CN113187393B - 基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法，包括用于插入煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的导向器，导向器前端固定安装有割缝器，导向器内部上下两端固定安装有与割缝器上的侧向喷嘴成90°夹角的触发器，钻杆内插设有前端固定安装有重力导向球的信号线，煤层钻孔的孔口处安装有与信号线连接的信号指示灯；触发器与重力导向球接触后，信号指示灯开启；钻杆内插设有与割缝器连通且用于连接高压水泵的高压旋转水尾和高压胶管，此种装置可保证水力割缝装置的割缝方向在水平面方向，每个钻孔都沿水平方向进行水力割缝，多个钻孔一次排列割缝连接，最后形成煤层内部保护层对煤层进行高效的卸压增透。

Description

基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法。
背景技术
《煤矿安全规程》(2016年)一百一十五条规定：“高瓦斯、突出矿井的容易自燃煤层，应当采取以预抽方式为主的综合抽采瓦斯措施”；《防治煤矿冲击地压细则》(2020年)第三十九条规定：“具有冲击地压危险的高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，应当根据本矿井条件，综合考虑制定防治冲击地压、煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出等复合灾害的综合技术措施，强化瓦斯抽采和卸压措施”。
近些年来，我国一些深井所发生的煤与瓦斯动力灾害现象更趋复杂，特征模糊，致灾共性化，不能用传统的煤与瓦斯突出理论进行解释，已有的防治瓦斯技术及装备不能完全满足深部矿井煤岩瓦斯动力灾害治理的需求；深部矿井煤岩瓦斯灾害致灾机理更趋复杂，仅靠煤层瓦斯抽采达标不能完全解决煤岩层的复合灾害，必须从煤层瓦斯抽采达标和卸压有效的角度进行动力灾害防治。
我国瓦斯抽采最常用的方法是采用井下或地面钻孔对瓦斯含量较高的煤层提前预抽，但该类煤层大部分具有低渗透、微孔隙、高吸附等特性，严重影响瓦斯抽采效果。随着开采深度逐渐增加，煤层渗透率进一步减小，瓦斯抽采更加困难，突出危险性越来越大。因此，保障低渗煤层瓦斯高效抽采的关键是采取合理的措施进行卸压增透。目前，适合于煤矿井下应用的卸压增透措施主要有两类：一类是以保护层开采为主的层间卸压增透措施，其在改善煤层透气性、提高瓦斯抽采率方面即经济又高效，条件允许的情况下，该措施是区域性瓦斯灾害治理的最佳手段；另一类是以钻孔卸压为主的层内卸压增透措施，以大直径钻孔卸压、水力压裂、水力冲孔和水力割缝等措施为代表，通过钻孔对低渗透煤层内部创造自由空间，为煤层增透创造条件。
高压水力割缝技术，对钻孔周围的煤体进行冲刷、剥离，形成具有一定宽度和深度的“盘状”缝槽，增加和扩展煤体中的网格空间结构，进而改善煤体中的瓦斯流动状态，增强瓦斯抽采效果，同时缓和煤体应力紧张状态，削弱或消除突出动力，降低煤层的突出危险性。
虽然高压水射流装备取得了阶段性成果，但其卸压增透范围仍然有限，不能进行大面积卸压增透进而消除突出煤层的突出危险性。煤矿井下煤层增透的水力化措施中都是环形切割，即钻机带动钻杆和割缝器在孔内边旋转边喷射破煤切割成缝，最后形成的空间形状就是相当于一个钻孔穿过若干个圆盘或者椭圆球，该结构确实可以对煤体部分区域产生卸压效果，但不能形成大面积消突的平面保护层。实现煤层内的保护层，要在煤层中形成连片的保护层，这就要求对割缝器的喷嘴方向进行控制，使其始终沿着水平方向喷射高压水射流，在单孔范围内形成条状水平切割带，若干个钻孔接续排列即形成煤层内部的一个保护层。如前所述，在所有的增透措施中保护层措施是最有效的一种增透措施。那么如何使喷嘴始终沿着水平方向喷射就成了必须要解决的问题，目前国内外在煤矿井下瓦斯抽采钻孔中的水力化措施喷射器喷射方向方面还没有相关研究。
本发明拟开发重力导向割缝器，开展钻孔内高压水射流水平条形切割破煤实验，构建煤层内部“保护层”卸压增透模型。为大面积提高低渗煤层瓦斯抽采效率、消除或降低煤层突出危险性提供最高效经济的解决方式；对促进高瓦斯及突出矿井灾害防治技术发展进步，保障煤矿安全高效生产具有重大意义。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中水力割缝无法实现水平面割缝，煤层内部保护层无法对煤层进行高效卸压增透，导致高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井中透气性差及煤与瓦斯突出的问题，提供一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置及使用方法。
为达到上述目的，本发明提供一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，包括用于插入煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的导向器，导向器前端固定安装有割缝器，导向器内部上下两端固定安装有与割缝器上的侧向喷嘴成90°夹角的触发器，钻杆内插设有前端固定安装有重力导向球的信号线，煤层钻孔的孔口处安装有与信号线连接的信号指示灯；触发器与重力导向球接触后，信号指示灯开启；钻杆内插设有与割缝器连通且用于连接高压水泵的高压旋转水尾和高压胶管。
进一步，导向器呈圆柱状。
进一步，导向器与割缝器卡扣固定。
进一步，重力导向球为钢球。
一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置的使用方法，包括以下步骤：
A、将割缝器固定安装在导向器前端，割缝器与导向器连为一体，导向器内的触发器位置与割缝器侧向喷嘴成90°夹角；
B、重力导向球经信号线连接通过钻杆送至煤层钻孔的孔口，与孔口处信号指示灯连接；
C、该割缝导向装置正常钻进时，关闭信号指示灯，待钻进到指定深度后，开启信号指示灯，钻机带动钻杆缓慢转动，当钻杆转动到导向器内重力导向球接触到触发器时，信号指示灯发光表明此时信号线前端的触发器位置位于竖直下方，而割缝器侧向喷嘴与触发器成90°夹角，因此此时的喷嘴位置必定位于水平侧向；
D、此时开启高压水泵通过高压胶管进行水力割缝，割缝时钻机夹住钻杆仅做轴向活塞运动，不做扭转运动；确保割缝器水力割缝一直为水平面割缝。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，实现煤层内形成连片的保护层，对割缝器的喷嘴方向进行精确控制，使其始终沿着水平方向喷射高压水射流，在单孔范围内形成条状水平切割带，若干个钻孔接续排列即形成煤层内部的一个保护层，有效解决了水力割缝装置在工作中无法定向水平喷射割煤的技术问题，在所有的增透措施中保护层措施是最有效的一种增透措施。
2、本发明所公开的一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，钻杆转动过程中，信号线前端的重力导向球在重力作用下一直处于导向器最下端，重力导向球与导向球内侧触发器接触后，触发器、重力导向球以及信号指示灯所在电路连通，信号指示灯亮起，钻孔操作人员知晓割缝器前端侧向喷嘴处于水平侧向，这样孔口处钻机操作人员和水力割缝设备操作人员通过观察孔口处信号指示灯显示来进行水平方向水力割缝操作，简单方便，可操作性强，有效的解决了现有技术存在的孔内隐蔽工程无法实现水平面方向控制的问题，为下一步水力化措施精准实施提供技术支撑。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置的结构示意图。
附图标记：煤层1、重力导向球2、割缝器3、导向器4、钻杆5、高压旋转水尾6、高压胶管7、信号线8。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示的一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，包括用于插入煤层1的中空钻杆5和安装在钻杆前端的高压侧向喷嘴水平导向器4(简称导向器)，导向器4前端固定安装有割缝器3，导向器内部上下两端固定安装有与割缝器上侧向喷嘴成90°夹角的触发器，钻杆内插设有前端固定安装有重力导向球2的信号线8，煤层钻孔的孔口处安装有与信号线8连接的信号指示灯。触发器与重力导向球接触后，信号指示灯开启。钻杆内插设有与割缝器连通的高压旋转水尾6和高压胶管7。
该基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置中导向器为内置重力导向球2的圆盘状物体，钻杆转动过程中，信号线前端的重力导向球在重力作用下一直处于导向器最下端，重力导向球与导向球内侧触发器接触后，触发器、重力导向球以及信号指示灯所在电路连通，信号指示灯亮起，钻孔操作人员知晓割缝器前端侧向喷嘴处于水平侧向，这样孔口处钻机操作人员和水力割缝设备操作人员通过观察孔口处信号指示灯显示来进行水平方向水力割缝操作，简单方便，可操作性强。
该基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置的使用方法，包括以下步骤：
A、将割缝器3固定安装在导向器4前端，割缝器3与导向器4连为一体，导向器4内的触发器位置与割缝器3侧向喷嘴成90°夹角；
B、重力导向球2经信号线连接通过钻杆送至煤层钻孔的孔口，与孔口处信号指示灯连接；
C、该割缝导向装置正常钻进时，关闭信号指示灯，待钻进到指定深度后，开启信号指示灯，钻机带动钻杆缓慢转动，当钻杆转动到导向器内重力导向球2接触到触发器时，信号指示灯发光表明此时信号线前端的触发器位置位于竖直下方，而割缝器侧向喷嘴与触发器成90°夹角，因此此时的喷嘴位置必定位于水平侧向；
D、此时开启高压水泵通过高压胶管进行水力割缝，割缝时钻机夹住钻杆仅做轴向活塞运动，不做扭转运动；确保割缝器水力割缝一直为水平面割缝。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，其特征在于，包括用于插入煤层的中空钻杆和安装在钻杆前端的导向器，导向器前端固定安装有割缝器，导向器内部上下两侧固定安装有与割缝器上的侧向喷嘴成90°夹角的触发器，钻杆内插设有前端固定安装有重力导向球的信号线，煤层钻孔的孔口处安装有与信号线连接的信号指示灯；触发器与重力导向球接触后，信号指示灯开启；钻杆内插设有与割缝器连通且用于连接高压水泵的高压旋转水尾和高压胶管。
2.如权利要求1所述基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，其特征在于，所述导向器呈圆柱状。
3.如权利要求2所述基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，其特征在于，所述导向器与割缝器卡扣固定。
4.如权利要求3所述基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置，其特征在于，所述重力导向球为钢球。
5.一种基于重力导向机制的水力割缝水平导向装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将割缝器固定安装在导向器前端，割缝器与导向器连为一体，导向器内的触发器位置与割缝器侧向喷嘴成90°夹角；
B、重力导向球经信号线连接通过钻杆送至煤层钻孔的孔口，与孔口处信号指示灯连接；
C、该水力割缝水平导向装置正常钻进时，关闭信号指示灯，待钻进到指定深度后，开启信号指示灯，钻机带动钻杆缓慢转动，当钻杆转动到导向器内重力导向球接触到触发器时，信号指示灯发光表明此时信号线前端的触发器位置位于竖直下方，而割缝器侧向喷嘴与触发器成90°夹角，因此此时的喷嘴位置必定位于水平侧向；
D、此时开启高压水泵通过高压胶管进行水力割缝，割缝时钻机夹住钻杆仅做轴向活塞运动，不做扭转运动；确保割缝器水力割缝一直为水平面割缝。
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