瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置的制作方法

1.本实用新型涉及瓦斯隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置。


背景技术：

2.瓦斯隧道施工时有可能穿越煤系地层，由于煤系地层地质构造复杂、岩体软弱破碎以及高瓦斯压力的存在，很可能发生围岩大变形甚至失稳坍塌以及多种瓦斯灾害。其中，隧道穿越煤层过程使处于原始高地应力场和高瓦斯压力场中的煤岩体失稳破坏，诱发煤与瓦斯突出事故，是强度最高和危险性最大的一种灾害。现有瓦斯隧道揭煤的设计和施工主要是借鉴煤矿揭煤相关设备和方法而进行，瓦斯隧道和煤矿揭煤两者存在较大差异。由于我国瓦斯隧道建设起步较晚，目前还没有形成一套完整的隧道揭煤防突技术体系。由于通常采用直接割裂压裂孔的方式，煤层缝隙形成的较少，进而导致瓦斯隧道揭煤防突过程中瓦斯抽采效率低，影响现场施工进度。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.为此，本实用新型第一方面提供了一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置。
5.本实用新型第二方面提供了一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透方法。
6.本实用新型提供了一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置，包括：
7.钻机系统，所述钻机系统至少包括有钻进部以及驱动部，所述钻进部与所述驱动部连接，所述驱动部驱动钻进部转动或做轴向往复运动，其中，所述钻进部形成有通道；
8.高压水系统，与所述钻进部的通道连通，以对钻进部输送高压水，其中，所述高压水由钻进部输出并形成脉冲射流冲击煤层，以形成压裂孔；
9.灌浆系统，连接所述钻进部；
10.封孔系统，所述钻进部的中间段为封孔段，所述封孔系统设置在所述封孔段。
11.根据本实用新型上述技术方案的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置，还可以具有以下附加技术特征：
12.在上述技术方案中，所述钻进部包括：
13.钻杆，通过快速接口连接至所述驱动部的驱动端；
14.筛管，设置于所述钻杆的端部；
15.钻头，设置于所述筛管的端部；
16.其中，所述筛管和所述钻头形成有所述通道。
17.在上述技术方案中，所述钻头形成有沿其轴向布置的轴向振荡喷嘴，以及沿其径向布置的径向振荡喷嘴；
18.其中，所述驱动部驱动所述钻头旋转，且轴向振荡喷嘴关闭，径向振荡喷嘴开启，所述高压水经径向振荡喷嘴输出并在煤层切割出圆盘状缝隙；或
19.所述驱动部驱动所述钻头沿其轴向做往复运动，且径向振荡喷嘴关闭，轴向振荡喷嘴开启，所述高压水经轴向振荡喷嘴输出并在煤层切割出平行于轴线的缝隙。
20.在上述技术方案中，所述钻头形成有切齿，所述切齿错开径向振荡喷嘴和轴向振荡喷嘴设置。
21.在上述技术方案中，所述驱动部为钻机装置。
22.在上述技术方案中，所述高压水系统包括：
23.水箱；
24.高压橡胶管，一端连通所述水箱；
25.高压水泵，设置于所述高压橡胶管；
26.高压密封水围，一端与所述高压橡胶管连通，另一端连通所述钻进部。
27.在上述技术方案中，还包括：
28.压力表，设置于所述高压橡胶管；和/或
29.溢流阀，设置于所述高压橡胶管；和/或
30.控制阀，设置于所述高压橡胶管。
31.在上述技术方案中，所述灌浆系统包括：
32.灌浆机；
33.灌浆管，一端连通所述灌浆机，另一端通过绑扎带绑系在钻进部的封孔段。
34.在上述技术方案中，所述封孔系统包括：
35.橡胶马尾隔水塞，设置于所述筛管，且位于封孔段的一侧；
36.封口木塞，设置于所述钻杆，且位于封孔段的另一侧；
37.封孔材料，填充于所述封孔段的一侧。
38.本实用新型还提供了一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透方法，应用如上述技术方案中任一项所述的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置，包括如下步骤：
39.在煤层设置围岩顶板以及围岩底板，以将煤层隔绝；
40.启动钻机系统和高压水系统，其中，所述驱动部驱动所述钻头旋转，且轴向振荡喷嘴关闭，径向振荡喷嘴开启，所述高压水经径向振荡喷嘴输出并在煤层切割出圆盘状缝隙；或
41.所述驱动部驱动所述钻头沿其轴向做往复运动，且径向振荡喷嘴关闭，轴向振荡喷嘴开启，所述高压水经轴向振荡喷嘴输出并在煤层切割出平行于轴线的缝隙；
42.启动灌浆系统，对压裂孔进行灌浆。
43.本实用新型提出的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置，相对于现有技术，具有以下有益效果：
44.本实用新型的钻机系统配合高压水系统进行压裂孔的割缝,使其形成的塑性区和压裂孔裂缝形成的塑性区交接，加速裂缝扩展，增大煤层透气，适用于瓦斯隧道大面积揭煤防突作业；瓦斯隧道揭煤防突钻孔、封孔效率高；煤层透气性显著提高，瓦斯抽排效率高，提高了瓦斯隧道施工作业安全性；结构简单，使用方便，移动快捷。
45.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
46.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
47.图1是本实用新型的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置的结构连接图；
48.图2是本实用新型的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置中的钻机系统的局部示意图。
49.其中，图1至图2中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
50.1、围岩顶板；2、煤层；3、围岩底板；4、钻头；5、钻杆；6、钻机装置；7、高度调节支架；8、灌浆机；9、灌浆管；10、橡胶马尾隔水塞；11、封口木塞；12、快速接口；13、高压密封水尾；14、压力表；15、高压橡胶管；16、控制阀；17、高压水泵；18、水箱；19、溢流阀；20、压裂孔；21、筛管；22、纱布；23、绑扎带；24、封孔段；25、封孔材料；26、隧道。
具体实施方式
51.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
52.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
53.下面参照图1至图2来描述根据本实用新型一些实施例提供的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置。
54.如图1所示，本实用新型的实施例提出了一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置，主要由钻头4；钻杆5；钻机装置6；高度调节支架7；灌浆机8；灌浆管9；橡胶马尾隔水塞10；封口木塞11；快速接口12；高压密封水尾13；压力表14；高压橡胶管15；控制阀16；高压水泵17；水箱18；溢流阀19等组成。
55.瓦斯隧道快速揭煤定向压裂增透装置将启动高压水泵17、钻机装置6，保持5～8mpa泵压，此时高压水经过钻头4上的轴向喷嘴形成脉冲射流冲击岩体进行钻进。
56.在钻孔过程中，由钻头4上轴向振荡喷嘴产生的高压脉冲水射流切割和破碎煤体、岩体，钻进压裂孔20。钻头4上的切齿进一步将煤渣、岩体研磨成细小的煤粒、岩屑并将压裂孔20扩大；由于切齿没有直接切割破碎煤体、岩体以及水流的快速冷却，切齿的磨损大大降低.细小的煤粒、岩屑随孔内回水快速排出至压裂孔20外。
57.待钻进至压裂位置后，需对压裂孔20进行封孔，高质量的封孔是水力压裂成功的前提和保障。压裂孔20施工完成后，封孔至待压围岩顶板1。
58.图2是钻孔封孔结构图。主要由橡胶马尾隔水塞10；封口木塞11；筛管21；纱布22；绑扎带23；封孔段24；封孔材料25等组成。钻杆5前端留1m筛管21，灌浆管9末端与灌浆机8连接。
59.封孔段24内端采用橡胶马尾隔水塞10封堵，当筛管21到达指定位置时向孔外拉动钻杆5，橡胶马尾隔水塞10“马尾”收缩，起到封堵砂浆及过滤水作用。
60.橡胶马尾隔水塞10“马尾”长度不小于1m，其后方留0.5m左右的筛管21，用纱布22
缠绕。
61.在孔口1.5m长度段用封孔材料25聚氨酯材料封孔并固结一段时间后，用灌浆管9灌浆，直至钻杆5中有水流出，停止注浆。
62.保持水压在15～20mpa，试压3～5min后，升高泵压至割缝压力25mpa进行正式压裂，高压水经过径向喷嘴形成脉冲射流对煤体进行割缝，在径向切槽时，轴向振荡喷嘴关闭，径向振荡喷嘴开启，钻杆不进行轴向运动，但进行缓慢旋转，切出圆盘状的人工缝隙；在沿钻孔轴向切缝时，钻杆不旋转，只是沿轴向往复缓慢推拉钻杆，切出与轴向平行的人工缝隙。
63.一个压裂孔20灌浆、压裂完成后，钻机装置6通过高度调节支架7调节钻机位置移动至下一个需要钻进的压裂孔20。循环以上步骤直至完成所有压裂孔20的割缝。
64.合理的裂缝延伸方向可以提高瓦斯抽采效率，并弱化对围岩损伤。根据压裂裂缝首先在最薄弱位置产生并发展这一客观事实，开发了一种多孔割缝定向水力压裂增透方法。具体为：在压裂孔20内沿预期裂缝扩展方向实施射流割缝，形成导向缝槽，周围煤体依次形成破碎区、塑性区、弹性区、原岩应力区；压裂时，破碎区煤体首先起裂，裂缝在破碎区和塑性区内的起裂方向受缝槽导向；当裂缝进入原岩应力区后，受地应力主导，延伸方向开始转变，为避免其无序发展，施工割缝导向压裂孔20，使其形成的塑性区和压裂孔裂缝形成的塑性区交接，加速裂缝扩展。
65.本实用新型第二个实施例提出了一种瓦斯隧道揭煤定向压裂增透方法，应用如上述技术方案中任一项所述的瓦斯隧道揭煤定向压裂增透装置，包括如下步骤：
66.在煤层设置围岩顶板以及围岩底板，以将煤层隔绝；
67.启动钻机系统和高压水系统，其中，所述驱动部驱动所述钻头旋转，且轴向振荡喷嘴关闭，径向振荡喷嘴开启，所述高压水经径向振荡喷嘴输出并在煤层切割出圆盘状缝隙；或
68.所述驱动部驱动所述钻头沿其轴向做往复运动，且径向振荡喷嘴关闭，轴向振荡喷嘴开启，所述高压水经轴向振荡喷嘴输出并在煤层切割出平行于轴线的缝隙；
69.启动灌浆系统，对压裂孔进行灌浆。
70.在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
71.凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。