坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法
技术领域
本发明涉及一种裂隙生成装置。更具体地说,本发明涉及一种在煤矿、金属矿山或隧道等水力压裂过程中的坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法。
背景技术
在煤矿开采中,常常遇到坚硬难垮顶板,坚硬难垮顶板岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强,煤层开采后大面积悬露在采空区,一旦垮落,垮落的面积大、高度大,有强烈的周期性来压,给煤矿安全生产带来很大隐患。水力压裂作为一种经济有效的坚硬难垮顶板控制技术已在国内外得到较多的应用,因坚硬顶板岩石强度高、节理裂隙不发育,局部的应力场和相邻层间的应力及岩层弹性差异是裂缝形状及扩展的主要控制因素。如果没有外在因素作用下,水力压裂裂缝一般沿垂直于最小主应力的方向扩展。当垂直主应力大于最小水平主应力时,会形成垂直裂缝。实际应用中我们常常希望压裂裂隙沿着我们设计的方向扩展,需要在给定的钻孔中预制给定方向起始裂隙。目前预制裂隙刀具只能在垂直钻孔轴线方向形成360度环向裂隙,不能生成局部裂隙(比如垂直轴心180度裂隙),也不能生成沿着轴线方向的裂隙。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题,并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法,其能够实现钻孔环向任意角度的裂隙切割,同时也能实现钻孔轴向裂隙切割。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法,包括以下步骤:
步骤一、在坚硬难垮落顶板上进行定位并钻孔;
步骤二、在钻孔中预定深度沿钻孔径向或者轴向进行定向裂隙切割,其中,在沿钻孔径向切割时同步采集滚动切割角度,在采集的滚动切割角度达到预定滚动切割角度后停止切割,在沿钻孔轴向切割时同步采集切割长度,在采集切割长度达到预定切割长度后停止切割;
其中,提供定向裂隙生成装置包括:能够自由进出钻孔的杆件;与所述杆件同步转动并能在动力构件的驱动下沿钻孔的径向方向伸缩运动,且以任意角度进行裂隙切割的第一探头;与所述杆件同步转动并能监测第一探头的滚动切割角度的第二探头。
根据实际需求通过动力构件驱动第一探头在钻孔的径向方向做伸缩运动进行裂隙切割,同时通过杆件的转动带动第一探头的旋转,从而实现钻孔径向任意角度的裂隙切割;或者,根据实际需要将第一探头在钻孔的径向方向做伸缩运动进行收刀和出刀动作,协助杆件沿着钻孔轴向方向推进带动第一探头在钻孔内进行轴向任意长度的裂隙切割。
优选的是,其中,所述步骤一中,在坚硬难垮落顶板上进行定位并垂直于坚硬难垮落顶板进行钻孔。
优选的是,其中,所述第一探头包括探头主体、探针和设置在所述探针前端的切刀,所述探头主体上开设有一个型腔和多个安装孔,所述探针和切刀均设置在所述型腔中,所述切刀以在所述动力构件的驱动下,随所述探针沿所述钻孔的径向方向做伸缩运动,以进行裂隙切割的方式设置,其中,所述步骤二中所述预定深度为第一探头的切刀与钻孔的侧壁接触点距离钻孔的开口的距离。在上述方案中,型腔的设置为探针和切刀沿钻孔径向方向或者轴向方向的运动提供了空间保障,探针和切刀均设置在探头主体上,使得杆件的转动能够带动第一探头的转动,同时不影响探针和切刀沿钻孔的径向方向的运动。
优选的是,其中,所述型腔沿所述钻孔的径向方向的一端与所述钻孔贯通设置,用于切刀伸出型腔进行定向裂隙切割。
优选的是,其中,所述探头主体沿所述钻孔径向方向的长度小于所述钻孔的直径,用于容置探针和切刀。在上述方案中,探头主体可以完全设置在杆件内,在需要进行定向裂隙切割时,才通过驱动装置驱动切刀伸出与钻孔侧壁接触进行定向裂隙切割。
优选的是,其中,所述切刀设置为弧形。
优选的是,其中,所述探针的一端与一活塞杆的一端首尾连接,且探针可相对活塞杆在外力作用下绕轴旋转,用于进行裂隙切割时切刀在沿着钻孔径向和沿着钻孔轴向之间切换。在上述方案中,探针在外力作用下可自转90度角度,完成不同定向裂隙切割刀位的转换,结构简单,使用方便。
优选的是,其中,所述动力构件为油泵,所述活塞杆置于所述探头主体的型腔中设置的一腔体中,所述油泵通过安装在所述探头主体的第一安装孔中的油管与所述腔体的端部连接,所述动力构件用于驱动活塞杆带动切刀伸出型腔。
优选的是,其中,所述油泵与所述油管之间还设置有一压力传感器,所述压力传感器与一数据接收仪信号连接,其中,所述压力传感器用于检测油泵的油压并将数据传输至数据接收仪。在上述方案中,油泵提供的油压通过压力传感器实时传送至数据接收仪,使得操作者实时监测工作油压,从而控制第一探头的工作状态。
优选的是,其中,所述第一探头还包括位移传感器,所述位移传感器与所述探针连接,所述第一探头和第二探头信号连接,且均连接至所述数据接收仪,所述位移传感器用于采集探针和切刀的位移,并将位移数据传输至数据接收仪;
所述第二探针还包括角度传感器,其与所述探针连接,所述第一探头和第二探头信号连接,且均连接至所述数据接收仪,所述角度传感器用于检测第一探头的定向滚动切割角度并将滚动切割角度数据传送至数据接收仪。
在上述方案中,切刀在工作时的位移和第二探头监测的切刀的滚动切割角度均传送至数据接收仪显示,便于操作者实时控制切割作业。
本发明至少包括以下有益效果:本发明的提供的坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法能够实现钻孔环向任意角度的裂隙切割,同时也能实现钻孔轴向裂隙切割;由于设置有可以伸缩自如的动力构件驱动第一探头进行裂隙切割,因此,可以根据需要进行精准定向裂隙切割,其中,当需要完成钻孔径向切割时,首先将杆件深入到钻孔的预定切割深度,驱动构件驱动切刀与钻孔壁接触并开始滚动切割作业,当切割完成后,再次驱动动力构件使得切刀回缩,并通过杆件带动切刀深入到下一个预定切割深度,以进行第二次切割,从而实现了根据需求进行钻孔径向任意角度的定向裂隙切割。当需要进行钻孔轴向裂隙切割时,先将切刀转动至其长度方向与钻孔的轴向平行,之后,驱动动力构件将切刀回缩入型腔内,之后将杆件深入钻孔内预定切割深度,再驱动动力构件将切刀送出进行切割,从而实现了沿钻孔轴向的定向裂隙切割,切割完成后,驱动动力构件将切刀缩回型腔内。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法的流程图;
图2为本发明所述的裂隙定向生成装置的示意图;
图3为本发明所述的第一探头的示意图;
图4为本发明所述的第二探头的示意图;
图5为本发明所述的第一探头沿钻孔径向的剖视图一;
图6为本发明所述的第一探头沿钻孔径向的剖视图二;
图7为本发明所述的数据接收仪的主视图;
图8为本发明所述的数据接收仪的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-4所示,本发明提供了一种坚硬难垮落顶板中定向裂隙的生成方法,包括以下步骤:
步骤一、在坚硬难垮落顶板上进行定位并钻孔;
步骤二、在钻孔中预定深度沿钻孔径向或者轴向进行定向裂隙切割,其中,在沿钻孔径向切割时同步采集滚动切割角度,在采集的滚动切割角度达到预定滚动切割角度后停止切割,在沿钻孔轴向切割时同步采集切割长度,在采集切割长度达到预定切割长度后停止切割;
其中,提供定向裂隙生成装置包括:能够自由进出钻孔的杆件1;与所述杆件1同步转动并能在动力构件4的驱动下沿钻孔的径向方向伸缩运动,且以任意角度进行裂隙切割的第一探头;与所述杆件1同步转动并能监测第一探头的滚动切割角度的第二探头3。
在上述实施方案中,第二探头3为角度测试探头,角度测试探头通过螺纹连接头固定在杆件上,位于第一探头的上方,角度测试探头内设置有一倾角传感器31,用于监测第一探头的切割角度;第一探头为切割探头,切割探头通过设置在探头主体22上的第二安装孔中的螺纹连接头21与角度测试探头一端固定,且设置在杆件的底端。
根据实际需求通过动力构件4驱动第一探头在钻孔的径向方向做伸缩运动进行裂隙切割,同时通过杆件1的转动带动第一探头的旋转,从而实现钻孔径向任意角度的裂隙切割;或者,根据实际需要将第一探头在钻孔的径向方向做伸缩运动进行收刀和出刀动作,协助杆件1沿着钻孔轴向方向推进带动第一探头在钻孔内进行轴向任意长度的裂隙切割。
在一个实施方案中,所述步骤一中,在坚硬难垮落顶板上进行定位并垂直于坚硬难垮落顶板进行钻孔。
如图3所示,在一个实施方案中,所述第一探头包括探头主体22、探针23和设置在所述探针23前端的切刀24,所述探头主体22上开设有一个型腔25和多个安装孔,所述探针23和切刀24均设置在所述型腔25中,所述切刀24以在所述动力构件4的驱动下,随所述探针23沿所述钻孔的径向方向做伸缩运动,以进行裂隙切割的方式设置,其中,所述步骤二中所述预定深度为第一探头的切刀24与钻孔的侧壁接触点距离钻孔的开口的距离。在上述方案中,型腔25的设置为探针23和切刀24沿钻孔径向方向或者轴向方向的运动提供了空间保障,探针23和切刀24均设置在探头主体22上,使得杆件1的转动能够带动第一探头的转动,同时不影响探针23和切刀24沿钻孔的径向方向的运动。
在一个实施方案中,所述型腔25沿所述钻孔的径向方向的一端与所述钻孔贯通设置,用于切刀24伸出型腔25进行定向裂隙切割。
如图5和图6所示,在一个实施方案中,所述探头主体22沿所述钻孔径向方向的长度小于所述钻孔的直径,用于容置探针23和切刀24。
如图5和图6所示,在一个实施方案中,所述切刀24设置为弧形。在上述方案中,切刀24设置为弧形,使得切刀24的刀刃部分能够与弧形的钻孔内壁形状上相适应,使得切刀24的刀刃部分能够与弧形的接触更贴合,降低切刀24收到的阻力,易于完成裂隙切割。
如图3所示,在一个实施方案中,所述探针23的一端与一活塞杆26的一端首尾连接,且探针23可相对活塞杆26在外力作用下绕轴旋转,用于进行裂隙切割时切刀24在沿着钻孔径向和沿着钻孔轴向之间切换。在上述方案中,探针23在外力作用下可自转90度角度,完成不同定向裂隙切割刀位的转换,结构简单,使用方便。
在一个实施方案中,所述动力构件4为油泵,所述活塞杆26置于所述探头主体22的型腔25中设置的一腔体27中,所述油泵通过安装在所述探头主体22的第一安装孔中的油管5与所述腔体27的端部连接,所述动力构件4用于驱动活塞杆26带动切刀24伸出型腔25。在上述方案中,当需要完成钻孔径向切割时,首先将杆件1深入到钻孔的预定切割深度,驱动构件驱动切刀24与钻孔壁接触并开始滚动切割作业,当切割完成后,再次驱动动力构件4泄压,使得第一探头2在弹簧的作用下回缩,并通过杆件1的带动第一探头2深入到下一个预定深度,以进行第二次切割,从而实现了根据需求进行钻孔径向任意角度的裂隙切割。当需要进行钻孔轴向裂隙切割时,先将切刀24转动至其长度方向与钻孔的轴向平行,之后,驱动动力构件4将切刀24回缩入型腔25内,之后将杆件1深入钻孔内预定深度,再驱动动力构件4将切刀24送出进行切割,从而实现了沿钻孔轴向的裂隙切割,切割完成后,驱动动力构件4泄压,将切刀24缩回型腔25内。
如图1和图7-8所示在一个实施方案中,所述油泵与所述油管5之间还设置有一压力传感器6,所述压力传感器6与一数据接收仪7信号连接,其中,所述压力传感器6用于检测油泵的油压并将数据传输至数据接收仪7。在上述方案中,油泵提供的油压通过压力传感器6实时传送至数据接收仪7,使得操作者实时监测工作油压,从而控制第一探头2的工作状态。油泵的工作过程为:油泵加压使得油通过油管5进入腔体27中,随着油压的增加,活塞杆26带动探针23和切刀24伸出型腔25的开口,直至与钻孔侧壁接触完成裂隙切割;然后对油泵进行泄压,切刀24回缩。
如图2-3和图7-8所示在一个实施方案中,所述第一探头2还包括位移传感器28,所述位移传感器28与所述探针23连接,所述第一探头2和第二探头3信号线8连接,且均连接至所述数据接收仪7,所述位移传感器28用于采集探针23和切刀24的位移,并将位移数据传输至数据接收仪7;所述第二探针23还包括角度传感器31,其与所述探针23连接,所述第一探头2和第二探头3信号连接,且均连接至所述数据接收仪7,所述角度传感器31用于检测第一探头2的定向滚动切割角度并将滚动切割角度数据传送至数据接收仪7。在上述方案中,切刀24在工作时的位移和第二探头3监测的切刀24的滚动切割角度均传送至数据接收仪7显示,数据接收仪7上设置有液晶显示屏71,油泵的油压值通过液晶显示屏实时显示,便于操作者实时控制切割作业。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。