之间连接有链条；
[0041]主杆与副杆的较点设有驱动电机，驱动电机的输出端固定驱动杆，驱动杆远离驱动电机的一端设有与链条啮合的链轮并顶紧链条；
[0042]控制盒内设有处理器和防爆电池，处理器电性连接驱动电机用以控制控制链轮是否顶紧链条，处理器与外部通讯设备无线连接，处理器、驱动电机电性连接防爆电池。
[0043]优选地，所述钻孔扶正装置包括筒体，所述筒体内壁嵌套有缸体轴承，所述缸体轴承内腔设有与其同轴线布置的内部缸体，所述内部缸体由若干弧形压紧片组成，每个弧形压紧片均通过压紧弹簧与缸体轴承的内壁固定连接。
[0044]优选地，所述传动系统还包括设在主齿轮、副齿轮、链条外围对其起到防护作用的防护罩。
[0045]本专利技术的有益效果在于：本方法能够准确、有效的扶正钻孔施工方向，保证钻孔施工平直，且通过施工类椭圆形钻孔，使得应力可以有效沿着类菱角处进行释放转移，达到有效卸压的目的；通过在类椭圆形卸压孔内部进行导向开槽，有效增强传统类椭圆形卸压孔卸压效果，使得应力可以按照导向槽进行释放，此外，为水力压裂和爆破卸压提供了良好的通道，优化了压裂方向和爆破范围，达到增透卸压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计工作面卸压方案，确定工作面卸压孔的孔径、孔深、间距、开槽位置和封孔长度；S2、将钻进装置安装在钻杆的端部并施工钻进类椭圆形卸压孔，钻进装置包括固定在钻杆前端的主钻头，主钻头后方的两侧对称设有两个能够朝钻杆方向收缩和伸展的副钻头；S3、在钻杆的尾部安装钻孔扶正装置，钻孔扶正装置放置在卸压孔的孔口位置，保证钻杆始终处于卸压孔的中心位置；S4、当钻机钻进至设计深度时，停止推进钻杆，保持原位置转动并降低钻速；S5、调整钻杆两侧的副钻头，使其向外侧伸展，利用副钻头边缘上的侧向切削具向孔壁进行切削；S6、随着副钻头与主钻头的间距达到最大，副钻头上的侧向切削具不再进尺；S7、控制钻杆两侧的副钻头向钻杆方向收缩回收，回复到初始状态；S8：重复步骤S4
‑
S7继续进行钻孔卸压工作，直至完成卸压孔施工；S9、卸压工作完成后，依次取下钻孔扶正装置和钻进装置，此时，煤层钻孔卸压工作完成。2.如权利要求1所述的一种煤岩体卸压类椭圆形钻孔导向开槽卸压方法，其特征在于，主钻头选用150mm孕镶金刚石钻头，主钻头的胎体正面设有切削具和水口，副钻头选用100mm孕镶金刚石钻头，副钻头胎体的正面和...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔伟，程香港，贺虎，刘梦楠，孟祥胜，谢俊霞，任洋洋，黄荣杰，蔡进，汪祯，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：