CN113882855A - 插装式高低压精准切换割缝器、割缝装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插装式高低压精准切换割缝器，包括割缝器本体、定位密封阀杆、压缩弹簧和水射流喷嘴，在所述割缝器本体的前端外部设有第一密封段，内部从后向前依次设有第二密封段、阶梯通孔和圆孔，所述压缩弹簧套装在所述定位密封阀杆外部组成高低压精准切换阀芯，在所述割缝器本体上还安装有若干水射流喷嘴。本发明还提供了割缝装置及割缝装置的使用方法。本发明的插装式高低压精准切换割缝器及割缝装置可以实现在钻孔施工完成后，不需退出钻杆，通过调节高压水的压力控制插装式高低压精准切换割缝器内水流通道的闭与合，并根据不同煤层类型和钻进给水压力，可实现精准调整高低压水流压力切换的阈值且维修方便，实现煤层快速卸压增透的目标。

Description

插装式高低压精准切换割缝器、割缝装置及使用方法

技术领域

本发明涉及高压水射流切割装置技术领域，特别涉及一种插装式高低压精准切换割缝器、割缝装置及使用方法。

背景技术

随着新兴煤炭开采技术与装备的不断投用，开采深度以每年约10～20m的速度向深部持续延深，深部煤岩动力灾害逐步成为制约煤矿安全高效生产的主要问题。深部矿井煤岩动力灾害治理须从煤层瓦斯抽采达标和有效卸压的角度进行灾害防治，而水力化卸压增透措施是行之有效的措施之一。深部高应力条件下中硬、硬煤扩孔卸压、增透需要大幅度提高水射流压力，进而提高破煤效率及破煤深度，解决深部矿井煤岩动力灾害治理难题。水力扩孔、水力割缝、钻割一体化等卸压增透措施被广泛使用，现有的水力割缝及水力扩孔装置存在以下问题：1、不具有不退钻杆的低压水钻进、高压水切割一体化功能；2、高低压转换后割缝器内水流通路密封不严；3、高低压水流压力切换的阈值不可调或者不能精准调节；4、工作压力相对较低；5、结构复杂，现场修理困难，一旦出现故障只能直接返厂维修。

因此，就需要一种经过改进优化的煤层快速卸压增透装置，能够实现精准调整高低压水流压力切换的阈值且维修方便，实现煤层快速卸压增透的目标。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种插装式高低压精准切换割缝器、割缝装置及使用方法。本发明的插装式高低压精准切换割缝器可以根据给钻进设备的工作液体压力来通过定位密封阀杆及更换压缩弹簧精准调节低压钻进时合理的压力转换阈值，配合高压密封钻杆实现了钻进设备常规低压钻进和撤钻时的超高压割缝。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：插装式高低压精准切换割缝器，包括割缝器本体、定位密封阀杆、压缩弹簧和水射流喷嘴，在所述割缝器本体的前端外部设有第一密封段，内部从后向前依次设有第二密封段、阶梯通孔和圆孔，所述定位密封阀杆安装在阶梯通孔中，所述阶梯通孔包括从尾端向前端依次设置的第一孔、第二孔和第三孔，且第一孔直径大于第二孔直径，第二孔直径大于第三孔直径，所述压缩弹簧套装在所述定位密封阀杆外部组成高低压精准切换阀芯，在所述割缝器本体上还安装有若干水射流喷嘴。

进一步地，所述第一密封段包括第一直轴导向段、第一O型圈、第一直角滑环和第一内锥密封锥螺纹，在所述第一直轴导向段上设有环槽，在环槽内安装有第一O型圈及第一直角滑环，在所述第一直轴导向段的后端设有第一内锥密封锥螺纹。

进一步地，所述第二密封段包括第一外锥密封锥螺纹、第一内圆柱孔段，所述第一外锥密封锥螺纹、第一内圆柱孔段自尾端向前端依次设置在割缝器本体内周面上。

进一步地，所述高低压精准切换阀芯与割缝器本体内周面可轴向移动，所述定位密封阀杆为台阶式阀杆，包括从尾端向前端依次同轴设置的第一圆柱段、第二圆柱段、变径段和第三圆柱段，沿所述第一圆柱段的外周面向内开设有多个沿轴向设置的圆形通水孔，所述第一圆柱段的外周面与阶梯通孔的第一孔内周面之间相匹配形成端面密封，所述第二圆柱段的外周面与阶梯通孔的第三孔内周面之间形成间隙密封，所述压缩弹簧套装在所述第二圆柱段外周，前端与阶梯通孔的第二孔和第三孔形成的台阶面相抵，后端与所述第二圆柱段的前端面相抵，通过更换压并高度和弹簧刚度不同的压缩弹簧调节封闭插装式高低压精准切换割缝器水流通路的阈值。

进一步地，所述定位密封阀杆的第一圆柱段最大外径D1略小于阶梯通孔的第一孔的内径D2，形成环状通水空间，所述定位密封阀杆的第一圆柱段实体部分直径D3大于阶梯通孔的第二孔内径D4，第二圆柱段外径D5略大于阶梯通孔的第三孔内径D6，第三圆柱段外径D7小于第三孔内径D6。

本发明同时提供一种割缝装置，包括从前向后依次按顺序连接的钻头、插装式高低压精准切换割缝器、超高压密封钻杆、超高压旋转水尾、多根超高压软管、卸压调节阀及超高压水力泵站，所述超高压密封钻杆下方安装有钻机并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管间安装有卸压调节阀，所述超高压水力泵站通过超高压软管和超高压密封钻杆向插装式高低压精准切换割缝器和钻头供水，卸压调节阀用于调节管路工作液体的压力，进而控制插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭与开启，从而实现割缝装置的低压钻进和超高压割缝。

本发明还同时提供所述割缝装置的使用方法，具体实现步骤如下：

步骤101、将超高压密封钻杆安装于钻机之上并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，插装式高低压精准切换割缝器安装于超高压密封钻杆前端；插装式高低压精准切换割缝器前端安装钻头；超高压软管通过超高压旋转水尾连接于超高压密封钻杆之后；卸压调节阀安装在多根超高压软管间，超高压水力泵站通过超高压软管和超高压旋转水尾向超高压密封钻杆和插装式高低压精准切换割缝器和钻头内供水；

步骤102、根据供给钻进设备的工作液体压力确定合理的压力转换阈值，通过更换相应压并高度和弹簧刚度的压缩弹簧，进而调节封闭插装式高低压精准切换割缝器水流通路的压力转换阈值P1，进而改变钻头出水口允许通过的最大压力；

步骤103、通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力，从而控制插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭或开启，从而实现割缝装置的低压钻进或超高压割缝；

步骤104、整个钻孔或者区域完成超高压水力割缝作业后，插装式高低压精准切换割缝器可以拆卸、清洗、保养。

进一步地，所述步骤103具体为：

通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力，当卸压调节阀与超高压旋转水尾之间的压力P小于P1时，工作液体不能使定位密封阀杆向前移动，定位密封阀杆的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔的第一孔内周面不能形成端面密封，第二圆柱段外周面与阶梯通孔的第三孔内周面也不能形成间隙密封，插装式高低压精准切换割缝器中水流通路开启，实现低压钻进；当卸压调节阀与超高压旋转水尾之间的压力P大于P1时，插装式高低压精准切换割缝器中定位密封阀杆在通过超高压密封钻杆输送的工作液体作用下发生位移，定位密封阀杆的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔的第一孔内周面相匹配形成端面密封，第二圆柱段外周面与阶梯通孔的第三孔内周面相配合形成间隙密封，端面密封与间隙密封构成的双重密封，有效地关闭高压水通道，管路内水压急剧升高经水射流喷嘴射出形成超高压水射流冲割煤岩体，实现超高压割缝。

进一步地，所述步骤103的超高压割缝方式为前进式割缝和后退式割缝；具体的操作步骤为在前进式割缝或后退式割缝过程中钻机在单根超高压密封钻杆行程的两端执行步骤103超高压割缝2次，然后增加或减少2根以上超高压密封钻杆后重复步骤103直至整个钻孔完成超高压水力割缝作业。

本发明提供另外一种割缝装置，该装置包括从前向后依次按顺序连接的钻头、结构与所述的插装式高低压精准切换割缝器相同且依次相连的第二插装式高低压精准切换割缝器及第一插装式高低压精准切换割缝器、超高压密封钻杆、超高压旋转水尾、多根超高压软管、卸压调节阀及超高压水力泵站；在所述超高压密封钻杆下方安装有钻机并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管间安装有卸压调节阀；所述超高压软管通过超高压旋转水尾连接到超高压密封钻杆尾部，所述超高压水力泵站通过超高压软管和超高压密封钻杆向第二插装式高低压精准切换割缝器、第一插装式高低压精准切换割缝器和钻头供水，卸压调节阀用于调节管路压力，进而控制第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭与开启，从而实现割缝装置的低压钻进和分级高压割缝。

本发明另外提供所述割缝装置的使用方法，具体实现步骤如下：

步骤201、将超高压密封钻杆安装于钻机之上并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，第二插装式高低压精准切换割缝器、第一插装式高低压精准切换割缝器串联安装于超高压密封钻杆前端；第一插装式高低压精准切换割缝器前端安装钻头；超高压软管通过超高压旋转水尾连接于超高压密封钻杆之后；卸压调节阀安装在多根超高压软管间，超高压水力泵站通过超高压软管和超高压旋转水尾向超高压密封钻杆、第二插装式高低压精准切换割缝器、第一插装式高低压精准切换割缝器和钻头内供水；

步骤202、根据供给钻进设备的工作液体压力确定第一插装式高低压精准切换割缝器的合理压力转换阈值P2，根据设计确定第二插装式高低压精准切换割缝器的压力转换阈值P3，并且使P3＞P2；

步骤203、通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力，从而控制第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭或开启，从而实现割缝装置的低压钻进、高压割缝或超高压割缝。

步骤204、整个钻孔或者作业区域完成超高压水力割缝作业后，插装式高低压精准切换割缝器可以拆卸、清洗、保养。

进一步地，所述步骤203具体为：

通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力P，当卸压调节阀与超高压旋转水尾之间的压力P＜P2时，第一插装式高低压精准切换割缝器与第二插装式高低压精准切换割缝器中水流通路均开启，实现低压正常钻进；当超高压水力泵站的输出压力P处于P2、P3之间时，第二插装式高低压精准切换割缝器的高压水通道开启，第一插装式高低压精准切换割缝器高压水通道关闭，管路内水压急剧升高经第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器的水射流喷嘴射出形成高压水射流冲割煤岩体；当超高压水力泵站的输出压力P＞P3时，第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器的高压水通道均关闭，管路内水压急剧升高经第二插装式高低压精准切换割缝器的水射流喷嘴射出形成超高压水射流冲割煤岩体。

进一步地，所述步骤203的超高压割缝方式为前进式割缝和后退式割缝；具体的操作步骤为在前进式割缝或后退式割缝过程中在单根超高压密封钻杆行程的两端执行步骤203超高压割缝2次，然后增加或减少2根以上超高压密封钻杆后重复步骤203直至整个钻孔完成超高压水力割缝作业。

相对于现有的技术，本发明的有益效果为：本发明的插装式高低压精准切换割缝器具有结构简单、加工容易、不易发生故障、维修简便等特点。本发明的可拆卸零部件仅有定位密封阀杆和压缩弹簧两个部件，可根据需要设计的不同封闭水流通路阈值来更换相应参数(压并高度和弹簧刚度)的压缩弹簧实现水流通路阈值的精准调节，减少割缝器配件数量，降低加工难度，节约成本。插装式高低压精准切换割缝器尾部连接超高压密封钻杆，与钻头、旋转接头、高压软管、卸压调节阀、超高压水力泵站等组合形成超高压精准切换割缝装置，定位密封阀杆在通过超高压密封钻杆输送的工作液体作用下发生位移，定位密封阀杆的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔的第一孔内周面相匹配形成端面密封，第二圆柱段外周面与阶梯通孔的第三孔内周面相配合形成间隙密封，端面密封与间隙密封构成的双重密封，可完全关闭高压水通道，管路内水压急剧升高经水射流喷嘴射出形成超高压水射流冲割煤岩体，实现了钻进设备常规低压钻进和撤钻时的超高压割缝功能，适用于不同低压钻进的工况情况，通过两个插装式高低压精准切换割缝器的串联结构实现了钻进设备常规低压钻进和撤钻时的高压割缝、超高压割缝功能，降低了现有装置内部密封不严造成的水力损失，提高成套设备的工作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是本发明插装式高低压精准切换割缝器的结构示意图；

图2是图1的A-A向剖视图；

图3是超高压密封钻杆的结构示意图；

图4是超高压密封钻杆与插装式高低压精准切换割缝器配合结构示意图；

图5是实施例三的割缝装置结构示意图；

图6是实施例四的割缝装置结构示意图；

图中：

1、钻头；

2、插装式高低压精准切换割缝器；2-1、第一插装式高低压精准切换割缝器；2-2、第二插装式高低压精准切换割缝器；21、割缝器本体；211、第一密封段；2111、第一直轴导向段；2112、第一O型圈；2113、第一直角滑环；2114、第一内锥密封锥螺纹；212、第二密封段；2121、第一外锥密封锥螺纹；2122、第一内圆柱孔段；213、阶梯通孔；2131、第一孔；2132、第二孔；2133、第三孔；214、圆孔；22、压缩弹簧；23、定位密封阀杆；231、第一圆柱段；2311、圆形通水孔；232、第二圆柱段；233、变径段；234、第三圆柱段；24、环状通水空间；25、水射流喷嘴；

3、超高压密封钻杆；31、钻杆本体；311、第一轴向密封结构；3111、第二直轴导向段；3112、第二O型圈；3113、第二直角滑环；3114、第二内锥密封锥螺纹；312、第二轴向密封结构；3121、第二外锥密封锥螺纹；3122、第二内圆柱孔段；313、螺旋凹槽；

4、钻机；5、超高压旋转水尾；6、超高压软管；7、卸压调节阀；8、超高压水力泵站。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参照图1-图2，插装式高低压精准切换割缝器2，包括割缝器本体21、定位密封阀杆23、压缩弹簧22和水射流喷嘴25，在所述割缝器本体21的前端外部设有第一密封段211，内部从后向前依次设有第二密封段212、阶梯通孔213和圆孔214，所述定位密封阀杆23安装在阶梯通孔213中，所述阶梯通孔213包括从尾端向前端依次设置的第一孔2131、第二孔2132和第三孔2133，且第一孔2131直径大于第二孔2132直径，第二孔2132直径大于第三孔2133直径，所述压缩弹簧22套装在所述定位密封阀杆23外部组成高低压精准切换阀芯，在所述割缝器本体21上还安装有若干水射流喷嘴25。

所述第一密封段211包括第一直轴导向段2111、第一O型圈2112、第一直角滑环2113和第一内锥密封锥螺纹2114，在所述第一直轴导向段2111上设有环槽，在环槽内安装有第一O型圈2112及第一直角滑环2113，在所述第一直轴导向段2111的后端设有第一内锥密封锥螺纹2114。

所述第二密封段212包括第一外锥密封锥螺纹2121、第一内圆柱孔段2122，所述第一外锥密封锥螺纹2121、第一内圆柱孔段2122自尾端向前端依次设置在割缝器本体21内周面上。

所述水射流喷嘴25的数量为2～3个，通过轴向对称或者轴向错位对称安装在所述割缝器本体21上，且位于第一内圆柱孔段2122和第一孔2131之间。

所述高低压精准切换阀芯与割缝器本体21内周面可轴向移动，所述定位密封阀杆23为台阶式阀杆，包括从尾端向前端依次同轴设置的第一圆柱段231、第二圆柱段232、变径段233和第三圆柱段234，沿所述第一圆柱段231的外周面向内开设有多个沿轴向设置的圆形通水孔2311，设置圆形通水孔2311的作用是通水，所述第一圆柱段231的外周面与阶梯通孔213的第一孔2131内周面之间相匹配形成端面密封，所述第二圆柱段232的外周面与阶梯通孔213的第三孔2133内周面之间形成间隙密封，所述压缩弹簧22套装在所述第二圆柱段232外周，前端与阶梯通孔213的第二孔2132和第三孔2133形成的台阶面相抵，后端与所述第二圆柱段232的前端面相抵，通过更换压并高度和弹簧刚度不同的压缩弹簧22调节封闭插装式高低压精准切换割缝器水流通路的压力转换阈值。

所述定位密封阀杆23的第一圆柱段231最大外径D1略小于阶梯通孔213的第一孔2131的内径D2，形成环状通水空间24。

所述定位密封阀杆23的第一圆柱段231实体部分直径D3大于阶梯通孔213的第二孔2132内径D4，第二圆柱段232外径D5略大于阶梯通孔213的第三孔2133内径D6；第三圆柱段234外径D7小于第三孔2133内径D6。

实施例一的工作原理：根据供给钻进设备的工作液体压力确定合理的插装式高低压精准切换割缝器2压力转换阈值，通过更换不同压并高度和弹簧刚度的压缩弹簧22，进而调节封闭插装式高低压精准切换割缝器2水流通路的阈值。当供给钻进设备的工作液体(本发明实施例中的工作液体均为水)压力小于阈值时，工作液体不能使定位密封阀杆23向前移动，定位密封阀杆23的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔213的第一孔2131内周面不能形成端面密封，第二圆柱段232外周面与阶梯通孔213的第三孔2133内周面也不能形成间隙密封，插装式高低压精准切换割缝器2中水流通路开启，实现低压钻进；当供给钻进设备的工作液体压力大于阈值时，插装式高低压精准切换割缝器2中定位密封阀杆23在通过超高压密封钻杆输送的工作液体作用下发生位移，定位密封阀杆23的第一圆柱段231外周面与所述阶梯通孔213的第一孔2131内周面相匹配形成端面密封，第二圆柱段232外周面与阶梯通孔213的第三孔2133内周面相配合形成间隙密封，端面密封与间隙密封构成的双重密封，有效地关闭高压水通道，管路内水压急剧升高经水射流喷嘴25射出形成超高压水射流冲割煤岩体，实现超高压割缝。

实施例二

参照图5，本发明同时提供一种割缝装置，包括从前向后依次按顺序连接的钻头1、实施例一的插装式高低压精准切换割缝器2、超高压密封钻杆3、超高压旋转水尾5、多根超高压软管6及超高压水力泵站8，所述超高压密封钻杆3下方安装有钻机4并由钻机4上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管6间安装有卸压调节阀7，所述超高压水力泵站8通过超高压软管6和超高压密封钻杆3向插装式高低压精准切换割缝器2和钻头1供水，卸压调节阀7用于调节管路工作液体的压力，进而控制插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭与开启，从而实现割缝装置的低压钻进和超高压割缝。

参照图3，所述超高压密封钻杆3包括钻杆本体31，在所述钻杆本体31的前端外周面上设有第一轴向密封结构311，钻杆本体31的尾端内周面上设有第二轴向密封结构312，所述第一轴向密封结构311包括第二直轴导向段3111、第二内锥密封锥螺纹3114、第二O型圈3112和第二直角滑环3113，在所述第二直轴导向段3111上设有环槽，在环槽内安装有第二O型圈3112和第二直角滑环3113，在所述第二直轴导向段3111的后端设有第二内锥密封锥螺纹3114；所述第二轴向密封结构312包括从后向前依次设置的第二外锥密封锥螺纹3121和第二内圆柱孔段3122；所述第二直轴导向段3111和第二内圆柱孔段3122为同心，且第二内圆柱孔段3122内径大于第二直轴导向段3111外径；

在所述钻杆本体31外周壁上设有螺旋凹槽313，有利于实施水力化措施时排出煤岩碎屑，同时降低钻杆重量，降低劳动强度。

所述第二O型圈3112和第二直角滑环3113安装顺序为水压力方向依次安装。

所述第二直轴导向段3111和插装式高低压精准切换割缝器2的第一内圆柱孔段2122为同心，且第一内圆柱孔段2122内径大于第二直轴导向段3111外径，第一内圆柱孔段2122内径大于第二直轴导向段3111外径0.5mm。

参照图4，所述超高压密封钻杆3与插装式高低压精准切换割缝器2安装时，将第二直轴导向段3111、第二内锥密封锥螺纹3114轴向插入至第一内圆柱孔段2122及第一外锥密封锥螺纹2121内，超高压密封钻杆3前端的第二内锥密封锥螺纹3114和插装式高低压精准切换割缝器2尾端的第一外锥密封锥螺纹2121形成螺纹密封；第二直轴导向段3111前端具有倒角，便于超高压密封钻杆3的安装，第二O型圈3112、第二直角滑环3113顺序安装在环槽内形成组合密封，承压能力高，超高压密封钻杆3的第二内锥密封锥螺纹3114与插装式高低压精准切换割缝器2的第一外锥密封锥螺纹2121形成锥螺纹密封。

当多个超高压密封钻杆3依次首尾相连时，相邻两个超高压密封钻杆3的第一轴向密封结构311与第二轴向密封结构312相配合，所述第二O型圈3112、第二直角滑环3113顺序安装在环槽内形成组合密封；第二直轴导向段3111和第二内圆柱孔段3122相配合形成间隙密封，降低高压水向组合密封的泄露和压力传递；第二内锥密封锥螺纹3114和第二外锥密封锥螺纹3121相配合形成锥螺纹密封。

超高压旋转水尾5在与超高压密封钻杆3尾端的第二轴向密封结构312相连接时，也采用与所述超高压密封钻杆3与插装式高低压精准切换割缝器2安装的同样密封结构，超高压旋转水尾的前端也设置直轴导向段和内锥密封锥螺纹，不再详细赘述具体连接结构。

实施例三

参照图5，割缝装置的使用方法，采用实施例二所述的割缝装置实现，具体步骤如下：

步骤101、将超高压密封钻杆3安装于钻机4之上并由钻机4上的回转装置驱动旋转给进，插装式高低压精准切换割缝器2安装于超高压密封钻杆3前端；插装式高低压精准切换割缝器2前端安装钻头1；超高压软管6通过超高压旋转水尾5连接于超高压密封钻杆3之后；卸压调节阀7安装在多根超高压软管6间，超高压水力泵站8通过超高压软管6和超高压旋转水尾5向超高压密封钻杆3和插装式高低压精准切换割缝器2和钻头1内供水；

步骤102、根据供给钻进设备的工作液体压力设计合理的插装式高低压精准切换割缝器2压力转换阈值，通过更换变形压缩弹簧22，调节封闭插装式高低压精准切换割缝器2水流通路的压力转换阈值P1，进而改变钻头1出水口允许通过的最大压力；

步骤103、通过卸压调节阀7调整超高压软管6输送水的压力，从而控制插装式高低压精准切换割缝器2中水流通路的封闭或开启，从而实现割缝装置的低压钻进或超高压割缝。

步骤104、整个钻孔或者区域完成超高压水力割缝作业后，插装式高低压精准切换割缝器可以拆卸、清洗、保养。

所述步骤103具体为：

通过卸压调节阀7调整超高压软管6输送水的压力，当卸压调节阀7与超高压旋转水尾5之间的压力P小于P1时，工作液体不能使定位密封阀杆23向前移动，定位密封阀杆23的第一圆柱段231外周面与所述阶梯通孔213的第一孔2131内周面不能形成端面密封，第二圆柱段232外周面与阶梯通孔213的第三孔2133内周面也不能形成间隙密封，插装式高低压精准切换割缝器2中水流通路开启，实现低压钻进；当卸压调节阀6与超高压旋转水尾5之间的压力P大于P1时，插装式高低压精准切换割缝器2中定位密封阀杆23在通过超高压密封钻杆3输送的工作液体作用下发生位移，定位密封阀杆23的第一圆柱段231外周面与所述阶梯通孔213的第一孔2131内周面相匹配形成端面密封，第二圆柱段232外周面与阶梯通孔213的第三孔2133内周面相配合形成间隙密封，端面密封与间隙密封构成的双重密封，有效地关闭高压水通道，管路内水压急剧升高经水射流喷嘴25射出形成超高压水射流冲割煤岩体，实现超高压割缝。

所述步骤103的超高压割缝方式为前进式割缝和后退式割缝；具体的操作步骤为在前进式割缝或后退式割缝过程中钻机4在单根超高压密封钻杆3行程的两端执行步骤103超高压割缝2次，然后增加或减少2根以上超高压密封钻杆3后重复步骤103直至整个钻孔完成超高压水力割缝作业。

实施例四

本发明的插装式高低压精准切换割缝器2还可以串联应用在割缝装置中，割缝装置的具体结构如下：

参照图6，割缝装置，该装置包括从前向后依次按顺序连接的钻头1、结构结构与实施例一的插装式高低压精准切换割缝器2相同且依次相连的第二插装式高低压精准切换割缝器2-2及第一插装式高低压精准切换割缝器2-1、超高压密封钻杆3、超高压旋转水尾5、多根超高压软管6、卸压调节阀7及超高压水力泵站8；在所述超高压密封钻杆3下方安装有钻机4并由钻机4上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管间安装有卸压调节阀7；所述超高压软管6通过超高压旋转水尾5连接到超高压密封钻杆3尾部，所述超高压水力泵站8通过超高压软管6和超高压密封钻杆3向第二插装式高低压精准切换割缝器2-2、第一插装式高低压精准切换割缝器2-1和钻头1供水，卸压调节阀7用于调节管路压力，进而控制第一插装式高低压精准切换割缝器2-1和第二插装式高低压精准切换割缝器2-2中水流通路的封闭与开启，从而实现割缝装置的低压钻进和分级高压割缝。

实施例四的割缝装置应用在超高压水力割缝的缝槽深度在1000mm以上，间距在5m以上，在这5m的空间内瓦斯流动会存在一定的空白区，通过插装式高低压精准切换割缝器2串联可以将缝槽间距提高到6～8m，在中间位置进行高压割缝，最终形成深-浅-深的缝槽，可实现在不增加施工程序的情况下增加作业范围，提高作业效果。

参照图6，实施例四的割缝装置的使用方法，具体实现步骤如下：

步骤201、将超高压密封钻杆3安装于钻机4之上并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，第二插装式高低压精准切换割缝器2-2、第一插装式高低压精准切换割缝器2-1串联安装于超高压密封钻杆3前端；第一插装式高低压精准切换割缝器2-1前端安装钻头1；超高压软管6通过超高压旋转水尾5连接于超高压密封钻杆3之后；卸压调节阀7安装在多根超高压软管6间，超高压水力泵站8通过超高压软管6和超高压旋转水尾5向超高压密封钻杆3、第二插装式高低压精准切换割缝器2-2、第一插装式高低压精准切换割缝器2-1和钻头1内供水；

步骤202、根据供给钻进设备的工作液体压力确定第一插装式高低压精准切换割缝器2-1的合理压力转换阈值P2，根据设计确定第二插装式高低压精准切换割缝器2-2的压力转换阈值P3，并且使P3＞P2；(第二插装式高低压精准切换割缝器2-2的压缩弹簧22弹力(压并高度和弹簧刚度)大于第一插装式高低压精准切换割缝器2-1的压缩弹簧22弹力)

步骤203、通过卸压调节阀7调整超高压软管6输送水的压力，从而控制第一插装式高低压精准切换割缝器2-1和第二插装式高低压精准切换割缝器2-2中水流通路的封闭或开启，从而实现割缝装置的低压钻进、高压割缝或超高压割缝。

步骤204、整个钻孔或者作业区域完成超高压水力割缝作业后，插装式高低压精准切换割缝器可以拆卸、清洗、保养。

所述步骤203具体为：

通过卸压调节阀7调整超高压软管6输送水的压力P，当卸压调节阀6与超高压旋转水尾5之间的压力P＜P2时，工作液体不能使第二插装式高低压精准切换割缝器2-2及第一插装式高低压精准切换割缝器2-1的定位密封阀杆23向前移动，定位密封阀杆23的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔213的第一孔2131内周面不能形成端面密封，第二圆柱段232外周面与阶梯通孔213的第三孔2133内周面也不能形成间隙密封，实现低压正常钻进；当超高压水力泵站8的输出压力P处于P2、P3之间时，第二插装式高低压精准切换割缝器2-2的高压水通道开启，第一插装式高低压精准切换割缝器2-1高压水通道关闭，管路内水压急剧升高经第一插装式高低压精准切换割缝器2-1和第二插装式高低压精准切换割缝器2-2的水射流喷嘴25射出形成高压水射流冲割煤岩体；当超高压水力泵站8的输出压力P＞P3时，第一插装式高低压精准切换割缝器2-1和第二插装式高低压精准切换割缝器2-2的高压水通道有效关闭，管路内水压急剧升高经第二插装式高低压精准切换割缝器2-2的水射流喷嘴25射出形成超高压水射流冲割煤岩体。

所述步骤203的超高压割缝方式为前进式割缝和后退式割缝；具体的操作步骤为在前进式割缝或后退式割缝过程中在单根超高压密封钻杆3行程的两端执行步骤203超高压割缝2次，然后增加或减少2根以上超高压密封钻杆3后重复步骤203直至整个钻孔完成超高压水力割缝作业。

在实施例三和实施例五中：

当多根超高压软管6连接时，所述超高压软管6之间连接采用耐超高压脉冲软管接头。

所述超高压旋转水尾5采用硬质合金全密封，流量系数大于3.0。

所述超高压水力泵站8为卧式五柱塞往复泵，额定压力大于100MPa，额定流量大于6m³/h。

所述钻机4为履带式自动钻机，超高压水力泵站8为履带式，钻机4和超高压水力泵站8均能够远程操作。

本发明的插装式高低压精准切换割缝器及割缝装置可以实现在钻孔施工完成后，不需退出钻杆，通过调节高压水的压力控制插装式高低压精准切换割缝器内水流通道的闭与合，并根据不同煤层类型和钻进给水压力，可实现精准调整高低压水流压力切换的阈值且维修方便，实现煤层快速卸压增透的目标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.插装式高低压精准切换割缝器，其特征在于，包括割缝器本体、定位密封阀杆、压缩弹簧和水射流喷嘴，在所述割缝器本体的前端外部设有第一密封段，内部从后向前依次设有第二密封段、阶梯通孔和圆孔，所述定位密封阀杆安装在阶梯通孔中，所述阶梯通孔包括从尾端向前端依次设置的第一孔、第二孔和第三孔，且第一孔直径大于第二孔直径，第二孔直径大于第三孔直径，所述压缩弹簧套装在所述定位密封阀杆外部组成高低压精准切换阀芯，在所述割缝器本体上还安装有若干水射流喷嘴。

2.如权利要求1所述的插装式高低压精准切换割缝器，其特征在于，所述第一密封段包括第一直轴导向段、第一O型圈、第一直角滑环和第一内锥密封锥螺纹，在所述第一直轴导向段上设有环槽，在环槽内安装有第一O型圈及第一直角滑环，在所述第一直轴导向段的后端设有第一内锥密封锥螺纹。

3.如权利要求1所述的插装式高低压精准切换割缝器，其特征在于，所述第二密封段包括第一外锥密封锥螺纹、第一内圆柱孔段，所述第一外锥密封锥螺纹、第一内圆柱孔段自尾端向前端依次设置在割缝器本体内周面上。

4.如权利要求1所述的插装式高低压精准切换割缝器，其特征在于，所述高低压精准切换阀芯与割缝器本体内周面可轴向移动，所述定位密封阀杆为台阶式阀杆，包括从尾端向前端依次同轴设置的第一圆柱段、第二圆柱段、变径段和第三圆柱段，沿所述第一圆柱段的外周面向内开设有多个沿轴向设置的圆形通水孔，所述第一圆柱段的外周面与阶梯通孔的第一孔内周面之间相匹配形成端面密封，所述第二圆柱段的外周面与阶梯通孔的第三孔内周面之间形成间隙密封，所述压缩弹簧套装在所述第二圆柱段外周，前端与阶梯通孔的第二孔和第三孔形成的台阶面相抵，后端与所述第二圆柱段的前端面相抵，通过更换压并高度和弹簧刚度不同的压缩弹簧调节封闭插装式高低压精准切换割缝器水流通路的阈值。

5.割缝装置，其特征在于，包括从前向后依次按顺序连接的钻头、如权利要求1-4任意一项所述的插装式高低压精准切换割缝器、超高压密封钻杆、超高压旋转水尾、多根超高压软管、卸压调节阀及超高压水力泵站，所述超高压密封钻杆下方安装有钻机并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管间安装有卸压调节阀，所述超高压水力泵站通过超高压软管和超高压密封钻杆向插装式高低压精准切换割缝器和钻头供水，卸压调节阀用于调节管路工作液体的压力，进而控制插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭与开启。

6.割缝装置的使用方法，采用如权利要求5所述的割缝装置实现，具体实现步骤如下：

步骤101、将超高压密封钻杆安装于钻机之上并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，插装式高低压精准切换割缝器安装于超高压密封钻杆前端；插装式高低压精准切换割缝器前端安装钻头；超高压软管通过超高压旋转水尾连接于超高压密封钻杆之后；卸压调节阀安装在多根超高压软管间，超高压水力泵站通过超高压软管和超高压旋转水尾向超高压密封钻杆和插装式高低压精准切换割缝器和钻头内供水；

步骤102、根据供给钻进设备的工作液体压力确定合理的压力转换阈值，通过更换相应压并高度和弹簧刚度的压缩弹簧，进而调节封闭插装式高低压精准切换割缝器水流通路的压力转换阈值P1，进而改变钻头出水口允许通过的最大压力；

步骤103、通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力，从而控制插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭或开启，从而实现割缝装置的低压钻进或超高压割缝；

步骤104、整个钻孔或者区域完成超高压水力割缝作业后，插装式高低压精准切换割缝器可以拆卸、清洗、保养。

7.如权利要求6所述的割缝装置的使用方法，其特征在于，所述步骤103具体为：

通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力，当卸压调节阀与超高压旋转水尾之间的压力P小于P1时，工作液体不能使定位密封阀杆向前移动，定位密封阀杆的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔的第一孔内周面不能形成端面密封，第二圆柱段外周面与阶梯通孔的第三孔内周面也不能形成间隙密封，插装式高低压精准切换割缝器中水流通路开启，实现低压钻进；当卸压调节阀与超高压旋转水尾之间的压力P大于P1时，插装式高低压精准切换割缝器中定位密封阀杆在通过超高压密封钻杆输送的工作液体作用下发生位移，定位密封阀杆的第一圆柱段外周面与所述阶梯通孔的第一孔内周面相匹配形成端面密封，第二圆柱段外周面与阶梯通孔的第三孔内周面相配合形成间隙密封，端面密封与间隙密封构成的双重密封，有效地关闭高压水通道，管路内水压急剧升高经水射流喷嘴射出形成超高压水射流冲割煤岩体，实现超高压割缝。

8.割缝装置，其特征在于，该装置包括从前向后依次按顺序连接的钻头、结构与权利要求1-4任意一项所述的插装式高低压精准切换割缝器相同且依次相连的第二插装式高低压精准切换割缝器及第一插装式高低压精准切换割缝器、超高压密封钻杆、超高压旋转水尾、多根超高压软管、卸压调节阀及超高压水力泵站；在所述超高压密封钻杆下方安装有钻机并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，在所述多根超高压软管间安装有卸压调节阀；所述超高压软管通过超高压旋转水尾连接到超高压密封钻杆尾部，所述超高压水力泵站通过超高压软管和超高压密封钻杆向第二插装式高低压精准切换割缝器、第一插装式高低压精准切换割缝器和钻头供水，卸压调节阀用于调节管路压力，进而控制第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭与开启。

9.割缝装置的使用方法，采用如权利要求8所述的割缝装置实现，具体实现步骤如下：

步骤201、将超高压密封钻杆安装于钻机之上并由钻机上的回转装置驱动旋转给进，第二插装式高低压精准切换割缝器、第一插装式高低压精准切换割缝器串联安装于超高压密封钻杆前端；第一插装式高低压精准切换割缝器前端安装钻头；超高压软管通过超高压旋转水尾连接于超高压密封钻杆之后；卸压调节阀安装在多根超高压软管间，超高压水力泵站通过超高压软管和超高压旋转水尾向超高压密封钻杆、第二插装式高低压精准切换割缝器、第一插装式高低压精准切换割缝器和钻头内供水；

步骤202、根据供给钻进设备的工作液体压力确定第一插装式高低压精准切换割缝器的合理压力转换阈值P2，根据设计确定第二插装式高低压精准切换割缝器的压力转换阈值P3，并且使P3＞P2；

步骤203、通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力，从而控制第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器中水流通路的封闭或开启，从而实现割缝装置的低压钻进、高压割缝或超高压割缝；

步骤204、整个钻孔或者作业区域完成超高压水力割缝作业后，插装式高低压精准切换割缝器可以拆卸、清洗、保养。

10.如权利要求9所述的割缝装置的使用方法，其特征在于，所述步骤203具体为：

通过卸压调节阀调整超高压软管输送水的压力P，当卸压调节阀与超高压旋转水尾之间的压力P＜P2时，第一插装式高低压精准切换割缝器与第二插装式高低压精准切换割缝器中水流通路均开启，实现低压正常钻进；当超高压水力泵站的输出压力P处于P2、P3之间时，第二插装式高低压精准切换割缝器的高压水通道开启，第一插装式高低压精准切换割缝器高压水通道关闭，管路内水压急剧升高经第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器的水射流喷嘴射出形成高压水射流冲割煤岩体；当超高压水力泵站的输出压力P＞P3时，第一插装式高低压精准切换割缝器和第二插装式高低压精准切换割缝器的高压水通道均关闭，管路内水压急剧升高经第二插装式高低压精准切换割缝器的水射流喷嘴射出形成超高压水射流冲割煤岩体。

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