CN112160737B - 基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法 - Google Patents
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Abstract
基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，包括以下步骤：（1）向顶板施工钻孔；（2）在钻孔下方布置水砂流发生装置、推杆装置和射流水回收装置；（3）启动推杆装置，推杆装置将推杆沿钻孔的长度方向移动，同时启动水砂流发生装置，高压水通过高压软管、空心钻杆后由定向切缝喷头向钻孔的孔壁喷出，定向切缝喷头喷出的高压射流水将钻孔的孔壁进行直线水切割，形成孔内切缝；切割完成后，将钻孔的孔口密封，向钻孔内灌注静态膨胀剂。本发明利用水力切割技术在钻孔内形成切缝后，再辅助以静态膨胀剂使用切缝定向扩展，安全可靠性强，可以提高钻孔间距，减少钻孔数量，大大提高施工效率和切割效果。
Description
技术领域
本发明属于水力切割技术领域，具体涉及一种基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法。
背景技术
顶板预裂是煤矿井下减缓巷道或采场矿山压力、防治冲击地压等常用的技术之一。常用的方法是在煤矿巷道或采场空间内，向顶板施工成排的长钻孔，钻孔终孔的位置施工到预定的岩层层位，钻孔排列方式与顶板预裂方向一致，钻孔间距根据具体工程和顶板岩性确定，一般为0.5m~3m。钻孔施工完成后，装入炸药，然后封孔，连接炮线进行爆破切顶，一般多个钻孔同时起爆，这样达到对顶板预裂的目的。这是目前我国煤矿顶板切断、顶板预裂、巷道卸压等最常使用的方式，在110工法沿空留巷、沿空掘巷切顶卸压、小煤柱切顶卸压等工程中大量使用。
但是爆破切顶的方法存在较多问题（现有技术缺点）：一是目前我国对炸药等火工用品管控严格，炸药管理、储运、使用工序较为复杂；二是在煤矿井下环境中，使用炸药存在安全隐患，并且容易出现冲孔、瞎炮等问题；三是高瓦斯和突出矿井对于炸药使用限制严格，爆破作业时生产地点需要撤离工作人员，与正常的生产相互干扰；四是炸药爆破需要封孔，《煤矿安全规程》规定，深孔爆破封孔长度不得小于孔深的1/3，封孔段不能装药，不能实现全孔破裂或切割；五是炸药爆破时能量向四周瞬时扩散，在孔内不能实现对岩层的定向预裂，即使利用聚能管爆破，爆破能量向预定方向的传播程度也非常有限，并且聚能管安装时聚能方向较难控制，还增加了爆破成本。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种操作方便、安全可靠性强、成本低、效率高的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，包括以下步骤，
（1）在巷道或采场空间向顶板施工钻孔；钻孔的长度、数量、间距和角度参数根据具体工程需求进行设计；
（2）在钻孔下方的底板上布置水砂流发生装置、推杆装置和射流水回收装置，推杆装置上夹持有空心钻杆，空心钻杆的上端设有定向切缝喷头，推杆装置的空心钻杆下端通过高压软管与水砂流发生装置连接，射流水回收装置设置在钻孔的孔口处，射流水回收装置通过回流管与水砂流发生装置连接；
（3）启动推杆装置，推杆装置将推杆沿钻孔的长度方向移动，同时启动水砂流发生装置，高压水通过高压软管、空心钻杆后由定向切缝喷头向钻孔的孔壁喷出，定向切缝喷头喷出的高压射流水将钻孔的孔壁进行直线水切割，形成孔内切缝；
（4）第一根空心钻杆被推到推杆装置的最上部时，暂停推杆装置和水砂流发生装置，将高压软管与该根空心钻杆下端分离，在该根空心钻杆的下端接上第二根空心钻杆，再将高压软管连接到第二根空心钻杆的下端，然后再次启动推杆装置和水砂流发生装置，空心钻杆和定向切缝喷头沿钻孔长度方向向上继续移动，同时定向切缝喷头喷出的高压射流水对钻孔的孔壁进行直线水切割；
（5）重复循环步骤（4）的操作，直到定向切缝喷头向上移动到钻孔的最顶部后停止；
（6）切割完成后，将空心钻杆逐根退出钻孔，然后将钻孔的孔口密封，最后向钻孔内灌注静态膨胀剂，静态膨胀剂的膨胀能力使孔内切缝继续向外扩展，从而使裂隙深度继续增加。
水砂流发生装置包括高速水砂混合桶和高压泵，高压泵的进水口通过低压管路与高速水砂混合桶连接，高压泵的出水口与高压软管的进水口连接。
射流水回收装置包括回收漏斗，回收漏斗将钻孔的孔口罩住并通过挂钩挂接到支护顶板的金属网上，回收漏斗的最低端通过管接头与回流管的进口连接，回收漏斗上开设有用于穿过空心钻杆的豁口；豁口整体呈矩形结构，回收漏斗在豁口的左右两侧分别设有一条导向条板，两条导向条板的相对侧面之间均设有一条导槽，两条导槽平行且相对设置，两条导槽内插设有一块将豁口上半部封堵的挡板，挡板的下端和豁口的下端相对且均为半圆形结构，挡板上表面与豁口两侧的回收漏斗的内壁平滑过渡。
推杆装置包括斜撑伸缩杆、下支板、上支板、矩形框架、导杆、气缸、上气动夹具和下气动夹具，矩形框架的长度方向沿竖向设置，上支板和下支板分别固定设置矩形框架的顶部和底部，导杆设有两根，气缸和两根导杆均平行于矩形框架的长度方向，气缸设置在矩形框架内部，上气动夹具固定设置在上支板下表面并位于矩形框架上端部前侧，两根导杆上端与上支板下表面固定连接，两根导杆下端与下支板上表面固定连接，两根导杆分别位于矩形框架左右两侧，下气动夹具位于矩形框架前侧且滑动连接在两根导杆上，气缸的活塞杆通过连接件与下气动夹具后侧连接，上气动夹具和下气动夹具上下对应设置，上支板上表面设有位于上气动夹具的夹持部正上方的导套，导套上下通透，下气动夹具夹持住空心钻杆下端部，空心钻杆上部穿过导套；斜撑伸缩杆设有三根，三根斜撑伸缩杆沿上支板的外圆均匀间隔布置，三根斜撑伸缩杆的上端均铰接在上支板的外圆上，斜撑伸缩杆下端支撑在底板上，通过调节斜撑伸缩杆的长度来调整空心钻杆与钻孔的中心线重合。
步骤（4）中空心钻杆向上移动是通过气缸的活塞杆驱动下气动夹具沿两根导杆向上移动，被下气动夹具夹持住的空心钻杆也沿导套向上移动；当气缸的活塞杆向上移动到极限时，气缸停止，启动上气动夹具将该根空心钻杆夹持住，然后下气动夹具松开，气缸驱动下气动夹具沿导杆向下移动，与此同时，操作者将下一根空心钻杆的上端与被上气动夹具夹持住的空心钻杆下端同轴向连接，气缸的活塞杆向下移动到极限位置时停止，启动下气动夹具将接上去的空心钻杆的下端部夹持住，接着上气动夹具松开，启动气缸，气缸的活塞杆驱动下气动夹具沿两根导杆向上移动；按照这种操作方式进行循环操作，使定向切缝喷头在钻孔内持续向上移动，对孔壁进行直线水切割形成孔内切缝。
定向切缝喷头对称的两侧部分别设有喷射口，两侧的喷射口左右对称，高速水砂混合桶内盛装有砂浆和用于搅拌砂浆的搅拌器，定向切缝喷头通过两侧的喷射口切割形成的孔内切缝为两条横截面为一字型的缝隙，在切割过程中喷出的砂浆沿着钻孔的孔壁流入到回收漏斗内，再经回流管流入到高速水砂混合桶内经搅拌器的搅拌后重复使用。
步骤（6）中将空心钻杆逐根退出钻孔的具体过程为：当下气动夹具夹持住空心钻杆移动到极限时，气缸停止，上气动夹具夹持住上部一根空心钻杆，然后下气动夹具松开该根空心钻杆，再将该节空心钻杆取下，然后气缸驱动下气动夹具沿两根导杆向上移动到上部极限，气缸停止，下气动夹具再夹持住上部一根空心钻杆的下端部，气缸再启动，驱动下气动夹具和钻杆向下移动，如此循环操作，使所有的空心钻杆一根一根地拆下来。
采用上述技术方案，本发明中的磨料水砂流技术参照专利号为ZL201920842666.X所公开高压砂浆泵实现前混合磨料水砂流连续加砂系统。常压水砂混合流在高速水砂混合桶内的搅拌器混合均匀，在高压泵的抽吸作用下，水砂混合液经低压管路进行入高压泵，加压后经高压软管进入到空心钻杆，最后由定向切缝喷头喷出；空心钻杆单根长度为1.0~2.0m（具体由巷道空间和推杆装置尺寸而定），根据顶板上的钻孔的长度不同，在高压软管和定向切缝喷头之间依次连接不同数量的空心钻杆；空心钻杆由推杆装置的气缸推送到钻孔内，带动定向切缝喷头在钻孔内上下移动，同时喷出高压水砂流切割钻孔的孔壁形成两道对称的一字型孔内切缝，根据顶板岩层的岩性，可以调节气缸的活塞杆伸缩速度，以调节高压水砂流的切割时间，从而达到预定定向切缝深度。
推杆装置可以准备二套或两套以上，第一套推杆装置切割第一个钻孔的同时，第二套推杆装置可以在第二个钻孔下进行位置和角度调整，待第一个钻孔切割完成后，将高压软管的出口马上连接到第二套推杆装置上面的空心钻杆下端，进行对第二个钻孔的切割工作；在第二个钻孔进行切割的同时，第一套推杆装置讲空心钻杆逐次拆卸，然后移动到下一个待切钻孔处进行位置和角度调整，从而提高工作效率。另外，通过提高高压泵的流量，在高压软管上增加分支管路，还可以实现多个钻孔的同时切割，从而进一步提高切割效率。
由于水砂流在切割过程中会从钻孔的孔口流出，射流水回收装置也对应与推杆装置配套设置，使用回收漏斗接住从钻孔内流出的水砂流，然后经回收管路流回到高速水砂混合桶，从而实现了水砂流的重复利用，节省了成本，同时避免了大量的切割用水涌入到巷道或采场空间，影响井下作业条件。
为了进一步提高水射流的回收量，在回收漏斗上的豁口处设置挡板，挡板封堵一部分豁口，挡板的下端和豁口的下端相对且均为半圆形结构，钻杆在两个半圆形结构之间向上移动。这样可使从钻孔下落的水通过豁口漏掉。回收漏斗采用不锈钢板制成，回收漏斗在豁口的左右两侧分别设置的一条导向条板采用与回收漏斗一体结构，两条导向条板及导槽的具体制作过程为：两条导向板采用沿回收漏斗的母线方向切割，切割到下侧设定尺寸后分别向左和向右切割1/4圆，然后向下折弯形成两条导向条板，最后在两条导向条板的相对的表面上设置两条导槽（可采用切割砂轮片切槽，或者在回收漏斗的母线方向切割前在设定的位置预先进行切槽），挡板插入到两条导槽之间，避免挡板掉落。
孔内切缝的深度与切割时间、高压泵的压力和流量以及岩层岩性等因素有关，根据实验室测试结果，对于常见的煤系岩层如砂岩、泥岩、砂质泥岩、页岩、灰岩等，孔内切缝的单侧切割深度可以达到200~500mm，因此，钻孔的孔间距应该在500~1000mm左右较为合适。为了提高孔内切缝的定向致裂深度，在切割完成后，向钻孔内灌注静态膨胀剂。目前我国市场上广泛应用的静态膨胀剂膨胀压力可以达到50~70MPa，在钻孔内已有了切割裂缝的情况下，静态膨胀剂的膨胀能力可以使裂隙继续向外扩展，从而使裂隙深度继续增加，达到更好的切割效果，经现场多次试验，通过钻孔窥视仪或检测孔等方法可以详细掌握“水力切缝+静态膨胀剂”两种方法的致裂最终深度，然后设计合理的孔间距，从而做到减少钻孔数量，提高施工效率，节约成本。
综上所述，本发明采用水力切割技术的在煤层顶板钻孔内实施定向切缝，如有必要再灌注静态膨胀剂辅助裂隙延伸，实现在在顶板岩体内定向预裂。本发明有以下技术效果：
（1）本发明使用的水力切割技术属于冷切割技术，切割过程不生热、无火花、本质安全，特别适用于煤矿井下环境。
（2）本发明使用的方法和装置操作简单，易于实现机械化、自动化控制，可以根据高压泵的流量方便调节同时切割钻孔的数量，以适应不同煤矿工程及切割速度的需求。
（3）本发明切割时不用封孔，可以实现全孔长定向切割。
（4）本发明的切割介质——水、砂，可以回收再利用，成本低。
（5）本发明利用水力切割技术在钻孔内形成切缝后，再辅助以静态膨胀剂使用切缝定向扩展，可以提高钻孔间距，减少钻孔数量，大大提高施工效率和切割效果。
（6）本发明在必要时可以和爆破技术配合使用，即先在钻孔内定向切割，然后实施孔内爆破，从而达到定向爆破的目的，能够最大程度的发挥水力定向切缝和爆破能量的威力。
（7）本发明还可以实现多孔同时切割，能够根据现场工程要求安排合理的施工速度；由于本发明的水力切割技术可以方便地实现机械化、自动化甚至智能化作业，工人劳动强度低，施工效率也能大大提高；本发明提出的使用膨胀剂进行扩展钻孔内的水力切割裂隙，利用了裂隙尖端应力集中、岩石抗拉强度低、岩石材料应变率低等特点，可以大大提高裂隙深度，从而能够扩大钻孔间距，减少钻孔数量，做到进一步减少施工成本，提高施工效率的目的。
附图说明
图1是本发明中专用封孔器在工作时的结构示意图；
图2是图1中A-A剖视图
图3是图1中推杆装置的放大图；
图4是图1中接水漏斗和挡板的仰视图；
图5是图4中接水漏斗的示意图；
图6是图4中挡板的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-图6所示，本发明的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，包括以下步骤：
（1）在巷道或采场空间向顶板1施工钻孔2；钻孔2的长度、数量、间距和角度参数根据具体工程需求进行设计；
（2）在钻孔2下方的底板3上布置水砂流发生装置、推杆装置4和射流水回收装置，推杆装置4上夹持有空心钻杆5，空心钻杆5的上端设有定向切缝喷头6，推杆装置4的空心钻杆5下端通过高压软管7与水砂流发生装置连接，射流水回收装置设置在钻孔2的孔口处，射流水回收装置通过回流管8与水砂流发生装置连接；
（3）启动推杆装置4，推杆装置4将推杆沿钻孔2的长度方向移动，同时启动水砂流发生装置，高压水通过高压软管7、空心钻杆5后由定向切缝喷头6向钻孔2的孔壁喷出，定向切缝喷头6喷出的高压射流水对钻孔2的孔壁进行直线水切割，形成孔内切缝9；
（4）第一根空心钻杆5被推到推杆装置4的最上部时，暂停推杆装置4和水砂流发生装置，将高压软管7与该根空心钻杆5下端分离，在该根空心钻杆5的下端接上第二根空心钻杆5，再将高压软管7连接到第二根空心钻杆5的下端，然后再次启动推杆装置4和水砂流发生装置，空心钻杆5和定向切缝喷头6沿钻孔2长度方向向上继续移动，同时定向切缝喷头6喷出的高压射流水对钻孔2的孔壁进行直线水切割；
（5）重复循环步骤（4）的操作，直到定向切缝喷头6向上移动到钻孔2的最顶部后停止；
（6）切割完成后，将空心钻杆5逐根退出钻孔2，然后将钻孔2的孔口密封，最后向钻孔2内灌注静态膨胀剂，静态膨胀剂的膨胀能力使孔内切缝9继续向外扩展，从而使裂隙深度继续增加。
水砂流发生装置包括高速水砂混合桶10和高压泵11，高压泵11的进水口通过低压管路12与高速水砂混合桶10连接，高压泵11的出水口与高压软管7的进水口连接。
射流水回收装置包括回收漏斗13，回收漏斗13将钻孔2的孔口罩住并通过挂钩挂接到支护顶板1的金属网上，回收漏斗13的最低端通过管接头30与回流管8的进口连接，回收漏斗13上开设有用于穿过空心钻杆5的豁口31。豁口31整体呈矩形结构，回收漏斗13在豁口31的左右两侧分别设有一条导向条板32，两条导向条板32的相对侧面之间均设有一条导槽33，两条导槽33平行且相对设置，两条导槽33内插设有一块将豁口31上半部封堵的挡板34，挡板34的下端和豁口31的下端相对且均为半圆形结构，挡板34上表面与豁口31两侧的回收漏斗13的内壁平滑过渡。
推杆装置4包括斜撑伸缩杆14、下支板15、上支板16、矩形框架17、导杆18、气缸、上气动夹具19和下气动夹具20，矩形框架17的长度方向沿竖向设置，上支板16和下支板15分别固定设置矩形框架17的顶部和底部，导杆18设有两根，气缸和两根导杆18均平行于矩形框架17的长度方向，气缸设置在矩形框架17内部，上气动夹具19固定设置在上支板16下表面并位于矩形框架17上端部前侧，两根导杆18上端与上支板16下表面固定连接，两根导杆18下端与下支板15上表面固定连接，两根导杆18分别位于矩形框架17左右两侧，下气动夹具20位于矩形框架17前侧且滑动连接在两根导杆18上，气缸的活塞杆通过连接件与下气动夹具20后侧连接，上气动夹具19和下气动夹具20上下对应设置，上支板16上表面设有位于上气动夹具19的夹持部正上方的导套21，导套21上下通透，下气动夹具20夹持住空心钻杆5下端部，空心钻杆5上部穿过导套21；斜撑伸缩杆14设有三根，三根斜撑伸缩杆14沿上支板16的外圆均匀间隔布置，三根斜撑伸缩杆14的上端均铰接在上支板16的外圆上，斜撑伸缩杆14下端支撑在底板3上，通过调节斜撑伸缩杆14的长度来调整空心钻杆5与钻孔2的中心线重合。
步骤（4）中空心钻杆5向上移动是通过气缸的活塞杆驱动下气动夹具20沿两根导杆18向上移动，被下气动夹具20夹持住的空心钻杆5也沿导套21向上移动；当气缸的活塞杆向上移动到极限时，气缸停止，启动上气动夹具19将该根空心钻杆5夹持住，然后下气动夹具20松开，气缸驱动下气动夹具20沿导杆18向下移动，与此同时，操作者将下一根空心钻杆5的上端与被上气动夹具19夹持住的空心钻杆5下端同轴向连接，气缸的活塞杆向下移动到极限位置时停止，启动下气动夹具20将接上去的空心钻杆5的下端部夹持住，接着上气动夹具19松开，启动气缸，气缸的活塞杆驱动下气动夹具20沿两根导杆18向上移动；按照这种操作方式进行循环操作，使定向切缝喷头6在钻孔2内持续向上移动，对孔壁进行直线水切割形成孔内切缝9。
定向切缝喷头6对称的两侧部分别设有喷射口，两侧的喷射口左右对称，高速水砂混合桶10内盛装有砂浆和用于搅拌砂浆的搅拌器，定向切缝喷头6通过两侧的喷射口切割形成的孔内切缝9为两条横截面为一字型的缝隙，在切割过程中喷出的砂浆沿着钻孔2的孔壁流入到回收漏斗13内，再经回流管8流入到高速水砂混合桶10内经搅拌器的搅拌后重复使用。
步骤（6）中将空心钻杆逐根退出钻孔的具体过程为：当下气动夹具20夹持住空心钻杆5移动到极限时，气缸停止，上气动夹具19夹持住上部一根空心钻杆5，然后下气动夹具20松开该根空心钻杆5，再将该节空心钻杆5取下，然后气缸驱动下气动夹具20沿两根导杆向上移动到上部极限，气缸停止，下气动夹具20再夹持住上部一根空心钻杆5的下端部，气缸再启动，驱动下气动夹具20和钻杆向下移动，如此循环操作，使所有的空心钻杆5一根一根地拆下来。
本发明中的磨料水砂流技术参照专利号为ZL201920842666.X所公开高压砂浆泵实现前混合磨料水砂流连续加砂系统。常压水砂混合流在高速水砂混合桶10内的搅拌器混合均匀，在高压泵11的抽吸作用下，水砂混合液经低压管路12进行入高压泵11，加压后经高压软管7进入到空心钻杆5，最后由定向切缝喷头6喷出；空心钻杆5单根长度为1.0~2.0m（具体由巷道空间和推杆装置4尺寸而定），根据顶板1上的钻孔2的长度不同，在高压软管7和定向切缝喷头6之间依次连接不同数量的空心钻杆5；空心钻杆5由推杆装置4的气缸推送到钻孔2内，带动定向切缝喷头6在钻孔2内上下移动，同时喷出高压水砂流切割钻孔2的孔壁形成两道对称的一字型孔内切缝9，根据顶板1岩层的岩性，可以调节气缸的活塞杆伸缩速度，以调节高压水砂流的切割时间，从而达到预定定向切缝深度。
推杆装置4可以准备二套或两套以上，第一套推杆装置4切割第一个钻孔2的同时，第二套推杆装置4可以在第二个钻孔2下进行位置和角度调整，待第一个钻孔2切割完成后，将高压软管7的出口马上连接到第二套推杆装置4上面的空心钻杆5下端，进行对第二个钻孔2的切割工作；在第二个钻孔2进行切割的同时，第一套推杆装置4讲空心钻杆5逐次拆卸，然后移动到下一个待切钻孔2处进行位置和角度调整，从而提高工作效率。另外，通过提高高压泵11的流量，在高压软管7上增加分支管路，还可以实现多个钻孔2的同时切割，从而进一步提高切割效率。
由于水砂流在切割过程中会从钻孔2的孔口流出，射流水回收装置也对应与推杆装置4配套设置，使用回收漏斗13接住从钻孔2内流出的水砂流，然后经回收管路流回到高速水砂混合桶10，从而实现了水砂流的重复利用，节省了成本，同时避免了大量的切割用水涌入到巷道或采场空间，影响井下作业条件。为了进一步提高水射流的回收量，在回收漏斗13上的豁口31处设置挡板34，挡板34封堵一部分豁口31，挡板34的下端和豁口31的下端相对且均为半圆形结构，钻杆在两个半圆形结构之间向上移动。这样可使从钻孔5下落的水通过豁口31漏掉。回收漏斗13采用不锈钢板制成，回收漏斗13在豁口31的左右两侧分别设置的一条导向条板32采用与回收漏斗13一体结构，两条导向条板32及导槽33的具体制作过程为：两条导向板采用沿回收漏斗13的母线方向切割，切割到下侧设定尺寸后分别向左和向右切割1/4圆，然后向下折弯形成两条导向条板32，最后在两条导向条板32的相对的表面上设置两条导槽33（可采用切割砂轮片切槽，或者在回收漏斗13的母线方向切割前在设定的位置预先进行切槽），挡板34插入到两条导槽33之间，避免挡板34掉落。
孔内切缝9的深度与切割时间、高压泵11的压力和流量以及岩层岩性等因素有关，根据实验室测试结果，对于常见的煤系岩层如砂岩、泥岩、砂质泥岩、页岩、灰岩等，孔内切缝9的单侧切割深度可以达到200~500mm，因此，钻孔2的孔间距应该在500~1000mm左右较为合适。为了提高孔内切缝9的深度，在切割完成后，向钻孔2内灌注静态膨胀剂，目前我国市场上广泛应用的静态膨胀剂膨胀压力可以达到50~70MPa，在钻孔2内已有了切割裂缝的情况下，静态膨胀剂的膨胀能力可以使裂隙继续向外扩展，从而使裂隙深度继续增加，达到更好的切割效果，经现场多次试验，通过钻孔2窥视仪或检测孔等方法可以详细掌握“水力切缝+静态膨胀剂”两种方法的致裂最终深度，然后设计合理的孔间距，从而做到减少钻孔2数量，提高施工效率，节约成本。
另外，高速水砂混合桶10内上部在回流管8的出口上方设置过滤网，用于过滤水砂流中大大颗粒岩渣或煤渣，使回流到高速水砂混合桶10内的没有大颗粒杂质，这样仍然可以通过高压泵11抽取循环使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，其特征在于：包括以下步骤，
（1）在巷道或采场空间向顶板施工钻孔；钻孔的长度、数量、间距和角度参数根据具体工程需求进行设计；
（2）在钻孔下方的底板上布置水砂流发生装置、推杆装置和射流水回收装置，推杆装置上夹持有空心钻杆，空心钻杆的上端设有定向切缝喷头，推杆装置的空心钻杆下端通过高压软管与水砂流发生装置连接，射流水回收装置设置在钻孔的孔口处，射流水回收装置通过回流管与水砂流发生装置连接；
（3）启动推杆装置，推杆装置将推杆沿钻孔的长度方向移动，同时启动水砂流发生装置，高压水通过高压软管、空心钻杆后由定向切缝喷头向钻孔的孔壁喷出，定向切缝喷头喷出的高压射流水对钻孔的孔壁进行直线水切割，形成孔内切缝；
（4）第一根空心钻杆被推到推杆装置的最上部时，暂停推杆装置和水砂流发生装置，将高压软管与该根空心钻杆下端分离，在该根空心钻杆的下端接上第二根空心钻杆，再将高压软管连接到第二根空心钻杆的下端，然后再次启动推杆装置和水砂流发生装置，空心钻杆和定向切缝喷头沿钻孔长度方向向上继续移动，同时定向切缝喷头喷出的高压射流水对钻孔的孔壁进行直线水切割；
（5）重复循环步骤（4）的操作，直到定向切缝喷头向上移动到钻孔的最顶部后停止；
（6）切割完成后，将空心钻杆逐根退出钻孔，然后将钻孔的孔口密封，最后向钻孔内灌注静态膨胀剂，静态膨胀剂的膨胀能力使孔内切缝继续向外扩展，从而使裂隙深度继续增加；
射流水回收装置包括回收漏斗，回收漏斗将钻孔的孔口罩住并通过挂钩挂接到支护顶板的金属网上，回收漏斗的最低端通过管接头与回流管的进口连接，回收漏斗上开设有用于穿过空心钻杆的豁口；豁口整体呈矩形结构，回收漏斗在豁口的左右两侧分别设有一条导向条板，两条导向条板的相对侧面之间均设有一条导槽，两条导槽平行且相对设置，两条导槽内插设有一块将豁口上半部封堵的挡板，挡板的下端和豁口的下端相对且均为半圆形结构，挡板上表面与豁口两侧的回收漏斗的内壁平滑过渡。
2.根据权利要求1所述的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，其特征在于：水砂流发生装置包括高速水砂混合桶和高压泵，高压泵的进水口通过低压管路与高速水砂混合桶连接，高压泵的出水口与高压软管的进水口连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，其特征在于：推杆装置包括斜撑伸缩杆、下支板、上支板、矩形框架、导杆、气缸、上气动夹具和下气动夹具，矩形框架的长度方向沿竖向设置，上支板和下支板分别固定设置矩形框架的顶部和底部，导杆设有两根，气缸和两根导杆均平行于矩形框架的长度方向，气缸设置在矩形框架内部，上气动夹具固定设置在上支板下表面并位于矩形框架上端部前侧，两根导杆上端与上支板下表面固定连接，两根导杆下端与下支板上表面固定连接，两根导杆分别位于矩形框架左右两侧，下气动夹具位于矩形框架前侧且滑动连接在两根导杆上，气缸的活塞杆通过连接件与下气动夹具后侧连接，上气动夹具和下气动夹具上下对应设置，上支板上表面设有位于上气动夹具的夹持部正上方的导套，导套上下通透，下气动夹具夹持住空心钻杆下端部，空心钻杆上部穿过导套；斜撑伸缩杆设有三根，三根斜撑伸缩杆沿上支板的外圆均匀间隔布置，三根斜撑伸缩杆的上端均铰接在上支板的外圆上，斜撑伸缩杆下端支撑在底板上，通过调节斜撑伸缩杆的长度来调整空心钻杆与钻孔的中心线重合。
4.根据权利要求3所述的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，其特征在于：步骤（4）中空心钻杆向上移动是通过气缸的活塞杆驱动下气动夹具沿两根导杆向上移动，被下气动夹具夹持住的空心钻杆也沿导套向上移动；当气缸的活塞杆向上移动到极限时，气缸停止，启动上气动夹具将该根空心钻杆夹持住，然后下气动夹具松开，气缸驱动下气动夹具沿导杆向下移动，与此同时，操作者将下一根空心钻杆的上端与被上气动夹具夹持住的空心钻杆下端同轴向连接，气缸的活塞杆向下移动到极限位置时停止，启动下气动夹具将接上去的空心钻杆的下端部夹持住，接着上气动夹具松开，启动气缸，气缸的活塞杆驱动下气动夹具沿两根导杆向上移动；按照这种操作方式进行循环操作，使定向切缝喷头在钻孔内持续向上移动，对孔壁进行直线水切割形成孔内切缝。
5.根据权利要求4所述的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，其特征在于：定向切缝喷头对称的两侧部分别设有喷射口，两侧的喷射口左右对称，高速水砂混合桶内盛装有砂浆和用于搅拌砂浆的搅拌器，定向切缝喷头通过两侧的喷射口切割形成的孔内切缝为两条横截面为一字型的缝隙，在切割过程中喷出的砂浆沿着钻孔的孔壁流入到回收漏斗内，再经回流管流入到高速水砂混合桶内经搅拌器的搅拌后重复使用。
6.根据权利要求5所述的基于水力切割技术的煤层顶板定向致裂方法，其特征在于：步骤（6）中将空心钻杆逐根退出钻孔的具体过程为：当下气动夹具夹持住空心钻杆移动到极限时，气缸停止，上气动夹具夹持住上部一根空心钻杆，然后下气动夹具松开该根空心钻杆，再将该节空心钻杆取下，然后气缸驱动下气动夹具沿两根导杆向上移动到上部极限，气缸停止，下气动夹具再夹持住上部一根空心钻杆的下端部，气缸再启动，驱动下气动夹具和钻杆向下移动，如此循环操作，使所有的空心钻杆一根一根地拆下来。
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