一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置及方法与流程

本发明属于煤炭采场及巷道围岩控制技术技术领域，尤其涉及一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置及方法。

背景技术：

我国煤层赋存条件复杂，其中顶板坚硬、难垮落的煤层达到三分之一，该类顶板岩石强度高、厚度大、整体性强，在煤层开采后难自然垮落，会在采空区产生漏风、并且顶板突然垮落会将采空区瓦斯带至工作面导致瓦斯超限、会增大初次来压的强度破坏工作面甚至会造成巷道坍塌，因此对于煤层坚硬顶板控制放顶方法的研究有重大意义。

目前采用的煤层顶板切割方法主要有：水力割缝、爆破切缝、密集钻孔切缝、切缝机割缝等方法，其中水力割缝存在使用压力过高且割缝过浅，不易于现场应用的问题；爆破切缝在装药和起爆过程中对井下瓦斯控制工作以及采场围岩产生不利影响，存在较大危险性；密集钻孔切缝虽然效果明显但成本过于高昂不易于大规模推广使用；切缝机割缝存在切缝机设备笨重、不易移动、割缝深度浅、产生大量粉尘造成污染且无法对巷道上部的顶板围岩进行有效切割的现状。

而采用磨料水射流就可以解决高压水射流割缝使用的水流压力过高而割缝深度过浅的问题并增加了整个系统的安全性，相对于爆破切缝更加安全可靠，比密集钻孔切缝更加经济易行，较切缝机切缝造缝效果更好并且不产生粉尘污染。磨料水射流进一步可以分为前混式磨料水和后混式磨料水射流，较于后混式磨料水射流前混式磨料水射流因其水与磨料混合的充分、均匀，磨料粒子加速时间长获得能量更高对岩石切割作用效果更加突出，因此在同等条件下前混式磨料水射流效果更好。目前采用的定向切割顶板方法主要为定向爆破进行切缝，该方法装药和起爆过程中对井下瓦斯控制工作以及采场围岩产生不利影响，存在较大危险性，现今没有采用较为安全的顶板定向进行切割方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置及方法，该装置可以采用经泥浆泵加压的前混式高压磨料水射流在开切眼处施工完成的钻孔经钻杆方向控制装置调节割缝喷嘴的方向从而实现对顶板进行定向割缝形成预制定向裂缝，封孔后采用定向水力压裂的方法在顶板形成裂纹网络从而来控制放顶，实现顶板垮落，减弱老顶初次来压强度，保证工作面安全。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置，包括供水箱，安装于供水箱内的锚式搅拌器，所述供水箱顶部设有水泵，供水箱内部的磨料水通过水泵经出水管路泵入泥浆泵中，所述泥浆泵的出水管路上设有压力表，出水管路出口与定向钻杆相连通，定向钻杆进口端设有钻杆传动装置，定向钻杆出口端设有钻杆方向控制装置，定向钻杆出口处设有割缝钻头。

进一步的，所述钻杆传动装置包括两个左右平行设置的支撑墩，每个支撑墩顶部和底部各设有一个横向的贯穿孔，两个支撑墩之间设有上下两个平行的丝杆，丝杆两端通过安装于贯穿孔内的支撑轴承与支撑墩转动连接，每个丝杆最左端均通过电机驱动旋转，每个支撑墩中部还设有一个定向钻杆安装孔，定向钻杆穿过定向钻杆安装孔，钻杆传动装置还包括与丝杆垂直设置的传动板，所述传动板与上下丝杆之间通过设于传动板背部的圆形丝扣活动连接，丝扣与丝杆之间螺纹连接，传动板背部中部还设有与定向钻杆活动链接的定位箍，所述定位箍上还设有螺栓。

进一步的，所述定向钻杆由多段首尾相连的钻杆组成，每段钻杆两侧分别设有一个侧翼，两条侧翼沿钻杆轴向方向设置，每段钻杆左侧设有一个u型母接头，钻杆右侧设有一个与母接头配合的公接头，每个母接头上下内侧均设有一个卡槽，每个公接头上均设有一个环形凹槽，环形凹槽内设有密封圈，环形凹槽左侧设有一个环形凸起，相邻钻杆之间通过公接头上的环形凸起与母接头上的卡槽相互卡和密封。

进一步的，所述钻杆方向控制装置包括法兰盘，所述法兰盘中部上表面设有圆形转盘，圆形转盘底部设有t型凸台，法兰盘上表面还设有环形凹槽，t型凸台位于环形凹槽内并带动圆形转盘沿着环形凹槽做回转运动，圆形转盘沿径向设有两个手柄，两手柄的连线与圆形转盘法线夹角呈90°夹角，法兰盘上还设有螺栓孔，膨胀螺栓穿过螺栓孔将法兰盘固定安装于指定位置壁面上，所述圆形转盘和法兰盘上均开有定位槽，定向钻杆从定位槽进入钻孔。

进一步的，所述割缝钻头端部沿径向设有两个割缝喷嘴，两枚割缝喷嘴沿割缝钻头侧壁轴对称布置，两枚割缝喷嘴连线与钻杆轴线方向垂直，两枚喷嘴分别在定向钻杆两条侧翼的延长线上，割缝喷嘴采用圆锥收敛型喷嘴，喷嘴喉部直径为3mm。

一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置的方法，包括以下步骤：

1）在壁面开切眼施工完成后，煤层工作面还未开采前，在液压支架后方顶板上使用钻机打一排钻孔，钻孔轴线方向与水平方向夹角90°，相邻钻孔间距10m，直至钻穿老顶穿上覆岩层1m处停钻；

2）使用基于磨料水射流定向切割顶板的放顶装置在预先钻好的钻孔内进行定向割缝，切割老顶，通过调节钻杆方向控制装置，使割缝钻头的两个割缝喷嘴及其连接的定向钻杆所形成的平面平行于工作面，通过调节钻杆传动装置使钻杆逐步后退，采用后退式向钻孔16内两侧对称割缝，割缝至直接顶与老顶交界处沿轴线向上1m处停止；

3）割缝完成后，采用胶囊封孔器对完成定向割缝的钻孔进行封孔，从孔底沿轴向1m范围内及直接顶与老顶交界处沿轴线方向向上1m范围进行封孔，封孔深度至少1m；

4）封孔完成后采用高压水进行定向压裂，达到弱化顶板控制放顶的目的。

进一步的，所述步骤1）中壁面构成从下至上依次为水平煤层、直接顶、老顶、上覆岩层。

进一步的，所述步骤2）中高压磨料水压力30mpa，水箱中磨料与水质量占比为13%，高压磨料水射流沿钻孔轴向从距孔底1.5m处开始割缝。

进一步的，所述步骤4）中根据岩体的自重应力计算公式：，重度，埋深，可算得老顶受到的自重应力，水平应力为自重应力的一半，根据岩层水力压裂起裂压力计算公式：，其中侧压系数，为钻孔半径，可算得老顶起裂压力，水力压裂使用高压水泵，水泵进水口接静压水，出水口接高压胶管，高压胶管的另一端连接注水管，连接无误后给高压水泵先通水再通电进行注水，缓慢加压并记录水泵压力表及手动泵压力表读数，继续加压直至预制定向裂缝开裂此时水压会突然下降，继续保压注水，保压0.5h,让裂缝继续扩展使得相邻钻孔水力压裂的裂纹得以贯通，形成裂纹网络，从而达到弱化顶板控制放顶的目的。

本发明具有的优点是：

1.本装置是采用搅拌器将磨料和水混合均匀后通过泥浆泵将其加压成高压磨料水流，而后高压磨料水流经定向钻杆再经钻杆传动装置实现钻杆在钻孔内的移动，通过钻杆方向控制装置调节钻杆及钻头方向，实现前混式高压磨料水射流定向切割顶板形成预制定向裂缝，然后采用胶囊封孔器封孔，而后采用高压水进行定向水力压裂，使相邻钻孔中割缝缝隙通过压裂缝隙联通形成裂纹网络从而实现控制放顶达到弱化顶板的目的；

2.通过采用水泵将磨料水输送至泥浆泵可以实现泥浆泵的稳定持续的供料，保证形成的前混和式磨料水射流的稳定性，从而保障其良好的破岩效果；

3.采用泥浆泵将已经混合后的低压磨料水进行加压，经泥浆泵加压后的高压磨料水具有高静压低动压的特点，具有该特点的高压磨料水会大大减轻对管路的磨损；

4.采用前混式磨料水射流相较于后混式磨料水射流，磨料与水混合得充分、均匀，磨料粒子的加速时间长，获得的能量高，对岩石的切割作用效果更加突出，其工作压力可以大大降低；

5.采用先使用前混式磨料水射流定向切割顶板方法相较于水力割缝、爆破切缝、密集钻孔切缝、切缝机割缝等方法割缝更深效果更好，安全高效，易于操作，便于推广；

6.采用钻杆方向控制装置可以通过定向钻杆控制割缝钻头上圆锥收敛喷嘴的方向，实现定向的前混式高压磨料水射流割缝从而可以产生预制的定向裂缝，形成定向裂缝后更易于在割缝钻孔实施高压水力压裂，能在最大程度上利用水力压裂形成的裂缝形成裂纹网络从而来控制放顶达到弱化顶板的目的。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的钻杆传动装置平面示意图；

图3为本发明的钻杆传动装置剖面图；

图4为本发明的定向钻杆结构示意图；

图5为本发明的钻杆方向控制装置平面示意图；

图6为本发明的钻杆方向控制装置剖面图；

图7为本发明的割缝钻头剖面图；

图8为本发明实施方法剖面图；

图9为本发明实施方法平面图；

1、锚式搅拌器；2、水箱；3、水泵；4、管路；5、泥浆泵；6、压力表；7、传动装置；7.1、支撑墩；7.2、电机；7.3、轴承；7.4、传动板；7.5、丝扣；7.6、定位箍；7.7、丝杆；7.8、螺栓；8、定向钻杆；8.1、侧翼；8.2、卡槽；8.3、母接头；8.4、环形凸起；8.5、环形凹槽；8.6、公接头；9、方向控制装置；9.1、膨胀螺栓；9.2、法兰板；9.3、手柄9.4、圆形转盘；9.5、定位槽；9.6、环形凹槽；9.7、t型凸台；10、割缝钻头；10.1、圆锥收敛型喷嘴；11、上覆岩层；12、老顶；13、直接顶；14、液压支架；15、开采煤层；16、钻孔。

具体实施方式

如图1，2，3，4，5，6，7所示，一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置，该装置包括锚式搅拌器1、供水箱2、水泵3、管路4、泥浆泵5、压力表6、钻杆传动装置7、定向钻杆8、钻杆方向控制装置9、割缝钻头10等；所述钻杆传动装置7包括两个左右平行设置的支撑墩7.1，每个支撑墩7.1顶部和底部各设有一个横向的贯穿孔，两个支撑墩7.1之间设有上下两个平行的丝杆7.7，丝杆7.7两端通过安装于贯穿孔内的支撑轴承7.3与支撑墩7.1转动连接，每个丝杆7.7最左端均通过电机7.2驱动旋转，每个支撑墩7.1中部还设有一个定向钻杆安装孔，定向钻杆穿过定向钻杆安装孔，钻杆传动装置7还包括与丝杆7.7垂直设置的传动板7.4，所述传动板7.4与上下丝杆7.7之间通过设于传动7.4背部的圆形丝扣7.5活动连接，丝扣7.5与丝杆7.7之间螺纹连接，传动板7.4背部中部还设有与定向钻杆8活动链接的定位箍7.6，所述定位箍7.6上还设有螺栓7.8；所述定向钻杆8由多段首尾相连的钻杆组成，每段钻杆两侧分别设有一个侧翼8.1，两条侧翼8.1沿钻杆轴向方向设置，每段钻杆左侧设有一个u型母接头8.3，钻杆右侧设有一个与母接头8.3配合的公接头8.6，每个母接头8.3上下内侧均设有一个卡槽8.2，每个公接头8.6上均设有一个环形凹槽8.5，环形凹槽8.5内设有密封圈，环形凹槽8.5左侧设有一个环形凸起8.4，相邻钻杆之间通过公接头8.6上的环形凸起8.4与母接头8.3上的卡槽8.2相互卡和密封；进一步的，所述钻杆方向控制装置9包括法兰板9.2，所述法兰板9.2中部上表面设有圆形转盘9.4，圆形转盘9.4底部设有t型凸台9.7，法兰板9.2上表面还设有环形凹槽9.6，t型凸台9.7位于环形凹槽9.6内并带动圆形转盘9.4沿着环形凹槽9.6做回转运动，圆形转盘9.4沿径向设有两个手柄9.3，两手柄9.3的连线与圆形转盘9.4法线夹角呈90°夹角，法兰盘9.2上还设有螺栓孔，膨胀螺栓9.1穿过螺栓孔将法兰盘9.2固定安装于指定位置壁面上，所述圆形转盘9.4和法兰盘9.2上均开有定位槽9.5，定向钻杆8从定位槽9.5进入钻孔；进一步的，所述割缝钻头10端部沿径向设有两个割缝喷嘴，两枚割缝喷嘴沿割缝钻头侧壁轴对称布置，两枚割缝喷嘴连线与钻杆轴线方向垂直，两枚喷嘴分别在定向钻杆8两条侧翼的延长线上，割缝喷嘴采用圆锥收敛型喷嘴10.1，喷嘴喉部直径为3mm；具体使用时，通过锚式搅拌器1的搅拌使得供水箱2中的水和磨料充分混合均匀，混合后的磨料水采用水泵3经管路4泵入泥浆泵5进行加压形成高压磨料水流，高压磨料水流经压力表6后进入定向钻杆8，定向钻杆两侧设有侧翼8.1，两条侧翼沿其轴线方向钻杆末端为割缝钻头10上设置的割缝喷嘴，割缝喷嘴采用圆锥收敛型喷嘴10.1，故可以通过控制定向钻杆8从而实现前混式磨料水射流定向切割顶板，定向钻杆8间通过快速接头连接，其中公接头8.6前部设有环形凹槽8.5，凹槽内置密封圈保证钻杆间连接的气密性，环形凹槽后部设有环形凸起8.4，通过u形卡固定钻杆母接头8.3上设置的卡槽8.2和公接头上的环形凸起8.4从而保证钻杆间连接的紧固性，定向钻杆8通过钻杆传动装置7实现定向钻杆在钻孔中的移动，钻杆传动装置是通过电机7.2的转动从而带动丝杆7.7的转动来实现传动板7.4的前后移动，其中丝杆和传动板通过丝扣7.5连接，传动板上设有定位箍7.6，定位箍通过螺栓7.8固定定向钻杆8，定向钻杆经钻杆传动装置后进入钻杆方向控制装置9，钻杆方向控制装置通过使用膨胀螺栓9.1将方形法兰板9.2固定在壁面上，方形法兰板9.2上开有环形凹槽9.6，方形法兰板9.2上方设有圆形转盘9.4，圆形转盘下部有t型凸台9.7，方形法兰板9.2和圆形转盘9.4通过环形凹槽9.6和t型凸台9.7实现连接，圆形转盘沿径向设有两个手柄9.3，两手柄的连线与圆形转盘法线夹角呈90°，圆形转盘和方形法兰板上均开有定位槽9.5，定向钻杆从定位槽进入钻孔，通过控制圆形转盘上的手柄，转动钻杆观察定向钻杆侧翼的位置即可判定钻杆末端割缝喷嘴的方向，定向钻杆末端连接的即为割缝钻头10，钻杆内部的高压磨料水输送至割缝钻头，经圆锥收敛喷嘴10.1即割缝喷嘴对高压磨料水进一步加速喷出形成前混式高压磨料水射流对岩体进行定向割缝形成预制定向裂缝，岩体在割缝喷嘴作用下形成预制定向裂缝后，对钻孔下一个位置进行同样的割缝处理，全部完成后对割缝钻孔采用胶囊封孔器封孔，再利用高压水在顶板内进行定向水力压裂，使相邻钻孔中的割缝缝隙通过压裂缝隙进行联通，顶板形成裂纹网络从而来控制放顶达到弱化顶板的目的。

如图1，8，9所示一种前混式磨料水射流定向切割顶板的放顶装置的割缝方法，在一个水平煤层15（厚度2.5m），直接顶13(厚度4m的泥岩)，老顶12（厚度10m的致密砂岩），上覆岩层11（埋深200m）在开切眼施工完成后，煤层15工作面还未开采前，在液压支架14后方顶板上使用钻机打一排钻孔，钻孔轴线方向与水平方向夹角90°，相邻钻孔间距10m，直至钻穿老顶穿上覆岩层1m处停钻（如图8所示），而后使用基于磨料水射流定向切割老顶的放顶装置，其中采用泥浆泵加压后的高压磨料水最高可达30mpa，在预先钻好的钻孔16内进行定向割缝，切割老顶；在进行高压磨料水射流割缝时，通过调节钻杆方向控制装置，使割缝钻头的两个割缝喷嘴及其连接的定向钻杆所形成的平面平行于工作面为后期达到最好的压裂效果，高压磨料水射流沿钻孔轴向从距孔底1.5m处开始割缝，通过调节钻杆传动装置使钻杆逐步后退，采用后退式向钻孔16内两侧对称割缝（在高压磨料水压力30mpa，泥浆泵流量80m³/h，水箱中磨料与水质量占比达13%的情况下，割缝效果最好割缝深度可达1m），割缝至直接顶与老顶交界处沿轴线向上1m处停止。

割缝完成后，采用胶囊封孔器对完成定向割缝的钻孔进行封孔，从孔底沿轴向1m范围内及直接顶与老顶交界处沿轴线方向向上1m范围进行封孔，封孔深度至少1m。封孔完成后采用高压水进行定向压裂，根据岩体的自重应力计算公式：，重度，埋深，可算得老顶受到的自重应力为6mpa，水平应力为自重应力的一半。根据岩层水力压裂起裂压力计算公式：，其中侧压系数，为钻孔半径，可算得老顶起裂压力约为9mpa。水力压裂使用高压水泵，水泵进水口接静压水，出水口接高压胶管，高压胶管的另一端连接注水管，连接无误后给高压水泵先通水再通电进行注水，缓慢加压并记录水泵压力表及手动泵压力表读数，继续加压直至预制定向裂缝开裂此时水压会突然下降，继续保压注水，保压0.5h,让裂缝继续扩展使得相邻钻孔水力压裂的裂纹得以贯通，形成裂纹网络，从而达到弱化顶板控制放顶的目的。在工作面向前推进一段距离后顶板未有及时垮落可以在液压支架后方采空区实施同样的操作来进行控制放顶从而达到弱化顶板的目的。