定向压裂设备、切顶留巷方法及煤层抽采钻孔增透方法与流程

1.本发明涉及采煤设备技术领域，具体而言，涉及一种定向压裂设备、切顶留巷方法及煤层抽采钻孔增透方法。


背景技术：

2.劈裂棒是一种运用液压机械对岩石或煤层进行分裂的设备，在矿山开采及土石方工程中非爆破破碎岩石取得了较好的效果。
3.然而，现有的劈裂棒都是采用活塞杆或柱塞端面与棒体后表面直接将钻孔撑开，由于原始钻孔内壁完整，导致设备工作时直接撑开钻孔需要很大的压力，不但会增大密封困难性，导致加工制造难度及成本较高，而且还会导致工作效率较低，此外，现有的劈裂棒撑开的裂缝不规则，无法实现定向规则压裂效果。
4.综上，如何克服现有的劈裂棒的上述缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种定向压裂设备、切顶留巷方法及煤层抽采钻孔增透方法，以缓解现有技术中的劈裂棒存在的加工制造难度及成本较高、工作效率较低以及无法实现定向规则压裂效果的技术问题。
6.本发明提供的定向压裂设备，包括棒体和活塞。
7.所述棒体的侧部设有喷嘴，所述棒体内开设有射流通道，所述射流通道的一端与所述喷嘴连通，所述射流通道的另一端用于注入高压流体。
8.所述活塞安装于所述棒体，且所述活塞的中心轴线与所述喷嘴的中心轴线成夹角。
9.优选地，作为一种可实施方式，所述喷嘴至少为两个，所述喷嘴分别朝向所述棒体的两侧，且所述喷嘴的中心轴线共面设置；
10.和/或，所述喷嘴靠近所述棒体的头部设置。
11.优选地，作为一种可实施方式，所述喷嘴的中心轴线与所述棒体的中心轴线垂直，所述活塞的中心轴线与所述棒体的中心轴线垂直。
12.优选地，作为一种可实施方式，所述活塞的中心轴线与所述喷嘴的中心轴线垂直。
13.优选地，作为一种可实施方式，所述定向压裂设备还包括射流泵、磨料筒和混合腔，所述射流泵的入口用于吸入流体介质，所述射流泵的射流口和所述磨料筒的出料口均与所述混合腔连通，所述混合腔与所述射流通道连通。
14.优选地，作为一种可实施方式，所述定向压裂设备还包括底座和伸缩臂，所述伸缩臂的两端分别与所述钻孔劈裂棒的尾端和所述底座连接。
15.优选地，作为一种可实施方式，所述伸缩臂与所述棒体转动连接，且所述伸缩臂与所述棒体之间连接有角度调整装置，所述角度调整装置用于调节所述棒体与所述伸缩臂的
夹角；
16.和/或，所述定向压裂设备还包括机械臂，所述机械臂连接于所述伸缩臂与所述底座之间，所述机械臂用于调整所述伸缩臂的姿态；
17.和/或，所述定向压裂设备还包括车辆，所述底座安装于所述车辆。
18.优选地，作为一种可实施方式，所述棒体的头端设有导向体，所述导向体的背离所述棒体的一端的横截面的面积小于所述导向体的与所述棒体相连的一端的横截面的面积。
19.与现有技术相比，本发明提供的定向压裂设备的有益效果在于：
20.在棒体伸入钻孔内后，可往射流通道内注入高压流体，进入射流通道内的高压流体会经射流通道由设置在棒体侧部的喷嘴喷向钻孔的孔壁，喷嘴喷出的高压射流能够对钻孔的孔壁进行切割，在钻孔的孔壁上会形成割缝；然后，控制活塞推出，活塞的活塞在钻孔的孔壁上施加分裂压力时，钻孔孔壁的割缝位置会出现应力集中区域，而压裂活塞的中心轴线与喷嘴的中心轴线成夹角，故钻孔很容易在沿定向割缝朝两侧裂开，可大大减小压裂活塞撑开钻孔所需的压力，不但可减小密封困难性，降低加工制造难度及成本，而且有利于提高工作效率；在进入钻孔内的棒体角度确定的情况下，其侧部的喷嘴的朝向也会确定，从而，钻孔孔壁上的割缝的方向便可确定，活塞撑开钻孔形成的裂缝会更加规则，便于实现定向规则压裂效果。
21.此外，本发明提供的定向压裂设备，因同时设置有高压流体喷嘴和活塞，故在将钻孔劈裂棒伸入钻孔后，可一次性完成钻孔的压裂工作，无需更换工具，工作效率较高。
22.本发明还提供了一种切顶留巷方法，其应用于上述定向压裂设备，所述方法包括：
23.在需要留巷的巷道顶部沿所述巷道的延伸方向间隔打设若干钻孔；
24.控制所述棒体依次伸入若干所述钻孔内；
25.在所述棒体每伸入一个所述钻孔内后，均先将高压流体注入所述射流通道，以使所述喷嘴喷出的高压射流在所述钻孔的侧壁上形成割缝，再控制所述活塞的活塞推出，以使所述钻孔沿所述割缝撑开；
26.若干所述钻孔之间的所述割缝连通后，切过顶的巷道顶板自动落下形成切顶留巷壁，切顶留巷完成。
27.与现有技术相比，本发明提供的切顶留巷方法的有益效果在于：
28.本发明提供的切顶留巷方法，采用上述定向压裂设备进行切顶，工作效率较高，且可实现定向规则的压裂效果，此外，其替代了传统的炸药爆破切顶方式，解决了现有技术中存在的爆破污染矿井风流和炸药管控严格，使用不便的不足。
29.本发明还提供了一种煤层抽采钻孔增透方法，其应用上述定向压裂设备，所述方法包括：
30.在煤层中打设钻孔；
31.控制所述棒体伸入所述钻孔内；
32.将高压流体注入所述射流通道，以使所述喷嘴喷出的高压射流在所述钻孔的侧壁上形成割缝；
33.控制所述活塞的活塞推出，以使所述钻孔沿所述割缝撑开；
34.对所述钻孔进行封孔并网抽采。
35.与现有技术相比，本发明提供的煤层抽采钻孔增透方法的有益效果在于：
36.本发明提供的煤层抽采钻孔增透方法，利用定向压裂设备撑开钻孔，在钻孔周围形成面状或体状裂缝，增大钻孔的作用范围，可增大钻孔的作用范围，便于提高对煤层中瓦斯抽采的充分性，减少瓦斯残留，且工作效率较高，可实现钻孔定向开裂的效果。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例提供的定向压裂设备的结构示意图；
39.图2为本发明实施例提供的定向压裂设备在切顶留巷时的示意图；
40.图3为本发明实施例提供的切顶留巷方法的流程示意图；
41.图4为本发明实施例提供的煤层抽采钻孔增透方法的流程示意图。
42.附图标记说明：
43.1-棒体；2-活塞；3-喷嘴；4-射流通道；5-射流泵；6-磨料筒；7-混合腔；8-水箱；9-吸水软管；10-高压水管；11-油箱；12-油泵；13-进油管；14-回油管；15-高压油管；16-球阀；17-伸缩臂；18-角度调整装置；19-车辆；20-导向体；21-钻孔；22-巷道；23-切顶留巷壁；24-采空区。
具体实施方式
44.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
46.参见图1，本实施例提供了一种定向压裂设备，其包括棒体1和活塞2；棒体1的侧部设有喷嘴3，棒体1内开设有射流通道4，射流通道4的一端与喷嘴3连通，射流通道4的另一端用于注入高压流体；活塞2安装于棒体1，且活塞2的中心轴线与喷嘴3的中心轴线成夹角。
47.本实施例提供的定向压裂设备，在伸入钻孔内后，可往射流通道4内注入高压流体，进入射流通道4内的高压流体会经射流通道4由设置在棒体1侧部的喷嘴3喷向钻孔的孔壁，喷嘴3喷出的高压射流能够对钻孔的孔壁进行切割，在钻孔的孔壁上会形成割缝；然后，控制活塞2推出，伸出的活塞2在钻孔的孔壁上施加分裂压力时，钻孔孔壁的割缝位置会出现应力集中区域，而活塞2的中心轴线与喷嘴3的中心轴线成夹角，故钻孔很容易在沿定向割缝朝两侧裂开，可大大减小活塞2撑开钻孔所需的压力，不但可减小密封困难性，降低加工制造难度及成本，而且有利于提高工作效率；在进入钻孔内的棒体1角度确定的情况下，其侧部的喷嘴3的朝向也会确定，从而，钻孔孔壁上的割缝的方向便可确定，活塞2撑开钻孔形成的裂缝会更加规则，便于实现定向规则压裂效果。
48.此外，本实施例提供的定向压裂设备，因同时设置有高压流体喷嘴3和活塞2，故在将棒体1伸入钻孔后，可一次性完成钻孔的压裂工作，无需更换工具，工作效率较高。
49.棒体1的侧部可设置一个或多个喷嘴3，优选将喷嘴3设置为至少两个，将这些喷嘴
3分别设置为朝向棒体1的两侧，并将这些喷嘴3的中心轴线共面设置，以利用高压流体对钻孔的两侧孔壁分别进行切割，以使得钻孔的相对的两侧均能形成割缝，且所形成的两条割缝位于同一平面，也就是说，在钻孔的两侧裂缝处均可提前利用喷嘴3进行切割，相对于仅一侧具有割缝的情况而言，撑开钻孔所需的压力更小，且定向规则压裂效果更佳。
50.具体地，可将喷嘴3设置在靠近棒体1的头部的位置，可尽可能地减小钻孔无法被高压力流体喷到的长度，保证压裂效果。
51.优选地，可将喷嘴3的中心轴线与棒体1的中心轴线设置为相互垂直，以充分利用喷嘴3喷出的高压流体施加在钻孔孔壁上的压力，有利于减小对高压流体的压力需求；相应地，可将活塞2的中心轴线与棒体1的中心轴线设置为相互垂直，以充分利用活塞2施加在钻孔孔壁上的压力，有利于减小活塞2压裂钻孔所需的压力。
52.进一步地，将喷嘴3的中心轴线与活塞2的中心轴线设置为相互垂直，如此，可充分利用钻孔孔壁上的割缝，有利于进一步减小活塞撑开钻孔所需的压力，且压裂效果更佳。
53.在本实施例提供的定向压裂设备中可增设射流泵5、磨料筒6和混合腔7，利用射流泵5的入口吸入流体介质，将射流泵5的射流口和磨料筒6的出料口均与混合腔7连通，并将混合腔7与射流通道4连通，磨料筒6可以往混合腔7内送入磨料，而射流泵5可以将流体介质加压后喷入存在磨料的混合腔7内，高压流体和磨料在混合腔7内混合后会涌向射流通道4，最终混有磨料的高压流体会由喷嘴3喷出对钻孔的孔壁进行切割，在磨料的加持下，射流切割效果更佳。其中，流体介质可以是水、气或浆体。其中，射流泵5对射流介质加压后的压力可设置为10～300mpa。
54.具体地，可设置水箱8，并将射流泵5的入口与水箱8连通，以利用水箱8为射流泵5提供水作为流体介质；水箱8与射流泵5可通过吸水软管9连通，混合腔7与射流通道4可通过高压水管10连通。
55.在本实施例提供的定向压裂设备中还可增设油箱11和油泵12，在棒体1的尾端可设置进油接口和回油接口，将进油接口通过开设在棒体1内的进油油路与活塞2的推出腔连通，将回油接口通过开设在棒体1内的回油油路与活塞2的收回腔连通，同时，将进油接口与油泵12通过进油管13连通，将回油接口通过回油管14与油泵12连通，并将油泵12与油箱11连通，在需要活塞2撑开钻孔时，开启油泵12，利用油泵12将油箱11中的油液加压后经由进油管13和进油油路压入活塞2的推出腔内，高压油将活塞2推出以撑开钻孔；在压裂完毕后，开启油泵12，利用油泵12将油箱11中的油液加压后经由回油管14和回油油路压入活塞2的收回腔内，高压油推动活塞2收回到棒体1内，以便于棒体1撤出。
56.此外，还可增设底座和伸缩臂17，将伸缩臂17的两端分别与钻孔劈裂棒的尾端和底座连接，底座可作为伸缩臂17的支撑结构，伸缩臂17做伸缩运动，可实现棒体1相对底座的移动，从而，可应用于上向钻孔及水平深孔中，且操作方便，适用范围较广。
57.可将伸缩臂17与上述油泵12通过高压油管连通，在伸缩臂17需要伸长时，可启动油泵12，利用油泵12将油箱11中的油液加压后经由高压油管压入伸缩臂17，使伸缩臂17伸长。在高压油管15上可安装球阀16。
58.优选地，将伸缩臂17与棒体1转动连接，即棒体1能够相对伸缩臂17转动，在此基础上，在伸缩臂17与棒体1之间连接角度调整装置18，以利用角度调整装置18调节棒体1与伸缩臂17的夹角，以适应钻孔的走向。
59.具体地，可在棒体1的尾端连接单耳轴、双耳轴、吊环或螺纹结构等连接结构，以便于通过该连接结构实现棒体1与伸缩臂17的连接，可实现棒体1相对伸缩臂17的转动。
60.还可增设机械臂，将机械臂连接在伸缩臂17与底座之间，以利用机械臂调整伸缩臂17的姿态，进而，实现对棒体1的姿态调节，以更好地适应钻孔的走向。
61.如图2所示，可将上述底座安装到车辆19上，在作业时，可通过移动车辆19，实现对定向压裂设备的移动，省时省力。上述车辆19可采用履带式、胶轮式、轨道式、齿轮式、齿条式、吊挂式、绞车式、液压/气压推拉式、仿生迈步式、电磁感应式等移动方式。
62.优选地，在车辆19上可集成钻机，以实现钻孔压裂合一功能。
63.此外，参见图1，在棒体1的头端可设置导向体20，将导向体20的背离棒体1的一端的横截面的面积设置为小于导向体20的与棒体1相连的一端的横截面的面积，如此，导向体20的小端便可率先进入钻孔内，并引导棒体1顺利插入钻孔内，便于提高棒体1插入钻孔内的效率。具体地，可将导向体设1置为圆锥状、棱锥状、半球状或锥台状等形状，也可将导向体1设置为不规则的凸曲面结构。
64.优选地，将上述导向体20与棒体1采用可拆卸连接的方式连接，当导向体20磨损严重或损坏后，可将其拆下，更换新的导向体20，以使得导向体20能够顺利引导棒体1插入钻孔内，防止因导向体20的导向效果较差而导致棒体1难以插入钻孔内的问题。具体地，可将导向体20与棒体1采用螺纹连接或磁吸连接的方式相连。
65.当然，若不考虑导向体20的更换问题，也可将导向体20与棒体1设置为一体结构或采用不可拆卸的连接方式连接，以提高导向体20的可靠性，使得导向体20不易脱落，具体地，可将导向体20与棒体1采用焊接或粘接的方式相连。
66.图2是本发明实施例提供的定向压裂设备在切顶留巷时的示意图，其中，定向压裂设备位于巷道22内，其棒体1伸入到其中一个钻孔21内进行压裂，使得巷道顶板落下，形成切顶留巷壁23，并示意了采空区24的位置。
67.图3是本实施例还提供的切顶留巷方法的示意性流程图，该方法应用上述定向压裂设备，该方法包括：
68.s102，在需要留巷的巷道顶部沿巷道的延伸方向间隔打设若干钻孔；
69.其中，相连两个钻孔的间距可设置为0.3～10m。
70.s104，控制棒体依次伸入若干钻孔内；
71.s106，在棒体每伸入一个钻孔内后，均先将高压流体注入射流通道，以使喷嘴喷出的高压射流在钻孔的侧壁上形成割缝，再控制活塞的活塞推出，以使钻孔沿割缝撑开；
72.s108，若干钻孔之间的割缝连通后，切过顶的巷道顶板自动落下形成切顶留巷壁，切顶留巷完成。
73.本实施例提供的切顶留巷方法，采用上述定向压裂设备进行切顶，工作效率较高，且可实现定向规则的压裂效果，此外，其替代了传统的炸药爆破切顶方式，解决了现有技术中存在的爆破污染矿井风流和炸药管控严格，使用不便的不足。
74.在步骤s102之前，可先对需要留巷的巷道进行加强支护，其中，加强支护可采用加密锚杆或锚索，采用可伸缩锚索、在巷道内架设支架、支柱等方式。
75.上述步骤s104和步骤s106，可在超前回采工作面20～500m的距离进行操作。
76.在上述步骤s108中，切过顶的巷道顶板自动落下之前，可对采空区侧的巷道壁进
行挡矸、挡风封闭。
77.图3为本实施例还提供的煤层抽采钻孔增透方法的示意性流程图，其应用上述定向压裂设备，该方法包括：
78.s202，在煤层中打设钻孔；
79.s204，控制棒体伸入钻孔内；
80.s206，将高压流体注入射流通道，以使所述喷嘴喷出的高压射流在钻孔的侧壁上形成割缝；
81.s208，控制活塞的活塞推出，以使钻孔沿割缝撑开；
82.s210，对钻孔进行封孔并网抽采。
83.本实施例提供的煤层抽采钻孔增透方法，利用定向压裂设备撑开钻孔，在钻孔周围形成面状或体状裂缝，增大钻孔的作用范围，可增大钻孔的作用范围，便于提高对煤层中瓦斯抽采的充分性，减少瓦斯残留，且工作效率较高，可实现钻孔定向开裂的效果。
84.优选地，将射流方向设置为平行于煤层层面，并将压裂方向设置为垂直于煤层层面，可充分利用定向压裂设备可以使钻孔定向开裂的功能，便于提高钻孔撑开效果。
85.综上所述，本发明实施例公开了一种定向压裂设备、切顶留巷方法及煤层抽采钻孔增透方法，其克服了传统的劈裂棒的诸多技术缺陷。本发明实施例提供的定向压裂设备、切顶留巷方法及煤层抽采钻孔增透方法，可大大减小钻孔劈裂所需的压力，不但可减小密封困难性，降低加工制造难度及成本，而且有利于提高工作效率；此外，还可实现定向规则压裂效果。
86.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
87.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
88.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。