CN114635695B - 一种轴向造缝预裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轴向造缝预裂方法，包括由下至上依次设置的底板、巷道工作空间、直接顶、基本顶，S1、预裂前准备：将钻杆通过钻孔轴向打入直接顶，且钻杆末端伸入基本顶内；S2、安装换杆部：在巷道工作空间安装换杆部，随后将换杆部与钻杆连接；S3、安装供液部：在巷道工作空间安装供液部，并将钻杆与供液部连通。本发明能够提供一种成本低、效率高、裂缝方向可控、连通性强、安全性能好的针对煤矿顶板钻孔轴向造缝预裂的方法。

Description

一种轴向造缝预裂方法

技术领域

本发明涉及矿上施工技术领域，特别是涉及一种轴向造缝预裂方法。

背景技术

2009年何满潮院士突破常规采矿方法，开创性地提出了无煤柱自成巷的110工法，彻底解决了煤矿安全与资源利用问题。110工法得以实现的关键环节之一在于定向致裂技术。实现岩石材料定向致裂的根本在于产生沿特定方向扩展的贯通裂缝，聚能爆破和定向水力致裂是目前广泛采用的两种方法。

聚能爆破技术是在煤岩体中预先施工钻孔，钻孔通常成直线布置，将炸药药卷或者装有炸药的聚能管装入钻孔，然后控制相邻的多个钻孔同时起爆，通过多孔同步作用将煤岩体沿着钻孔布置线大致呈直线撕裂开。

定向水力致裂是常规水力致裂技术的进一步发展，常规水压裂缝的扩展延伸受控于地应力场等因素的综合作用，难以满足工程需求。水力割缝能够使钻孔孔壁沿预割缝槽优先起裂，并引导水压裂缝的定向扩展，对定向水力致裂具有较好的促进作用。

110工法的预裂切缝位置位于巷道顶板边界处，不仅要保证顶板“切得开”，且不能破坏巷道顶板的完整性。因此，对定向致裂的“定向”要求很高。目前广泛使用的技术为双向聚能拉伸爆破，该技术定向效果好，但是炸药具有一定的危险性，安全管理难度很大，聚能爆破单孔控制范围较小，爆破过程中对周围的动力扰动较大且会产生有害气体污染环境，成本较高。

水力压裂技术能够避免上述问题。但水力压裂的定向难度较大，若考虑通过水力压裂进行定向切顶，首先需解决轴向预制裂缝问题。目前，钻孔径向造缝预裂技术已形成了较为成熟钻割一体化技术。在退钻过程中，利用钻头喷嘴喷射的高压水射流对钻孔煤壁进行高速旋转切割，进而在钻孔内形成一直径较大的径向裂缝面。而轴向造缝预裂技术和方法却鲜有研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向造缝预裂方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现提供一种成本低、效率高、裂缝方向可控、连通性强、安全性能好的针对煤矿顶板钻孔轴向造缝预裂的方法和技术。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种轴向造缝预裂方法，包括由下至上依次设置的底板、巷道工作空间、直接顶、基本顶，

S1、预裂前准备：将钻杆通过钻孔轴向打入所述直接顶，且所述钻杆末端伸入所述基本顶内；

S2、安装换杆部：在所述巷道工作空间安装换杆部，随后将所述换杆部与所述钻杆连接；

S3、安装供液部：在所述巷道工作空间安装供液部，并将所述钻杆与所述供液部连通；

S4、切缝和换杆：启动所述换杆部和所述供液部，对所述基本顶和所述直接顶进行切缝和换杆；

S5、直接顶和基本顶预裂：重复步骤S-S4，对多个钻孔进行预裂。

优选的，步骤S中，所述钻杆设置有若干个，若干所述钻杆依次螺纹连接，所述钻杆通过钻机打入所述直接顶，位于最上方的所述钻杆上固接有割缝器，所述割缝器顶端固接有钻头，所述割缝器上开设有水射流喷嘴，所述割缝器上的所述水射流喷嘴通过所述钻机调整朝向，步骤S2中，所述钻杆与所述钻机分离后与所述换杆部连接。

优选的，所述换杆部包括轴向设置的一级油缸和二级油缸，所述一级油缸通过底座固定，所述一级油缸上固接有可开合的下虎钳，所述二级油缸位于所述一级油缸上方，且所述二级油缸与所述一级油缸滑动连接，所述二级油缸上固接有可开合的上虎钳，所述下虎钳和所述上虎钳分别与所述钻杆可拆卸连接。

优选的，步骤S4中，当进行切缝时，所述二级油缸往复运动，所述上虎钳与所述钻杆连接，所述下虎钳不与所述钻杆连接，当进行换杆时，所述二级油缸带动所述钻杆下降，所述下虎钳和所述上虎钳与同一所述钻杆连接，随后所述上虎钳解除连接并提升，提升后的所述上虎钳与另一所述钻杆连接，所述下虎钳与所述钻杆解除连接并拆卸与所述下虎钳相对应的所述钻杆。

优选的，步骤S4中，所述钻杆拆除后，将所述供液部与另一所述钻杆连通。

优选的，步骤S4中，当位于所述直接顶内的所述钻杆数量为1时，所述供液部停止向所述钻杆内供液。

优选的，所述供液部包括设置在所述巷道工作空间的水箱，所述水箱出液端通过高压泵连通有注液管，所述注液管出液端与最下方所述钻杆连通，所述注液管通过若干所述钻杆与所述水射流喷嘴连通。

优选的，位于最下方的所述钻杆上套设有封堵塞，所述封堵塞用于封堵所述钻杆与所述直接顶之间的间隙，所述封堵塞上连通有排水管，所述排水管与所述水箱连通。

优选的，所述排水管出液端连通有过滤器，所述过滤器出液端与所述水箱进液端连通。

本发明公开了以下技术效果：

1.在定向致裂方面，本发明与目前的水射流割缝技术相比，能够实现钻孔的轴向割缝预裂，为后期定向水力压裂创造了条件，极大扩展了水力定向致裂的能力与用途。

2.在切顶成巷方面，通过本发明的钻孔轴向造缝预裂技术，大大提高了水压裂缝的定向扩展能力，该技术在某些条件下(如高瓦斯矿井)有望代替聚能爆破，进行定向切顶。从而避免了爆破产生的火花引燃煤矿采空区的瓦斯，并且不会产生任何有毒有害气体，进一步提高矿山的安全高效开采。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为预裂施工示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为图1中B处的局部放大图；

图4为换杆部换杆状态的示意图；

图5为钻杆与钻头连接关系示意图；

图6为施工效果示意图；

其中，1-底板，2-巷道工作空间，3-直接顶，4-基本顶，5-钻杆，6-割缝器，7-钻头，8-水射流喷嘴，9-一级油缸，10-二级油缸，11-底座，12-下虎钳，13-上虎钳，14-水箱，15-高压泵，16-注液管，17-封堵塞，18-排水管，19-过滤器，20-抱箍，21-液压油缸，22-位移传感器。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-6，本发明提供一种轴向造缝预裂方法，包括由下至上依次设置的底板1、巷道工作空间2、直接顶3、基本顶4。在施工前，需要首先根据定向切顶的工作需求，确定其切顶线位置、切顶高度等切顶参数。然后根据顶板岩层的物理力学参数设计预裂方案，主要包括水射流压力、钻杆升降速度、每轮预裂时间的确定。通过前期确定，以便于后期快速安全的进行施工。

S1、预裂前准备：将钻杆5通过钻孔轴向打入直接顶3，且钻杆5末端伸入基本顶4内。将钻杆5钻入直接顶3和基本顶4形成钻孔，钻孔的高度长度应当与基本顶的高度相当。

S2、安装换杆部：在巷道工作空间2安装换杆部，随后将换杆部与钻杆5连接。换杆部的存在一方面是对多根钻杆5进行支撑升降，以对钻孔进行切缝，另一方面，换杆部的存在可以较为容易的拆卸钻杆5，由于本装置中的钻杆5轴向设置，因此存在钻杆5难以拆卸的问题，而设置换杆部，可以较好的对钻杆5进行拆卸。

S3、安装供液部：在巷道工作空间2安装供液部，并将钻杆5与供液部连通。供液部为钻杆5提供高压液体，随后通过钻杆5喷出，以对岩层进行切缝处理。

S4、切缝和换杆：启动换杆部和供液部，对基本顶4和直接顶3进行切缝和换杆。钻孔工作结束后，在钻杆5退钻过程中，换杆部带动钻杆5往复运动对岩层进行切缝，在此过程中供液部提供高压液体，待切缝完毕后，换杆部带动钻杆5下降，并拆卸位于最下方的钻杆5，该设置一方面可以对钻孔较为均匀的进行切缝处理，另一方面，随着钻杆5的拆卸，当钻孔全部切缝处理完成后，不需要耗费额外时取出钻杆。

S5、直接顶3和基本顶4预裂：重复步骤S1-S4，对多个钻孔进行预裂。待一个钻孔轴向预裂完毕后，拆除换杆部和供液部，并对下一钻孔进行重复操作，以实现多个钻孔的轴向预裂处理。

进一步优化方案，步骤S1中，钻杆5设置有若干个，若干钻杆5依次螺纹连接，钻杆5通过钻机打入直接顶3，位于最上方的钻杆5上固接有割缝器6，割缝器6顶端固接有钻头7，割缝器6上开设有水射流喷嘴8，割缝器6上的水射流喷嘴8通过钻机调整朝向，步骤S2中，钻杆5与钻机分离后与换杆部连接。钻机工作，为钻杆5提供动力，使得钻杆5打入直接顶3和基本顶4，随后由操作人员控制钻机，使得钻杆5缓慢旋转，其目的是调增水射流喷嘴8的朝向。

待朝向调整完毕后，拆卸钻机，并安装换杆部和供液部，随后供液部供液，并通过换杆部往复升降水射流喷嘴8，最终形成轴向裂隙面，由于每轮仅拆卸一个钻杆5，因此每轮的轴向裂隙面长度为钻杆5长度。

本发明的一个实施例中，每根钻杆5的长度优选1m，当钻杆5的数量为N根时，最终形成钻孔长度为Nm，多根钻杆5之间优先采用螺纹连接，且钻杆5优选使用无缝钢管。而由于钻杆5的长度优选为1m，因此每轮轴向预裂长度等于单根钻杆5长度(即为1m)。

进一步优化方案，换杆部包括轴向设置的一级油缸9和二级油缸10，一级油缸9通过底座11固定，一级油缸9上固接有可开合的下虎钳12，二级油缸10位于一级油缸9上方，且二级油缸10与一级油缸9滑动连接，二级油缸10上固接有可开合的上虎钳13，下虎钳12和上虎钳13分别与钻杆5可拆卸连接。底座11用来固定一级油缸9，使其不易发生倾斜，而二级油缸10用来驱动钻杆5进行升降。

本发明的一个实施例中，一级油缸9和二级油缸10上分别通过抱箍20固接有一液压油缸21，两液压油缸21分别有下虎钳12和上虎钳13传动连接。通过抱箍20，使得下虎钳12固定在一级油缸9上，上虎钳13固定在二级油缸10上，而液压油缸21的存在，可分别控制下虎钳12与上虎钳13的开合。

本发明的一个实施例中，两液压油缸21之间设置有一位移传感器22，位移传感器22用来监测二级油缸10的行程，从而判断上虎钳13的位置。

本发明的一个实施例中，一级油缸9、二级油缸10的升降可通过PLC或者单片机(图中未示出)远程伺服控制，控制系统接收位移传感器22数据，确定二级油缸10的上虎钳13的位置，自主控制升降的关停和升降速度，从而节省人力物力。而PLC或者单片机的使用为现有技术，在此不做过多赘述。

本发明的一个实施例中，一级油缸9长度优选为1.5m，二级油缸10长度优选大于1.1m，且其行程优选为1m。

本发明的一个实施例中，每轮切缝循环时间优选为3min-5min。

进一步优化方案，步骤S4中，当进行切缝时，二级油缸10往复运动，上虎钳13与钻杆5连接，下虎钳12不与钻杆5连接，当进行换杆时，二级油缸10带动钻杆5下降，下虎钳12和上虎钳13与同一钻杆5连接，随后上虎钳13解除连接并提升，提升后的上虎钳13与另一钻杆5连接，下虎钳12与钻杆5解除连接并拆卸与下虎钳12相对应的钻杆5。当进行切缝时，由二级油缸10带动钻杆5进行升降运动，以对钻孔进行切缝，当切缝完毕后，通过下虎钳12对钻杆5进行夹持固定，随后上虎钳13对位于上方的钻杆5进行夹持固定，待上虎钳13固定完毕后后，松开下虎钳12，即可对位于最下方的钻杆5进行拆卸。该种设置一方面可以较好的对多个钻杆5进行支撑，另一方面便于钻杆5的拆卸。

进一步优化方案，步骤S4中，钻杆5拆除后，将供液部与另一钻杆5连通。供液部需要与被拆卸的钻杆5分离，以使得供液部可以为水射流喷嘴8提供高压液体。

进一步优化方案，步骤S4中，当位于直接顶3内的钻杆5数量为1时，供液部停止向钻杆5内供液。当仅剩最后一根钻杆5时，不再对直接顶3进行切割，第一个钻孔的预裂工作结束。这是为了保证钻孔附近围岩的完整性，在预裂工作结束后，满足后期水力压裂的封孔要求。

进一步优化方案，供液部包括设置在巷道工作空间2的水箱14，水箱14出液端通过高压泵15连通有注液管16，注液管16出液端与最下方钻杆5连通，注液管16通过若干钻杆5与水射流喷嘴8连通。水箱14用来存储液体，通过高压泵15对液体进行加压后由水射流喷嘴8导出。

本发明的一个实施例中，高压泵15和注液管16优选可承受100Mpa的压力。

进一步优化方案，位于最下方的钻杆5上套设有封堵塞17，封堵塞17用于封堵钻杆5与直接顶3之间的间隙，封堵塞17上连通有排水管18，排水管18与水箱14连通。当岩层较为坚硬时，割缝过程中会消耗大量的水，为节约用水并且防止过多的水从钻孔流向施工现场，将钻孔孔口使用封堵塞17进行封堵。封堵塞17既要保证钻杆5能够轻松穿过，又要尽可能避免水直接从钻孔中流出。

本发明的一个实施例中，封堵塞17优选采用胶皮材料。

进一步优化方案，排水管18出液端连通有过滤器19，过滤器19出液端与水箱14进液端连通。封堵塞17下部连通排水管18，钻孔中携有岩屑的水流经排水管18流入过滤器19，经过滤后的清水排入水箱14重复使用，而岩屑则从污口排出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种轴向造缝预裂方法，包括由下至上依次设置的底板(1)、巷道工作空间(2)、直接顶(3)、基本顶(4)，其特征在于：

S1、预裂前准备：将钻杆(5)通过钻孔轴向打入所述直接顶(3)，且所述钻杆(5)末端伸入所述基本顶(4)内；

S2、安装换杆部：在所述巷道工作空间(2)安装换杆部，随后将所述换杆部与所述钻杆(5)连接；

S3、安装供液部：在所述巷道工作空间(2)安装供液部，并将所述钻杆(5)与所述供液部连通；

S4、切缝和换杆：启动所述换杆部和所述供液部，对所述基本顶(4)和所述直接顶(3)进行切缝和换杆；

S5、直接顶(3)和基本顶(4)预裂：重复步骤S1-S4，对多个钻孔进行预裂；

步骤S1中，所述钻杆(5)设置有若干个，若干所述钻杆(5)依次螺纹连接，所述钻杆(5)通过钻机打入所述直接顶(3)，位于最上方的所述钻杆(5)上固接有割缝器(6)，所述割缝器(6)顶端固接有钻头(7)，所述割缝器(6)上开设有水射流喷嘴(8)，所述割缝器(6)上的所述水射流喷嘴(8)通过所述钻机调整朝向，步骤S2中，所述钻杆(5)与所述钻机分离后与所述换杆部连接；

所述换杆部包括轴向设置的一级油缸(9)和二级油缸(10)，所述一级油缸(9)通过底座(11)固定，所述一级油缸(9)上固接有可开合的下虎钳(12)，所述二级油缸(10)位于所述一级油缸(9)上方，且所述二级油缸(10)与所述一级油缸(9)滑动连接，所述二级油缸(10)上固接有可开合的上虎钳(13)，所述下虎钳(12)和所述上虎钳(13)分别与所述钻杆(5)可拆卸连接；

步骤S4中，当进行切缝时，所述二级油缸(10)往复运动，所述上虎钳(13)与所述钻杆(5)连接，所述下虎钳(12)不与所述钻杆(5)连接，当进行换杆时，所述二级油缸(10)带动所述钻杆(5)下降，所述下虎钳(12)和所述上虎钳(13)与同一所述钻杆(5)连接，随后所述上虎钳(13)解除连接并提升，提升后的所述上虎钳(13)与另一所述钻杆(5)连接，所述下虎钳(12)与所述钻杆(5)解除连接并拆卸与所述下虎钳(12)相对应的所述钻杆(5)。

2.根据权利要求1所述的轴向造缝预裂方法，其特征在于：步骤S4中，所述钻杆(5)拆除后，将所述供液部与另一所述钻杆(5)连通。

3.根据权利要求1所述的轴向造缝预裂方法，其特征在于：步骤S4中，当位于所述直接顶(3)内的所述钻杆(5)数量为1时，所述供液部停止向所述钻杆(5)内供液。

4.根据权利要求1所述的轴向造缝预裂方法，其特征在于：所述供液部包括设置在所述巷道工作空间(2)的水箱(14)，所述水箱(14)出液端通过高压泵(15)连通有注液管(16)，所述注液管(16)出液端与最下方所述钻杆(5)连通，所述注液管(16)通过若干所述钻杆(5)与所述水射流喷嘴(8)连通。

5.根据权利要求4所述的轴向造缝预裂方法，其特征在于：位于最下方的所述钻杆(5)上套设有封堵塞(17)，所述封堵塞(17)用于封堵所述钻杆(5)与所述直接顶(3)之间的间隙，所述封堵塞(17)上连通有排水管(18)，所述排水管(18)与所述水箱(14)连通。

6.根据权利要求5所述的轴向造缝预裂方法，其特征在于：所述排水管(18)出液端连通有过滤器(19)，所述过滤器(19)出液端与所述水箱(14)进液端连通。

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